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KR20120099818A - Cesium oxide-silica composite, method of preparing the same and method of preparing methylethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol using the same - Google Patents

Cesium oxide-silica composite, method of preparing the same and method of preparing methylethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol using the same Download PDF

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KR20120099818A
KR20120099818A KR1020110012715A KR20110012715A KR20120099818A KR 20120099818 A KR20120099818 A KR 20120099818A KR 1020110012715 A KR1020110012715 A KR 1020110012715A KR 20110012715 A KR20110012715 A KR 20110012715A KR 20120099818 A KR20120099818 A KR 20120099818A
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cesium oxide
butadiene
butanediol
silica composite
silica
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김우영
이희종
이고르 필리모노프
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지에스칼텍스 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매는 생성물로부터 분리가 용이하고, 높은 활성을 가질 수 있다. 또한, 세슘산화물-실리카 복합체 촉매는 세슘산화물의 양에 따라 산/염기 비율이 조절되어 원하는 생성물을 선택적으로 수득할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매를 이용하여 메틸에틸케톤(MEK) 및 1,3-부타디엔을 제조하는 경우에 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔의 선택도 및 수율이 향상될 수 있다.Cesium oxide-silica complex catalyst according to an embodiment of the present invention can be easily separated from the product, it may have a high activity. In addition, the cesium oxide-silica composite catalyst may be adjusted to the acid / base ratio according to the amount of cesium oxide to selectively obtain the desired product. Furthermore, when preparing methyl ethyl ketone (MEK) and 1,3-butadiene using cesium oxide-silica composite catalyst according to an embodiment of the present invention, selectivity and yield of methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene This can be improved.

Description

세슘산화물-실리카 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용하여 2,3―부탄디올로부터 메틸에틸케톤과 1,3―부타디엔을 제조하는 방법{CESIUM OXIDE-SILICA COMPOSITE, METHOD OF PREPARING THE SAME AND METHOD OF PREPARING METHYLETHYL KETONE AND 1,3―BUTADIENE FROM 2,3―BUTANEDIOL USING THE SAME}Cesium oxide-silica composite, method for preparing the same, and method for preparing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol AND 1,3―BUTADIENE FROM 2,3―BUTANEDIOL USING THE SAME}

세슘산화물-실리카 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용하여 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤과 1,3-부타디엔을 제조하는 방법이 개시된다. 더욱 상세하게는, 산/염기 복합 촉매로 사용될 수 있는 세슘산화물-실리카 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용하여 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤과 1,3-부타디엔을 제조하는 방법이 개시된다.
A cesium oxide-silica composite, a method for producing the same, and a method for producing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol using the same are disclosed. More specifically, a cesium oxide-silica composite that can be used as an acid / base complex catalyst, a method for preparing the same, and a method for preparing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol using the same are disclosed.

2,3-부탄디올(2,3-butanediol)은 청정 자원인 바이오매스로부터 생산할 수 있는 화합물의 한 예로서, 1906년 Harden과 Walpole이 크실로스(xylose)와 글루코오스(glucose)의 발효를 통하여 2,3-부탄디올을 생산한 이후, 바이오 테크놀로지를 활용하여 이를 생산하는 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 2,3-부탄디올은 합성 고무, 가소제, 부동액 및 연료 첨가제와 같은 다양한 화합물의 전구체로 사용되기 때문에, 바이오 공정에 의한 2,3-부탄디올의 생산은 지속적으로 증가할 것으로 전망되며, 이를 보다 가치 있게 활용할 수 있는 기술에 대한 요구도 높아지고 있다.2,3-butanediol is an example of a compound that can be produced from a clean source of biomass. In 1906, Harden and Walpole, through fermentation of xylose and glucose, Since the production of 3-butanediol, research is being actively carried out to produce it using biotechnology. In particular, since 2,3-butanediol is used as a precursor of various compounds such as synthetic rubbers, plasticizers, antifreezes and fuel additives, the production of 2,3-butanediol by bioprocessing is expected to continue to increase. There is also a growing need for technology that can be valuable.

1,3-부타디엔(1,3-butadiene)은 타이어, 연료관(fuel line) 등 자동차 부품, 신발, 전자제품의 부품 등의 산업용 소재의 제조에 사용되는 핵심 물질이며, 세계 시장 규모 1천만톤/년, 22조원/년에 이르는 대표적인 화학 제품이다. 1,3-부타디엔의 상업적 생산은 스팀 크래킹을 통해 생산되는 에틸렌 제조 공정의 부산물을 추출 정제 공정을 통해 이루어지고 있으며, 일부 n-부탄(n-butane)이나 n-부텐(n-butene)의 탈수소화 반응을 통해 얻어지고 있다. 1,3-부타디엔은 에틸렌 생산의 부산물로써 얻어지기 때문에 1,3-부타디엔의 생산량은 에틸렌 생산량과 연동되어, 시장 상황에 따라 부타디엔의 생산량을 조절하기에 어려움이 있다.1,3-butadiene is a key material used in the manufacture of industrial materials, such as tires, fuel lines, automobile parts, shoes, and electronics parts. It is a representative chemical product amounting to KRW 22 trillion / year. Commercial production of 1,3-butadiene is carried out through the extraction and purification process of ethylene production by steam cracking, and dehydration of some n-butane or n-butene It is obtained through the digestion reaction. Since 1,3-butadiene is obtained as a by-product of ethylene production, the production of 1,3-butadiene is linked to ethylene production, which makes it difficult to control the production of butadiene according to market conditions.

