KR0147853B1 - 활성 및/또는 안정성이 개선된 알킬렌 옥사이드 촉매 - Google Patents

활성 및/또는 안정성이 개선된 알킬렌 옥사이드 촉매

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티모시 엔. 비숍
유니온 카바이드 케미칼즈 앤드 플라스틱스 테크놀로지 코포레이션
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Abstract

본 발명은 은-함유 지지체, 및 코발트 성분을 함유하지 않은 유사한 촉매와 비교하여 활성 및/또는 효능 및/또는 안정성중 적어도 하나를 증진시키기에 충분한 양의 코발트 성분을 포함하는, 산소와 알켄의 에폭시화에 의해 알킬렌 옥사이드를 제조하기 위한 촉매에 관한 것이다.

Description

활성 및/또는 안정성이 개선된 알킬렌 옥사이드 촉매
본 발명은 알켄, 특히 에틸렌을 상응하는 알킬렌 옥사이드, 예를들면, 에틸렌 옥사이드로 에폭시화시키기 위한, 코발트-함유 성분을 안정성 및/또는 효능 및/또는 활성을 향상시키는 양으로 함유하는 은-함유 지지된 촉매에 관한 것이다.
에틸렌 옥사이드는 승온에서 은-함유 촉매상에서 에틸렌을 에폭시화시켜 통상적으로 제조한다. 에틸렌 옥사이드에 대한 방법의 효능 또는 선택성을 증가시키는 촉매를 제공하기 위한 많은 연구가 진행되어 왔다.
은 촉매 존재하에 산소 또는 산소-함유 기체를 에틸렌과 반응시켜 에틸렌 옥사이드를 제조하는 방법은 종래에 개발된 기술이다. 예를 들면, 1936년 5월 12일에 특허된 미합중국 특허 제2,040,782호는 일종의 금속-함유 촉진제를 함유하는 은 촉매 존재하에 산소를 에틸렌과 반응시켜 에틸렌 옥사이드를 제조하는 방법을 기술하고 있다. 재허여된 미합중국 특허 제20,370호(1937. 5. 18)에서, 레포트(Leforte)는 은 촉매 존재하에 올레핀을 분자 산소와 직접 결합시킴으로써 올레핀 옥사이드 생성을 촉진할 수 있다고 기술하고 있다. 이런 점에서, 선행기술은 에틸렌 옥사이드를 제조할 때 촉매의 효능을 향상시키는데 촛점을 맞추고 있다.
본 발명의 특성에서, 용어 전환, 선택성 및 수율은 미합중국 특허 제3,420,784호 (1969. 1. 7에 허여, 칼럼 3,24행 내지 35행)에서 정의된 바와 같이 사용한다. 여기에서 선택성의 정의는 미합중국 특허 제2,766,261호의 칼럼 6의 5행 내지 61행의 정의와 일치한다. 수율 및 전환의 정의는 본 분야에서 다양한 의미를 가지며 상술한 미합중국 특허 제2,766,261호에서 정의한 바대로 사용되지 않는다. 본 명세서 및 청구범위 전반에서 사용되는 용어 효능과 선택성은 동의어로서 사용된다.
에틸렌 옥사이드의 제조시 사용된 은 촉매는 초기에 개발된 이래로 상당히 변화되었다. 선행분야에서 보고된 바와 같이, 은 입자는 표면적, 공극 용적 및 화학적 불활성화와 같은 저지 특성에 영향을 거의 끼치지 않으면서 먼저 지지체 상에 침착된다. 기술이 발전함에 따라, 에틸렌과 산소를 반응시켜 에틸렌 옥사이드를 제조하기에 더욱 유효한 은을 함유하는 담체 또는 지지체와 관련된 특별한 기술이 개발되었다. 오늘날, 은 촉매용의 대부분의 지지체는 반응 기체 및 반응의 기체상 생성물이 미립자 물질내에서 및 주위에서 유동하여 반응기를 통과할 수 있는 반응기의 내부에 적하되고 회수될 수 있는 성형된 미립자 물질이다. 지지체의 크기 및 형태는 변할 수 있는 인자이고 선택된 특정한 크기 및 형상은 사용된 반응기, 필요한 기체유량 및 반응기를 횡단하는 압력 감소에 따라 고유하며 다른 인자도 고려된다.
사용된 담체는 전형적으로 무기 물질, 일반적으로 광물원으로 제조된다. 대부분의 경우, 바람직한 담체는 특허 문헌[참조 : 예를 들어, 미합중국 특허 제2,294,383호 ; 제3,172,893호 ; 제3,332,887호 ; 제3,423,328 ; 및 제3,563,914호]에 기술된 바와 같은 α-알루미나로 제조된다.
대부분 (모두는 아님)의 시판되어 사용되는 에틸렌 옥사이드 촉매를 제조하기 위해 사용된 담채는 이러한 촉매를 제조하지 않는 회사에 의해 제조된다. 통상적으로, 이러한 담채를 제조하는 방법은 담체 제조업자에게 매우 귀중한 상품 노하우이다. 결론적으로, 촉매 제조업자는 담체가 어떻게 제조되는지 알 수 없다. 성공적인 촉매를 제조하는데 특히 바람직한 것으로 입증된 담체를 제조하는데 중요한 것은 담체를 제조하는데 사용된 원료물질의 순도 및 다른 물리적/화학적 특성 및 담체가 제조된 방법과 같은 많은 인자일 수 있다.
상기 담체상에 침착된 은은 통상의 현미경 기술에 의해 모두 나타날 수 있으므로 소형 입자형태인 것으로 사려된다. 특허 문헌에서는 은의 크기가 촉매 효능에 대한 하나의 인자이고 대부분의 경우 본 분야의 표준방법을 사용하여 미세한 은 입자가 수득된다고 지시하고 있다[참조 : 예를 들어, 미합중국 특허 제2,554,459 ; 제2,831,870호; 제3,423,328호(150 내지 400Å의 은 입자가 사용된다고 특정됨) ; 제3,702,259호(직경이 1μ 미만인 은 입자를 형성하기 위한 제조방법이 기술되어 있다) ; 및 제3,758,418호(직경이 1000Å의 은 입자가 기술되어 있다)]. 은 촉매의 현미경 검사의 개선으로 입자크기가 더 작은 범위까지 관측할 수 있다.
담체상의 은의 침착은 수많은 기술로 수행될 수 있으나 가장 자주 사용되느 2가지 기술중, 하나는 지지체를 은 용액에 함침시키고 함침된 지지체를 열처리하여 지지체상에 은을 침착시키는 것이고, 다른 하나는, 은을 침전시키거나 슬러리로 예비 형성시켜 은을 지지체에 피복시킴으로써 담체 또는 지지체를 가열하여 존재하는 액체를 제거하는 경우 은 입자를 지지체에 침착시키고 지지체 표면에 부착되도록 하는 것이다. 상기 여러가지 방법은 여러 미합중국 특허, 예를 들어, 제2,773,844호 ; 제3,207,700호 ; 제3,501,407호 ; 제3,664,970호(참조 : 영국 특허 제754,593호) 및 제3,172,893호에 예시되어 있다.
지지체에 의해 제공된 표면적은 은 촉매의 개발실 상당히 관심있는 부분이다. 촉매 담체의 표면적에 관한 기술은 미합중국 특허 제2,766,261호(표면적이 0.002 내지 10m2/g인 것이 적합하다고 기술되어 있다) ; 미합중국 특허 제3,172,893호(다공도가 35 내지 65%이고 공극 직경이 80 내지 200μ인 것이 기술되어 있다) ; 미합중국 특허 제3,725,307호(표면적 1m2/g 미만이고 평균 공극 직경이 10내지 15μ인것이 기술되어 있다) ; 미합중국 특허 제3,664,970호(최소 다공도가 약 30%이고, 90% 이상의 공극 직경이 1 내지 30μ이며, 공극 직경 평균이 4μ 내지 10μ인 지지체를 사용한다) ; 미합중국 특허 제3,563,914호(표면적이 1m2/g 미만이고, 용량이 0.23m1/g 이며 입자크기가 0.074 내지 0.30mm인 촉매 지지체가 사용된다)에서 발견할 수 있다. 표면적이 작은 불활성 α-알루미나가 선행 기술에서 선호되었다.
촉매 및/또는 기체 상에 존재하는 불순물은 반응에 크게 영향을 미칠 수 있는 것으로 공지되어 있다. 기술의 초기 개발시에는 이러한 불순물을 확인하거나 측정하는데 유용한 기술이 없었다. 결론적으로, 이러한 불순물로 작용하는 것을 분리할 수 없었다. 그러나, 기술의 개발의 초기에도, 에틸렌 옥사이드의 은 촉매화된 제조를 위한 촉진제로서 알칼리 금속의 사용은 본 분야에서 완전히 공지되어 있다. 1939년 10월 허여된 미합중국 특허 제2,177,361호에는 은 촉매중 알칼리 금속의 사용이 교시되어 있다. 미합중국 특허 제2,238,471호는 리튬이 촉진제로서 매우 바람직하지만, 촉매를 제조하는데 사용된 산화은에 대해 필수적으로 10중량%의 양으로 수산화칼륨 또는 수산화세슘이 사용되는 경우 칼륨 및 세슘은 유해하다고 기술되어 있다. 이후에, 미합중국 특허 제2,404,438호에는 나트륨 및 리튬은 상기 반응에 유효한 촉진제라는 것이 기술되어 있다. 본질적으로는 동일한 교시가 미합중국 특허 제2,424,084호에는 발견될 수 있다. 미합중국 특허 제2,424,086호에서는 촉진제로서 알칼리 금속이 보편화되어 있고 특히 나트륨이 특정되어 있다. 미합중국 특허 제2,671,764호[사큰(Sacken)황산염 특허]에서는 특허권자는 이의 황산염 형태의 알칼리 금속이 이러한 은 촉매용 촉진제로서 유효하다고 믿고 있다. 특히, 특허권자는 황산나트륨, 황산칼슘, 황산리튬, 황산루비듐 또는 황산세슘을 촉진제로서 사용할 수 있다고 언급하고 있다.
