KR960004769B1 - Process for the preparation of ethanol from methanol - Google Patents

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Abstract

carbonylation of methanol in the gas phase with CO, opt. mixed with H2 with a catalyst and a cocatalyst under mild conditions and high GHSV to produce a mixture(I) of acetic acid and methyl acetate; separating by distillation of (I) a low boiling fraction comprising methyl acetate and halide, and a high boiling fraction comprising acetic acid; separating the methyl acetate from the halide, and recycling the latter, opt. with a minor portion of methyl acetate, to the carbonylation reactor; and hydrogenating the separated methyl acetate in presence of a copper-contg. catalyst to produce ethanol in high yield. The ethanol is economically obtained in high yield. The methanol obtained together with ethanol may be recycled to the carbonylation.

Description

메탄올로부터 에탄올을 제조하는 방법How to prepare ethanol from methanol

본 발명은 메탄올로부터 에탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing ethanol from methanol.

에탄올은 공업적으로 중요한 원료일 뿐만 아니라, 식품과 의약에서도 중요한 위치를 차지한다. 에탄올의 상업적인 제조방법으로는 설탕, 각종 전분과 이와 유사한 식물에서 얻은 원료로부터 발효에 의해서 생산하는 방법이 있으며, 특히 공업용은 석유 화학 공업의 주요 원료인 에틸렌을 고체 산 촉매중에서 물과 기상반응시켜서 제조한다.Ethanol is not only an industrially important raw material, but also occupies an important position in food and medicine. Commercial production of ethanol is produced by fermentation from raw materials obtained from sugar, starch and similar plants. In particular, industrial use is made by gas phase reaction of ethylene, which is a major raw material of the petrochemical industry, with water in a solid acid catalyst. do.

최근에는 석유 이외의 다양한 석유 화학 원료를 찾고 있으며, 현재 석유 대체 물질로는 저급 탄소원인 석탄과 천연가스를 들 수 있다. 이러한 추세에 따라 현재 가장 유력한 석유 대체 탄소원인 석탄과 천연가스로부터 에탄올을 제조하려는 연구가 활발히 진행되고 있으며, 그 결과로 몇가지의 방법이 시도되고 있다.Recently, various petrochemical raw materials other than petroleum have been searched for. Currently, petroleum substitutes include coal and natural gas, which are lower carbon sources. According to this trend, studies are being actively conducted to produce ethanol from coal and natural gas, which are the most powerful petroleum alternative carbon sources, and as a result, several methods have been attempted.

먼저 합성가스로부터 직접 고급 알콜을 합성하려는 촉매 반응 연구가 시도되고 있으나, 이 경우는 모두 높은 압력의 가혹한 반응조건이 필요하며, 생성물의 선택성도 매우 나쁘다. 이러한 결과들은 다우 케미칼사(Dow Chemical Co.)에 의해서 출원된 유럽 특허 출원 제0,172,431 A2호와 프랑스 아이에프피(IEP)사에 의해 출원된 미국 특허 제4,122,110호에 상세히 기재되어 있다. 이들 특허에서는 알콜 생성물의 30-60%만이 메탄올이고, 나머지는 에탄올 이상의 고급 알콜의 혼합물이 얻어지는 것으로 기재하고 있다.Catalytic reaction studies have been attempted to synthesize higher alcohols directly from synthesis gas, but all of these cases require harsh reaction conditions at high pressures, and the selectivity of products is very poor. These results are described in detail in European Patent Application No. 0,172,431 A2 filed by Dow Chemical Co. and U.S. Patent No. 4,122,110 filed by IEP, France. These patents describe that only 30-60% of the alcohol product is methanol, with the remainder being a mixture of higher alcohols than ethanol.

한편, 일본에서는 CI 화학 종합개발계획에 따라 연구된 결과가 최근 발표되었으나, 여기서도 합성가스로부터 직접 순수 에탄올을 합성하는 촉매 반응에는 큰 진전을 보지 못하였다.On the other hand, in Japan, the results of research conducted under the CI Chemical Development Plan were recently announced, but there was no significant progress in the catalytic reaction for synthesizing pure ethanol directly from syngas.