한편, 메틸에틸케톤(methyl ethyl ketone, MEK)은 다양한 공정 분야에서 대량으로 사용되는 대표적인 용제이지만, 국내에서 생산하는 기업이 없어 전량 수입에 의존하고 있다. 특히, MEK는 나이트로셀룰로오스(nitrocellulose), 비닐 수지, 아세트산 셀룰로오스 등의 용제로 이용될 뿐만 아니라, 폴리우레탄, 페인트, 마그네틱테이프, 잉크, 합성 피혁, 접착제 및 코팅제 등과 같은 많은 산업 분야에서 소비되고 있다.Meanwhile, methyl ethyl ketone (MEK) is a representative solvent used in large quantities in various process fields, but since there are no companies in Korea, it relies on imports. In particular, MEK is not only used as a solvent such as nitrocellulose, vinyl resin, cellulose acetate, etc., but is also consumed in many industries such as polyurethane, paint, magnetic tape, ink, synthetic leather, adhesives and coatings. .

MEK를 생산하는 기존 상용 공정은 나프타의 C4 유분인 1-부텐(1-butene) 또는 2-부텐(2-butene)의 수화반응(hydration)을 통해 얻어진 2-부탄올(2-butanol)을 400 ~ 500℃의 고온과 4 bar 정도의 고압에서 아연(Zn), 구리(Cu) 또는 주석(Sn) 촉매를 이용하여 탈수소화반응(dehydrogenation)함으로써 MEK를 제조하고 있다. 그러나, 세계적으로 고유가 상황이 지속되고, 올레핀 생산이나 에틸렌 분해용으로 C4 유분의 수요가 증가하고 있어 원료 수급에 많은 불편이 초래되고 있으며 가격 불안정성이 지속되고 있다.Existing commercial processes for producing MEK have been carried out from 400 to 2-butanol obtained through hydration of 1-butene or 2-butene, the naphtha C4 fraction. MEK is manufactured by dehydrogenation using a zinc (Zn), copper (Cu) or tin (Sn) catalyst at a high temperature of 500 ° C. and a high pressure of about 4 bar. However, high oil prices continue to be around the world, and the demand for C4 oil is increasing for olefin production or ethylene decomposition, causing a lot of inconveniences in the supply and demand of raw materials and continuing price instability.

2,3-부탄디올은 탈수반응(dehydration)을 통해 MEK 및 1,3-부타디엔으로 전환될 수 있는데, 본 반응을 위해서는 탈수 촉매가 필요하다. 염산, 황산, 질산과 같은 균일계 무기산은 2,3-부탄디올의 탈수 반응에 높은 활성을 나타내는 것으로 알려져 있으나, 반응기를 부식시키고, 취급이 어려우며, 생성물로부터 이들을 분리하는데 많은 시간과 비용이 소모된다. 따라서, 2,3-부탄디올로부터 효과적으로 MEK 및 1,3-부타디엔을 생산하기 위해서는 생성물로부터 분리가 용이하고, 높은 활성을 가지는 촉매 및 이를 활용한 반응 공정의 개발이 필요하다.
2,3-butanediol can be converted to MEK and 1,3-butadiene via dehydration, which requires a dehydration catalyst. Homogeneous inorganic acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid, and nitric acid are known to exhibit high activity in the dehydration reaction of 2,3-butanediol, but they are difficult to corrode, difficult to handle, and costly to separate them from the product. Therefore, in order to effectively produce MEK and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol, it is necessary to develop a catalyst having a high activity and a reaction process using the same, which is easy to separate from a product.

세슘산화물-실리카 복합체, 그 제조방법 및 이를 이용하여 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤과 1,3-부타디엔을 제조하는 방법이 제공된다.
Cesium oxide-silica composite, a method for producing the same, and a method for producing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol using the same are provided.

본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체는, 세슘산화물(cesium oxide) 및 실리카(silica)를 포함한다.Cesium oxide-silica composite according to an embodiment of the present invention, cesium oxide (cesium oxide) and silica (silica).

본 발명의 일 측에 따른 세슘산화물-실리카 복합체에서, 세슘산화물의 중량은 10 중량% ~ 40 중량%일 수 있다.In the cesium oxide-silica composite according to one side of the present invention, the weight of cesium oxide may be 10% by weight to 40% by weight.

본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 제조방법은, 세슘산화물 소스(cesium oxide source)를 용매에 용해시켜서 제1 용액을 제조하는 단계, 상기 제1 용액에 실리카를 함침시켜서 제2 용액을 제조하는 단계, 및 상기 제2 용액을 건조 및 소성시키는 단계를 포함한다.Cesium oxide-silica composite manufacturing method according to an embodiment of the present invention, dissolving a cesium oxide source (cesium oxide source) in a solvent to prepare a first solution, by impregnating silica in the first solution a second solution Preparing a, and drying and calcining the second solution.

본 발명의 일 측에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 제조방법에서, 세슘산화물 소스는 세슘카보네이트(Cs2CO3), 세슘클로라이드(CsCl), 또는 세슘나이트레이트(CsNO3)일 수 있다.In the cesium oxide-silica composite manufacturing method according to one aspect of the present invention, the cesium oxide source may be cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), cesium chloride (CsCl), or cesium nitrate (CsNO 3 ).

