KR20220046966A - Manufacturing method for zinc-ferrite catalyst and manufacturing method for butadien using zinc-ferrite catalyst - Google Patents

Manufacturing method for zinc-ferrite catalyst and manufacturing method for butadien using zinc-ferrite catalyst Download PDF

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Abstract

The present specification relates to a method for preparing a zinc ferrite catalyst and a method for preparing butadiene using the zinc ferrite catalyst prepared thereby. The method for preparing a zinc ferrite catalyst includes: a step of preparing zinc ferrite powder using a co-precipitation method; a step of adding a crystal control material including molybdenum oxide (MoO_3) to the zinc ferrite powder; and a step of sintering the zinc ferrite powder. The zinc ferrite catalyst of the present invention can reduce generation of by-products such as CO_x when applied to preparation of butadiene.

Description

아연 페라이트 촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매를 사용한 부타디엔의 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR ZINC-FERRITE CATALYST AND MANUFACTURING METHOD FOR BUTADIEN USING ZINC-FERRITE CATALYST}A method for producing a zinc ferrite catalyst and a method for producing butadiene using the zinc ferrite catalyst prepared thereby

본 명세서는 아연 페라이트 촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매를 사용한 부타디엔의 제조방법에 관한 것이다.The present specification relates to a method for producing a zinc ferrite catalyst and a method for producing butadiene using the zinc ferrite catalyst prepared thereby.

1,3-부타디엔(1,3-butadiene)은 석유화학 제품의 중간체로서 전세계적으로 그 수요와 가치가 점차 증가하고 있다. 상기 1,3-부타디엔은 납사 크래킹, 부텐의 직접 탈수소화 반응, 부텐의 산화적 탈수소화 반응 등을 이용해 제조되고 있다.1,3-butadiene (1,3-butadiene) is an intermediate in petrochemical products, and its demand and value are gradually increasing worldwide. The 1,3-butadiene is produced using naphtha cracking, direct dehydrogenation of butene, oxidative dehydrogenation of butene, and the like.

그러나, 상기 납사 크래킹 공정은 높은 반응 온도로 인해 에너지 소비량이 많을 뿐만 아니라, 1,3-부타디엔 생산만을 위한 단독 공정이 아니기 때문에, 1,3-부타디엔 이외에 다른 기초 유분이 잉여로 생산된다는 문제가 있다. 또한, n-부텐의 직접 탈수소화 반응은 열역학적으로 불리할 뿐만 아니라, 흡열반응으로써 높은 수율의 1,3-부타디엔 생산을 위해 고온 및 저압의 조건이 요구되어, 1,3-부타디엔을 생산하는 상용화 공정으로는 적합하지 않다.However, the naphtha cracking process not only consumes a lot of energy due to a high reaction temperature, but is not a single process only for the production of 1,3-butadiene, so there is a problem that other basic oils other than 1,3-butadiene are produced in excess. . In addition, the direct dehydrogenation reaction of n-butene is not only thermodynamically disadvantageous, but also high temperature and low pressure conditions are required to produce 1,3-butadiene in high yield as an endothermic reaction, so commercialization of 1,3-butadiene is produced. The process is not suitable.

한편, 부텐의 산화적 탈수소화 반응은 금속산화물 촉매의 존재 하에 부텐과 산소가 반응하여 1,3-부타디엔과 물을 생성하는 반응으로, 안정한 물이 생성되므로 열역학적으로 매우 유리한 이점을 갖는다. 또한, 부텐의 직접 탈수소화 반응과 달리 발열반응이므로, 직접 탈수소화 반응에 비해 낮은 반응온도에서도 높은 수율의 1,3-부타디엔을 얻을 수 있고, 추가적인 열 공급을 필요로 하지 않아 1,3-부타디엔 수요를 충족시킬 수 있는 효과적인 단독 생산 공정이 될 수 있다.On the other hand, the oxidative dehydrogenation of butene is a reaction in which butene and oxygen react to produce 1,3-butadiene and water in the presence of a metal oxide catalyst, and since stable water is produced, it has a thermodynamically very advantageous advantage. In addition, since it is an exothermic reaction unlike the direct dehydrogenation reaction of butene, a high yield of 1,3-butadiene can be obtained even at a lower reaction temperature compared to the direct dehydrogenation reaction, and 1,3-butadiene does not require additional heat supply. It can be an effective standalone production process that can meet the demand.

한편, 부텐의 산화적 탈수소화 반응용 촉매로 널리 알려진 페라이트 계열 촉매는 일반적으로 공침법에 의해 합성되는데, 공침법으로 합성된 촉매는 산화적 탈수소화 반응에 활성인 결정구조와 비활성인 α-Fe2O3 결정구조가 공존하는 것으로 알려져 있다. 따라서 촉매 합성 시 비활성인 α-Fe2O3 결정구조를 감소시키거나, 비활성인 결정구조가 일정 수준 이상 존재하더라도 활성이 우수한 촉매를 제조하는 기술에 대한 연구를 필요로 하였다.On the other hand, a ferrite-based catalyst widely known as a catalyst for the oxidative dehydrogenation of butene is generally synthesized by a co-precipitation method. It is known that 2 O 3 crystal structures coexist. Therefore, it was necessary to study a technique for reducing the inactive α-Fe 2 O 3 crystal structure during catalyst synthesis or for preparing a catalyst with excellent activity even if the inactive crystal structure exists at a certain level or more.

또한, 공침법을 이용하여 촉매를 합성하는 경우 기술 및 공간적 제약으로 1회 생산량이 작아 목표량을 채우기 위해서는 동일 과정을 수차례 반복하여 촉매를 제조해야 하므로 생산성 향상에 어려움이 있으며, 이러한 문제로 농축하여 촉매를 합성하는 것이 바람직하나, 이 경우에는 비활성 결정구조의 함량이 증가하여 활성이나 안정성이 떨어지는 문제점을 야기하였다.In addition, in the case of synthesizing the catalyst using the co-precipitation method, the production at one time is small due to technological and spatial limitations, so in order to meet the target amount, the same process must be repeated several times to prepare the catalyst, so it is difficult to improve productivity. It is preferable to synthesize the catalyst, but in this case, the content of the inactive crystal structure increases, which causes a problem in that activity or stability is deteriorated.

US 8513479 B2US 8513479 B2

본 발명은 공침법을 사용하면서도 부타디엔의 제조에 적용 시 COx와 같은 부산물의 생성을 감소시킬 수 있는 아연 페라이트 촉매의 제조방법 및 이에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매를 사용한 부타디엔의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a zinc ferrite catalyst capable of reducing the production of by-products such as COx when applied to the production of butadiene while using a co-precipitation method, and to a method for producing butadiene using the zinc ferrite catalyst prepared thereby.

본 발명의 일 실시상태는 공침법을 이용하여 아연 페라이트 분말을 제조하는 단계; 상기 아연 페라이트 분말에 몰리브덴 산화물(MoO3)을 포함하는 결정 조절 물질을 첨가하는 단계; 및 상기 아연 페라이트 분말을 소성하는 단계를 포함하는 아연 페라이트 촉매의 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a zinc ferrite powder using a co-precipitation method; adding a crystal control material including molybdenum oxide (MoO 3 ) to the zinc ferrite powder; and calcining the zinc ferrite powder.

또한, 본 발명의 일 실시상태는 상기 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매를 반응기에 충진시켜 촉매층을 형성하는 단계; 및 C4 유분 및 산소를 포함하는 반응물을 상기 촉매층에 연속적으로 통과시키면서 산화적 탈수소화 반응을 유도하는 단계를 포함하는 부타디엔의 제조방법을 제공한다.In addition, an exemplary embodiment of the present invention comprises the steps of forming a catalyst layer by filling a reactor with the zinc ferrite catalyst prepared by the above method; and inducing an oxidative dehydrogenation reaction while continuously passing a reactant containing a C4 fraction and oxygen through the catalyst layer.

본 명세서의 일 실시상태에 따른 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 따라 제조된 아연 페라이트 촉매는 부타디엔의 제조에 적용 시 COx와 같은 부산물의 생성을 감소시킬 수 있다.The zinc ferrite catalyst prepared according to the method for producing a zinc ferrite catalyst according to an exemplary embodiment of the present specification can reduce the production of by-products such as COx when applied to the production of butadiene.

이에 따라, 부텐의 산화적 탈수소화에 사용되는 종래의 아연 페라이트 촉매 대비 높은 1,3-부타디엔 수율을 얻을 수 있다.Accordingly, it is possible to obtain a higher yield of 1,3-butadiene compared to the conventional zinc ferrite catalyst used for the oxidative dehydrogenation of butenes.

도 1은 실험예 1의 XRD 도면이다.
도 2는 비교예 4의 몰리브덴 산화물이 용해되지 않고 석출된 것을 나타낸 사진이다.
1 is an XRD diagram of Experimental Example 1.
2 is a photograph showing that the molybdenum oxide of Comparative Example 4 was precipitated without being dissolved.