따라서, 상업적으로 정립된 촉매 공정에 의해 합성가스로부터 일차 메탄올을 제조한 후, 다시 동족화 반응(homologation)이라고 알려진 촉매 반응으로 다시 합성가스와 반응시켜 에탄올을 얻는 반응 연구가 진행되고 있다. 이때 가장 좋게 촉매 반응을 수행한 경우 에탄올 선택성이 약 80%(사용한 메탄올 대비)였으나, 이 또한 공정화에는 많은 문제를 안고 있다. 이와 관련한 특허로는 비피사(BP corporation)에 의해서 출원된 영국 특허 제2,053,915 A호에 상세히 기재되어 있으며, 이때의 반응조건은 높은 반응 압력과 높은 반응 온도를 필요로 하고, 또한 부가가치가 낮은 부산물이 상당량 생긴다. 이러한 반응들은 이미 오래전에 미국 화학회지(J. Am. Chem. Soc) 71,4160(1949) 등에 발표되었으나, 특히 최근에는 연료와 관련지어서 많은 연구가 진행되고 있다. 이때 사용되는 촉매로는 루테늄, 코발트, 로듐, 팔라듐, 백금, 오스뮴, 이리듐, 크롬, 망간, 철, 니켈 등의 다양한 금속이 사용되었으나, 전환율이 낮고, 특히 선택성이 나빠서 이 반응의 실용성을 차지 못했다[디. 더블유. 슬로컴(D. W. Slocum), 유기 합성 촉매(Catalysis in Organic Synthesis), 아카데믹 프레스(Academic Press), 245-276(1980) 참조]. 이때에 주요 부생성물은 에테르, 에스테르, 아세탈, 유기산, 고급 알콜 등이다. 따라서, 아직까지 공업적으로 의미를 갖는 선택성 높은 에탄올 제조 촉매 공정은 알려진 것이 없다.Therefore, a research into a reaction for obtaining ethanol by preparing primary methanol from syngas by a commercially established catalytic process and then reacting with syngas again by a catalytic reaction known as homologation is performed. At this time, the best catalytic reaction was about 80% ethanol selectivity (compared to methanol used), but this also has a lot of problems in the process. Related patents are described in detail in British Patent No. 2,053,915 A filed by BP Corporation, in which the reaction conditions require high reaction pressures and high reaction temperatures, and low value added by-products. A considerable amount is produced. These reactions were already published long ago in J. Am. Chem. Soc 71, 4160 (1949), but in recent years, a lot of research is being conducted on fuel. At this time, various catalysts such as ruthenium, cobalt, rhodium, palladium, platinum, osmium, iridium, chromium, manganese, iron, and nickel were used, but the conversion rate was low, and in particular, the selectivity was poor, thus not taking practicality of the reaction. [D. W. See S. W. Slocum, Catalyst in Organic Synthesis, Academic Press, 245-276 (1980). The main byproducts here are ethers, esters, acetals, organic acids, higher alcohols and the like. Therefore, there is no known catalytic process for producing highly selective ethanol that has industrial significance.

그러나, 메탄올은 상업적인 공정에 의해 저급 탄소원으로부터 합성가스를 거쳐서 일차로 합성되는 화합물로서, 장기적으로 공급 가능한 높은 경제성을 갖는 물질이다. 따라서, 이들 출발 물질로 하여 유기 화합물을 합성하려는 노력은 매우 중요하며, 특히 에탄올은 그 의미가 매우 크다.However, methanol is a compound synthesized primarily from a lower carbon source via a synthesis gas by a commercial process and is a material having high economic feasibility that can be supplied in the long term. Therefore, efforts to synthesize organic compounds with these starting materials are very important, especially ethanol has a great meaning.

현재 이용되고 있는 직접 동족화(homologation) 촉매 반응은 연료에 혼합해서 사용할 수 있는 혼합 알콜을 생산할 수는 있으나, 이들 촉매 반응은 모두 반응후에도 50% 전후의 미반응 메탄올을 함유하고 있고, 에탄올 이상 펜탄올에 이르기까지 여러가지의 알콜 혼합물이 얻어진다. 따라서, 순수한 에탄올을 얻을 수 있는 직접 동족화(homologation) 촉매 반응은 아직까지 알려진 바 없다.Currently used homologation catalysis can produce mixed alcohols that can be mixed with fuel, but all of these catalysis reactions contain about 50% of unreacted methanol after the reaction, and ethanol or more pentane. Various alcohol mixtures are obtained up to all. Thus, no direct homologation catalysis to obtain pure ethanol is known.

한편, 아세트산을 에스테르화하여 메틸 또는 에틸 아세테이트를 만들고 이를 수소화하여 에탄올을 합성하는 방법이 최근에 와서 시도되고 있다. 예컨대, 데이키 맥키사(Davy Mckee Ltd.)에 의해 출원된 국제 특허 공개 제WO83/034409호와 영국 특허 공개 제2 162 172 A호는 현재 상업화된 메탄올의 카르보닐화 반응에 의한 아세트산 제조법으로 생산한 아세트산을 에스테르화하여 메틸에스테르를 얻고 이를 수소화함으로써 에탄올을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이 특허에서 기술하고 있는 메탄올의 카르보닐화 반응은 액상 반응으로 진행되며, 이 촉매 공정에서는 아세트산이 생성되고, 소량의 메틸아세테이트가 부산물로 생성된다.On the other hand, a method of esterifying acetic acid to make methyl or ethyl acetate and hydrogenating it to synthesize ethanol has recently been attempted. For example, WO83 / 034409 and UK Patent Publication No. 2 162 172 A, filed by Davey Mckee Ltd., are produced by a process for acetic acid production by carbonylation of methanol currently commercialized. A process for producing ethanol is disclosed by esterifying one acetic acid to obtain a methyl ester and hydrogenating it. The carbonylation reaction of methanol described in this patent proceeds in a liquid phase reaction, in which the acetic acid is produced and a small amount of methyl acetate is produced as a by-product.