본 발명의 일 측에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 제조방법에서, 상기 세슘산화물-실리카 복합체 중의 세슘산화물의 중량은 10 중량% ~ 40 중량%일 수 있다.In the cesium oxide-silica composite manufacturing method according to one aspect of the present invention, the weight of cesium oxide in the cesium oxide-silica composite may be 10% to 40% by weight.

본 발명의 일 측에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 제조방법에서, 소성 단계는 450℃ ~ 650℃에서 수행될 수 있다.In the cesium oxide-silica composite manufacturing method according to one side of the present invention, the firing step may be carried out at 450 ℃ ~ 650 ℃.

본 발명의 일 실시예에 따른 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법은, 2,3-부탄디올을 기화시키는 단계, 상기 기화된 2,3-부탄디올에 불활성 가스를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계 및 상기 혼합물을 상기 세슘산화물-실리카 복합체 촉매와 반응시키는 단계를 포함한다.Method for preparing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol according to an embodiment of the present invention, the step of vaporizing 2,3-butanediol, inert gas to the vaporized 2,3-butanediol Mixing to form a mixture and reacting the mixture with the cesium oxide-silica composite catalyst.

본 발명의 일 측에 따른 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에서, 세슘산화물-실리카 복합체 촉매에서 상기 세슘산화물의 중량은 10 중량% ~ 40 중량%일 수 있다.In the method for producing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol according to one aspect of the present invention, the weight of the cesium oxide in the cesium oxide-silica composite catalyst may be 10% to 40% by weight have.

본 발명의 일 측에 따른 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에서, 반응 단계에서 반응 온도는 320℃ ~ 480℃일 수 있다.In the method for preparing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol according to one side of the present invention, the reaction temperature in the reaction step may be 320 ℃ ~ 480 ℃.

본 발명의 일 측에 따른 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에서, 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔의 총 수율이 95% 이상일 수 있다.In the method for preparing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol according to one aspect of the present invention, the total yield of methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene may be 95% or more.

본 발명의 일 측에 따른 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에서, 1,3-부타디엔의 선택도가 40% ~ 65%일 수 있다.
In the method for preparing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol according to one aspect of the present invention, the selectivity of 1,3-butadiene may be 40% to 65%.

본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매는 생성물로부터 분리가 용이하고, 높은 활성을 가질 수 있다. 또한, 세슘산화물-실리카 복합체 촉매는 세슘산화물의 양에 따라 산/염기 비율이 조절되어 원하는 생성물을 선택적으로 수득할 수 있다.Cesium oxide-silica complex catalyst according to an embodiment of the present invention can be easily separated from the product, it may have a high activity. In addition, the cesium oxide-silica composite catalyst may be adjusted to the acid / base ratio according to the amount of cesium oxide to selectively obtain the desired product.

나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매를 이용하여 메틸에틸케톤(MEK) 및 1,3-부타디엔을 제조하는 경우에 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔의 선택도 및 수율이 향상될 수 있다.
Furthermore, when preparing methyl ethyl ketone (MEK) and 1,3-butadiene using cesium oxide-silica composite catalyst according to an embodiment of the present invention, selectivity and yield of methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene This can be improved.

도 1은 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하기 위한 연속식 기상 반응의 개략도를 나타내는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 shows a schematic diagram of a continuous gas phase reaction for producing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매, 이의 제조방법 및 이를 이용하여 메틸에틸케톤(methylethylketone, MEK) 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.
Hereinafter, a cesium oxide-silica composite catalyst according to an embodiment of the present invention, a preparation method thereof, and a method of preparing methyl ethyl ketone (methyl ethyl ketone, MEK) and 1,3-butadiene will be described in detail.

본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체는, 세슘산화물 및 실리카를 포함한다. 세슘산화물-실리카 복합체는 염기 촉매로 작용할 수 있는 세슘산화물과 지지체로서의 기능뿐만 아니라 약산 촉매로 작용할 수 있는 실리카가 구조적으로 결합된 형태의 복합체이다.The cesium oxide-silica composite according to the embodiment of the present invention includes cesium oxide and silica. The cesium oxide-silica complex is a complex in which the cesium oxide, which can act as a base catalyst, and the silica, which can act as a weak acid catalyst as well as a support, are structurally bound.

세슘산화물은 산소 원자나 전자를 제공함으로써 염기 촉매로 작용한다. 보다 구체적으로, 세슘산화물 표면의 산소 원자는 주변의 양성자(proton)와 매우 강하게 결합할 수 있어서 염기점(basic site)으로 작용하며, 이를 통해 산소 원자 또는 전자를 제공하여 염기 촉매로 작용한다.Cesium oxide acts as a base catalyst by providing oxygen atoms or electrons. More specifically, the oxygen atom on the cesium oxide surface is able to bind very strongly to the protons around it and acts as a basic site, thereby providing an oxygen atom or an electron and acting as a base catalyst.

실리카는 세슘산화물을 분산시키고 촉매를 안정한 구조로 유지하는 역할을 하는 지지체로 작용할 뿐만 아니라 전자를 받을 수 있어서 약산 촉매의 기능을 할 수 있다.Silica not only acts as a support that serves to disperse cesium oxide and keep the catalyst in a stable structure, and can also receive electrons and thus function as a weak acid catalyst.