미합중국 특허 제2,765,283호에는 지지체를 염소-함유 화합물의 희석액으로 예비처리하는 방법이 기술되어 있고 이러한 염소 화합물은 무기물이어야 한다고 지적하고 있다. 인용된 적합한 무기 염소 화합물의 특정예에는 염화나트륨, 염화리튬 및 염소산칼륨이 포함된다. 상기 특허에는 촉매 지지체상에 침착된 무기 염소-함유 화합물의 양이 지지체 중량을 기준으로 하여 0.0001중량% 내지 0.2중량%로 한정되어 있다. 시어스(Sears)의 미합중국 특허 제2,615,900호에는 지지된 촉매의 처리시 금속 할라이드의 사용이 기술되어 있고 이러한 금속 할라이드는 리튬, 나트륨, 칼륨 및 세슘과 같은 알칼리 금속의 것일 수 있다고 한정하고 있다. 금속 할라이드는 금속 은의 중량을 기준으로 하여 0.01중량% 내지 50중량%로 존재한다. 특허는 또한 특허에서 일반적으로 분류한 각각의 금속 할라이드의 혼합물을 사용하여 신규한 촉매 조성물의 시행 기간을 연장시키는 동시에 통상의 작동기간 동안 연장된 기간에 걸쳐 적절하나 지속적인 촉매활성을 유지시키는 잇점이 있다고 기술되어 있다. 따라서, 하나의 특정 금속 할라이드 처리된 촉매는 단시간 초기 고활성을 제공하는 반면 금속 할라이드의 다른 것은 촉매에 대해 장기간 적절한 촉매 활성을 제공한다. 상기 특허에서는 촉매에 제공된 금속 할라이드는 에틸렌이 이산화탄소로 연소되는 것을 억제하므로 상기 물질을 촉매 억제제 또는 항촉매 물질로서 분류하려는 입장을 취하고 있다.
미합중국 특허 제2,709,173호에는 에틸렌 옥사이드를 제조하기 위한 은 촉매의 사용이 기술되어 있으며, 여기서 은을 고체 지지체에 도입함과 동시에 특정 알칼리 금속 할라이드(예 : 염소, 브롬 및 요오드의 리튬, 나트륨, 칼륨 및 루비듐 화합물)를 제공하여 에틸렌 옥사이드의 총생산량을 증가시키는 것이 제공한다. 이 특허에서는 소량을 약 0.5%미만이 바람직하다고 한정하고 있다. 특히 상기 특허에서는 약 0.001 내지 약 0.1% 범위의 알칼리 금속 할라이드 비율이 가장 바람직하다고 강조하고 있다. 상기 특허에는 바람직한 촉매 조성물은 별도의 촉진제를 함유하나 촉매를 제조하는 동안, 알칼리 금속 할라이드는 촉진제로서 작용하는 상응하는 알칼리 금속 옥사이드에 어느 정도 전환될 수 있으므로 항상 필요한 것은 아니다라고 언급되어 있다. 미합중국 특허 제2,766,261호는 세슘 및 칼륨이 은 촉매에 유해하고, 나트륨 및 리튬이 유용한 촉진제라는 미합중국 특허 제2,238,474호의 교시로부터 유추된 것으로 보인다. 그러나, 미합중국 특허 제2,769,016호에서는 은 촉매에서 사용되는 경우 나트륨, 칼륨 및 리튬이 촉진제라는 것을 밝혀냈다. 미합중국 특허 제2,769,016호는 또한 지지체를 염화나트륨, 염화리튬 또는 염소산칼륨의 묽은 용액으로 예지처리하는 것을 추천하였다.
고울드(Gould)등의 미합중국 특허 제2,799,687호에는 미합중국 특허 제2,615,900호에서 시어스에 의해 기술된 범위의 금속 할라이드를 첨가하면 최적 결과가 수득되지 않는다고 언급되어 있다. 알칼리 금속 할라이드, 특히 나트륨 및 칼륨의 염화물 및 불화물 경우에 사실인 것으로 밝혀졌다. 상기 특허자는 촉매의 무기 할라이드 성분은 은 산화성 촉매 성분, 즉, 원소 은으로 변형된 은염의 중량을 기준으로 하여 0.01 내지 5중량%, 바람직하게는 0.01 내지 0.1중량%의 범위로 유지할 것을 추천하였다. 미합중국 특허 제3,144,416호에는 촉진제로서 여러가지 금속이 언급되어 있고 이들중의 하나는 세슘이다. 미합중국 특허 제3,258,433호에는 나트륨이 유효한 촉진제라고 나타나있다. 미합중국 특허 제3,563,913호에는 촉진제로서 리튬 화합물과 같은 알칼리 금속의 사용이 추천되어 있다. 촉진 물질의 바람직한 양은 지지체 중량을 기준으로 금속 산화물 약 0.03 내지 0.5중량%임이 밝혀졌다. 미합중국 특허 제3,585,217호에는 알칼리 금속 염화물이 이산화탄소의 형성을 억제하는 것으로 밝혀졌고 촉매내에 혼입될 수 있다고 언급되어 있다. 미합중국 특허 제3,125,538호에는 칼륨, 루비듐 및 세슘중에서 선택된 동시에 침착된 알칼리 금속을 은에 대한 특정 g원자 비로 함유하는 지지된 은 촉매가 기술되어 있다. 은 중량은 바람직하게는 촉매 중량의 2 내지 5중량%이다. 특허권자는 산화질소와 프로필렌의 반응용으로 특히 적합한 것이 상기 촉매의 특징이라한다. 상기 동일한 촉매는 에틸렌 옥사이드를 제조하기 위한 이의 용도를 개발한, 상술된 미합중국 특허 제3,702,259호의 실시예의 방법으로 고유하게 제조된다. 미합중국 특허 제3,962,136호 및 제4,012,425호에 또한 에틸렌 옥사이드 제조에 유용한 동일한 촉매가 기술되어 있다. 미합중국 특허 제3,962,136호에는 지지체상에 은과 동시에 침착된 알칼리 금속이 기술되어 있으며, 여기서 알칼리 금속은 산화물이 최소량의 칼륨 산화물과 임의로 혼합된, 세슘, 루비듐 또는 이의 혼합물로 이루어진 산화물 형태의 최종 형태로 지지체 상에 존재한다. 이러한 산화물의 양은 총 촉매를 기준으로 하여 약 4.0x10-5gew/kg 내지 약 8.0x10-3gew/kg이다. 미합중국 특허 제4,356,312호에는 동일한 촉매의 용도가 기술되어 있다. 미합중국 특허 제3,962,136호 및 제4,010,115호 및 다른 특허의 모출원인, 1972년 12월 21일 출원된 미합중국 특허원 제317,349호에는 설명에 상당하는 몇몇의 흥미있는 데이타가 함유되어 있다. 몇가지 대조 실험을 포함하는 실시예 2에따라, 동시에 가한 칼륨의 중량 10-6에 대해 310부를 함유하는 촉매의 제조방법이 기술되어 있고 에틸렌 산화 반응 촉매로 사용되는 경우 촉매는 에틸렌 옥사이드 제조에 불활성임이 밝혀졌다.
미합중국 특허 제4,207,210호(영국 특허 명세서 제1,489,335호를 근거로 한 벨기에왕국 특허 제821,439호에 상응)에는 알칼리 금속을 지지체에 제공하는 순차적인 방법을 사용함으로써 미합중국 특허 제3,962,136호, 제4,012,425호 및 제4,010,115호에 인용된 소위 모 특허원에서 제조된 방법과 동일한 방법으로 촉매를 제조할 수 있다는것이 기술되어있다. 따라서, 사용된 은-함유 촉매를 하나 이상의 칼륨, 루비듐 또는 세슘의 후 첨가에 적용시키는 것을 기술한 미합중국 특허 제4,033,903호 및 제4,125,480호의 기술에도 불구하고, 촉매중 알칼리 금속의 침착방법은 중요하지 않은것으로 밝혀졌다. 명백하게는, 이러한 처리는 에틸렌 옥사이드에 대한 선택성을 개선시키는 촉매능을 재생시킨다. 세슘과 같은 알칼리 금속의 후-첨가는 예비-첨가 또는 동시첨가에 상당하는 결과를 제공하는 것을 나타낸 다른 특허는 미합중국 특허 제4,066,575호이다.
독일연방공화국 공개특허공보 제2,640,540호에는 나트륨 및 칼륨, 루비듐 또는 세슘을 함유하는 에틸렌 옥사이드 제조용 은 촉매가 이의 실시예에 기술되어 있다.
일본국 공개특허공보 제95213/75호는 특정 원자비의 은, 바륨, 칼륨 및 세슘을 포함하는 촉매 조성물을 사용하여 에틸렌 옥사이드를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 기술의 표 Ⅰ에는 실시예의 각종 촉매 조성물을 사용하여 수득된 효능이 요약되어 있다.
미합중국 특허 제4,039,561호에는 특정 원자비의 은, 주석, 안티몬, 탈륨, 칼륨, 세슘 및 산소를 함유하는, 에틸렌 옥사이드를 제조하기 위한 촉매가 기술되어 있다.