따라서, 생성된 아세트산을 메탄올과 다시 에스테르화 반응시켜서 메틸아세테이트를 합성하고, 이어서 수첨 반응을 행해야 하므로, 하나의 공정이 더 추가되고, 그에 다른 분리 공정이 또한 필요하다. 그러나, 이 방법의 장점은 높은 선택성으로 에탄올을 제조할 수 있다는 것이고, 더 중요한 것은 합성가스와 이로부터 합성된 메탄올을 원료로 하여 에탄올을 합성하는 것으로, 결국은 저급 탄소원 원료로부터 에탄올을 제조하는 선택성 높은 공정이라는 사실이다.Therefore, methyl acetate is synthesized by esterification of the resulting acetic acid with methanol again, and then a hydrogenation reaction is performed, so that one more step is added, and another separation step is also required. However, the advantage of this method is that ethanol can be produced with high selectivity, and more importantly, ethanol is synthesized from syngas and methanol synthesized therefrom, resulting in the selectivity of producing ethanol from lower carbon source materials. It is a high process.

또한 바스프사(BASF Aktiengesellschaft)와, 험프리와 글래스고우(Humphreys and Glassgow)도 역시 이와 비슷한 내용을 보고하였는데, 유럽특허 제56488호 및 동 제100406호에 보고된 바에 의하면, 좀 더 단순화된 경로를 채택함으로써 에스테르화 반응 단계없이 아세트산을 직접 에탄올로 전환하였다. 그러나, 에스테르화 반응 단계가 생략된 대신에 에탄올과 물을 분리해야 하는 문제가 야기되었을 뿐 아니라, 수소화 반응이 400psi의 높은 압력하에서 진행되므로 장치비가 많이 들게 된다. 이에 관해서 할콘사(Halcon SDGroup)의 주란(B. Juran)과 포셀리(R. V. Porcelli)는 카르보닐호 반응, 에스테르화 반응, 수소화 반응 단계로 나누어 경제성을 비교 검토하였다[탄화수소 가공(Hydrocarbon Processing). 제85페이지, 1985년 10월 참조]. 할콘 방식은 로듐 메탈을 사용하지 않는 촉매를 이용하여 액상에서 아세트산을 합성한 다음, 메탄올과 에스테르화 반응을 통해 메틸아세테이트를 형성하고, 이를 수소화하여 에탄올과 메탄올을 생산하게 된다. 이 혼합물은 분리되어 메탄올은 다시 아세트산 합성 단계에 재투여시킨다. 그러나, 할콘 방식을 포함한 메틸아세테이트의 수소화에 의한 에탄올 합성 공정은 모두 메틸아세테이트 생성 단계에 문제를 가지고 있다.BASF Aktiengesellschaft and Humphreys and Glassgow have also reported similar matters, as reported in EP 56488 and EP 100406. Acetic acid was converted directly to ethanol without the esterification step. However, not only the esterification step was omitted, but also a problem of separating ethanol and water was caused, and since the hydrogenation reaction proceeds under a high pressure of 400 psi, the equipment cost is high. In this regard, B. Juran and R. V. Porcelli of Halcon SDGroup compared economics by dividing them into carbonyl reaction, esterification reaction and hydrogenation reaction (hydrocarbon processing). See page 85, October 1985]. Halcon is synthesized acetic acid in the liquid phase using a catalyst that does not use rhodium metal, and then methyl ester through the esterification reaction with methanol to produce ethanol and methanol by hydrogenation. This mixture is separated and methanol is again administered to the acetic acid synthesis step. However, all of the ethanol synthesis processes by hydrogenation of methyl acetate, including the Halcon method, have problems in the methylacetate production step.

기존의 메틸아세테이트 제조법은 직접 메탄올에서 생성하는 방법과, 아세트산 생성후 메탄올과 에스테르화 반응을 거쳐 메틸아세테이트를 생성하는 두 방법으로 대별되는데 이 두 방법 모두 문제점을 가지고 있다. 첫번째 방법은 반응이 주로 액상 반응이어서 직접적인 메틸아세테이트 생산은 선택도 및 반응성 뿐만 아니라 그 분리에 문제가 있다. 두번째 방법은 에스테르화 반응이라는 반응 단계의 추가로 인해 공정상 추가 부담이 야기된다.Conventional methyl acetate production methods are roughly divided into two methods: direct methanol production and acetic acid production, followed by esterification with methanol to produce methyl acetate. Both of these methods have problems. In the first method, the reaction is mainly liquid phase, so that direct methylacetate production is problematic not only for selectivity and reactivity but also for its separation. The second method adds an additional burden on the process due to the addition of a reaction step called an esterification reaction.

본 발명자들은 기상 메탄올 카르보닐화 촉매 공정을 채택하면 액상 공정의 여러가지 어려운 문제점을 보완할 수 있고, 더욱이 반응조건을 조절하여 아세트산 대신 메틸아세테이트를 선택적으로 제조하여 이를 에스테르 수소화 촉매 반응에 연계시킬 경우 경쟁력 있는 새로운 에탄올 제조 방법이 가능할 뿐만 아니라, 최종 반응의 부산물로 메탄올이 생성되므로 이를 재순환시켜 사용할 수 있다는데 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.The present inventors can complement various difficult problems of the liquid phase process by adopting the gaseous phase methanol carbonylation catalyst process, and furthermore, by adjusting the reaction conditions, selectively preparing methyl acetate instead of acetic acid, and competing with the ester hydrogenation catalyst reaction Not only is a new ethanol production method possible, methanol has been produced as a by-product of the final reaction, and thus it can be recycled and used to achieve the present invention.