이하, 본 명세서에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present specification will be described in more detail.

본 명세서에서, “불순물”이란, 아연 전구체 또는 철 전구체의 금속 성분을 제외한 염소 이온(Cl-) 등과 같은 할로겐 성분, 또는 공침 과정에서 형성된 α-Fe2O3 상(phase)을 의미한다. 상기 “불순물”이 염소 등과 같은 할로겐 물질인 경우, 시료 연소와 적정의 조합법, 시료 연소와 이온 크로마토그래피의 조합법, 및 유도 결합 플라즈마 발광 분광 분석(ICP-AES/OES) 등으로 존재 여부 및 함량을 계산할 수 있다. 한편, ICP-AES/OES가 바람직하다.As used herein, the term “impurity” refers to a halogen component such as chlorine ions (Cl ) excluding a metal component of a zinc precursor or an iron precursor, or α-Fe 2 O 3 phase formed in the co-precipitation process. If the “impurity” is a halogen substance such as chlorine, the presence and content can be determined by a combination method of sample combustion and titration, a combination method of sample combustion and ion chromatography, and inductively coupled plasma emission spectroscopy (ICP-AES/OES). can be calculated On the other hand, ICP-AES/OES is preferable.

본 명세서에서, “물”은 증류수(DI water)일 수 있다.In this specification, "water" may be distilled water (DI water).

본 명세서에 있어서, '수율(%)'은 산화적 탈수소화 반응의 생성물인 1,3-부타디엔의 몰수를, 원료인 부텐의 몰수로 나눈 값으로 정의된다. 예컨대, 수율은 하기의 식으로 표시될 수 있다.In the present specification, 'yield (%)' is defined as a value obtained by dividing the number of moles of 1,3-butadiene, which is a product of the oxidative dehydrogenation reaction, by the number of moles of butene, a raw material. For example, the yield may be expressed by the following formula.

수율(%) = [(생성된 1,3-부타디엔의 몰수)/(공급된 부텐의 몰수)] × 100Yield (%) = [(number of moles of 1,3-butadiene produced)/(number of moles of butene supplied)] × 100

본 명세서에 있어서, '전환율(conversion, %)'은 반응물이 생성물로 전환하는 비율을 말하며, 예컨대, 부텐의 전환율은 하기의 식으로 정의될 수 있다.In the present specification, 'conversion (%)' refers to the rate at which a reactant is converted into a product, for example, the conversion rate of butene may be defined by the following formula.

전환율(%) = [(반응한 부텐의 몰수)/(공급된 부텐의 몰수)] × 100Conversion (%) = [(number of moles of butene reacted)/(number of moles of butene supplied)] × 100

본 명세서에 있어서, '선택도(%)'는 부타디엔(BD)의 변화량을 부텐(BE)의 변화량으로 나눈 값으로 정의된다. 예컨대, 선택도는 하기의 식으로 표시될 수 있다.In the present specification, 'selectivity (%)' is defined as a value obtained by dividing the amount of change in butadiene (BD) by the amount of change in butene (BE). For example, selectivity can be expressed by the following formula.

선택도(%) = [(생성된 1,3-부타디엔 또는 COx의 몰수)/(반응한 부텐의 몰수)] × 100Selectivity (%) = [(number of moles of 1,3-butadiene or COx produced)/(number of moles of butene reacted)] × 100

부텐의 산화적 탈수소화 반응을 통해 1,3-부타디엔(butadiene)을 생산하는 공정의 촉매로 스피넬(spinel) 구조(AFe2O4)를 갖는 페라이트계 촉매의 활성이 좋다고 알려져 있다. 이때, 상기 A는 2가의 금속일 수 있으며, 구체적으로 Cu, Ra, Ba, Sr, Ca, Cu, Be, Zn, Mg, Mn, Co 또는 Ni일 수 있다.It is known that a ferritic catalyst having a spinel structure (AFe 2 O 4 ) has good activity as a catalyst for a process for producing 1,3-butadiene through the oxidative dehydrogenation of butene. In this case, A may be a divalent metal, specifically Cu, Ra, Ba, Sr, Ca, Cu, Be, Zn, Mg, Mn, Co or Ni.

한편, 페라이트계 촉매의 경우, 2-부텐(2-butene), 특히 트랜스-2-부텐(trans-2-butene)에 대한 반응성이 비스무스-몰리브덴 촉매(Mo-Bi 촉매)보다 우수한 결과를 나타낸다고 알려져 있다. 따라서, 2-부텐의 산화적 탈수소화 반응에 Mo-Bi 촉매를 적용하더라도 본 발명과 같은 효과, 즉 부텐의 전환율 또는 부타디엔의 선택도 등의 결과가 얻어지지 않는다.On the other hand, in the case of a ferritic catalyst, it is known that the reactivity to 2-butene, especially trans-2-butene, is superior to that of the bismuth-molybdenum catalyst (Mo-Bi catalyst). there is. Therefore, even if the Mo-Bi catalyst is applied to the oxidative dehydrogenation of 2-butene, the same effect as in the present invention, that is, the results such as butene conversion or butadiene selectivity are not obtained.

이 때, 부텐의 산화적 탈수소화 반응에 사용되는 ZnFe2O4 촉매는 일반적으로 공침법에 의해 제조된다. 공침법은, 침전, 교반, 숙성 및 세척, 건조, 소성 과정을 거쳐 제조되는데, 문제는 종래의 공침법을 이용한 아연 페라이트 촉매의 합성과정에서 α-Fe2O3 상(phase)이 형성된다. α-Fe2O3 상(phase)은 부텐의 산화적 탈수소화 반응에 있어서, 낮은 부타디엔 선택도를 보이는 반면에, ZnFe2O4 상에서는 높은 부타디엔 선택도를 보인다.At this time, the ZnFe 2 O 4 catalyst used for the oxidative dehydrogenation of butene is generally prepared by a co-precipitation method. The co-precipitation method is prepared through precipitation, stirring, aging and washing, drying, and calcination processes. The problem is that during the synthesis of a zinc ferrite catalyst using the conventional co-precipitation method, an α-Fe 2 O 3 phase is formed. The α-Fe 2 O 3 phase shows a low butadiene selectivity in the oxidative dehydrogenation of butene, whereas a high butadiene selectivity in the ZnFe 2 O 4 phase.

또한, 아연 페라이트 촉매를 부타디엔의 제조에 적용 시 COx와 같은 부산물이 다량 생성되는 문제가 발생하는데, 본 발명자들은 상기 α-Fe2O3 상(phase)을 최소화하거나 상기 COx 발생을 줄일 수 있는 방안을 모색하였다. 그 결과, 공침법을 이용해 제조된 아연 페라이트 분말에 결정 조절 물질을 첨가하여 아연 페라이트 촉매를 제조할 때, α-Fe2O3 상(phase)을 감소시키고, 부타디엔 제조시 발생되는 heavy 물질을 제거하고 반응기 내의 hot spot을 낮게 유지할 수 있는 것을 확인하였다.In addition, when a zinc ferrite catalyst is applied to the production of butadiene, a large amount of by-products such as COx is generated, and the present inventors have proposed a method for minimizing the α-Fe 2 O 3 phase or reducing the generation of COx searched for As a result, when a zinc ferrite catalyst is prepared by adding a crystal control material to the zinc ferrite powder prepared using the co-precipitation method, the α-Fe 2 O 3 phase is reduced, and heavy substances generated during butadiene production are removed. and it was confirmed that the hot spot in the reactor could be kept low.

본 발명의 일 실시상태는 공침법을 이용하여 아연 페라이트 분말을 제조하는 단계; 상기 아연 페라이트 분말에 몰리브덴 산화물(MoO3)을 포함하는 결정 조절 물질을 첨가하는 단계; 및 상기 아연 페라이트 분말을 소성하는 단계를 포함하는 아연 페라이트 촉매의 제조방법을 제공한다.One embodiment of the present invention comprises the steps of preparing a zinc ferrite powder using a co-precipitation method; adding a crystal control material including molybdenum oxide (MoO 3 ) to the zinc ferrite powder; and calcining the zinc ferrite powder.