촉매 반응에서 산/염기 비율의 적절한 조절은 원하는 생성물을 선택적으로 얻는 데에 있어서 중요하다. 본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체는 염기 촉매로 작용할 수 있는 세슘산화물 및 약산 촉매로 작용할 수 있는 실리카를 포함함으로써 산/염기 복합 촉매로 작용할 수 있다. 또한, 세슘산화물-실리카 복합체 촉매에서 세슘산화물의 양을 조절하여 산/염기 비율을 조절할 수 있으며, 이로 인해 원하는 생성물을 선택적으로 수득할 수 있다.Proper control of the acid / base ratio in the catalytic reaction is important for selectively obtaining the desired product. The cesium oxide-silica composite according to an embodiment of the present invention may act as an acid / base complex catalyst by including cesium oxide which may act as a base catalyst and silica which may act as a weak acid catalyst. In addition, by adjusting the amount of cesium oxide in the cesium oxide-silica composite catalyst, it is possible to control the acid / base ratio, thereby selectively obtaining the desired product.

본 발명의 일 측에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매에서, 세슘산화물의 양은 10 중량% ~ 40 중량%일 수 있다. 세슘산화물의 양이 10% 미만인 경우, 세슘산화물-실리카 복합체 촉매의 활성이 낮아지며, 세슘산화물의 양이 40%를 초과하면 세슘산화물의 분산에 불리하며 세슘산화물의 사용량이 많아져 경제성이 떨어진다. 따라서, 세슘산화물의 양을 10 중량% ~ 40 중량% 조절하여 원하는 생성물의 선택도를 높일 수 있다.
In the cesium oxide-silica composite catalyst according to one side of the present invention, the amount of cesium oxide may be 10% by weight to 40% by weight. When the amount of cesium oxide is less than 10%, the activity of the cesium oxide-silica complex catalyst is lowered, and when the amount of cesium oxide is more than 40%, it is disadvantageous to disperse the cesium oxide, and the amount of cesium oxide is increased so that economic efficiency is low. Therefore, by adjusting the amount of cesium oxide 10% to 40% by weight can increase the selectivity of the desired product.

본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 제조방법은, 세슘산화물 소스(cesium oxide source)를 용매에 용해시켜서 제1 용액을 제조하는 단계, 상기 제1 용액에 실리카를 함침시켜서 제2 용액을 제조하는 단계, 및 상기 제2 용액을 건조 및 소성시키는 단계를 포함한다. Cesium oxide-silica composite manufacturing method according to an embodiment of the present invention, dissolving a cesium oxide source (cesium oxide source) in a solvent to prepare a first solution, by impregnating silica in the first solution a second solution Preparing a, and drying and calcining the second solution.

본 발명의 일 측에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 제조방법에서, 세슘산화물 소스는 세슘카보네이트(Cs2CO3), 세슘나이트레이트(CsNO3), 또는 세슘클로라이드(CsCl) 등의 세슘할라이드 등이 있으나, 이에 제한되지 않는다. 바람직하게, 세슘산화물 소스는 세슘카보네이트(Cs2CO3)일 수 있다. 지지체 및 약산 촉매로 작용할 수 있는 실리카는 특별히 한정되지는 않으나, 예를 들면 Davisil? 35-60 메쉬(mesh)의 물질을 사용할 수 있으며, 용매는 물 또는 알코올일 수 있다. In the method of manufacturing cesium oxide-silica composite according to one aspect of the present invention, the cesium oxide source includes cesium halides such as cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), cesium nitrate (CsNO 3 ), or cesium chloride (CsCl). This is not restrictive. Preferably, the cesium oxide source may be cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ). Silica that can act as a support and a weak acid catalyst is not particularly limited, for example, Davisil? 35-60 mesh materials can be used, and the solvent can be water or alcohol.

먼저, 세슘산화물 소스인 세슘카보네이트의 양을 조절하여 물에 용해시켜 제1 용액을 형성한 후, 제1 용액에 전술한 실리카를 함침시켜서 제2 용액을 형성한다. 이후, 제2 용액을 상온 또는 100℃ 이하 온도, 바람직하게는 70℃ ~ 90℃에서 건조시킨 후, 소성하여 세슘산화물-실리카 복합체를 제조한다. 본 발명의 일 측에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 제조방법에서, 소성 단계는 450℃ ~ 650℃에서 수행될 수 있다. 바람직하게, 소성 단계는 530℃ ~ 620℃에서 수행될 수 있다. 더 바람직하게, 소성 단계는 600℃에서 수행될 수 있다. 또한, 소성 단계는 약 4시간 동안 수행될 수 있다.First, the amount of cesium carbonate, which is a cesium oxide source, is adjusted to dissolve in water to form a first solution, and then the first solution is impregnated with silica to form a second solution. Thereafter, the second solution is dried at room temperature or below 100 ° C., preferably 70 ° C. to 90 ° C., and then calcined to prepare cesium oxide-silica composite. In the cesium oxide-silica composite manufacturing method according to one side of the present invention, the firing step may be carried out at 450 ℃ ~ 650 ℃. Preferably, the firing step may be performed at 530 ℃ ~ 620 ℃. More preferably, the firing step can be carried out at 600 ° C. In addition, the firing step may be performed for about 4 hours.