따라서, 본 발명의 목적은 일련의 공정으로 메탄올로부터 에탄올을 효율적으로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.It is therefore an object of the present invention to provide a process for the efficient production of ethanol from methanol in a series of processes.

상기 본 발명의 목적은 카르보닐화 반응용 로듐 촉매 및 할라이드계 조촉매 존재하에서 메탄올을 일산화탄소와 기상 카르보닐화 반응시켜 아세트산과 메틸아세테이트를 얻는 제1공정, 생성된 아세트산과 메틸아세테이트의 혼합물로부터 아세트산을 분리하는 제2공정, 아세트산을 분리시킨 후 나머지 반응 혼합물로부터 할라이드계 조촉매와 메틸아세테이트를 각각 분리하는 제3공정, 분리된 메틸아세테이트를 수소화 반응기로 유입시켜 Cu 산화물을 주성분으로 하는 수소화 촉매 존재하에 메틸아세테이트의 LSHV=0.3-6.0, 200-300℃의 온도, 350-700psig의 압력하에 수소화시켜 메탄올과 에탄올을 얻는 제4공정 및 생성된 혼합물로부터 에탄올을 분리하고 메탄올을 회수하여 제1공정에 재순환시키는 제5공정으로 이루어지는 메탄올로부터 에탄올을 제조하는 방법에 의해 달성된다.An object of the present invention is the first step to obtain acetic acid and methyl acetate by the gas phase carbonylation of methanol with carbon monoxide in the presence of a rhodium catalyst and a halide cocatalyst for the carbonylation reaction, acetic acid from a mixture of the resulting acetic acid and methyl acetate 2nd step of separating the acetic acid, 3rd step of separating the halide-based cocatalyst and methyl acetate from the remaining reaction mixtures, and the presence of a hydrogenation catalyst containing Cu oxide as a main component by introducing the separated methyl acetate into a hydrogenation reactor. The fourth step of obtaining Methanol and ethanol by hydrogenation of methyl acetate at a temperature of 0.3-6.0, 200-300 ° C. and a pressure of 350-700 psig, and separating ethanol from the resulting mixture and recovering methanol in the first step Method for producing ethanol from methanol consisting of the fifth step to recycle To be achieved.

이하 본 발명에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명에 따른 에탄올의 제조 방법의 제1공정은 카르보닐화 촉매 및 할라이드계 조촉매 존재하에 메탄올을 일산화탄소와 기상 카르보닐화 반응시켜 아세트산과 메틸아세테이트를 형성하는 공정이다.The first step of the method for producing ethanol according to the present invention is a step of forming acetic acid and methyl acetate by gas phase carbonylation of methanol with carbon monoxide in the presence of a carbonylation catalyst and a halide promoter.

제1공정에서의 기상 메탄올 카르보닐화 반응은 본 발명과 동일한 출원인에 의해 1992년 6월 30일에 출원된 특허 출원 제11524호에 기재된 바에 따라 로듐 촉매 존재하에 상압 내지 1,000psi의 일산화탄소 압력 및 100-400℃의 온도에서 메탄올과 일산화탄소를 1 : 1 내지 1 : 100의 몰비로 반응시키는 것에 의해 수행할 수 있다.The gas phase methanol carbonylation reaction in the first process was carried out at atmospheric pressure and carbon monoxide pressure of 100 to 1,000 psi and 100 in the presence of a rhodium catalyst as described in patent application 1115 filed on June 30, 1992 by the same applicant as the present invention. The reaction can be carried out by reacting methanol and carbon monoxide at a molar ratio of 1: 1 to 1: 100 at a temperature of -400 ° C.

조촉매로 사용되는 할라이드 촉매로는 CH3I, CH3Br, CH3Cl, I2, Br2, Cl2, HI, HBr, HCL 등이 있는데, 바람직한 것은 CH3I이다.A halide catalyst used in the co-catalyst is CH 3 I, CH 3 Br, CH 3 Cl, I 2, Br 2, Cl 2, HI, HBr There are, such as HCL, preferably CH 3 I.

기상 카르보닐화 반응의 반응조건을 조절하면 생성되는 메틸아세테이트 및 아세트산의 생성 비율을 조절할 수 있다. 보다 가혹한 반응조건에서 카르보닐화 반응을 수행하는 경우, 예컨대 반응 온도를 높이면 아세트산의 생성 비율이 높아지는 반면에, 온화한 반응조건하에서는 메틸 아세테이트의 생성 비율이 높아진다.By adjusting the reaction conditions of the gas phase carbonylation reaction, it is possible to control the production rate of methyl acetate and acetic acid produced. In the case of carrying out the carbonylation reaction under more severe reaction conditions, for example, increasing the reaction temperature increases the production rate of acetic acid, whereas under mild reaction conditions, the production rate of methyl acetate increases.