본 발명의 일 실시상태에 따른 아연 페라이트 촉매의 제조방법은 제조된 아연 페라이트 분말에 결정 조절 물질을 첨가하는 단계를 포함함으로써, 제조된 공침물에 결정 조절 물질을 잔류하게 하여 제조된 아연 페라이트 촉매의 α-Fe2O3 상(phase)을 감소시키고, 촉매를 반응 공정에 이용 시 heavy 물질을 효과적으로 제거하여 반응 수율을 향상시킬 수 있다.The method for producing a zinc ferrite catalyst according to an exemplary embodiment of the present invention includes adding a crystal control material to the prepared zinc ferrite powder, thereby allowing the crystal control material to remain in the prepared co-precipitate of the prepared zinc ferrite catalyst. α-Fe 2 O 3 It is possible to reduce the phase (phase), and effectively remove the heavy material when using the catalyst in the reaction process to improve the reaction yield.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 아연 페라이트 분말에 결정 조절 물질을 첨가하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 상기 아연 페라이트 분말을 포함하는 용액에 결정 조절 물질을 첨가할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the method of adding the crystal control material to the zinc ferrite powder is not particularly limited, and the crystal control material may be added to a solution containing the zinc ferrite powder.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정 조절 물질은 Mn, V, Bi, Sb, Cr, Ce, La, Sm, Ca, Mg, Co, Sn, Al, Ba 및 Sr으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 원소의 산화물일 수 있다. 상기 결정 조절 물질은 아연 페라이트 촉매의 철 또는 아연 원소를 대체하거나 아연 페라이트 촉매에 부착될 수 있는 물질로, heavy 물질을 제거하기에 적합한 원소들이다.In one embodiment of the present invention, the crystal control material is any one selected from the group consisting of Mn, V, Bi, Sb, Cr, Ce, La, Sm, Ca, Mg, Co, Sn, Al, Ba and Sr It may be an oxide of the above elements. The crystal control material is a material that can replace iron or zinc element of the zinc ferrite catalyst or can be attached to the zinc ferrite catalyst, and are elements suitable for removing heavy materials.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정 조절 물질은 알칼리 금속을 더 포함할 수 있다. 상기 알칼리 금속은 K, Na 또는 Ca일 수 있다. 이때, 상기 결정 조절 물질은 알칼리 금속의 수산화물 또는 질화물 형태를 포함할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the crystal control material may further include an alkali metal. The alkali metal may be K, Na or Ca. In this case, the crystal control material may include a hydroxide or nitride form of an alkali metal.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정 조절 물질은 상기 아연 페라이트 분말에 첨가되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 아연 페라이트 분말은 촉매 전구체 물질로부터 제조된 아연 페라이트 분말을 의미하며, 공침물이 소성된 상태를 의미한다.In an exemplary embodiment of the present invention, the crystal control material is added to the zinc ferrite powder. In this case, the zinc ferrite powder refers to a zinc ferrite powder prepared from a catalyst precursor material, and refers to a state in which the co-precipitate is calcined.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 결정 조절 물질의 함량이 상기 아연 페라이트 분말 전체 중량을 기준으로 0.01 wt% 이상 1 wt% 이하, 0.02 wt% 이상 0.5 wt% 이하 또는 0.02 wt% 이상 0.1 wt% 이하일 수 있다. 상기 결정 조절 물질의 함량이 너무 적으면, 상술한 결정 조절 물질에 의한 효과가 나타나기 어렵고, 상기 결정 조절 물질의 함량이 상기 범위를 초과하면 제조된 촉매의 활성이 떨어지는 문제가 있다.In one embodiment of the present invention, the content of the crystal control material is 0.01 wt% or more and 1 wt% or less, 0.02 wt% or more and 0.5 wt% or less, or 0.02 wt% or more and 0.1 wt% based on the total weight of the zinc ferrite powder. may be below. When the content of the crystal control material is too small, the effect of the crystal control material is difficult to appear, and when the content of the crystal control material exceeds the above range, there is a problem in that the activity of the prepared catalyst is deteriorated.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 아연 페라이트 촉매의 제조방법은 상기 아연 페라이트 분말을 소성하는 단계를 포함한다. 이때, 상기 아연 페라이트 분말을 소성하는 단계는 후술하는 공침물을 소성하는 단계와는 소성 대상이 상이하여 서로 다른 단계이다. 다만, 소성 온도 등 소성 조건은 서로 동일할 수 있다.In an exemplary embodiment of the present invention, the method for preparing the zinc ferrite catalyst includes calcining the zinc ferrite powder. In this case, the step of calcining the zinc ferrite powder is different from the step of calcining the coprecipitate to be described later because the calcination target is different. However, the firing conditions such as the firing temperature may be the same.

본 발명의 일 실시상태에 있어서, 상기 공침법을 이용하여 아연 페라이트 분말을 제조하는 단계는 아연 전구체 및 철 전구체를 포함하는 금속 전구체 수용액을 제조하는 단계; 상기 금속 전구체 수용액을 염기성 수용액과 접촉시켜 공침물을 얻는 단계; 및 상기 공침물을 소성하는 단계를 포함한다.In an exemplary embodiment of the present invention, the preparing of zinc ferrite powder by using the co-precipitation method includes preparing an aqueous solution of a metal precursor including a zinc precursor and an iron precursor; contacting the aqueous metal precursor solution with a basic aqueous solution to obtain a co-precipitate; and calcining the co-precipitate.

상기 아연 전구체 및 철 전구체는 각각 독립적으로 질산염(nitrate), 암모늄염(ammonium salt), 황산염(sulfate) 및 염화물(chloride)로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 이중 바람직하게는 값이 싸고 쉽게 구입이 용이함에 따라 대량생산을 위한 촉매 제조 비용을 고려하여 질산염이나 염화물 중에서 선택될 수 있다.The zinc precursor and the iron precursor may each independently be at least one selected from the group consisting of nitrate, ammonium salt, sulfate, and chloride. Among them, it may be preferably selected from nitrate or chloride in consideration of the cost of preparing a catalyst for mass production as it is inexpensive and readily available.

상기 아연 전구체는 2가 아연 전구체일 수 있고, 구체적으로 아연클로라이드(ZnCl2)일 수 있다. 이 경우, 아연 페라이트 촉매의 형성이 용이하다.The zinc precursor may be a divalent zinc precursor, specifically zinc chloride (ZnCl 2 ). In this case, the formation of the zinc ferrite catalyst is easy.

상기 철 전구체는 3가 철 전구체일 수 있고, 구체적으로 페릭클로라이드하이드레이트(FeCl3·6H2O)일 수 있다. 이 경우, 아연 페라이트 촉매의 형성이 우수하다.The iron precursor may be a trivalent iron precursor, specifically ferric chloride hydrate (FeCl 3 ·6H 2 O). In this case, the formation of the zinc ferrite catalyst is excellent.

상기 아연 전구체 및 철 전구체를 물에 혼합되어 금속 전구체 수용액으로 제조되며, 상기 금속 전구체가 물에 용해되어 액상으로 존재하는 경우, 아연과 철의 이온 교환이 용이하여 목적하는 공침물을 용이하게 제조할 수 있다.The zinc precursor and the iron precursor are mixed in water to prepare an aqueous metal precursor solution, and when the metal precursor is dissolved in water and exists in a liquid phase, ion exchange between zinc and iron is easy, which makes it easy to prepare a desired co-precipitate. can

상기 금속 전구체 수용액 내의 아연 전구체와 철 전구체의 혼합 비율(몰비)은 1:1.5 내지 1:10, 바람직하게는 1:1.6 내지 1:5, 더욱 바람직하게는 1:1.8 내지 1:3일 수 있다. 상기 범위에서 산화적 탈수소화 반응에 활성인 결정구조의 형성이 용이하여 촉매 활성이 우수한 효과가 있다.A mixing ratio (molar ratio) of the zinc precursor and the iron precursor in the aqueous metal precursor solution may be 1:1.5 to 1:10, preferably 1:1.6 to 1:5, more preferably 1:1.8 to 1:3. . In the above range, it is easy to form a crystal structure active in the oxidative dehydrogenation reaction, so that the catalyst activity is excellent.

상기 금속 전구체 수용액은 산성 용액일 수 있으며, 구체적인 pH가 일례로 0 내지 4, 1 내지 3 또는 1 내지 2일 수 있고, 이 범위 내에서 목적하는 활성성분이 안정적으로 형성되는 효과가 있다.The metal precursor aqueous solution may be an acidic solution, and a specific pH may be, for example, 0 to 4, 1 to 3, or 1 to 2, and within this range, the desired active ingredient is stably formed.

상기 금속 전구체 수용액이 제조된 이후, 상기 금속 전구체 수용액과 염기성 수용액을 공침조에 첨가시켜 철과 아연을 공침시킬 수 있다.After the metal precursor aqueous solution is prepared, the metal precursor aqueous solution and the basic aqueous solution may be added to a coprecipitation tank to coprecipitate iron and zinc.

상기 염기성 수용액은 수산화칼륨, 탄산암모늄, 탄산수소암모늄, 수산화나트륨 수용액, 탄산나트륨 수용액, 및 암모니아수로 이루어진 군에서 선택된 1종 또는 이들의 혼합 용액일 수 있다. 바람직하게는 상기 염기성 수용액은 암모니아수일 수 있다. 이 경우, 침전 순서를 달리하여 합성하는 아연 페라이트 촉매의 제조과정에서, 침전이 용이하여 촉매 입자의 형성을 우수하게 하는 효과가 있다.The basic aqueous solution may be one selected from the group consisting of potassium hydroxide, ammonium carbonate, ammonium hydrogen carbonate, sodium hydroxide aqueous solution, sodium carbonate aqueous solution, and aqueous ammonia, or a mixed solution thereof. Preferably, the basic aqueous solution may be aqueous ammonia. In this case, in the process of preparing a zinc ferrite catalyst synthesized by changing the precipitation sequence, precipitation is easy, thereby improving the formation of catalyst particles.