결국, 이러한 과정을 통해 다양한 조성비를 갖는 세슘산화물-실리카 복합체를 제조할 수 있다. 바람직하게, 세슘산화물-실리카 복합체 중의 세슘산화물의 중량이 10 중량% ~ 40 중량%인 복합체를 제조할 수 있다.As a result, cesium oxide-silica composites having various composition ratios can be prepared through this process. Preferably, the composite may be prepared in which the weight of cesium oxide in the cesium oxide-silica composite is 10% by weight to 40% by weight.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매의 비표면적 및 기공구조는 사용되는 실리카에 따라 달라질 수 있으며, 특정의 비표면적 및 기공구조에 제한되지 않는다.
In addition, the specific surface area and pore structure of the cesium oxide-silica composite catalyst according to one embodiment of the present invention may vary depending on the silica used, and are not limited to a specific specific surface area and pore structure.

이하에서는 세슘산화물-실리카 복합체 촉매를 제조하는 실시예를 설명하며, 본 명세서에서 상온은 약 20℃ ~ 25℃를 의미하며, 상압은 약 1기압을 의미한다.
Hereinafter, an embodiment of preparing a cesium oxide-silica composite catalyst will be described. In the present specification, normal temperature means about 20 ° C. to 25 ° C., and normal pressure means about 1 atmosphere.

실시예 1Example 1

Cs2CO3 0.038 몰을 물 3 몰에 용해시켜서 제1 용액을 제조하였다. 제1 용액에 실리카(Davisil 35-60 메쉬(mesh)) 100 g을 함침시켜서 제2 용액을 제조하였다. 수득된 제2 용액을 80℃에서 24시간 동안 건조하였다. 건조된 시료를 600℃에서 공기 조건하에서 4시간 동안 소성하였다.
A first solution was prepared by dissolving 0.038 moles of Cs 2 CO 3 in 3 moles of water. A second solution was prepared by impregnating 100 g of silica (Davisil 35-60 mesh) in the first solution. The second solution obtained was dried at 80 ° C. for 24 hours. The dried sample was calcined at 600 ° C. for 4 hours under air conditions.

실시예 2Example 2

Cs2CO3 0.075 몰을 물 3 몰에 용해시켜서 제1 용액을 제조하였다. 제1 용액에 실리카(Davisil 35-60 메쉬(mesh)) 100 g을 함침시켜서 제2 용액을 제조하였다. 수득된 제2 용액을 80℃에서 24시간 동안 건조하였다. 건조된 시료를 600℃에서 공기 조건하에서 4시간 동안 소성하였다.
A first solution was prepared by dissolving 0.075 moles of Cs 2 CO 3 in 3 moles of water. A second solution was prepared by impregnating 100 g of silica (Davisil 35-60 mesh) in the first solution. The second solution obtained was dried at 80 ° C. for 24 hours. The dried sample was calcined at 600 ° C. for 4 hours under air conditions.

실시예 3Example 3

Cs2CO3 0.113 몰을 물 3 몰에 용해시켜서 제1 용액을 제조하였다. 제1 용액에 실리카(Davisil 35-60 메쉬(mesh)) 100 g을 함침시켜서 제2 용액을 제조하였다. 수득된 제2 용액을 80℃에서 24시간 동안 건조하였다. 건조된 시료를 600℃에서 공기 조건하에서 4시간 동안 소성하였다.
0.113 mol of Cs 2 CO 3 was dissolved in 3 mol of water to prepare a first solution. A second solution was prepared by impregnating 100 g of silica (Davisil 35-60 mesh) in the first solution. The second solution obtained was dried at 80 ° C. for 24 hours. The dried sample was calcined at 600 ° C. for 4 hours under air conditions.

실시예 4Example 4

Cs2CO3 0.143 몰을 물 3 몰에 용해시켜서 제1 용액을 제조하였다. 제1 용액에 실리카(Davisil 35-60 메쉬(mesh)) 100 g을 함침시켜서 제2 용액을 제조하였다. 수득된 제2 용액을 80℃에서 24시간 동안 건조하였다. 건조된 시료를 600℃에서 공기 조건하에서 4시간 동안 소성하였다.
0.143 mol of Cs 2 CO 3 was dissolved in 3 mol of water to prepare a first solution. A second solution was prepared by impregnating 100 g of silica (Davisil 35-60 mesh) in the first solution. The second solution obtained was dried at 80 ° C. for 24 hours. The dried sample was calcined at 600 ° C. for 4 hours under air conditions.

비교예 1 (벌크 실리카(Bulk Silica))Comparative Example 1 (Bulk Silica)

벌크 실리카는 상용 실리카인 Davisil 35-65 메쉬(mesh)를 Aldrich 사로부터 구입하여 사용하였다.
Bulk silica was purchased from Aldrich, Davisil 35-65 mesh (commercial silica).

실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 세슘산화물-실리카 복합체 촉매에서 세슘산화물의 양을 표 1에 나타내었다.Table 1 shows the amount of cesium oxide in the cesium oxide-silica composite catalyst prepared according to Examples 1 to 4.

실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 촉매에서 세슘산화물의 중량%% By weight of cesium oxide in the catalyst prepared according to Examples 1-4 실시예 1Example 1 실시예 2Example 2 실시예 3Example 3 실시예 4Example 4 세슘산화물의 양(중량%)Amount of cesium oxide (% by weight) 1111 2121 3232 4040

실시예 1 ~ 4에 따라 제조된 세슘산화물-실리카 복합체 촉매에서 세슘산화물의 양은 10 중량% ~ 40 중량%의 범위 내에 있음을 확인할 수 있다.
In the cesium oxide-silica composite catalyst prepared according to Examples 1 to 4 it can be seen that the amount of cesium oxide is in the range of 10% by weight to 40% by weight.