따라서, 필요에 따라 생성물의 생성 비율을 용이하게 조절할 수 있다.Therefore, the production rate of the product can be easily adjusted as needed.

이어서, 제2공정에서는 메탄올의 카르보닐화 반응 혼합물로부터 아세트산을 분리하고, 이어서 제3공정에서는 메틸아세테이트와 할라이드 조촉매를 분리한다. 이와 같은 분리 공정은 통상의 분리 방법에 따라 수행할 수 있으며, 1단계 공정으로 통합 수행할 수 있다.Next, acetic acid is separated from the carbonylation reaction mixture of methanol in the second step, and then methyl acetate and the halide cocatalyst are separated in the third step. This separation process can be carried out according to a conventional separation method, it can be performed integrated in a one-step process.

분리된 조촉매는 제1공정의 카르보닐화 반응기로 재순환시킴으로써 경제성이 향상된다. 메틸아세테이트는 다음의 수소화 반응기로 보낸다.The separated promoter is recycled to the carbonylation reactor of the first step, thereby improving economic efficiency. Methyl acetate is sent to the next hydrogenation reactor.

제4공정에서는 제3공정에서 얻은 메틸아세테이트를 수소화 촉매를 이용하여 수소화시킴으로써 메탄올 및 에탄올을 얻는다. 메틸아세테이트는 수소화되어 한 분자의 메탄올과 에탄올을 생산한다.In the fourth step, methanol and ethanol are obtained by hydrogenating the methyl acetate obtained in the third step using a hydrogenation catalyst. Methyl acetate is hydrogenated to produce one molecule of methanol and ethanol.

메틸아세테이트의 수소화 반응은 수소화 촉매 존재하에 0.3-6.0의 메틸아세테이트의 시간당 액체 공간속도(LHSV : Liquid Hourly Space Velocity), 200-300℃의 온도 및 350-700psig의 압력으로 수행한다.The hydrogenation reaction of methyl acetate is carried out in the presence of a hydrogenation catalyst at a liquid hourly space velocity (LHSV) of methyl acetate of 0.3-6.0, a temperature of 200-300 ° C. and a pressure of 350-700 psig.

더욱 바람직하게는 메틸아세테이트의 0.5 LHSV, 260℃의 온도 및 600psig의 압력하에서 수소화 반응을 수행한다.More preferably the hydrogenation reaction is carried out at 0.5 LHSV of methyl acetate, at a temperature of 260 ° C. and at a pressure of 600 psig.

수소화 반응을 촉진하는 촉매는 Cu 산화물을 주성분으로 하는 화합물을 사용한다. 예를 들면, Cu-Co-Zn, Cu-Zn-Fe, Cu-Co-Zn-Fe-Ca 및 Cu-Co-Zn-Mo-Na를 들 수 있으며, 바람직하게는 Cu-Co-Zn을 사용한다.As a catalyst for promoting the hydrogenation reaction, a compound containing Cu oxide as a main component is used. For example, Cu-Co-Zn, Cu-Zn-Fe, Cu-Co-Zn-Fe-Ca, and Cu-Co-Zn-Mo-Na are mentioned, Preferably Cu-Co-Zn is used do.

상기 수소화 촉매는 증류수중의 Zn(OAc)2·2H2O, Cu(OAc)2·2H2O, Cu(OAc)2·H2O, Fe(NO3)3·9H2O 또는 (NH4)6MO7O24·4H2O 용액에 (NH4)2CO3증류수 용액을 첨가하여 반응시킨 후, 약 120℃에서 밤새 건조시키고 450℃로 약 16시간 정도 소성시킴으로써 제조할 수 있다.The hydrogenation catalyst may be Zn (OAc) 2 .2H 2 O, Cu (OAc) 2 .2H 2 O, Cu (OAc) 2 .H 2 O, Fe (NO 3 ) 3 .9H 2 O or (NH in distilled water. 4) 6 M O7 O 24 · can be produced by after 4H 2 reaction by (NH 4) was added to 2 CO 3 distilled water solution to O solution, dried overnight at about 120 ℃ and calcined to 450 ℃ for about 16 hours.

위에 언급된 성분외에 Ca, Na, Pt, Pd, Rh,Ru 을 Cl 이나 NO3의 염 형태로 첨가할 수 있으며, 이때 염으로는 Ca(NO3)2·4H2O, NaOH, K2PtCl4, PdCl2, RhCl3, RnCl3을 전체 금속의 무게비로 0.5% 되도록 첨가 하였다.In addition to the components mentioned above, Ca, Na, Pt, Pd, Rh, Ru can be added in the form of salts of Cl or NO 3 , with salts of Ca (NO 3 ) 2 4H 2 O, NaOH, K 2 PtCl 4 , PdCl 2 , RhCl 3 , RnCl 3 was added to 0.5% by weight of the total metal.

사용된 금속의 상대 음이온은 그 종류에 큰 영향을 받지 않으며, 소결후 태워 없어지고 나머지 금속 옥사이드를 형성할 수 있는 것이면 아무것이나 좋다.The counter anions of the metals used are not significantly affected by their type and can be anything as long as they can burn off after sintering and form the remaining metal oxides.