벨기에 왕국 특허 제854,904호에는 나트륨 및 세슘의 각종 혼합물을 함유하는 은 촉매가 기술되어 있다. 영구 특허원 제2,002,252호(미합중국 특허 제4,248,740호에 상당)에는 알칼리 금속, 알칼리 토금속, 주기율표의 Ⅲ족, Ⅳ족, Ⅴ족 및 Ⅷ족의 원소를 함유하는 촉진제(여기서 바람직한 촉진제는 바륨, 주석, 안티몬, 탈륨, 칼륨 및 세슘이다)를 포함하는 은 촉매가 기술되어 있다. 상기 특허원에는 표 2에 세슘과 탈륨의 각종 혼합물을 함유하는 지지된 은 촉매(여기서, 은 촉매중 몇몇은 추가로 칼륨 또는 안티몬을 함유한다)가 기술되어 있다. 미합중국 특허 제4,007,135호는 리튬, 칼륨, 나트륨, 루비듐, 세슘, 구리, 금, 마그네슘, 아연, 카드뮴, 스트론튬, 칼슘, 니오븀, 탄탈, 몰리브덴, 텅스텐, 크롬, 바나듐 및 바륨... 에서선택된 하나 이상의 촉진제의 촉진량과 함께 은을 함유하는 알킬렌 옥사이드 제조용 은 촉매를 광범위하게 (칼럼2, 25행 내지 30행)기술하고 있다. 미합중국 특허 제3,844,981호 및 제3,962,285호는 다금속성분 존재하에 올레핀을 에폭시화하는 촉매 및 방법을 기술하고 있다. 미합중국 특허 제3,962,285호에는 촉매는 다량의 은과 함께 팔라듐, 루테늄, 레늄, 철 및 백금중 하나이상을 소량 포함한다. 미합중국 특허 제3,844,981호는 주기율표의 7b, 1b 족 또는 8족의 철족의 분해성 염으로부터 촉매를 제조하는 방법을 기술하고 있다. 바람직하게는, 염은 금, 구리, 루테늄, 망간 및 철염으로부터 선택된다. 이들 금속이 금속 상태에 있다고 특허권자가 고려한다면, 애폭시화 조건하에 이들 금속의 하나이상, 예를 들면, 루테늄의 산화가 일어나 금속을 함유하는 옥시음이온을 형성할 수 있다.
미합중국 특허 제2,040,782호는 알킬렌 옥사이드 제조를 위한 촉진제로서 작용할 수 있는 기타 물질 소량과 촉매 물질의 혼합물에 의해 상당히 증진될 수 있는 은-함유 촉매를 기술하고 있으며 적합한 촉진제는 단독으로 또는 혼합하여 사용될 수 있으며 구리, 금, 철, 망간, 니켈, 코발트, 세륨, 토륨및 아연과 같은 금속을 포함한다. (제2면, 칼럼1, 3행 내지 9행)
미합중국 특허 제2,605,239호는 촉진제로서 산화베릴륨의 사용을 기술하고 있다. 기타 촉진제 금속, 예를 들면, 구리, 알루미늄, 망간, 코발트, 철, 마그네슘, 금, 토륨, 니켈, 세슘 및 아연이 제안된다. 이들 촉진제 금속은 기계적 혼합 또는 공침에 의해 촉매에 혼입된다.
미합중국 특허 제2,615,900호는 다음을 기술하고 있다 : 은 촉매의 활성은 철, 니켈, 구리, 금, 백금, 망간, 코발트, 세륨, 토륨, 아연 및 알칼리 금속 및 알칼리 토금속의 산화물, 수산화물 및 탄산염을 은 촉매에 포함시켜 증진시킬 수 있다. (칼럼 3, 33행 내지 38행)
일본국 공개특허공보 제78/39404호는 은-카드뮴-규소 촉매 존재하에 탄소수 3 및 4의 올레핀을 에폭시화시키는 기체상 방법을 기술하고 있다. 특허 출원인은 세슘, 구리, 금, 마그네슘, 칼슘, 베릴륨, 바륨, 아연, 알루미늄, 란탄, 세륨, 지르코늄, 토륨, 철, 코발트, 니켈 및 백금 등의 Ⅰ족, Ⅱ족, Ⅲ족 및 Ⅷ족 원소와 같은 기타 성분을 촉매에 혼입할 수 있다고 기술하고 있다.
미합중국 특허 제3,758,418호는 피복법에 의해 제조되는 촉매를 기술하고 있다. 특허에 제안된 촉매중에는 에틸렌 옥사이드의 제조용으로 사용되는 것이 있다. 침착될 수 있는 금속은 주기율표의 Ⅲb족 내지 Va족의 촉매적 활성 금속을 포함한다.
일본국 공개특허공보 제89/01224047호에서는 문헌[참조 : Chemical Abstracts, Vol. 112 (10) : 833 035]에 의해 암모니아 첨가없이 산화질소를 분자 질소로 분해시키기 위한 조촉매로서 은 함유 코발트, 철 또는 니켈 촉매가 보고되어 있다고 기술하고 있다.
에틸렌 옥사이드로의 전환 효능을 개선시키면서, 전형적으로 수반되는 온도 증가(즉, 활성의 손실)는 시판되어 사용가능한 촉매에 대해 문제를 야기시킬 수 있다. 통상의 에틸렌 옥사이드 공장은 통상적으로 작동되어 바람직한 생산성과 효능을 제공한다. 따라서, 덜 활성인 촉매를 고온에서 작동시켜 목적하는 생산성을 달성한다. 그러나, 촉매의 온도 상한치는 제한되어 있다. 결과적으로 지정된 전환율에 대해 개시온도가 높은 촉매는 유효 수명이 더 짧을 수 있다. 에틸렌 옥사이드 공장 소유주에게 촉매는 주요 지출원일 뿐만아니라, 오래된 촉매를 폐기하고 전형적으로 관형인 고정상 에틸렌 옥사이드 반응기에 신규 촉매를 충전하는 실질적인 기간동안 공장을 폐쇄해야만 한다. 따라서, 2년 이상의 유용한 가사기간이 없으면, 효능 증진의 잇점은 촉매 대체 비용 및 공장 폐쇄 기간에 급속히 감소된다. 따라서, 촉매의 활성 안전성 및/또는 효능 안전성은 통상적으로 사용될 수 있는 에틸렌 옥사이드 촉매를 수득하는데 있어서 매우 중요하다.
코발트는 다른 은-함유 촉매용으로 제안되어 졌다. 예를 들어, 일본국 공개 특허공보 제57/13691호에는 오존 분해를 위한 은-코발트 산화물-이산화망간 촉매가 기술되어 있다. 영국 특허원 제2,095,242호에는 금속 은 및/또는 이의 화합물 및 망간, 코발트 또는 니켈의 하나 이상의 화합물을 포함하는 촉매를 사용하여 올레핀을 옥시클로로화하는 방법이 기술되어 있다.
방법은 효능을 개선시키기 위해 개발된 은-함유 지지된 에틸렌 옥사이드 촉매의 활성, 특히 활성 안정성 및/또는 효능 안정성을 증진시키기 위해 추구되었고, 목적하는 효능을 제공하면서, 전형적으로 덜 활성이고 통상의 생산 시설에 유용한 고온에서 작동되어야 한다. 상기 고온은 촉매가 통상의 시설에서 사용될 수 없을 정도로 촉매의수명을 과도하게 단축시킨다. 활성 안정성 및/또는 효능 안전성이 개선된 촉매는 매우 유리하다.
본 발명에 의해 향상된 활성 및/또는 효능 및/또는 안정성을 갖는 알킬렌 옥사이드로 알킬렌의 에폭시화에 적합한 은-함유 지지된 알킬렌 옥사이드 촉매가 제공된다. 촉매는 충분한 양으로 침착된 하나이상의 코발트 성분을 함유하여 다른 것은 동일한 조건하에 코발트 성분을 함유하지 않은 유사한 촉매에 비해 촉매의 활성 및/또는 효능 및/또는 안정성중 적어도 하나는 증가된다. 자주, 코발트 성분은 촉매 총 중량을 기준으로 하여 코발트 중량으로 계산된, 약 10 또는 20, 예를 들어, 약 25 내지 1000, 바람직하게는 약 50 내지 500ppm(중량)으로 존재한다. 개선된 활성 및/또는 효능 및/또는 안정성을 제공하는 양의 코발트는 일반적으로 촉매 조성물의 다른 성분의 특성 및 양에 따라 좌우된다.
촉매의 활성이 향상되는 경우, 주어진 조건하에 주어진 수준의 알킬렌 옥사이드(일반적으로 촉매 상을 횡단하는 알킬렌 옥사이드 농도의 증가의 측면에서 표현됨)를 제조하는데 필요한 온도는 감소된다. 촉매의 안정성은 경화속도의 효능 및 경화속도의 활성중 적어도 하나의 측면일 수 있다. 더 안정한 촉매에서, 경화속도 효능 및/또는 경화속도 활성은 덜 안정한 촉매에서 보다 낮다. 본 발명의 촉매의 특히 유리한 잇점은 에폭시화 공정 동안 효능 안정성을 증진시킨다는 것이다. 효능 안정성을 증진시킨다는 것은 알킬렌 옥사이드의 생산에 대한 촉매의 선택성이 동일한 작동조건에서 코발트 성분을 함유하지 않은 유사한 촉매와 같이 작동기간에 걸쳐 급속하게 감소되지 않는다는 것을 의미한다.
본 발명의 촉매를 사용하기에 바람직한 에폭시화 시스템은 촉매가 산화환원-반쪽 반응쌍의 하나 이상의 기체 효능-증진 성분과 함께 산화환원-반쪽 반응쌍의 하나 이상의 효능-증진염을 포함하는 시스템이다. 상기 시스템에서, 코발트 성분의 효능 안정화 효과는 종종 현저하다.
본 명세서에서 사용되는 용어 화합물은 표면 및/또는 화학적 결합, 예를 들면, 이온 결합 및/또는 공유 결합 및/또는 배위 결합에의해 특정 원소와 하나 이상의 상이한 원소의 배합물을 의미한다. 용어이온성 또는 이온은 전기적으로 하전된 화학적 잔기를 의미하며, 양이온성 또는 양이온은 양성이며 음이온성 또는 음이온은 음성이다. 용어 옥시음이온성 또는 옥시음이온은 하나 이상의 산소원자를 다른 원소와 배합하여 함유하는 음으로 하전된 잔기를 의미한다. 따라서, 옥시음이온은 산소-함유 음이온이다. 이온은 진공하에 존재하지 않으며 전하-균형 짝이온과의 배합물에서는 발견된다.