이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 세슘산화물-실리카 복합체 촉매를 이용하여 2,3-부탄디올로부터 MEK 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법을 설명하기로 한다.Hereinafter, a method of preparing MEK and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol using a cesium oxide-silica composite catalyst prepared according to an embodiment of the present invention will be described.

본 발명의 일 실시예에 따른 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤을 제조하는 방법은, 2,3-부탄디올을 기화시키는 단계, 상기 기화된 2,3-부탄디올에 질소, 헬륨, 아르곤 가스 등의 불활성 가스를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계 및 상기 혼합물을 본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매와 반응시키는 단계를 포함한다.Method for producing methyl ethyl ketone from 2,3-butanediol according to an embodiment of the present invention, the step of vaporizing 2,3-butanediol, nitrogen, helium, argon gas, etc. in the vaporized 2,3-butanediol Mixing an inert gas to form a mixture and reacting the mixture with a cesium oxide-silica composite catalyst according to one embodiment of the invention.

도 1은 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하기 위한 연속식 기상 반응의 개략도를 나타내는 도면이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 shows a schematic diagram of a continuous gas phase reaction for producing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol.

도 1을 참고하면, 2,3-부탄디올은 연속식 기상 반응을 통해 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔으로 전환될 수 있다. 구체적으로, 2,3-부탄디올 용액을 펌프를 통해 일정한 속도로 증발 구역(evaporation zone)에 주입한다. 증발 구역은 2,3-부탄디올이 완전히 기화될 수 있도록 200 ~ 250℃로 유지할 수 있다. Referring to FIG. 1, 2,3-butanediol may be converted into methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene through a continuous gas phase reaction. Specifically, 2,3-butanediol solution is injected into the evaporation zone at a constant rate via a pump. The evaporation zone can be maintained at 200-250 ° C. to allow 2,3-butanediol to evaporate completely.

증발 구역에서 기화된 2,3-부탄디올은 운반 기체 중 하나인 질소와 함께 혼합된 후, 스테인리스 스틸(stainless steel) 반응기 또는 석영(quartz) 반응기의 상부에서 하부 쪽으로 공급되어 촉매 층을 통과하면서 반응하게 된다. The 2,3-butanediol vaporized in the evaporation zone is mixed with nitrogen as one of the carrier gases and then fed from the top of the stainless steel reactor or the quartz reactor to the bottom to react through the catalyst bed. do.

이때, 반응 온도는 300 ~ 500℃일 수 있다. 반응온도가 300℃ 미만이면 활성이 낮은 단점이 있고, 500℃를 초과하면 에너지 소비량이 많아 경제성이 떨어지기 때문에 반응온도를 300 ~ 500℃로 유지할 수 있다. 반응 압력은 상압(약 1기압)일 수 있으나, 특별히 제한되지 않는다.At this time, the reaction temperature may be 300 ~ 500 ℃. If the reaction temperature is less than 300 ℃ has a disadvantage of low activity, if it exceeds 500 ℃ can be maintained at 300 ~ 500 ℃ because the energy consumption is large, economic efficiency is low. The reaction pressure may be atmospheric pressure (about 1 atmosphere), but is not particularly limited.

2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법에서, 촉매의 양, 반응물 주입 속도, 반응물 농도 및 운반 기체 주입 속도는 특별히 제한되지 않으며, 당업자가 적절하게 조절할 수 있다.In the process for preparing methylethylketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol, the amount of catalyst, reactant injection rate, reactant concentration and carrier gas injection rate are not particularly limited and can be appropriately adjusted by those skilled in the art.

본 발명의 일 측에 따른 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤을 제조하는 방법에서, 사용된 세슘산화물-실리카 복합체 촉매에서 세슘산화물의 중량은 10 중량% ~ 40 중량%일 수 있다. 이와 같이, 세슘산화물-실리카 복합체 촉매에서 세슘산화물의 양을 조절하여 산/염기 비율을 조절하고, 이로 인해 원하는 생성물을 선택적으로 수득할 수 있다.In the method for preparing methyl ethyl ketone from 2,3-butanediol according to one aspect of the present invention, the weight of cesium oxide in the cesium oxide-silica composite catalyst used may be 10% to 40% by weight. As such, by adjusting the amount of cesium oxide in the cesium oxide-silica composite catalyst, the acid / base ratio can be adjusted, thereby selectively obtaining the desired product.

하기와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따라 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 경우, 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔의 총 수율이 95% 이상일 수 있다. 또한, 1,3-부타디엔의 선택도가 40% ~ 65%일 수 있다.
As described below, when methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene are prepared from 2,3-butanediol according to an embodiment of the present invention, the total yield of methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene may be 95% or more. . In addition, the selectivity of 1,3-butadiene may be 40% to 65%.

이하에서는 전술한 세슘산화물-실리카 복합체 촉매를 이용하여 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 실시예들에 대해서 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of preparing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol using the cesium oxide-silica composite catalyst described above will be described.

실시예에 대한 반응 결과는 반응기 하단에 연결된 가스 크로마토그래피 기기(Aglient 사의 HP6890 모델 GC 및 HP-5 칼럼 사용)를 통해 분석하였다.
Reaction results for the examples were analyzed via a gas chromatography instrument (using Aglient's HP6890 Model GC and HP-5 columns) connected to the bottom of the reactor.