제5공정은 제4공정에서 생성된 메탄올 뿐만 아니라 초기의 반응물중 미반응된 메탄올 및 메틸아세테이트를 분리하여 재순환시키고 에탄올을 분리하는 단계이다. 상기 수소화 반응에 의해 생성된 에탄올은 통상의 공지된 방법으로 생성 혼합물로부터 분리시킬 수 있다. 본 발명의 방법은 메탄올을 초기 반응물질로 하여 메틸아세테이트를 얻고 이로부터 에탄올을 제조하는데, 최종 반응의 부산물로 생성된 메탄올을 회수하여 재순환시켜 카르보닐화 반응 공정에 사용한다. 따라서 부산물을 재순환시켜 사용할 수 있으므로 매우 경제적인 에탄올 생산 방법이라 할 수 있다.The fifth step is a step of separating and recycling unreacted methanol and methyl acetate in the initial reaction product as well as methanol generated in the fourth step, and separating ethanol. Ethanol produced by the hydrogenation reaction can be separated from the product mixture by conventional known methods. In the method of the present invention, methanol is used as an initial reactant to obtain methyl acetate, and ethanol is prepared therefrom. The methanol produced as a by-product of the final reaction is recovered and recycled to be used in a carbonylation reaction process. Therefore, by-products can be recycled and used as a very economical ethanol production method.

이하 본 발명에 대하여 보다 상세히 설명한다. 그러나 본 발명이 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail. However, the present invention is not limited to these examples.

[실시예 1]Example 1

RhCl3와 LiI를 수용액상에서 활성탄에 담지시킨 후 300℃에서 소결하여 활성탄의 양을 기준으로 0.6중량%의 Rh+Rh의 양 기준으로 400몰%의 Li을 활성탄 담체에 담지시켜 촉매를 제조하였다. 이 촉매 5g을 직경이 약 1.27㎝(1/2인치), 길이가 40㎝인 티탄 반응관에다 채우되, 반응관의 윗부분 15㎝와 아랫부분15㎝는 알칼리 처리한 유리 섬유로 채워 촉매층 길이가 10㎝가 되도록 하고, 관의 중간에는 직경 약 0.64㎝(1/4인치)의 티탄관을 넣어서 열전기쌍(熱電氣雙)을 장착하였다. 반응관의 외부는 오일 자켓을 씌워서 열매(熱媒)로 그 반응관을 가열할 수 있게 하였다. 이러한 반응 장치에 메탄올과 일산화탄소를 1 : 2 : 3이 되도록 유입하고, 조촉매로서 메탄올 양을 기준으로 10몰%의 CH3I 존재하에, 반응 압력은 200psi, 반응기 내부 온도는 270℃ 이상으로 하여 반응을 실시하였다.The catalyst was prepared by supporting RhCl 3 and LiI on activated carbon in an aqueous solution and then sintering at 300 ° C. on 400 mol% of Li based on the amount of Rh + Rh based on the amount of activated carbon on the activated carbon carrier. 5 g of the catalyst was filled in a titanium reaction tube of about 1.27 cm (1/2 inch) in diameter and 40 cm in length, and the upper 15 cm and 15 cm of the upper part of the reaction tube were filled with alkali-treated glass fibers to increase the catalyst bed length. It was made into 10 cm, and the titanium tube of about 0.64 cm (1/4 inch) in diameter was put in the middle of the tube, and the thermoelectric pair was attached. The outside of the reaction tube was covered with an oil jacket to heat the reaction tube with fruit. Methanol and carbon monoxide were introduced into the reactor to be 1: 2: 3, and as a promoter, in the presence of 10 mol% CH 3 I based on the amount of methanol, the reaction pressure was 200 psi and the reactor internal temperature was 270 ° C or higher. The reaction was carried out.

위 반응 조건하에서 기체공간속도(GHSV)에 따른 메탄올의 전환률 및 아세트산의 수율 등을 다음 표 1에 나타내었다.The conversion of methanol and the yield of acetic acid according to gas space velocity (GHSV) under the above reaction conditions are shown in Table 1 below.

GHSV=메탄올만의 시간당 기체공간속도[Gas hourly space velocity(hr-1)] : 시간당 반응물이 기체 상태로 촉매 부피를 몇배 통과했는가를 나타내는 척도로서, CHSV가 높을수록 촉매와 반응물의 접촉 시간이 짧아지고 단위 시간당 처리하는 반응물의 양이 증가한다.GHSV = Gas hourly space velocity (hr -1 ): This is a measure of how many times the volume of reactant per hour passed through the catalyst volume in the gaseous state.The higher the CHSV, the shorter the contact time between the catalyst and the reactant. And the amount of reactant processed per unit time increases.

[실시예 2]Example 2

실시예 1과 동일한 조건에서 동일 촉매를 사용하되 반응 압력을 150psi, 반응 온도를 233℃로 하여 반응시켰다. 위 반응조건에서 얻은 결과를 다음 표 2에 나타내었다.The same catalyst was used under the same conditions as in Example 1 except that the reaction pressure was 150 psi and the reaction temperature was 233 ° C. The results obtained under the above reaction conditions are shown in Table 2 below.