상기 염기성 수용액의 농도는 공침조 내의 전체 수용액 전체를 기준으로, 5 wt% 내지 20 wt%일 수 있다. 바람직하게는 5 wt% 내지 10 wt%일 수 있다.The concentration of the basic aqueous solution may be 5 wt% to 20 wt% based on the total aqueous solution in the coprecipitation tank. Preferably, it may be 5 wt% to 10 wt%.

상기 금속 전구체 수용액을 염기성 수용액과 접촉시켜 공침물을 얻는 단계 의 금속 전구체 수용액의 pH는 6 이상, 바람직하게는 6 이상 10 이하, 더욱 바람직하게는 7 이상 8 이하로 조절될 수 있다. 이 경우, 금속 전구체 수용액 투입으로 인해 투입 직후에 pH가 과도하게 급변하는 것을 방지하여, 촉매가 안정적으로 공침될 수 있다. 상기 금속 전구체 수용액과 염기성 수용액을 공침조에 첨가시키기 전에, 공침조에 염기성 수용액을 먼저 투입함으로써, 상기 공침조의 pH 환경을 조절할 수 있다. The pH of the aqueous metal precursor solution in the step of obtaining a co-precipitate by contacting the aqueous metal precursor solution with a basic aqueous solution may be adjusted to 6 or more, preferably 6 or more and 10 or less, and more preferably 7 or more and 8 or less. In this case, the catalyst can be stably co-precipitated by preventing an excessively sudden change in pH immediately after the input due to the input of the aqueous metal precursor solution. Before adding the metal precursor aqueous solution and the basic aqueous solution to the coprecipitation tank, the pH environment of the coprecipitation tank may be adjusted by first introducing the basic aqueous solution into the coprecipitation tank.

상기 아연 페라이트 촉매의 제조방법은 교반; 숙성; 또는 교반 및 숙성 단계를 더 포함한다. 구체적으로는 교반 및 숙성 단계를 순차적으로 포함할 수 있다.The method for preparing the zinc ferrite catalyst includes stirring; ferment; or further comprising stirring and aging. Specifically, the stirring and aging steps may be sequentially included.

상기 교반 및 숙성은 각각 30분 내지 3시간 또는 30분 내지 2시간 동안 실시될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The stirring and aging may be carried out for 30 minutes to 3 hours or 30 minutes to 2 hours, respectively, but is not limited thereto.

상기 공침 용액에 불순물 제거용 물질을 투입하여 불순물을 제거하는 단계는 숙성 단계 이전에 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 아연 페라이트 촉매의 제조방법은 교반 단계 및 숙성 단계를 포함하고, 상기 공침 용액에 불순물 제거용 물질을 투입하여 불순물을 제거하는 단계가 상기 교반 단계 및 숙성 단계 사이에 수행될 수 있다.The step of removing impurities by adding a material for removing impurities to the coprecipitation solution may be performed before the aging step. Specifically, the method for preparing the zinc ferrite catalyst includes a stirring step and an aging step, and the step of removing impurities by adding a material for removing impurities to the co-precipitation solution may be performed between the stirring step and the aging step.

본 명세서에서, “공침물”이란, 상기 공침조 내에 슬러리(slurry) 상태로 존재하는 물질을 의미할 수 있다.As used herein, the term “coprecipitate” may refer to a material existing in a slurry state in the coprecipitation tank.

상기 공침물의 최대 입자 직경은 10㎛ 이하, 바람직하게는 8㎛ 이하, 더욱 바람직하게는 7㎛ 이하일 수 있으며, 하한은 1㎛ 이상일 수 있다.The maximum particle diameter of the co-precipitate may be 10 μm or less, preferably 8 μm or less, more preferably 7 μm or less, and the lower limit may be 1 μm or more.

상기 공침 용액으로부터 공침물을 얻는 단계는 여과; 건조; 또는 여과 및 건조 단계를 포함할 수 있다. 상기 여과 또는 건조 과정을 통해, 공침물을 소성하기 전에 더욱 충분한 공침이 이루어질 수 있다.The step of obtaining a co-precipitate from the co-precipitation solution includes: filtration; dry; or filtration and drying. Through the filtration or drying process, more sufficient co-precipitation can be achieved before calcining the co-precipitate.

상기 건조 및 여과는 각각 당업계에서 통상적으로 실시되고 있는 방법이라면 특별히 제한되지 않고, 상기 여과는 일례로 감압 여과일 수 있으며, 필요에 따라 여과 후 세척하는 공정을 더 포함할 수 있다.The drying and filtration are not particularly limited as long as each of the methods are conventionally carried out in the art, and the filtration may be, for example, reduced pressure filtration, and may further include a process of washing after filtration if necessary.

상기 감압 여과는 구체적으로 진공 펌프를 사용하여 감압을 걸어 여과시키는 방법일 수 있으며, 이 경우 세척 및 수분을 촉매와 분리시키는 효과가 있다.The reduced pressure filtration may be a method of filtering under reduced pressure using a vacuum pump, and in this case, there is an effect of washing and separating moisture from the catalyst.

상기 건조는 통상의 건조기를 사용하여 수행될 수 있고, 일례로 60 내지 100 ℃, 70 내지 100 ℃, 혹은 80 내지 100 ℃에서 12 내지 48시간, 14 내지 30시간, 혹은 14 내지 26시간 동안 건조될 수 있다. 이때, 건조기는 오븐일 수 있고, 상기 오븐은 대기(air) 또는 진공 상태일 수 있다.The drying may be performed using a conventional dryer, for example, at 60 to 100 ℃, 70 to 100 ℃, or 80 to 100 ℃ to be dried for 12 to 48 hours, 14 to 30 hours, or 14 to 26 hours. can In this case, the dryer may be an oven, and the oven may be in an air or vacuum state.

상기 공침물을 소성하는 단계를 통해, ZnFe2O4 결정 구조를 포함하는 촉매를 수득할 수 있다.Through the step of calcining the co-precipitate, it is possible to obtain a catalyst including a ZnFe 2 O 4 crystal structure.

상기 소성은 80℃에서 1℃/min의 속도로 승온하여, 600℃ 내지 800℃에서 5시간 내지 10시간 유지하는 것일 수 있다. 상기 소성하는 단계는, 구체적으로 600℃ 내지 700℃, 더 구체적으로는 600℃ 내지 650℃에서 소성할 수 있다. 상기 소성은 구체적으로 5시간 내지 8시간, 더 구체적으로는 5시간 내지 6시간 소성할 수 있다.The sintering may be performed by raising the temperature at 80° C. at a rate of 1° C./min and maintaining the temperature at 600° C. to 800° C. for 5 to 10 hours. In the firing, specifically, the firing may be performed at 600°C to 700°C, and more specifically, at 600°C to 650°C. The calcination may be specifically calcined for 5 hours to 8 hours, more specifically, calcination for 5 hours to 6 hours.

상기 소성 이후에 30℃ 이하의 온도로 냉각할 수 있다.After the firing, it may be cooled to a temperature of 30° C. or less.

상기 온도범위에 따라 촉매의 ZnFe2O4 구조의 결정크기가 제어되며 온도가 상승함에 따라 결정크기가 커지는 경향을 보인다. 본 발명의 탈수소화 반응에서 산소의 흡착 및 탈착이 매우 중요하고, 결정성이 높을수록 탈착이 잘 이루어지지 않아 반응성이 감소할 수 있다. 예로 상용 ZnFe2O4의 경우 매우 큰 결정성을 보이지만 본 반응에는 활성이 매우 낮다. 이와 같은 이유로, 적절한 결정성을 갖는 촉매를 만드는 것이 매우 중요하며 이는 소성 온도가 핵심이라고 할 수 있다.The crystal size of the ZnFe 2 O 4 structure of the catalyst is controlled according to the temperature range, and the crystal size tends to increase as the temperature increases. Adsorption and desorption of oxygen are very important in the dehydrogenation reaction of the present invention, and the higher the crystallinity, the less desorption is performed, so reactivity may decrease. For example, commercial ZnFe 2 O 4 shows very high crystallinity, but has very low activity in this reaction. For this reason, it is very important to make a catalyst with appropriate crystallinity, and it can be said that the calcination temperature is the key.

상기 시간범위도 온도와 마찬가지의 경향성이 있다고 일반적으로 알려져 있지만 온도를 올리는 것보다 효과는 적을 수 있으며 시간을 너무 길게 유지한다면 나중에 상용화 단계에서 수 톤의 촉매를 생산할 때 생산시간이 너무 많이 소요되는 요소가 되기 때문에 일반적으로 랩에서는 소성시간을 6시간 내외로 조절하고 있다.Although it is generally known that the above time range has the same tendency as temperature, the effect may be less than raising the temperature, and if the time is maintained too long, it is a factor that takes too much production time when producing several tons of catalyst in the later commercialization stage In general, in the lab, the firing time is adjusted to around 6 hours.