실시예 5Example 5

실시예 1에서 제조된 촉매를 사용하여 다음 표 2와 같은 조건으로 반응시켰다.
The catalyst prepared in Example 1 was reacted under the conditions shown in Table 2 below.

실시예 5에서의 반응 실험 조건Reaction Experimental Conditions in Example 5 촉매의 양Amount of catalyst 5 g5 g 반응 온도Reaction temperature 400℃400 ° C 반응물 공급량Reactant Supply 5 mL/분5 mL / min 운반 가스(N2) 공급량Carrier Gas (N 2 ) Supply 100 mL/분100 mL / min

실시예 6Example 6

실시예 2에서 제조된 촉매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 반응시켰다.
The reaction was carried out in the same manner as in Example 5, except that the catalyst prepared in Example 2 was used.

실시예 7Example 7

실시예 3에서 제조된 촉매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 반응시켰다.
The reaction was carried out in the same manner as in Example 5, except that the catalyst prepared in Example 3 was used.

실시예 8Example 8

실시예 4에서 제조된 촉매를 사용한 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 반응시켰다.
The reaction was carried out in the same manner as in Example 5, except that the catalyst prepared in Example 4 was used.

비교예 2Comparative Example 2

실시예 4에서 제조된 촉매를 사용한 것 및 반응 온도가 300℃인 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 반응시켰다.
The reaction was carried out in the same manner as in Example 5, except that the catalyst prepared in Example 4 was used and the reaction temperature was 300 ° C.

비교예 3Comparative Example 3

실시예 4에서 제조된 촉매를 사용한 것 및 반응 온도가 500℃인 것을 제외하고는 실시예 5와 동일한 방법으로 반응시켰다.
The reaction was carried out in the same manner as in Example 5, except that the catalyst prepared in Example 4 was used and the reaction temperature was 500 ° C.

비교예 4Comparative Example 4

비교예 1에서 제조한 촉매를 사용한 것을 제외하고, 실시예 5와 동일한 방법으로 반응시켰다.
The reaction was carried out in the same manner as in Example 5, except that the catalyst prepared in Comparative Example 1 was used.

표 3은 실시예 5 ~ 8 및 비교예 2 ~ 4에서의 반응 실험 결과를 나타낸다.Table 3 shows the reaction test results in Examples 5 to 8 and Comparative Examples 2 to 4.

실시예 5 ~ 10 및 비교예 2에서의 반응 실험 결과Reaction Experiment Results in Examples 5 to 10 and Comparative Example 2 2,3-부탄디올 전환율(%)2,3-butanediol conversion (%) MEK+1,3-부타디엔 수율(%)MEK + 1,3-butadiene yield (%) MEK 선택도(%)MEK selectivity (%) 1,3-부타디엔 선택도(%)1,3-butadiene selectivity (%) 실시예 5Example 5 100100 9595 4444 5151 실시예 6Example 6 100100 9595 3939 5656 실시예 7Example 7 100100 9595 3737 5858 실시예 8Example 8 100100 9595 3333 6262 비교예 2Comparative Example 2 5050 4848 4646 22 비교예 3Comparative Example 3 100100 4242 99 3333 비교예 4Comparative Example 4 1010 66 1One 55

표 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 ~ 4에서 제조된 세슘산화물-실리카 복합체를 이용한 실시예 5 ~ 8에서는 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤(MEK) 및 부타디엔을 생산하는데 높은 활성을 나타내었다. 즉, 실시예 5 ~ 8에 따라 제조된 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔은 총 수율이 95% 이상이었으며, 1,3-부타디엔의 선택도도 51% ~ 62%로 높게 나타났다. As shown in Table 3, Examples 5 to 8 using the cesium oxide-silica complex prepared in Examples 1 to 4 showed a high activity in the production of methyl ethyl ketone (MEK) and butadiene from 2,3-butanediol . That is, the methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene prepared according to Examples 5 to 8 had a total yield of more than 95%, and the selectivity of 1,3-butadiene was also high as 51% to 62%.

다만, 비교예 2 및 비교예 3의 결과로부터, 반응 온도가 촉매 반응에 직접적인 영향을 미치는 것을 확인할 수 있으며, 반응 온도가 320℃이하일 경우 반응 활성이 급격하게 떨어졌고, 480℃ 이상에서는 부반응이 과다하게 일어나는 것을 확인할 수 있었다.However, from the results of Comparative Example 2 and Comparative Example 3, it can be seen that the reaction temperature directly affects the catalytic reaction, when the reaction temperature is 320 ℃ or less, the reaction activity dropped sharply, at 480 ℃ or more side reactions are excessive I could confirm that it happened.

또한, 비교예 4에서 사용된 벌크 실리카는 10%의 매우 낮은 전환율과 6%의 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔 수율을 나타내었으며, 실시예들보다 수율 및 선택도가 매우 낮음을 알 수 있다.In addition, the bulk silica used in Comparative Example 4 showed a very low conversion rate of 10% and methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene yield of 6%, and it can be seen that the yield and selectivity are much lower than those of the examples. .