촉매는 촉진제를 함유하지 않은 유사한 촉매와 비교하여 촉매의 효능을 개선시키기에 충분한 양의 하나 이상의 다른 촉진제를 함유한다. 종종, 촉진제는 주기율표 1a족 및/또는 2a족 및/또는 3b족 내지 7b족, 및 3a족 내지 7a족 중에서 선택돈 코발트가 아닌 원소의 화합물을 포함한다[본원의 주기율표는 오하이오 클레브랜드 케미칼러버 캄파니(Chemical Rubber Company)에서 발행한 CRC Handbook of Chemistry and Physics, 46 판, 후면커버의 안쪽에 기재된 것을 참조로 한다]. 바람직한 음이온성 촉지제는 주기율표의 3b족 내지 7b족 및 3a족 내지 7a족의 원자번호 5 내지 83의 산소가 아닌 원소의 옥시음이온을 포함한다. 더욱 바람직하게는, 촉진제는 하나 이상의 질소, 황, 탄탈, 몰리브덴, 텅스텐 및 레늄의 옥시음이온이며, 더욱 바람직하게는 하나 이상의 질소, 황 및 레늄의 옥시음이온이다. 이들 음이온 촉진제중 다수는 촉매의 효능은 증가시키고 활성은 감소시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 양태에서, 촉매는 알칼리 금속 질산염, 특히 질산칼륨 및/또는 질산루비듐을 특히 촉매의 중량을 기준으로 약 400 또는 500ppm(중량) 이상의 양으로 포함한다. 본 발명의 이러한 양태에서 질소 및 산소-함유 화합물, 예를 들면, 산화질소, 이산화질소, 아산화질소 등을 촉매 성능의 활성, 효능 및 안정성 중의 하나 이상을 증진시키기 위한 보조 촉진제로서 촉매 함유 반응대로 도입할 수 있다.
본 발명의 양태는 알켄을 알킬렌 옥사이드로, 특히 에틸렌을 에틸렌 옥사이드로 에폭시화시킬 때 전술한 촉매의 사용과 관련된다.
본 발명의 촉매를 사용하여 제조된 알킬렌 옥사이드는 다음 일반식으로 특징지워진다.
상기식에서, R1및 R2는 저급 알킬, 예를 들면, 메틸 또는 에틸이거나, 바람직하게는 수소이다. 가장 바람직하게는 알킬렌 옥사이드는 에틸렌 옥사이드이다. 알킬렌 옥사이드는 상응하는 알켄, 즉 R1HC=CHR2로부터 제조된다. 이해를 돕기 위해, 에틸렌 옥사이드 및 에틸렌을 참조로 다음을 기술한다.
본 발명의 촉매는 코발트 성분을 함유하지 않는 유사한 촉매와 비교하여 촉매의 활성 및/또는 효능 및/또는 안정성을 증진시키기 위해 하나 이상의 코발트 성분을 충분량으로 배합함을 특징으로한다. 촉매는 매우 다양한 반응 조건하에 사용할 수 있을지라도, 충분한 코발트 성분이 촉매에 혼입되었는지를 결정하기 위해 표준 세트의 공정 조건을 사용할 수 있다.
본 발명의 촉매를 특징화하기 위한 표준 에틸렌 옥사이드 공정조건(조건으로 약칭)은 이산화탄소를 포함하는 완전 기체 재순환의 표준 역혼합(backmixed) 오토클레이브의 사용을 포함한다. 조건은 에틸렌, 산소 및 기체상 억제제 공급물의 몇몇 변수로 작동될 수 있다. 두가지 경우가 예시된다 ; 공기를 사용하여 분자 산소를 공급하는 산업적인 공기형 에틸렌 옥사이드 공정에 사용되는 통상적인 조건을 역혼합 반응기에 모방한 공기 공정 조건 및 분자 산소 자체가 사용되는 산업적인 산소형 에틸렌 옥사이드 공정에 사용되는 통상적인 조건을 역혼합 반응기에 모방한 산소공정조건. 각 경우는 상이한 효능을 제공하지만, 실질적으로 모든 경우에 산소 공급물로서 공기를 사용하여 소량의 산소 및 에틸렌을 사용하면 분자 산소를 산소 공급물로서 사용한 경우보다 약 2 내지 4% 낮은 효율을 제공하는 것이 보통이다. 촉매는 산화-환원 반쪽 반응쌍 염을 함유하고 산화-환원-반쪽 반응쌍의 상응하는 효능-증진 기체성분과 배합물로 사용되는 경우, 조건은 이러한 기체성분의 존재를 제공한다. 조건은 다음의 표준 유입 압력조건하에 반응기의 배출 기체에서 2.0몰% 에틸렌 옥사이드를 사용한다 :
(촉매용으로 필요한 경우)
조건은 문헌에 기술된 공지된 역혼합 하부-교반된 Megnedrive 오토클레이브를 사용한다[참조 : J.M. Berty, entitled Reactor for Vapor Phase-Catalytic Studies, in Chemical Engineering Progress, Vo1. 70, No. 5, pp 78-84, 1974의 제2도].
압력은 275psig를 일정하게 유지하고 전체 배출 유속은 22.6SCFH로 유지한다. SCFH는 표준 온도 및 압력, 즉 0℃, 1기압에서 시간당 피트 세제곱을 의미한다. 배출 에틸렌 옥사이드 농도는 반응 온도를 조절하여 2.0%로 유지한다. 따라서, 촉매 성능을 기술하는 반응으로서 온도(℃) 및 촉매효능을 수득한다.
조건에서 사용되는 촉매 시험 과정은 다음 단계를 포함한다.
1. 촉매 80cc를 역혼합 오토클레이브에 충전시킨다. 실린더를 수회 흔들어서 촉매를 철저히 충전시킨 후에 1inch I.D 등급 실린더에서 촉매용적을 측정한다. 또는, 담체의 충전 밀도와 은 및 첨가제의 양으로부터 촉매용적을 계산한다. 촉매 중량을 기록한다.
2. 역혼합 오토클레이브를 1500rpm에서 작동하는 팬이 있는 20SCFH의 질소 유속하에 대략의 반응온도로 가열한다. 질소 유동을 중단하고 상기의 공급 스트림을 반응기로 도입한다. 전체 기체 유출을 22.6SCFH로 조절하고 온도는 220℃로 조절한다.
3. 다음 3일동안 온도를 225℃로 상승시킨다. 에틸렌 옥사이드에 대한 촉매의 선택성 및 활성을 수득한다.
상술한 과정에 따른 촉매 효능을 보고하는 단일 시험 결과의 표준 편차는 약0.7% 효능 단위이다. 상술한 과정에 따른 촉매 활성을 보고하는 단일 시험결과의 표준 편차는 약 0.03몰% 에딜렌 옥사이드이다. 물론 표준편차는 시험을 수행하는데 사용되는 장비의 품질 및 기술의 정확도에 좌우되어 변할 수 있다. 본 명세서에서 보고된 시험 결과는 상기 제시된 표준 편차내에 있다고 생각된다. 시험을 반복 수행함으로써 시험 횟수의 제곱 루트에 의한 표준 편차가 감소된다.
촉매의 활성 안정성 및 효능 안정성은 조건하에 편리하게 측정한다. 시간에 따른 활성과 효능의 감소율은 촉매의 활성 안정성과 효능 안정성을 나타낸다. 통상적으로, 약 2몰%의 촉매에 대한 델타에틸렌 옥사이드 농도로 약 50일 동안 연구를 수행한다. 약 2몰%의 에틸렌 옥사이드 생산율에서 안정성을 나타내는 시간은 20 또는 30일이다.
코발트 성분의 양은 50일의 작용 효능(%)에서 조건하에 약 0.5 이상, 바람직하게는 약 1 이상의 효능 안정성 증가를 제공하기에 일반적으로 충분한 양이다. 가장 바람직하게는 산소 공정 조건이 사용된다. 효능 안정성 증진의 측정에서 공정 및 촉매는 일정상태하에 있어야 한다. 몇몇 예에서, 촉매는 최대 초기 활성에 도달할 때까지 1주 이상의 기간 동안 활성화된다. 몇몇 촉매의 활성화 기간에 대한 이유는 공지되지 않았으며 촉매의 화학적 및/또는 물리적 상태에 기인할 수 있다. 따라서, 약 24 이상, 바람직하게는 약 120 내지 170시간 동안 촉매가 스트림상에 있은 후에 보통 촉매의 초기 활성을 측정한다.
코발트 성분의 최적양은 은 함량, 존재하는 기타 촉진제의 양 및 종류, 및 담체의 화학적 및 물리적 특성에 따라 변할 수 있다. 그러나, 자주 코발트 성분은 전체 촉매 중량에 대한 코발트의 중량으로 계산된 약10ppmw 이상, 바람직하게는 약 25ppmw(중량에 의한 ppm)이상으로 존재한다. 너무 많은 코발트 성분이 사용되는 경우, 촉매 성능(예 : 효능 및/또는 활성 및/또는 안정성)이 손상될 수 있다. 너무적은 코발트 성분이 존재하는경우, 촉매 성능이 손상되거나 존재하는 양이 목적하는 촉매 효과를 나타내기에 불충분할 수 있다. 코발트 성분의 바람직한 양의 측정에서, 촉매 조성물에서 성능이 평가될 촉매로 코발트 성분 농도의 트래버스(traverse)를 수행할 수 있다. 몇몇 경우에, 다른 성분, 예를 들면, 은 및 기타 촉진제의 양을 효과 및 최적 촉매 성능의 유리한 배합물이 획득되도록 변화시키는 것이 바람직할 수 있다. 통상적으로, 코발트 성분의 양은 약 25 내지 1000, 바람직하게는 약 50 내지 500ppmw(코발트의 중량으로 계산된)의 범위이다.