상기 표 1 및 2에서 알 수 있는 바와 같이, 동일 촉매를 사용하여도 반응조건을 달리하면 메틸아세테이트와 아세트산의 생성비를 조절할 수 있었다. 즉, 비교적 반응조건이 온화한 실시예 2의 결과로부터 메틸아세테이트가 다량 생산됨을 알 수 있다.As can be seen in Tables 1 and 2, even when the same catalyst was used, the production ratio of methyl acetate and acetic acid could be adjusted by different reaction conditions. That is, it can be seen that a large amount of methyl acetate is produced from the result of Example 2, in which the reaction conditions are relatively mild.

[실시예 3]Example 3

실시예 1과 동일한 방법으로 행하되, 촉매로서는 1.8중량%의 Rh + Rh양의 기준으로 400몰%의 Li 활성탄 촉매를 사용하고, 반응조건은 더욱 완화시켜 150psi의 CO 압력하에서 270℃에서 행하였다. 이와 같이 얻어진 결과를 다음 표 3에 나타내었다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that 400 mol% of Li activated carbon catalyst was used as the catalyst based on the amount of Rh + Rh of 1.8% by weight, and the reaction conditions were further relaxed at 270 ° C. under CO pressure of 150 psi. The results thus obtained are shown in Table 3 below.

[실시예 4]Example 4

실시예 1과 동일한 방법으로 행하되, 촉매로서는 활성 탄소량 기준으로 0.6중량%의 Rh + Rh양의 기준으로 200몰%의 Na를 활성탄소에 담지시킨 것을 사용하고, 반응 온도는 240℃로 하여 반응을 행하였다. 이와 같이 얻어진 결과를 다음 표 4에 나타내었다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 1 except that 200 mol% of Na was supported on activated carbon based on the amount of Rh + Rh of 0.6 wt% based on the amount of activated carbon, and the reaction temperature was 240 ° C. Was performed. The results thus obtained are shown in Table 4 below.

[실시예 5]Example 5

실시예 1과 동일한 방법으로 행하되, RhCl3와 IrCl3를 1 : 0.5의 몰비로 활성탄에 담지시킨 촉매를 사용하고 반응 온도를 225℃로 하여 반응시켰다. 이와 같이 얻어진 결과를 다음 표 5에 나타내었다.The reaction was carried out in the same manner as in Example 1, using a catalyst in which RhCl 3 and IrCl 3 were supported on activated carbon at a molar ratio of 1: 0.5, and the reaction temperature was 225 ° C. The results thus obtained are shown in Table 5 below.

[실시예 6]Example 6

Zn(OAc)2·2H2O 22g, Co(OAc)2·2H2O 25g, Cu(OAc)2·H2O 20g, Fe(NO3)3·9H2O 1.46g을 증류수 500ml에 용해시키고 상온에서 교반하였다. 용액이 맑게 되었을 때, 여기에 (NH4)2CO340g을 증류수 400ml에 용해시킨 용액을 서서히 가하였다. 용액 첨가가 완료되면 약 1시간 가량 이를 교반시킨 후 거름종이로 거르고 증류수 액으로 침전물을 수세하였다. 수세한 침전물은 진공로에서 약 120℃에서 밤새 건조한 후 가열로에서 450℃로 16시간 동안 소성하여 수소화 촉매를 제조하였다.22 g of Zn (OAc) 2 · 2H 2 O, 25 g of Co (OAc) 2 · 2H 2 O, 20 g of Cu (OAc) 2 · H 2 O, and 1.46 g of Fe (NO 3 ) 3 · 9H 2 O are dissolved in 500 ml of distilled water. And stirred at room temperature. When the solution became clear, a solution in which 40 g of (NH 4 ) 2 CO 3 was dissolved in 400 ml of distilled water was slowly added thereto. After the solution was added, the mixture was stirred for about 1 hour, filtered through a filter paper, and the precipitate was washed with distilled water. The washed precipitate was dried at about 120 ° C. in a vacuum furnace overnight, and then calcined at 450 ° C. for 16 hours in a heating furnace to prepare a hydrogenation catalyst.

Fe 성분 대신 Mo 성분이 첨가된 촉매를 제조하는 경우는 (NH4)6M7O24·4H2O를 0.368g 사용하였다.When preparing a catalyst in which the Mo component was added instead of the Fe component, 0.368 g of (NH 4 ) 6 M 7 O 24 .4H 2 O was used.

[실시예 7]Example 7

실시예 6에서 제조된 촉매 2.5g을 고정층 반응기에 충전시키고 상압에서 수소로 350℃에서 2시간 환원시킨 후 메틸아세테이트를 LHSV가 4.4가 되도록 예열부를 통하여 반응기에 이송하고 수소를 과량 유입시켜 온도 250℃, 압력 500psig에서 수소화 반응을 시켰다. 그 반응 결과는 아래와 같다.2.5 g of the catalyst prepared in Example 6 was charged to a fixed bed reactor, reduced to hydrogen at 350 ° C. for 2 hours at atmospheric pressure, and methyl acetate was transferred to the reactor through a preheating unit so that the LHSV was 4.4. And hydrogenation reaction at a pressure of 500 psig. The reaction result is as follows.