상기 온도 및 시간범위를 벗어나는 경우에는, 가령 온도가 너무 600℃ 미만인 경우에는 결정 형성이 약하게 되어 구조적으로 안정성이 떨어질 수 있다. 반대로 온도가 800℃를 초과하는 경우에는 결정성이 매우 높아 오히려 활성이 낮은 촉매가 만들어 질 수 있다. 결론적으로 feed의 특성 및 반응특성을 고려한 적절한 결정성이 중요하며 이는 제2 침전물의 소성하는 단계의 온도 및 시간으로 조절할 수 있다.When out of the above temperature and time range, for example, if the temperature is too less than 600 ℃, crystal formation may be weak and structural stability may be deteriorated. Conversely, when the temperature exceeds 800° C., the crystallinity is very high, and a catalyst with low activity may be produced. In conclusion, appropriate crystallinity in consideration of feed characteristics and reaction characteristics is important, and this can be controlled by the temperature and time of the calcination of the second precipitate.

상기 아연 페라이트 촉매는 ZnFe2O4 결정 구조를 포함할 수 있다.The zinc ferrite catalyst may include a ZnFe 2 O 4 crystal structure.

또한, 상기 아연 페라이트 촉매는 ZnFe2O4 결정 구조 및 α-Fe2O3의 혼합상일 수 있다.In addition, the zinc ferrite catalyst may have a ZnFe 2 O 4 crystal structure and a mixed phase of α-Fe 2 O 3 .

상기 아연 페라이트 촉매의 ZnFe2O4 결정 구조 및 α-Fe2O3 결정 구조의 존재 여부 및 함량 비율은 XRD 회절 분석의 각 상(phase)에 해당하는 피크의 면적 비율을 통해 계산할 수 있다.The presence and content ratio of the ZnFe 2 O 4 crystal structure and the α-Fe 2 O 3 crystal structure of the zinc ferrite catalyst may be calculated through the area ratio of peaks corresponding to each phase of XRD diffraction analysis.

상기 ZnFe2O4 결정 구조에 해당하는 회절 피크는 (220), (311), (222), (400), (422), (511), (440) 면 위치, 상기 α-Fe2O3에 해당하는 회절 피크는 (104), (110), (113), (024), (116) 및 (018)의 면 위치에 해당하는 2θ 각도가 24.16°, 33.12°, 35.63°, 40.64°, 49.47°, 54.08° 또는 57.42°인 회절 피크일 수 있다.The diffraction peaks corresponding to the ZnFe 2 O 4 crystal structure are (220), (311), (222), (400), (422), (511), (440) plane positions, the α-Fe 2 O 3 The diffraction peaks corresponding to the 2θ angles corresponding to the in-plane positions of (104), (110), (113), (024), (116) and (018) are 24.16°, 33.12°, 35.63°, 40.64°, It can be a diffraction peak that is 49.47°, 54.08° or 57.42°.

상기 아연 페라이트 촉매의 α-Fe2O3의 결정 구조의 함량은 ZnFe2O4 결정 구조 및 α-Fe2O3 결정 구조 전체를 기준으로 12 wt%, 바람직하게는 11.8 wt%, 더욱 바람직하게는 11.6 wt% 이하일 수 있다. 상기 범위를 만족할 때, 불순물인 α-Fe2O3의 결정 구조의 비율이 줄어듦으로써, 촉매의 활성이 증가하는 효과가 있다. 한편, 상기 α-Fe2O3의 결정 구조의 함량의 하한값은 특별히 한정되지 않으나, ZnFe2O4 결정 구조 및 α-Fe2O3 결정 구조 전체를 기준으로 1 wt% 이상, 바람직하게는 5 wt% 이상, 더욱 바람직하게는 8 wt% 이상일 수 있다.The content of the crystal structure of α-Fe 2 O 3 in the zinc ferrite catalyst is 12 wt%, preferably 11.8 wt%, more preferably based on the ZnFe 2 O 4 crystal structure and the α-Fe 2 O 3 crystal structure as a whole. may be 11.6 wt% or less. When the above range is satisfied, the ratio of the crystal structure of the impurity α-Fe 2 O 3 is reduced, thereby increasing the activity of the catalyst. On the other hand, the lower limit of the content of the crystal structure of α-Fe 2 O 3 is not particularly limited, but 1 wt% or more, preferably 5, based on the ZnFe 2 O 4 crystal structure and the α-Fe 2 O 3 crystal structure as a whole wt% or more, more preferably 8 wt% or more.

상술한 아연 페라이트 촉매의 제조방법은 하기 수학식 1을 만족할 수 있다. 또한, 하기 수학식 1의 A2/A1은 바람직하게는 0.88 이하, 더욱 바람직하게는 0.87이하일 수 있다.The above-described method for preparing the zinc ferrite catalyst may satisfy Equation 1 below. In addition, A2/A1 of Equation 1 below may be preferably 0.88 or less, more preferably 0.87 or less.

[수학식 1][Equation 1]

A2/A1 ≤ 0.9A2/A1 ≤ 0.9

상기 수학식 1에 있어서,In Equation 1,

상기 A2는 상기 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매의 전체를 기준으로 α-Fe2O3의 결정 구조의 함량이고,A2 is the content of the crystal structure of α-Fe 2 O 3 based on the total of the zinc ferrite catalyst prepared by the method for producing the zinc ferrite catalyst,

상기 A1은 상기 공침법을 이용하여 아연 페라이트 분말을 제조하는 단계를 포함하지 않을 때의 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매의 전체를 기준으로 α-Fe2O3의 결정 구조의 함량이다.The A1 is based on the total of the zinc ferrite catalyst prepared by the method for producing a zinc ferrite catalyst when it does not include the step of preparing zinc ferrite powder by using the co-precipitation method of α-Fe 2 O 3 Crystal structure of is the content

상술한 아연 페라이트 촉매의 제조방법은 하기 수학식 2를 만족할 수 있다. 또한, 하기 수학식 2의 B2/B1은 바람직하게는 0.3 이하, 더욱 바람직하게는 0.1 이하일 수 있다.The above-described method for preparing the zinc ferrite catalyst may satisfy Equation 2 below. In addition, B2/B1 of Equation 2 below may be preferably 0.3 or less, more preferably 0.1 or less.

[수학식 2][Equation 2]

B2/B1 ≤ 0.5B2/B1 ≤ 0.5

상기 수학식 2에 있어서,In Equation 2,

상기 B2는 상기 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매의 전체의 전체를 기준으로 상기 금속 전구체로부터 유래된 음이온의 함량이고,Wherein B2 is the content of anions derived from the metal precursor based on the whole of the zinc ferrite catalyst prepared by the method for preparing the zinc ferrite catalyst,

상기 B1은 상기 공침법을 이용하여 아연 페라이트 분말을 제조하는 단계를 포함하지 않을 때의 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매의 전체를 기준으로 상기 금속 전구체로부터 유래된 음이온의 함량이다.B1 is the content of anions derived from the metal precursor based on the total of the zinc ferrite catalyst prepared by the method for producing a zinc ferrite catalyst when it does not include the step of preparing zinc ferrite powder using the co-precipitation method. .

상기 음이온은 상기 철 전구체 또는 아연 전구체의 금속 전구체에 포함되는 음이온 성분을 의미하므로, 상기 금속 전구체가 염화물인 경우에는 상기 음이온이 염소(Cl-)일 수 있다.Since the anion means an anion component included in the metal precursor of the iron precursor or the zinc precursor, when the metal precursor is a chloride, the anion may be chlorine (Cl ).

상기 음이온의 함량은 제조된 촉매의 C-IC 분석, EDS 분석을 이용하여 측정할 수 있으며, 이때 HITACHI사의 S4800 제품을 사용할 수 있다.The content of the anion can be measured using C-IC analysis and EDS analysis of the prepared catalyst, and in this case, HITACHI's S4800 product can be used.

본 발명의 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매는 부텐의 산화적 탈수소화 반응을 통해 부타디엔을 제조하는 방법에 이용될 수 있다.The zinc ferrite catalyst prepared by the method for producing a zinc ferrite catalyst of the present invention may be used in a method for producing butadiene through the oxidative dehydrogenation of butene.