코발트 성분은 여러가지 형태, 즉, 산화코발트와 같은 코발트 화합물, 양이온 또는 음이온으로 제공될 수 있다. 증진된 활성 및/또는 효능 및/또는 안정성을 제공하는 특정의 하나 이상의 코발트 종은 특정하지 않고 첨가할 수 있고/있거나 촉매를 제조하는 동안 또는 촉매로 사용되는 동안에 발생된 성분일 수 있다. 촉매에 유리한 특성을 제공하는 코발트 종이 특별히 공지되지는 않았지만, 양이온 형태, 예를 들어, 질산코발트 형태의 코발트 성분을 촉매에 첨가하는 경우 적합한 결과가 수득된다. 코발트는 첨가하는 경우 +2 산화 상태 또는 +3 산화상태일 수 있다.
코발트 성분은 이로써 제한되지는 않으나 하기를 포함한다 : 산화 제1 코발트, 산화 제2 코발트, 질산 제1 코발트, 질산 제2 코발트, 아질산 제1 코발트, 아질산 제2 코발트, 황산 제1 코발트, 황산 제2 코발트, 아세트산 제1 코발트, 아세트산 제2 코발트, 제1 코발트 락테이트, 제2 코발트 락테이트, 제1 코발트 옥살레이트, 제2 코발트 옥살레이트, 염화 제1 코발트, 염화 제2 코발트, 코발트산 암모늄, 코발트산세슘, 코발트산칼륨, 코발트산나트륨, 코발트(Ⅱ)착물, 코발트(Ⅲ)착물 등, 코발트 착물을 형성하는데 유용한 착화제의 예에는 에틸렌디아민 테트라아세트산(EDTA) ; N,N'-에틸렌디아민 디아세트산 ; N-하이드록시에틸에틸렌 디아민트리아세트산 ; 디에틸렌트리아민펜타아세트산 ; 니트릴로트리아세트산 ; N-하이드록시에틸-이미노디아세트산 ; N-디하이드록시에틸글리신 등이 포함된다. 코발트-함유 화합물의 혼합물을 사용할 수 있다.
최적의 성능을 제공하는 에틸렌 옥사이드 제조용 촉매에 있어서, 많은 인자와의 연관관계가 존재한다. 주로 고려해야할 인자는 다음을 포함한다 :
(ⅰ) 지지체의 특성 ;
(ⅱ 지지체상 또는 지지체중의 은 함량 ;
(ⅲ) 지지체중의 또는 지지체상 성분과 이의 함량 ;
(ⅳ) 은 또는 기타 성분과 제공되는 불순물 또는 오염물 :
(ⅴ) 촉매 제조 과정 ; 및
(ⅵ) 에틸렌 옥사이드를 제조하기 위해 촉매가 사용되는 조건.
그러나, 촉매를 정의하려는 시도에서, 의미에 대해 기본 값에 따라 인자가 변화되는 경우 특히 다른 인자가 측정되는 기본값이 있어야 한다. 본 발명의 경우에 기본값은 은의 양 또는 은의 양 몇 지지체 특성의 조합일 수 있다. 대부분의 경우에서, 후자 조합이 기본값이 된다. 두개 이상의 값은 촉매 성능에 대한 기본값을 구성하기 때문에, 조합과 기타 인자와의 상관관계가 꽤 복잡할 수 있음을 명백하다. 이러한 조합 및/또는 인자를 모두 통합하는 통상의 이론은 없다. 이러한 점에서, 본 발명의 시행은 본 발명의 잇점을 모두 또는 거의 모든 잇점을 획득하기 위해 실험적 노력을 필요로 한다. 이러한 기술에서 벗어남이 없이 본 분야의 전문가는 본 발명의 촉매의 최적의 성능을 쉽게 획득할 수 있다. 이러한 기술은 통상적으로 이용가능한 에틸렌 옥사이드 촉매의 제조에서 기능공이 통상적으로 따를 수 있음을 이해해야 한다. 이 기술의 요소는 촉매 제조에 사용되는 기술에 좌우된다.
최종 촉매에서 은의 농도는 약 2 내지 45중량% 이상, 통상 약 2 내지 40중량% 이상, 상업적으로 바람직하게는 약 6 내지 약 35중량%이다. 더 낮은 은의 농도가 경제적 관점에서 바람직하다. 그러나, 특정 촉매에 대한 최적의 은의 농도는 경제적 인자뿐만 아니라 촉매 효능 및 촉매경화속도 및 반응 온도와 같은 수행특성에 좌우된다.
넓은 관점에서 이러한 촉매에서 사용되는 지지체 또는 담체는 많은 다공성 내화성 촉매담체 또는 에틸렌 에폭시화 공급물, 생성물의 존재 및 반응조건하에 비교적 불활성이라고 생각되는 지지물질 중에서 선택된다. 다수의 이러한 물질은 당해 기술 분야의 숙련가에게 공지되어 있으며 쳔연 또는 합성일 수 있고 바람직하게는 거대다공성 구조이다.
담체의 화학적 조성은 중요하지는 않다. 예를 들면, 담체는 α-알루미나, 탄화규소, 이산화규소, 지르코니아, 마그네시아 및 다양한 점토로 이루어진다. 바람직한 담체는 결합제에 의해 함께 결합된 α-알루미나 입자이며 매우 높은 순도, 즉 98중량% 이상의 α-알루미나며 나머지 성분은 실리카, 알칼리 금속 산화물(예 : 산화나트륨)이며 기타 금속-함유 및/또는 비금속 함유 첨가제 또는 불순물을 미량 포함한다. 또한, 낮은 순도, 예를 들면, 약 80중량%의 α-알루미나일 수 있으며, 나머지는 이산화규소, 다양한 알칼리 금속 산화물, 알칼리 토금속 산화물, 산화철 및 기타 금속 및 비금속 산화물이다. 담체는 촉매 제조 및 반응 조건하에 불활성이도록 제형화된다. 이러한 각종 담체는 시판된다. 알루미나 담체는 시판된다(제조원 : United Catalysts, Inc., Lousiscille, Keutuxky, 및 the Norton Company, Akron, Ohio].
α-알루미나 함유 지지체의 경우에, B.E.T. 법으로 측정된 비표면적이 약 0.03m /g 내지 약 10m /g , 바람직하게는 약 0.05m /g 내지 약 3m /g 이고 통상적인 수분 흡수법으로 측정한 수기공 용적은 약0.1cc/g 내지 약 0.85cc/g (용적)이다. 비표면적을 측정하기 위한 B.E.T. 법은 문헌에 상세히 기술되어 있다[참조 : Brunauer, S., Emmet, P. and Teller, E.J. Am. Chem. Soc 60, 309-16(1938)]
특정 유형의 α-알루미나-함유 지지체가 특히 바람직하다. 이러한 α-알루미나 지지체는 기공직경이 비교적 일정하며 (1) 약 0.1m /g, 내지 약 3.0m /g, 바람직하게는 약 0.1m /g, 내지 약 2.0m /g의 B.E.T. 비표면적 및 (2) 약 0.10cc/g 내지 약 0.85cc/g, 바람직하게는 약 0.25cc/g, 내지 약 0.75cc/g 의 수 기공 용적을 특징적으로 갖는다. 상기 담체의 중간 기공 직경 약 0.01 내지 100μ, 더욱 바람직하게는 약 0.5 내지 50μ 이다.
담체는 일형태(monomodal), 이형태 또는 다중형태의 기공 분포를 가질 수 있다. 문헌에서 발견된 특정 지지체의 전형적인 특성을 표 Ⅰ에 기재하였다.
(a) 브루노이어(Brunauer), 에메트(Emmet) 및 텔러(Teller) 등의 방법
(b) 평평한 플레이트의 분쇄강도, 단일 펠릿
(c) Micrometrics Autopore 9200 또는 9210을 사용하여 수은을 55,000psia까지 침입시켜 측정(접촉각도 :130˚, Hg 의 표면 장력 : 0.473N/m).
(e) 중간 기공 직경은 전제 기공용적의 50%가 중간 기공 직경 이하(또는 이상) 기공에서 발견되는 기공 직경을 나타낸다.
사용되는 지지체 또는 담체의 특성과는 무관하게, 지지체 또는 담체는 고정상 반응기에서 사용하기에 적합한 크기의 입자, 덩어리, 조각, 펠릿, 환, 구형체, 바퀴형체, 교차 분배된 중공 실린더(또는 환) 등이다. 통상적인 시판 고정성 에틸렌 옥사이드 반응기는 보통 촉매로 충전된, 외경(O.D.)이 대략 0.7 내지 2.7inch 이고 내경(I.D.)이 0.5 내지 2.5inch 이고 길이가 15 내지 45피트인 여러개의 평행 연장된 튜브(적합한 셀중의)형태이다. 이러한 반응기에 구형체, 펠릿, 환형체, 교차 분배된 환형체, 정제 등과 같은, 직경이 약 0.1 내지 약 0.8inch 인 원형체로 형성된 지지체를 사용하는 것이 바람직하다.
지지된 촉매에서 최적 성능은 화학적 조성(불순물을 포함하여), 표면적, 다공성 및 기공 용적에 의해 담체를 최적화하는데 따라 다르다. 그러나 본 발명에 의해 제공되는 성능 증진은 최적화되지 않은 담체를 사용하는 경우에 가장 잘 입증될 수 있다. 따라서, 본 발명을 실시예어서 수행할 때는 여러 종류의 담체가 사용된다.
본 발명의 촉매는 코발트 성분 이외에, 촉매 성능을 증진시키기위한, 예를 들면 효능을 증진시키고/거나 에틸렌 옥사이드의 연소를 감소시키고/거나 활성에 영향을 미치는 하나 이상의 다른 촉진제 또는 개질제를 함유한다. 이들 촉진제 또는 개질제는 일반적으로 화학적 화합물로서 제공된다.
이해를 용이하게 하기 위해, 촉진제는 양이온 촉진제(예 : 알칼리 및 알칼리 토금속) 및 음이온 촉진제로 언급한다. 알칼리 금속 산화물 또는 MoO와 같은 화합물은 이온성 화합물은 아니지만, 예를 들어, 촉매제조 도중에 또는 촉매 사용시 이온성 화합물로 전환될 수 있다. 이러한 전환이 일어나든지 일어나지 않든지에 관계없이, 이들 화합물은 양이온 및 음이온 종(예 : 알칼리 금속 또는 몰리브데이트)을 언급한다.