[실시예 8]Example 8

실시예 6에서 제조된 촉매 2.5g을 고정층 반응기에 충전시키고, 실시예 7과 동일한 방법으로 환원한 후 메틸아세테이트를 LHSV 1이 되도록 예열부를 통해 반응기에 이송하고 수소를 메틸아세테이트에 대해 몰비로 5배 되도록 유입시켜 온도 220℃, 압력 400psig에서 수소화 반응을 시켰다. 그 반응 결과는 아래와 같다.2.5 g of the catalyst prepared in Example 6 was charged to a fixed bed reactor, and reduced in the same manner as in Example 7, after which the methyl acetate was transferred to the reactor through a preheating unit so as to be LHSV 1 and hydrogen 5 times in molar ratio relative to methyl acetate. Inflow was carried out so that a hydrogenation reaction was performed at a temperature of 220 ° C. and a pressure of 400 psig. The reaction result is as follows.

[실시예 9]Example 9

Cu-Co-Zn-Fe 촉매 4g을 고정층 반응기에 충전시키고 실시예 7과 동일한 방법으로 환원한 후 온도 260℃에서 수소화 반응시켰다. 그 반응 결과는 아래와 같다.4 g of a Cu-Co-Zn-Fe catalyst was charged to a fixed bed reactor, reduced in the same manner as in Example 7, and then hydrogenated at a temperature of 260 ° C. The reaction result is as follows.

본 발명의 에탄올 제조 방법은 관련된 기존 기술을 모두 개선하여 각 단계 반응을 효율화시켜서 그 경제성을 제고시켰고, 메탄올과 일산화탄소의 카르보닐화 반응 단계에서 직접 메틸아세테이트를 생산함으로써 별도의 에스테르화 단계를 거칠 필요가 없게 되었고, 최종 단계에서 얻은 부산물인 메탄올을 카르보닐화 단계로 재순환시켜 사용함으로써 원료비를 절감할 수 있다.The ethanol manufacturing method of the present invention improves the economics by improving all the existing techniques to improve the efficiency of each step, and requires a separate esterification step by producing methyl acetate directly in the carbonylation reaction of methanol and carbon monoxide. The cost of raw materials can be reduced by recycling the methanol byproduct obtained in the final step to the carbonylation step.

Claims (5)

카르보닐화 반응용 로듐 촉매 및 할라이드계 조촉매 조재하에 메탄올을 일산화탄소와 기상 카르보닐화 반응시켜 아세트산과 메틸아세테이트를 얻는 제1공정, 생성된 아세트산과 메틸아세테이트의 혼합물로부터 아세트산을 분리하는 제2공정, 아세트산을 분리시킨 후 나머지 반응 혼합물로부너 할라이드계 조촉매와 메틸아세테이트를 각각 분리하는 제3공정, 분리된 메틸아세테이트를 수소화 반응기로 유입시켜 Cu 산화물을 주성분으로 하는 수소화 촉매 존재하에 메틸아세테이트의 LSHV=0.3-6.0, 200-300℃의 온도, 350-700psig의 압력하에 수소화시켜 메탄올과 에탄올을 얻는 제4공정 및 생성된 혼합물로부터 에탄올을 분리하고 메탄올을 회수하여 제1공정에 재순환시키는 제5공정으로 이루어지는 메탄올로부터 에탄올을 제조하는 방법.A first step of obtaining acetic acid and methyl acetate by gas-phase carbonylation of methanol with carbon monoxide under a rhodium catalyst and a halide-based promoter for carbonylation reaction, and a second step of separating acetic acid from a mixture of the resulting acetic acid and methyl acetate In the third step of separating the acetic acid and the acetate halide co-catalyst and the methyl acetate into the remaining reaction mixture, the separated methyl acetate is introduced into the hydrogenation reactor, and the LSHV of methyl acetate is present in the presence of a hydrogenation catalyst composed mainly of Cu oxide. A fourth step of hydrogenating at a temperature of = 0.3-6.0, 200-300 ° C. and a pressure of 350-700 psig to obtain methanol and ethanol, and a fifth step of separating ethanol from the resulting mixture and recovering methanol to recycle to the first step. Method for producing ethanol from methanol consisting of. 제1항에 있어서, 제2공정과 제3공정이 하나의 공정으로 통합 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the second process and the third process are performed in one process. 제1항에 있어서, 할라이드 조촉매는 분리후 카르보닐화 반응공정으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the halide promoter is recycled to the carbonylation process after separation. 제1항에 있어서, 메틸아세테이트의 수소화 반응에 사용되는 수소화 촉매가 Cu-Co-Zn, Cu-Zn-Fe, Cu-Co-Zn-Fe-Ca 및 Cu-Co-Zn-Mo-Na로 이루어진 군에서 선택된 것을 특징으로 하는 방법.The hydrogenation catalyst used for hydrogenation of methyl acetate is composed of Cu-Co-Zn, Cu-Zn-Fe, Cu-Co-Zn-Fe-Ca and Cu-Co-Zn-Mo-Na. And selected from the group. 제1항에 있어서, 상기 할라이드 조촉매가 CH3I인 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the halide promoter is CH 3 I.
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