전술한 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 따라 제조된 아연 페라이트 촉매는, 페라이트 및 아연의 몰비(페라이트/아연(Fe/Zna))가 1 내지 2.5인 것일 수 있다. 바람직하게는, 2 내지 2.5일 수 있다. 더 바람직하게는 2 내지 2.4일 수 있다. 페라이트 및 아연의 몰비가 상기 범위인 경우, 아연 페라이트 촉매의 결정구조 및 활성 증가에 도움이 되고, α-Fe2O3 상을 일정범위로 조절함으로써 아연 페라이트 상이 우세하게 형성되어, 산화적 탈수소화 반응에 따른 부타디엔의 선택도 및 수율이 우수한 효과가 있다. 상기 페라이트 및 아연의 몰비(페라이트/아연(Fe/Zna))는 EDS(Energy Dispersive X-ray Spectrometer) 특성 분석을 통해 측정한 실제 촉매 표면의 Fe/Zn의 비율이 어느 정도 분산되어 있는지 측정된 값이다.The zinc ferrite catalyst prepared according to the method for preparing the zinc ferrite catalyst described above may have a molar ratio of ferrite and zinc (ferrite/zinc (Fe/Zn a )) of 1 to 2.5. Preferably, it may be 2 to 2.5. More preferably, it may be 2 to 2.4. When the molar ratio of ferrite and zinc is within the above range, it helps to increase the crystal structure and activity of the zinc ferrite catalyst, and by controlling the α-Fe 2 O 3 phase to a certain range, the zinc ferrite phase is predominantly formed, resulting in oxidative dehydrogenation There is an excellent effect of the selectivity and yield of butadiene according to the reaction. The molar ratio of ferrite and zinc (ferrite/zinc (Fe/Zn a )) is measured through EDS (Energy Dispersive X-ray Spectrometer) characteristic analysis to determine how dispersed the ratio of Fe/Zn on the actual catalyst surface is. is the value

본 발명의 부텐의 산화적 탈수소화 반응은 부타디엔의 제조방법으로 명명될 수 있다. 상기 부타디엔의 제조방법은 상술한 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매가 충진된 반응기에 C4 유분 및 산소를 포함하는 반응물을 통과시키면서 산화적 탈수소화 반응을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.The oxidative dehydrogenation of butene according to the present invention may be referred to as a method for producing butadiene. The method for producing butadiene may include performing an oxidative dehydrogenation reaction while passing a reactant containing a C4 fraction and oxygen through a reactor filled with a zinc ferrite catalyst prepared by the above-described method.

상기 부타디엔의 제조방법은 상술한 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매를 반응기에 충진시켜 촉매층을 형성하는 단계; 및 C4 유분 및 산소를 포함하는 반응물을 상기 촉매층에 연속적으로 통과시키면서 산화적 탈수소화 반응을 유도하는 단계를 포함한다.The manufacturing method of butadiene includes the steps of forming a catalyst layer by filling a reactor with the zinc ferrite catalyst prepared by the above-mentioned manufacturing method; and inducing an oxidative dehydrogenation reaction while continuously passing a reactant including a C4 fraction and oxygen through the catalyst layer.

상기 C4 유분은 납사크래킹으로 생산된 C4 혼합물에서 유용한 화합물을 분리하고 남은 C4 라피네이트-1, 2, 3을 의미하는 것일 수 있으며, 에틸렌 다이머리제이션(dimerization)을 통해 얻을 수 있는 C4 류를 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 C4 유분은 n-부탄(n-butane), 트랜스-2-부텐(trans-2-butene), 시스-2-부텐(cis-2-butene), 및 1-부텐(1-butene)으로 이루어지는 군에서 선택되는 1 또는 2 이상의 혼합물일 수 있다.The C4 fraction may refer to C4 raffinate-1, 2, and 3 remaining after separating useful compounds from the C4 mixture produced by naphtha cracking, and refers to C4 that can be obtained through ethylene dimerization may be doing Specifically, the C4 fraction is n-butane, trans-2-butene, cis-2-butene, and 1-butene. ) may be one or a mixture of two or more selected from the group consisting of.

상기 반응물은 C4 유분 및 산소 외에 스팀 또는 질소(N2)를 포함할 수 있다. 상기 스팀 또는 질소(N2)는 반응물의 폭발 위험을 줄이는 동시에, 촉매의 코킹(coking) 방지 및 반응열의 제거 등의 목적으로 투입되는 희석기체이다.The reactant may include steam or nitrogen (N 2 ) in addition to the C4 fraction and oxygen. The steam or nitrogen (N 2 ) is a diluent gas that is input for the purpose of reducing the risk of explosion of the reactants, preventing coking of the catalyst, and removing the heat of reaction.

상기 산소(O2)는 산화제(oxidant)로서 C4 유분과 반응하여 탈수소화 반응을 일으킨다.The oxygen (O 2 ) reacts with the C4 fraction as an oxidant to cause a dehydrogenation reaction.

상기 산화적 탈수소화 반응은 아래 반응식 1 또는 반응식 2에 의해 진행될 수 있다.The oxidative dehydrogenation reaction may be carried out according to Scheme 1 or Scheme 2 below.

[반응식 1][Scheme 1]

C4H8 + 1/2O2 → C4H6 + H2OC 4 H 8 + 1/2O 2 → C 4 H 6 + H 2 O

[반응식 2][Scheme 2]

C4H10 + O2 → C4H6 + 2H2OC 4 H 10 + O 2 → C 4 H 6 + 2H 2 O

상기 산화적 탈수소화 반응으로 부탄 또는 부텐의 수소가 제거됨으로써 부타디엔(butadiene)이 제조된다. 한편, 상기 산화적 탈수소화 반응은 상기 반응식 1 또는 2와 같은 주반응 외에, 일산화탄소(CO), 또는 이산화탄소(CO2) 등을 포함하는 부반응 생성물이 생성될 수 있다. 상기 부반응 생성물은 공정 내에서 지속적인 축적이 발생하지 않도록 분리되어 계 외부로 배출되는 공정을 포함할 수 있다.The oxidative dehydrogenation reaction removes hydrogen from butane or butene, thereby producing butadiene. On the other hand, in the oxidative dehydrogenation reaction, in addition to the main reaction shown in Schemes 1 or 2, side reaction products including carbon monoxide (CO) or carbon dioxide (CO 2 ) may be produced. The side reaction product may include a process of being separated and discharged to the outside of the system so that continuous accumulation does not occur in the process.

상기 부타디엔의 제조방법에 있어서, 부텐의 전환율은 40% 이상일 수 있고, 바람직하게는 45% 이상일 수 있고, 더 바람직하게는 50% 이상일 수 있다.In the method for producing butadiene, the conversion rate of butene may be 40% or more, preferably 45% or more, and more preferably 50% or more.

상기 부타디엔의 제조방법에 있어서, 부타디엔의 선택도는 40% 이상일 수 있고, 바람직하게는 45% 이상일 수 있고, 더 바람직하게는 50% 이상일 수 있다.In the method for producing butadiene, the selectivity of butadiene may be 40% or more, preferably 45% or more, and more preferably 50% or more.

상기 산화적 탈수소화 반응은 200℃ 내지 600℃의 반응 온도, 0.1bar 내지 10bar의 압력 조건에서, GHSV(Gas Hourly Space Velocity) 100h-1 내지 400h-1의 조건으로 반응시키는 것일 수 있다.The oxidative dehydrogenation reaction may be performed at a reaction temperature of 200° C. to 600° C., a pressure condition of 0.1 bar to 10 bar, and a gas Hourly Space Velocity (GHSV) 100h -1 to 400h -1 condition.

이하, 본 명세서를 구체적으로 설명하기 위해 실시예를 들어 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.Hereinafter, examples will be given to describe the present specification in detail. However, the embodiments according to the present specification may be modified in various other forms, and the scope of the present specification is not to be construed as being limited to the embodiments described below. The embodiments of the present specification are provided to more completely explain the present specification to those of ordinary skill in the art.

<실시예 1><Example 1>

염화아연(ZnCl2) 및 염화제이철(FeCl3)을 2:1의 몰비로 순수(DI water)에 용해시켜 금속 전구체 수용액을 준비하였다.A metal precursor aqueous solution was prepared by dissolving zinc chloride (ZnCl 2 ) and ferric chloride (FeCl 3 ) in pure water (DI water) in a molar ratio of 2:1.

상기 금속 전구체 수용액의 pH가 7이 되도록 암모니아 수용액을 적가하고, 1시간 동안 교반하여 공침시켰다. 이 후, 공침액을 증류수로 세척하였고, 이를 90℃에서 24시간 동안 건조한 뒤, 공기 분위기 하에, 80℃에서 1 ℃/min의 승온 속도로 650℃까지 승온시킨 후, 6시간 동안 유지하여 스피넬 구조를 갖는 아연-철 산화물(ZnFe2O4) 분말을 제조하였다.Ammonia aqueous solution was added dropwise so that the pH of the metal precursor aqueous solution was 7, and the solution was stirred for 1 hour to co-precipitate. Thereafter, the co-precipitation solution was washed with distilled water, dried at 90° C. for 24 hours, and then heated from 80° C. to 650° C. at a temperature increase rate of 1° C./min in an air atmosphere, and maintained for 6 hours to form a spinel structure A zinc-iron oxide (ZnFe 2 O 4 ) powder having a was prepared.