종종, 촉매는 양이온성 촉진제로서 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속을 함유한다. 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속의 예로는 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐, 세슘, 베릴륨, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨이 있다. 기타의 양이온성 촉진제에는 스칸듐, 이트륨, 란탄 및 란타나이드 계열 금속을 포함하는 3b족 금속 이온이 포함된다. 몇몇 경우에, 촉진제는 상기한 바 있는 영국 특허 제2,043,481호에 기술되어 있는 것과 같은 상승 효능 증진을 획득하기 위해, 예를 들어, 세슘과 같은 양이온과 다른 하나 이상의 알칼리 금속과의 혼합물을 포함한다. 물론, 양이온 촉진제는 코발트산염 음이온 성분에 대한 짝이온을 제공할 수도 있다. 세슘 염은 단독으로 또는 다른 염과의 혼합물로 사용된다.
대다수의 경우, 촉매는 주기율표의 3b족 재지 7b족 및 3a족 내지 7a족에 속하는 원자번호 5 내지 83의 원소(산소는 제외)의 옥시음이온 하나 이상의 염(들)을 포함한다. 몇몇 경우에는, 촉매에 제공된 전체 알칼리 금속 및 알칼리 토금속과 결합하는데 요구되는 것보다 많은 양의 음이온을 가하는 것이 유익한 것으로 밝혀졌다. 이러한 상항에서 추가 음이온이 유리한 이유는 밝혀지지 않았다. 추가의 음이온은 산, 암모늄염, 아민염 등의 형태로 가할수 있거나, 또는 알칼리 금속 및/또는 알칼리 토금속의 일부를, 예를 들어, 황화수소 세슘과 같은 산염으로서 가할 수 있다.
가공된 촉매중의 염(들)의 농도(다른 알칼리 금속 및 알칼리 토금속 염을 포함함)는 별로 중요하지 않으며, 널은 범위에서 변화될 수 있다. 특정 촉매를 위한 염의 최적 농도는 촉매 효능, 촉매 경화 속도 및 반응 온도와 같은 성능 특성에 따라 달라진다.
가공된 촉매중의 염의 농도(예를 들어, 세슘과 같은 양이온의 중량을 기준으로 함)는 약 0.005 내지 1.0중량%, 바람직하게는 약 0.005 내지 0.5중량%이다. 촉매 또는 담체 표면상에 침착되거나 존재하는 양이온 촉지제의 바람직한 양은 일반적으로 전체 담체 물질에 대해 계산한 양이온의 중량을 지준으로 하여, 약 10 내지 약 4,000ppmw, 바람직하게는 약 15 내지 약 3,000ppmw, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 2,500ppmw이다. 가장 바람직한 양은 약 50 내지 약 2,000ppm이다. 세슘을 다른 양이온과의 혼합물로 사용하는 경우, 목적한 성능을 획득하기 위한 다른 알칼리 금속 및 알칼리토금속 염(들)에 대한 세슘 염의 비는 별로 중요하지 않으며 넓은 범위에서 변할 수 있다. 기타 염(들)에 대한 세슘 염의 비는 약 0.0001:1 내지 10,000:1, 바람직하게는 약 0.001:1 내지 1,000:1 사이에서 변할 수 있다. 바람직하게는 세슘은 가공된 촉매중에 첨가되는 알칼리 금속 및 알칼리 토금속을 약 10중량% 이상, 더욱 바람직하게는 약 20 내지 100중량%의 양으로 포함한다.
본 발명의 몇몇 바람직한 양태에서, 특히 산화 환원 쌍 촉매 이외의 다른 촉매를 사용하는 경우, 무기산, 특히 질산 중에서 약 90℃의 온도에서 약 1시간 동안 약 10용적%의 농도로 침출시킨 다음, 증류수로 세척하여 측정한, 침출성 칼륨 양이온의 양은 촉매의 중량을 기준으로 하여, 약 50ppmw 미만, 바람직하게는 약 25ppmw 미만 예를 들어 0 내지 약 25ppmw이다. 몇몇 경우에, 코발트 성분과의 혼합물 형태로 존재하는 적은 양의 침출성 칼륨은 성분이 촉매의 활성 및/또는 안정성을 보다 증진시킬 수 있도록 향상시키거나 허용하는 것으로 나타난다. 또한, 대다수의 경우, 본 발명의 바람직한 양태의 촉매는 상기 방법으로 측정한 바, 침출성 나트륨 양이온 약 100ppmw 미만, 예를 들어, 약 50ppmw 미만으로 함유한다.
본 발명의 촉매중에 사용하기에 적합한 유형의 음이온 촉진제 또는 개질제는 황산염(예:SO ), 인삼염(예PO ), 티탄삼염(예:TiO ),망간산염(예:MnO ), 탄탈산염(예:TaO ), 몰리브덴산염(예:MoO ), 바나드산염(예:VO ), 크로산염(예:CrO ), 지르콘산염(예:ZrO ), 폴리인산염, 질산염, 염소산염, 브롬산염, 붕산염, 규산염, 탄산염, 텅스텐산염, 티오황산염, 세레이트등을 포함하여, 이들은 단지 예시적으로 기술된 것이다. 또한, 할라이드 이온은 음이온으로서 존재할 수 있으며, 플루오라이드, 클로라이드, 브로마이드 및 요오다이드 등이 포함된다.
많은 음이온이 착물 화학 작용을 나타내며 이들 음이온은 하나 이상의 형태, 예를 들어, 오르토바나드산염 및 메타바드산염, 및 MoO , M0O 및 MoO 와 같은 각종 몰리브드산염 옥시음이온으로 존재할 수 있다. 옥시 음이온에는 폴리옥시음이온 구조를 포함하는 혼합된 금속-함유 옥시음이온이 포함될 수 있다. 예를들어, 망간 및 몰리브덴은 혼합된 금속 옥시음이온을 형성할 수 있다. 유사하게, 음이온, 양이온, 원소 또는 공유 형태를 제공되는 다른 금속을 음이온 구조에 넣을 수 있다.
옥시음이온 또는 이의 전구체를 담체를 함침시키는 용액중에 사용할 수도 있지만, 촉매 제조 조건 동안 및/또는 사용시, 초기에 존재하는 특정한 옥시음이온 또는 전구체를 다른 형태로 전환시킬 수 있다. 실제로, 원소는 양이온 또는 공유 형태로 전환될 수 있다. 바람직하게는, 원소는 산소(즉, 옥시음이온) 또는 공유 산화물과 결합하거나, 또는 산소-함유 음이온을 함유할 수 있다. 대다수의 경우, 분석 기술은 존재하는 종을 정확하게 분석하기에는 충분하지 않을 수 있다. 본 발명은 사용시 촉매상에 최종적으로 존재할 수 있는 정확한 종에 의해 제한되는 것은 아니며, 옥시음이온에 대한 본원의 언급은 본 발명을 이해 및 실행하기 위한 지침을 제공하려는 것이다.
이로써 제한되는 것은 아니지만, 음이온 촉진제에는 루테늄, 몰리브덴, 텅스텐 및/또는 크롬의 황산염 및 옥시음이온이 포함된다. 적합하게 적용될 수 있는 황 이온의 예에는 황산염, 아황산염, 중아황산염, 중황산염, 설포네이트, 퍼설페이트, 티오설페이트, 디티오네이트, 디티오나이트, 할로설페이트(예: 플루오로설페이트)등이 포함된다. 적용될 바람직한 화합물은 황산암모늄 및 알칼리 금속 황산염이다. 적합하게 적용될 수 있는 몰리브덴, 텅스텐 및 크롬의 음이온의 예로는 몰리브드산염, 디몰리브드산염, 파라몰리브드산염, 기타의 이소- 및 헤테로폴리몰리브드산염 등 ; 텅스텐산염, 파라텅스텐산염, 메타텅스텐산염, 기타의 이소- 및 헤테포폴리텅스텐산염 등 ; 및 크롬산염, 디크롬산염, 크로마이트, 할로크롬산염 등이 포함된다. 황산염, 몰리브드산염, 텅스텐산염 및 크롬산염이 바람직하다.
촉매가 레늄을 포함하는 경우, 레늄 성분은, 예를 들어, 금속, 공유 화합물, 양이온 또는 음이온과 같은 다양한 형태로 제공될 수 있다. 효능 및/또는 활성을 증진시키는 레늄 종은 특정하지 않으며, 이들 성분은 촉매제조 공정시 또는 사용시 촉매로서 첨가하거나 생성시킬 수 있다. 레늄 화합물의 예에는 레늄 할라이드, 레늄 옥시할라이드, 레늄산염, 과레늄산염, 레늄의 산화물 및 산과 같은 레늄염이 포함된다. 그러나, 알칼리 금속 과레늄산염, 알칼리 토금속 과레늄산염, 은과 레늄산염, 기타의 과레늄산염 및 레늄 헵트옥사이드를 적절히 사용할 수도 있다. 물에 용해되는 경우, 레늄헵트옥사이드(ReO)는 퍼헨산(HReO) 또는 퍼헨산수소로 분해된다. 따라서, 본 발명의 목적을 위한, 레늄 헵트옥사이드는 과레늄산염(ReO)인 것으로 사료된다. 유사한 화학작용이 몰리브덴 및 텅스텐과 같은 기타의 금속에 의해서도 나타날 수 있다.
음이온 촉진제의 양은, 예를 들어, 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 약 0.0005 내지 2중량%, 바람직하게는 약 0.001 내지 0.5중량%사이에서 다양하게 변화될 수 있다. 사용되는 경우, 레늄 성분은 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 레늄의 중량으로써 계산한 바, 약 1ppmw 이상, 즉 약 5ppmw 이상, 예를 들어, 약 10 내지 2,000ppmw, 간혹 약 20 내지 1,000ppmw의 양으로 제공한다.