본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 세슘산화물-실리카 복합체는, 사용된 세슘산화물의 양을 10 중량% ~ 40 중량%로 조절함으로써 산/염기 복합 촉매의 특성을 조절하여 원하는 생성물을 선택적으로 수득할 수 있다. 나아가, 본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매를 이용하여 메틸에틸케톤(MEK) 및 1,3-부타디엔을 제조하는 경우에 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔의 총 수율도 향상될 수 있다.Cesium oxide-silica composite prepared according to one embodiment of the present invention, by adjusting the amount of cesium oxide used to 10% to 40% by weight to adjust the properties of the acid / base complex catalyst to obtain a desired product selectively can do. Furthermore, when methyl ethyl ketone (MEK) and 1,3-butadiene are prepared using cesium oxide-silica composite catalyst according to an embodiment of the present invention, the total yield of methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene is also improved. Can be.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 세슘산화물-실리카 복합체 촉매를 이용하는 경우, 2,3-부탄디올로부터 생산되는 메틸에틸케톤과 1,3-부타디엔의 수율 및 생성 비율을 조절할 수 있으며, 이는 시장 상황에 따라 각 물질의 생성량을 조절할 수 있기 때문에 경제적으로 유리하다고 평가된다.
Therefore, when using the cesium oxide-silica complex catalyst according to an embodiment of the present invention, it is possible to control the yield and production rate of methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene produced from 2,3-butanediol, which is a market situation It is evaluated economically because it can control the production amount of each substance.

이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood that various modifications and applications are possible. For example, each component specifically shown in the embodiment can be modified. It is to be understood that all changes and modifications that come within the meaning and range of equivalency of the claims are therefore intended to be embraced therein.

Claims (11)

세슘산화물(cesium oxide) 및 실리카(silica)를 포함하는 세슘산화물-실리카 복합체.
Cesium oxide-silica composite comprising cesium oxide and silica.
제1항에 있어서,
상기 세슘산화물의 중량은 10 중량% ~ 40 중량%인 세슘산화물-실리카 복합체.
The method of claim 1,
The cesium oxide is the cesium oxide-silica composite of 10% by weight to 40% by weight.
세슘산화물 소스(cesium oxide source)를 용매에 용해시켜서 제1 용액을 제조하는 단계;
상기 제1 용액에 실리카를 함침시켜서 제2 용액을 제조하는 단계; 및
상기 제2 용액을 건조 및 소성시키는 단계를 포함하는 세슘산화물-실리카 복합체를 제조하는 방법.
Dissolving a cesium oxide source in a solvent to prepare a first solution;
Preparing a second solution by impregnating silica into the first solution; And
Method of producing a cesium oxide-silica composite comprising the step of drying and calcining the second solution.
제3항에 있어서,
상기 세슘산화물 소스는 세슘카보네이트(Cs2CO3), 세슘클로라이드(CsCl), 또는 세슘나이트레이트(CsNO3)인 세슘산화물-실리카 복합체를 제조하는 방법.
The method of claim 3,
Wherein the cesium oxide source is cesium carbonate (Cs 2 CO 3 ), cesium chloride (CsCl), or cesium nitrate (CsNO 3 ).
제3항에 있어서,
상기 세슘산화물-실리카 복합체 중의 세슘산화물의 중량은 10 중량% ~ 40 중량%인 세슘산화물-실리카 복합체를 제조하는 방법.
The method of claim 3,
The cesium oxide in the cesium oxide-silica composite is a method for producing a cesium oxide-silica composite is 10% by weight to 40% by weight.
제3항에 있어서,
상기 소성 단계는 450℃ ~ 650℃에서 수행되는 세슘산화물-실리카 복합체를 제조하는 방법.
The method of claim 3,
The firing step is a method for producing a cesium oxide-silica composite is carried out at 450 ℃ ~ 650 ℃.
2,3-부탄디올을 기화시키는 단계;
상기 기화된 2,3-부탄디올에 불활성 가스를 혼합하여 혼합물을 형성하는 단계; 및
상기 혼합물을 제1항의 세슘산화물-실리카 복합체 촉매와 반응시키는 단계를 포함하는 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법.
Vaporizing 2,3-butanediol;
Mixing an inert gas with the vaporized 2,3-butanediol to form a mixture; And
A method for preparing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol comprising reacting the mixture with the cesium oxide-silica complex catalyst of claim 1.
제7항에 있어서,
상기 세슘산화물-실리카 복합체 촉매에서 상기 세슘산화물의 중량은 10 중량% ~ 40 중량%인 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법.
The method of claim 7, wherein
Method for preparing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol of the cesium oxide in the cesium oxide-silica composite catalyst has a weight of 10% to 40% by weight.
제7항에 있어서,
상기 반응 단계에서 반응 온도는 320℃ ~ 480℃인 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법.
The method of claim 7, wherein
In the reaction step, the reaction temperature is 320 to 480 ℃ to prepare methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol.
제7항에 있어서,
상기 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔의 총 수율이 95% 이상인 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법.
The method of claim 7, wherein
A method for producing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol wherein the total yield of methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene is 95% or more.
제10항에 있어서,
상기 1,3-부타디엔의 선택도가 40% ~ 65%인 2,3-부탄디올로부터 메틸에틸케톤 및 1,3-부타디엔을 제조하는 방법.
The method of claim 10,
Method for producing methyl ethyl ketone and 1,3-butadiene from 2,3-butanediol having a selectivity of 1,3-butadiene 40% ~ 65%.
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