아연-철 산화물(ZnFe2O4) 분말에 결정 조절 물질로 몰리브덴 산화물(MoO3)을 상기 아연-철 산화물(ZnFe2O4) 분말 중량 전체를 기준으로 0.03 wt%로 투입한 후, 순수(DI water)에 용해하였다.Molybdenum oxide (MoO 3 ) as a crystal control material was added to the zinc-iron oxide (ZnFe 2 O 4 ) powder at 0.03 wt% based on the total weight of the zinc-iron oxide (ZnFe 2 O 4 ) powder, and then pure ( DI water).

이후, 80℃에서 1 ℃/min의 승온 속도로 650℃까지 승온시킨 후, 6시간 동안 유지하여 최종 아연 페라이트 촉매를 제조하였다.Thereafter, the temperature was raised from 80° C. to 650° C. at a temperature increase rate of 1° C./min, and then maintained for 6 hours to prepare a final zinc ferrite catalyst.

<실시예 2><Example 2>

결정 조절 물질의 함량을 0.05 wt%로 증량한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 아연-철 산화물(ZnFe2O4) 촉매를 제조하였다.A zinc-iron oxide (ZnFe 2 O 4 ) catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that the content of the crystal control material was increased to 0.05 wt%.

<비교예 1><Comparative Example 1>

결정 조절 물질로, 몰리브덴 산화물 대신 포타슘나이트레이트를 0.01 wt%로 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 아연-철 산화물(ZnFe2O4) 촉매를 제조하였다.As a crystal control material, a zinc-iron oxide (ZnFe 2 O 4 ) catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.01 wt% of potassium nitrate was used instead of molybdenum oxide.

<비교예 2><Comparative Example 2>

결정 조절 물질로, 몰리브덴 산화물 대신 포타슘나이트레이트를 0.1 wt%로 사용한 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 아연-철 산화물(ZnFe2O4) 촉매를 제조하였다.As a crystal control material, a zinc-iron oxide (ZnFe 2 O 4 ) catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that 0.1 wt% of potassium nitrate was used instead of molybdenum oxide.

<비교예 3><Comparative Example 3>

결정 조절 물질을 첨가하지 않은 것 외에는 실시예 1과 동일한 방법으로 아연-철 산화물(ZnFe2O4) 촉매를 제조하였다.A zinc-iron oxide (ZnFe 2 O 4 ) catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 except that a crystal control material was not added.

<비교예 4><Comparative Example 4>

결정 조절 물질로 몰리브덴 산화물(MoO3)을 금속 전구체 수용액의 준비 단계에 첨가하였으나, 몰리브덴 산화물이 공침액에 용해되지 않아 흰색 색상의 석출물로 나타나는 것을 확인하였다(도 2).As a crystal control material, molybdenum oxide (MoO 3 ) was added to the preparation step of the aqueous metal precursor solution, but it was confirmed that the molybdenum oxide did not dissolve in the co-precipitation solution and appeared as a white precipitate ( FIG. 2 ).

<실험예 1><Experimental Example 1>

목적하는 상(phase)인 ZnFe2O4와 α-Fe2O3의 형성 비율을 비교하기 위하여 상기 비교예와 실시예에서 제조된 아연 페라이트 촉매의 XRD(X-Ray Diffraction, Endeavor X-ray Diffraction system 사용) 분석을 시행하였다.XRD (X-Ray Diffraction, Endeavor X-ray Diffraction) of the zinc ferrite catalysts prepared in Comparative Examples and Examples in order to compare the formation rates of ZnFe 2 O 4 and α-Fe 2 O 3 as a target phase system) was analyzed.

이때, 2q 기준 20~80도의 범위에서 측정하였고, Cu target을 사용하였다.At this time, it was measured in the range of 20 to 80 degrees based on 2q, and a Cu target was used.

ZnFe2O4에 해당하는 회절 피크{(220), (311), (222), (400), (422), (511), (440) 면 위치}의 면적과 α-Fe2O3에 해당하는 회절 피크{(104), (110), (113), (024), (116) 및 (018)의 면 위치, 2θ 각도가 24.16°, 33.12°, 35.63°, 40.64°, 49.47°, 54.08° 또는 57.42°}의 면적의 비율이 각 상(phase)의 중량비에 해당한다. The area of the diffraction peak {(220), (311), (222), (400), (422), (511), (440) plane position} corresponding to ZnFe 2 O 4 and α-Fe 2 O 3 The in-plane positions of the corresponding diffraction peaks {(104), (110), (113), (024), (116) and (018), the 2θ angles are 24.16°, 33.12°, 35.63°, 40.64°, 49.47°, 54.08° or 57.42°} corresponds to the weight ratio of each phase.

상기 실험예 1의 결과를 하기 표 1 및 도 1에 나타내었으며, 실시예에 따른 제조방법에 의해 제조된 촉매는 비교예에 비해 α-Fe2O3 상의 비율이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.The results of Experimental Example 1 are shown in Table 1 and FIG. 1, and it was confirmed that the ratio of the α-Fe 2 O 3 phase was reduced in the catalyst prepared by the preparation method according to the Example compared to the Comparative Example.

구분division 실험예 1Experimental Example 1 ZnFe2O4(wt%)ZnFe 2 O 4 (wt%) α-Fe2O3(wt%)α-Fe 2 O 3 (wt%) 실시예 1Example 1 89.589.5 10.510.5 실시예 2Example 2 89.989.9 10.110.1 비교예 1Comparative Example 1 89.389.3 10.710.7 비교예 2Comparative Example 2 89.589.5 10.510.5 비교예 3Comparative Example 3 88.788.7 11.311.3

<실험예 2> 부타디엔의 제조<Experimental Example 2> Preparation of butadiene

420℃, GHSV=250h-1, OBR=1, SBR=1, NBR=8의 조건 하에서, 실시예 및 비교예에서 제조한 아연 페라이트계 촉매를 이용하여 산화적 탈수소화 반응으로 1,3-부타디엔을 제조한 후, 생성물을 가스 크로마토그래피(GC) 분석 하여 선택도와 수율 등을 계산하여 하기 표 2에 나타내었다.1,3-butadiene by oxidative dehydrogenation using the zinc ferritic catalyst prepared in Examples and Comparative Examples under the conditions of 420° C., GHSV=250h -1 , OBR=1, SBR=1, NBR=8 After preparing the product, the product was analyzed by gas chromatography (GC) to calculate the selectivity and yield, and is shown in Table 2 below.

OBR = Oxygen/total 2-butene ratioOBR = Oxygen/total 2-butene ratio

SBR = Steam/total 2-butene ratioSBR = Steam/total 2-butene ratio

NBR = Nitrogen/total 2-butene ratioNBR = Nitrogen/total 2-butene ratio

촉매catalyst COx
선택도(%)
COx
Selectivity (%)
부텐
전환율(%)
butene
Conversion rate (%)
부타디엔
선택도(%)
butadiene
Selectivity (%)
부타디엔 수율(%)Butadiene yield (%) Hot spot 온도 (℃)Hot spot temperature (℃)
실시예 1Example 1 11.7511.75 82.1982.19 87.6187.61 7272 565565 실시예 2Example 2 12.2312.23 8080 86.5686.56 69.2569.25 530530 비교예 1Comparative Example 1 14.214.2 76.476.4 84.884.8 64.664.6 552552 비교예 2Comparative Example 2 16.816.8 7171 82.182.1 58.458.4 565565 비교예 3Comparative Example 3 13.7513.75 81.3681.36 85.6985.69 69.7269.72 550550 부텐 전환율(%) = [(반응한 부텐의 몰수)/(공급된 부텐의 몰수)] × 100
부타디엔 선택도(%) = [(생성된 1,3-부타디엔 몰수)/(반응한 부텐의 몰수)] × 100
부타디엔 수율(%) = [(생성된 1,3-부타디엔의 몰수)/(공급된 부텐의 몰수)] × 100
COx 선택도(%) = [(생성된 COx 몰수)/(반응한 부텐의 몰수)] × 100
Butene conversion (%) = [(number of moles of butene reacted)/(number of moles of butene supplied)] × 100
Butadiene selectivity (%) = [(number of moles of 1,3-butadiene produced)/(number of moles of butene reacted)] × 100
Butadiene yield (%) = [(number of moles of 1,3-butadiene produced)/(number of moles of butene supplied)] × 100
COx selectivity (%) = [(number of moles of COx produced)/(number of moles of butene reacted)] × 100

상기 결과로부터, 결정 조절 물질로 몰리브덴 산화물을 첨가하여 제조한 실시예의 촉매는 비교예에 비해, 부타디엔의 제조에 적용 시 COx 발생량이 적은 것을 확인할 수 있었다. 상기와 같은 결과는, 결정 조절 물질인 몰리브덴 산화물이 COx의 생성을 억제하였기 때문이다.From the above results, it was confirmed that the catalyst of Examples prepared by adding molybdenum oxide as a crystal control material had a small amount of COx generated when applied to the production of butadiene, compared to Comparative Examples. The above results are because molybdenum oxide, which is a crystal control material, suppressed the generation of COx.