촉진제의 또다른 부류에서는 망간 성분이 포함된다. 대다수의 경우, 망간 성분은 촉매의 활성 및/또는 안정성을 증진시킬 수 있다. 활성 및/또는 안정성을 증진시키는 망간 좋은 특정되지 않으며, 이들 성분은 촉매 제조시 또는 촉매로서 사용되는 동안 첨가되거나 또는 생성될 수 있다. 이로써 제한되는 것은 아니지만, 망간 성분에는 망간 에세테이트, 망간 암모늄 설페이트, 망간 시트레이트, 망간 디티오네이트, 망간 옥살레이트, 망간 시트레이트, 망간 디티오네이트, 망간 옥살레이트, 망간 니트레이트, 망간 설페이트 및 망간염 음이온(예 : 과망간염 음이온, 망간염 음이온) 및, 예를 들어, +2 또는 +3의 산화 상태로 존재하고 본원에 기술된 착물화제 중에서 선택된 착물화제와 착화된 상태로 존재하는 망간 착물 등이 포함된다. 망간 성분을 사용하는 경우, 이 망간 성분은 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 망간의 중량으로써 계산한 바, 약 1ppmw 이상, 즉 5ppmw 이상, 예를 들어, 약 10 내지 2,000ppmw, 또는 20 내지 1,000ppmw의 양으로 사용한다.
본 발명의 촉매는 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 성분인 효능-증진염 하나 이상을 포함하는 유형이며, 바람직하게는 산화 환원-반쪽 반응쌍의 효능-증진 기체 성분 하나 이상이 존재하는 에폭시화 반응에 사용되기도 한다(후술되는 바와 같다). 본원에서 용어 산화 환원-반쪽 반응 은 표준 또는 단일 전극 전위차로서 공지된, 예를 들어, 하기문헌에 기술되어 있는 유형의 표준 환원 또는 산화 전위차 표에 제시된 반응식에서 인지할 수 있는 것과 같은 반쪽-반응을 의미하는 것으로 정의한다[참조 : Handbook of Chemistry, N.A. Lange, Editor, McGraw-Hill Book Company, Inc., pages 1213-1218 (1961) or CRC Handbook of Chemistry and Physics, 65th Edition, CRC Press,Inc., Boca Raton, Florida, pages D155-162 (1984)]. 용어 산화 환원-반쪽 반응 쌍은 반쪽-반응식에서 산화 또는 환원되는 원자, 분자 또는 이온의 쌍 또는 이의 혼합물을 나타낸다. 본원에 사용된 용어 산화 환원-반쪽 반응쌍에는 화학 작용이 매카니즘 보다는 목적한 성능 증진을 제공하는 종류의 물질 성분이 포함된다. 바람직하게는, 이들 화합물은 반쪽 반응 쌍의 성분인 염으로서 촉매와 결합되는 경우, 음이온이 옥시음이온, 바람직하게는 다가 원자의 옥시음이온인 염이다. 즉 상이한 원자에 결합되는 경우, 산소가 결합된 음이온 원자는 상이한 원자가 상태로 존재할 수 있다. 바람직한 양이온은 칼륨이지만, 나트륨, 루비듐 및 세슘도 사용될 수 있으며, 바람직한 음이온은 질산염, 아질산염 및 치환 반응 또는 기타의 화학반응을 일으킬 수 있고 에폭시화 조건하에서 질산염 음이온을 형성할 수 있는 기타의 음이온이다. 바람직한 염에는 KNO및 KNO가 포함되며, 가장 바람직한 염은 KNO이다.
산화 환원-반쪽 반응쌍의 성분인 염을 에폭시화 반응의 효능을 증진시키기에 충분한 양으로 가한다. 정확한 양은 사용된 산화 환원-반쪽 반응에 기체 효능-증진성분 및 이의 농도, 기체상(phase)중의 다른 성분의 농도, 촉매중에 함유된 은의 양, 지지체의 표면적, 공정 조건(예 : 공간 속도 및 온도)및 지지체의 형태와 같은 변수에 따라 달라질 것이다. 그러나, 통상적으로 양이온으로서 계산된, 첨가된 효능-증진 염의 적합한 농도 범위는 촉매의 총 중량을 기준으로 하여, 약 0.01 내지 약 5중량%, 바람직하게는 약 0.02 내지 약 3중량%이다. 가장 바람직하겐는,염을 약 0.03 내지 약 2중량%의 양으로 가한다.
어떤 경우에, 금속-함유 촉진제와 같은 각각의 촉진제는 예를 들어, 이들이 양이온성, 음이온성 또는 비이온성이든 관계없이 촉진량으로 제공된다. 본원에서 사용된 촉매의 특정 성분의 촉진량이란 용어는 상기 성분을 함유하지 않는 촉매와 비교한 바, 촉매의 촉매적 특성 하나 이상을 개선 또는 증진시키는데 효과적으로 작용하는 성분의 양을 나타낸다. 촉매적 특성을 예시하자면 특히, 작동가능성(이탈에 대한 내성), 선택성, 활성, 전환율, 안정성 및 수율이 포함된다. 촉진량을 사용하여 개개의 촉매적 특성중 하나 이상을 증진시킬 수 있는 반면, 다른 촉매적 특성을 증진되지 않을 수도 있거나, 심지어는 저하될 수도 있음을 당해 기술 분야의 숙련가들은 이해할 것이다. 실제로, 촉진제는 표준 에틸렌 옥사이드 공정 조건하에서 측정한 바에 따르면, 촉진제의 효능은 증진시키지만, 활성은 감소시킬 수 있다. 또한, 상이한 촉매 특성을 상이한 작용 조건에서 증진시킬 수 있음을 인지해야 한다. 예를 들어, 일련의 작용 조건에서 선택성이 증진된 촉매는 선택성 보다는 활성이 증진되는 상이한 일련의 조건에서 작용할 수 있으며, 에틸렌 옥사이드 공장의 조작자는 특정한 촉매 특성을 이용하기 위해서 다른 촉매 특성을 희생해서라도 작용조건을 의도적으로 변화시킴으로써 공급 원료 비용, 에너지 비용, 부산물 제거 비용 등과 관련된 이익을 최대화할 것이다.
촉진제에 의해 제공된 촉진 효과는, 예를 들어, 반응 조건, 촉매제조 기술, 지지체의 표면적 및 기공 구조 및 화학적 특성, 촉매중의 은 함량 및 보조-촉진제 함량, 및 촉매상에 존재하는 기타 양이온 및 음이온의 존재와 같은 여러가지 변수에 의해 영향을 받을 수 있다. 기타 활성제, 안정화제, 촉진제, 증진제 또는 기타 촉매 개선제의 존재도 또한 촉진 효과에 영향을 미칠 수 있다.
다양한 방법을 본 발명에 따른 촉매를 제조할 때 사용할 수 있다. 바람직한 방법은 (1) 다공성 촉매 담체를 용매 또는 가용화제, 목적하는 은 중량을 침착시키기에 충분한 양의 은 착물 및 촉진제(들) 및 담체상의 전술한 촉진제(들)을 포함하는 용액에 함침시킨 다음, (2) 함침된 지지체를 처리하여 은 염을 은 금속으로 전환시키고 지지체의 외부 및 내부표면상에 은 및 촉진제(들)을 침착시키는 단계를 포함한다. 반복 가능하게 하기 위해, 함침 용액의 사용 및 재사용시, 담체는 함침 용액에 용해되고/되거나 촉매의 제조 또는 사용시에 촉매에 공급된 촉진제(들)과 교환가능한 이온을 과량으로 함유하지 않음으로써, 목적하는 촉매 증진을 제공하는 촉진제의 양을 적게하는것이 바람직하다. 담체가 이러한 이온을 함유하는 경우, 통상적으로 이온은 침출과 같은 표준 화확적 기술에 의해 제거되어야만 한다. 통상적으로 은 및 촉진제의 침착은 승온에서 담체를 가열하여 지지내에 잔류하는 액체를 증발시키고 담체의 내부 및 외부 표면상에 은 및 촉진제(들)을 침착시킴으로써 수행한다. 담체를 침지시키는 방법은 은 침착을 위한 바람직한 기술인데, 이는 이러한 은 침착 기술이 담체의 내부 표면상에 은을 실질적으로 침착시키기 불가능한 피복 공정보다 효과적으로 은을 사용하기 때문이다. 또한, 피복된 촉매는 기계적 마모에 의해 은을 손실하기 더욱 쉽다.
은 및 촉진제를 사용하여 담체 표면을 함침시키거나 침착시키는 순서는 임의로 정할 수 있다. 따라서, 은 및 염의 함침 및 침착을 동시에 또는 순차적으로 수행할 수 있다. 즉, 촉진제를 담체에 은을 가하기 전에, 가하는 동안에 또는 가한 후에 침착시킬 수 있다. 촉진제들은 동시에 또는 순차적으로 침착될 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 염을 먼저 침착시킨 다음, 은 및 추가의 다른 염을 동시에 또는 순차적으로 침착시킬 수 있다. 은 함침 용액중의 은 성분이 촉진제를 제공하는 화합물을 간섭하거나, 또는 다르게는 촉진제를 제공하는 화합물이 함침 용액중의 은 성분을 간섭하는 경우에는, 종종 은을 침착시키고 하소시킨 다음, 촉진제 화합물을 지지체상에 함침시키는 순차적 침착 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
촉매 담체의 함침은 동시 또는 순차적 침착을 위한 널리 공지된 방법에 따라 은 및 기타의 촉진제를 함유하는 용액 하나 이상을 사용하여 수행한다. 동시 침착의 경우, 함침한 후 함침된 담체를 가열하거나 화학적으로 처리하여 은 화합물을 은 금속으로 환원시킨 다음, 촉매 표면상에 염을 침착시킨다.