한편, 실시예의 촉매는 부타디엔의 선택도와 수율이 우수하게 유지되는 것을 확인할 수 있었으며, Hot spot의 온도도 높지 않게 유지되는 것을 확인할 수 있었다.On the other hand, it was confirmed that the catalyst of Example maintained excellent selectivity and yield of butadiene, and that the temperature of the hot spot was not maintained high.

상기 결과로부터, 결정 조절 물질로 몰리브덴 산화물을 첨가하여 제조한 촉매는 부타디엔 제조에 적용 시 촉매 활성이 우수하게 유지되며, 부산물(COx)의 발생이 적다는 것을 확인할 수 있었다.From the above results, it was confirmed that the catalyst prepared by adding molybdenum oxide as a crystal control material maintained excellent catalytic activity when applied to butadiene production, and generated less by-products (COx).

Claims (14)

공침법을 이용하여 아연 페라이트 분말을 제조하는 단계;
상기 아연 페라이트 분말에 몰리브덴 산화물(MoO3)을 포함하는 결정 조절 물질을 첨가하는 단계; 및
상기 아연 페라이트 분말을 소성하는 단계를 포함하는
아연 페라이트 촉매의 제조방법.
preparing zinc ferrite powder using a co-precipitation method;
adding a crystal control material including molybdenum oxide (MoO 3 ) to the zinc ferrite powder; and
sintering the zinc ferrite powder
A method for producing a zinc ferrite catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 결정 조절 물질은 Mn, V, Bi, Sb, Cr, Ce, La, Sm, Ca, Mg, Co, Sn, Al, Ba 및 Sr으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상의 원소의 산화물을 더 포함하는 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
The crystal control material further comprises an oxide of any one or more elements selected from the group consisting of Mn, V, Bi, Sb, Cr, Ce, La, Sm, Ca, Mg, Co, Sn, Al, Ba, and Sr A method for preparing a phosphorus zinc ferrite catalyst.
청구항 1에 있어서,
상기 결정 조절 물질은 알칼리 금속을 더 포함하는 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
The method for producing a zinc ferrite catalyst, wherein the crystal control material further comprises an alkali metal.
청구항 1에 있어서,
상기 결정 조절 물질의 함량이 상기 아연 페라이트 분말 전체 중량을 기준으로 0.01 wt% 이상 1 wt% 이하인 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
The method for producing a zinc ferrite catalyst wherein the content of the crystal control material is 0.01 wt% or more and 1 wt% or less based on the total weight of the zinc ferrite powder.
청구항 1에 있어서,
상기 공침법을 이용하여 아연 페라이트 분말을 제조하는 단계는
아연 전구체 및 철 전구체를 포함하는 금속 전구체 수용액을 제조하는 단계;
상기 금속 전구체 수용액을 염기성 수용액과 접촉시켜 공침물을 얻는 단계; 및
상기 공침물을 소성하는 단계를 포함하는 것인
아연 페라이트 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
The step of preparing zinc ferrite powder by using the co-precipitation method is
preparing an aqueous solution of a metal precursor including a zinc precursor and an iron precursor;
contacting the aqueous metal precursor solution with a basic aqueous solution to obtain a co-precipitate; and
Which comprises the step of calcining the co-precipitate
A method for producing a zinc ferrite catalyst.
청구항 5에 있어서,
상기 아연 전구체 및 철 전구체는 각각 독립적으로 질산염(nitrate), 암모늄염(ammonium salt), 황산염(sulfate) 및 염화물(chloride)로 이루어지는 군으로부터 선택된 1종 이상인 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법.
6. The method of claim 5,
The zinc precursor and the iron precursor are each independently at least one selected from the group consisting of nitrate, ammonium salt, sulfate and chloride.
청구항 5에 있어서,
상기 금속 전구체 수용액을 염기성 수용액과 접촉시켜 공침물을 얻는 단계에서 금속 전구체 수용액의 pH는 6 이상으로 유지되는 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법.
6. The method of claim 5,
In the step of contacting the aqueous metal precursor aqueous solution with a basic aqueous solution to obtain a co-precipitate, the pH of the metal precursor aqueous solution is maintained at 6 or higher.
청구항 5에 있어서,
상기 공침물을 여과; 건조; 또는 여과 및 건조하는 단계를 포함하는 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법.
6. The method of claim 5,
filtering the coprecipitate; dry; Or a method for producing a zinc ferrite catalyst comprising the steps of filtering and drying.
청구항 1에 있어서,
상기 아연 페라이트 촉매는 ZnFe2O4 결정 구조를 포함하는 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
The zinc ferrite catalyst is a method for producing a zinc ferrite catalyst comprising a ZnFe 2 O 4 crystal structure.
청구항 1에 있어서,
상기 아연 페라이트 촉매는 ZnFe2O4 결정 구조 및 α-Fe2O3의 혼합상인 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법.
The method according to claim 1,
The zinc ferrite catalyst has a ZnFe 2 O 4 crystal structure and a mixed phase of α-Fe 2 O 3 A method for producing a zinc ferrite catalyst.
청구항 1에 있어서,
하기 수학식 1을 만족하는 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법:
[수학식 1]
A2/A1 ≤ 0.9
상기 수학식 1에 있어서,
상기 A2는 상기 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매의 전체를 기준으로 α-Fe2O3의 결정 구조의 함량이고,
상기 A1은 상기 공침법을 이용하여 아연 페라이트 분말을 제조하는 단계를 포함하지 않을 때의 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매의 전체를 기준으로 α-Fe2O3의 결정 구조의 함량이다.
The method according to claim 1,
A method for producing a zinc ferrite catalyst that satisfies the following Equation 1:
[Equation 1]
A2/A1 ≤ 0.9
In Equation 1,
A2 is the content of the crystal structure of α-Fe 2 O 3 based on the total of the zinc ferrite catalyst prepared by the method for producing the zinc ferrite catalyst,
The A1 is based on the total of the zinc ferrite catalyst prepared by the method for producing a zinc ferrite catalyst when it does not include the step of preparing zinc ferrite powder by using the co-precipitation method of α-Fe 2 O 3 Crystal structure of is the content
청구항 1에 있어서,
하기 수학식 2를 만족하는 것인 아연 페라이트 촉매의 제조방법:
[수학식 2]
B2/B1 ≤ 0.5
상기 수학식 2에 있어서,
상기 B2는 상기 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매의 전체의 전체를 기준으로 상기 금속 전구체로부터 유래된 음이온의 함량이고,
상기 B1은 상기 공침법을 이용하여 아연 페라이트 분말을 제조하는 단계를 포함하지 않을 때의 아연 페라이트 촉매의 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매의 전체를 기준으로 상기 금속 전구체로부터 유래된 음이온의 함량이다.
The method according to claim 1,
A method for producing a zinc ferrite catalyst that satisfies the following Equation 2:
[Equation 2]
B2/B1 ≤ 0.5
In Equation 2,
Wherein B2 is the content of anions derived from the metal precursor based on the whole of the zinc ferrite catalyst prepared by the method for preparing the zinc ferrite catalyst,
B1 is the content of anions derived from the metal precursor based on the total of the zinc ferrite catalyst prepared by the method for producing a zinc ferrite catalyst when it does not include the step of preparing zinc ferrite powder using the co-precipitation method. .
청구항 1 내지 12 중 어느 한 항에 따른 제조방법에 의해 제조된 아연 페라이트 촉매를 반응기에 충진시켜 촉매층을 형성하는 단계; 및
C4 유분 및 산소를 포함하는 반응물을 상기 촉매층에 연속적으로 통과시키면서 산화적 탈수소화 반응을 유도하는 단계를 포함하는 부타디엔의 제조방법.
Forming a catalyst layer by filling a reactor with a zinc ferrite catalyst prepared by the method according to any one of claims 1 to 12; and
A method for producing butadiene, comprising the step of inducing an oxidative dehydrogenation reaction while continuously passing a reactant containing C4 fraction and oxygen through the catalyst layer.
청구항 13에 있어서,
상기 산화적 탈수소화 반응은 200℃ 내지 600℃의 반응 온도, 0.1bar 내지 10bar의 압력 조건에서, GHSV(Gas Hourly Space Velocity) 100h-1 내지 400h-1의 조건으로 반응되는 것인 부타디엔의 제조방법.
14. The method of claim 13,
The oxidative dehydrogenation reaction is a reaction temperature of 200 ° C. to 600 ° C., a pressure condition of 0.1 bar to 10 bar, and GHSV (Gas Hourly Space Velocity) 100h -1 to 400h -1 Method of producing butadiene .
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US8513479B2 (en) 2007-05-10 2013-08-20 Sk Global Chemical Co., Ltd Zinc ferrite catalysts, method of preparing thereof and method of preparing 1,3-butadiene using thereof

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