순차적 침착의 경우에는, 먼저 담체를 은 또는 촉진체(사용된 순서에 따라 달라짐)에 함침시킨 다음 상기에 기술한 바와 같이 가열하거나 화학적으로 처리한다. 이어서, 2차 함침 단계 및 상응하는 가열 또는 화학적 처리를 수행하여 은 및 촉진제(들)을 함유하는 가공된 촉매를 제조한다.
유용한 한가지 양태에서는, 은-함유 담체를 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속이 아닌 금속-함유 촉진제를 함유하는 용액을 사용하여 순차적으로 함침시키며, 이때 용액은 금속-함유 촉진제의 은-함유 담체에 대한 친화도가 은을 함유하지 않는 담체에 대한 친화도 보다 높고/거나 촉진제가 은을 함유하지 않는 담체에 결합되는 속도보다 빠른 속도로 은-함유 담체에 결합되는 것, 바람직하게는 흡수되는것, 더욱 바람직하게는 침착되는 것을 선택한다. 상기 방법은 촉매 제조를 용이하게 하며 알켄 에폭시화에 효과적인 촉매를 제공한다. 상기 방법은 본원에 참고 문헌으로 인용되고 있는 미합중국 특허원에 기술되어 있다[참조 : Attoney's Docket No. D-16588].
본 발명의 촉매를 제조함에 있어서, 알칼리 및 알칼리 토금속 염과 같은 몇몇 촉진제는 융점 온도가 너무 높아서, 은 화합물과 함께 지지체상에 침착시킨 다음 가열하여 은 화합물은 은 금속으로 전환시키는 경우, 염이 거의 변화되지 않은채로 잔류할 수 있다. 물론, 산화 상태가 불안정한 알칼리 금속 및 알칼리 토금속염은 안정한 산화 상태(들)로, 예를 들어, 아황산염에서 황산염으로 변화될 것임에 틀림없다. 예를 들어, 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속을 수산화물 또는 탄산염으로서 침착시키는 경우, 이들 금속은 촉매 함침에 사용될 수 있는 아민의 존재하에서 로스트(roast) 조건에 따라 가열(로스팅)단계 동안에 상이한 염 형태(예 : 질산염)로 변형될 수 있다.
담체를 함침시키는데 사용되는 은 용액은 용매 또는 당해 기술분야에 발표된 바 있는 은 용액과 같은 착화제/가용화제 중의 은 화합물을 포함한다. 사용되는 특정 은 화합물은, 예를 들어, 은 착물, 질산염, 은 산화물 또는 은 카복실레이트(예 : 은 아세테이트, 옥살레이트, 시트레이트, 프탈레이트, 락테이트, 프로피오네이트, 부티레이트 및 고급 지방산 염)중에서 선택될 수 있다. 바람직하게는, 아민으로 착화시킨 은 산화물이 본 발명의 실행에 바람직한 은 형태이다.
다양한 용매 또는 착화제/가용화제를 사용하여 은을 함침 매질중에 목적하는 농도로 용해시킬 수 있다. 상기한 목적에 적합한 것으로서 당해 기술 분야에 공지된 것들 가운데는 락트산[참조 : 아리스(Aries)의 미합중국 특허 제2,477,436호 및 데마이오(Demaio)의 미합중국 특허 제3,501,417호], 암모니아[참조 : 웨스트(West)등의 미합중국 특허 제2,463,228호], 에틸렌 글리콜과 같은 알코올[참조 : 엔들러(Endler) 등의 미합중국 특허 제2,825,701호 및 와티미나(Wattimina)의 미합중국 특허 제3,563,914호]및 아민 및 아민의 수성 혼합물[참조 : 슈바르쯔(Schwarz)의 미합중국 특허 제2,459,896호, 와티미나의 제3,563,914호, 베니시(Benisi)의 제3,215,750호, 닐센(Nielsen)의 제3,702,259호 및 카비트(Cavitt)의 제 4,097,414호, 제4,374,260호 및 ㅈ[4,321,206호]이 있다.
금속-함유 촉진제(들)은 담체에 결합되기 전에 그자체가 함침 용액, 특히 은을 함유하는 용액중에 착물로서 존재할 수 있다. 편리하게는, 이러한 착물은 함침 용액 또는 용액 전구 물질(예 : 용해되지 않은 금속-함유 촉진제 전구물질을 함유하는 액체 매질)중에 금속종, 예를 들어, 금속-함유 촉진제 전구 물질 하나 이상과 착물을 형성하는데 효과적인 착화제 하나 이상을, 용액 또는 용액 전구물질중의 금속-함유 전구물질의 용해도 및/또는 용해도 안정성을 증진시키기에 충분한 양으로 포함시킴으로써 유도할 수 있다. 용해도 및/또는 용해도 안정성의 증진은 금속-함유 촉진제를 착화시킨 유사한 함침 용액 또는 용액 전구물질을 착화제를 사용하고/하거나 착화제를 사용하지 않고 착화시키지 않은 유사한 함침 용액 또는 용액 전구 물질과 비교하여 측정한다. 용어 용해도 안정성은 일정 시간후에 용액중에 잔류하는 금속-함유 촉진제의 능력을 나타내는 척도로서, 시간이 길면 길수록, 금속-함유 촉진제의 용해도 안정성은 커진다.
금속-함유 촉진제 착물을 제조하는데 유용한 착화제(들)은, 예를 들어, 목적하는 용해도 및/또는 용해도 안정성을 제공하는, 통상적이고 널리 공지되어 있는 착화제 가운데서 선택될 수 있다. 사용될 특정 착화제(들)의 선택은 사용될 금속-함유 촉진제, 함침 용액 또는 용액 전구 물질의 조성, 담체를 함침시키는데, 함침 용액 또는 용액 전구 물질의 조성, 담체를 함침시키는데 사용하기 전에 함침 용액 또는 용액 전구 물질이 보존될 조건과 같은 많은 인자에 따라 달라진다. 사용될 수 있는 착화제의 예에는 에틸렌디아민테트라아세트산(EDTA), N,N'-에틸렌디아민디아세트산, N-하이드록시에틸에틸렌디아민트리아세트산, 디에틸렌트리아민펜타아세트산, 니트릴로트리아세트산, N-디하이드록시에틸글리신 등이 포함된다.
착화제의 사용량은 특정 착화제와 착화될 특정 금속 종, 및 착화될 금속의 양에 따라 다양하게 변한다. 바람직하게는, 착화제의 양은 함침 용액 또는 용액 전구 물질중에 착화될 금속 종과 착물을 생성하는데 요구되는 양의 약 50% 이상, 더욱 바람직하게는 약 100% 이상이다. 예를 들어, 비교적 오랜 기간동안 착물을 유지시킬 수 있도록 하기 위해, 목적하는 착물을 생성시키는데 필요한 양 이상의 과량의 착화제를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 착화제는 목적하는 착물을 생성시키는데 필요한 양의 약 150% 이상, 약 200% 이상 또는 약 400% 이상의 양으로 포함될 수 있다. 예를 들어, 함침 용액 또는 용액 전구물질중에 사용된 착화제의 양에는 금속 종과 착화된 착화제 및, 임의의 경우, 함침 용액 또는 용액 전구 물질중에 존재하는 착화되지 않은 추가의 또는 과량의 착화제 모두가 포함된다.
은 함량이 높은 촉매를 제조하기 위한 특히 바람직한 방법은 촉진제를 사용하거나 사용하지 않고 은을 2회 이상 순차적으로 함침시키는 방법을 포함하여, 이때 각각의 함침후에 은을 불용성이 되게 하기 위해 로스팅(roasting) 또는 기타의 공정을 수행할 수 있다. 높은 은 부하를 사용하는 경우에는, 담체가 큰 기공 용적 및 표면적을 갖는 것이 유리하다.
은 및/또는 촉진제(들)로 촉매 담체를 함침시킨 후, 함침된 담체 입자를 잔류하는 흡수되지 않은 용액으로부터 분리한다. 이러한 분리 공정은 과량의 함침 매질을 배출시키거나, 또는 여과 또는 원심분리와 같은 분리 기술을 사용하여 수행하는 것이 편리하다. 이어서, 통상적으로는 함침된 담체를 열처리(예를 들어, 로스팅)하여 은 금속 화합물(대부분의 경우, 착물임)을 금속성 은으로 분해 및 환원시키고/시키거나 촉진제(들)를 침착시킨다. 이러한 로스팅은 약 100 내지 900℃, 바람직하게는 약 200 내지 700℃의 온도에서, 은염의 거의 전량을 은 금속으로 전환시키고/시키거나 촉진제(들) 거의 전량을 침착시키기에 충분한 시간동안 수행할 수 있다. 통상적으로, 온도가 높을수록, 요구되는 시간은 짧아진다. 예를 들어, 약 400 내지 900℃의 온도에서는 약 1 내지 5분내에 은 환원 반응을 수행할 수 있다. 함침된 지지체를 열적으로 처리하는 광범위한 가열 기간이 당해 기술 분야에 제안되어 있지만(예를 들어, 미합중국 특허 제3,563,914호에는 300초 미만 도안 가열하여 건조시키는 방법은 제안되어 있으나 촉매를 환원시키기 위한 로스팅은 제안되어 있지 않으며 ; 미합중국 특허 제3,702,259호에는 100내지 375℃에서 2 내지 8시간동안 가열하여 촉매중의 은 염을 환원시키는 방법이 기술되어 있고 ; 미합중국 특허 제3,692,136호에는 상기와 동일한 온도 범위에서 1/2내지 8시간 동안 가열하는 방법이 기술되어 있다), 은염을 금속으로 거의 완전히 환원시키고/시키거나 촉진제(들)을 거의 완전하게 침착시키는 온도와 관련된 시간만이 중요하다. 연속 또는 단계별 가열 프로그램이 본 목적에 사용하기에 바람직하다. 짧은 시간 동안, 예를 들어 1/2시간 이하의 시간 동안 촉매를 연속 로스팅하는 것이 바람직하며, 이 방법은 본 발명 촉매 제조시 효과적으로 수행될 수 있다.
열 처리는 공기중에서 수행하는 것이 바람직하나, 질소 또는 이산화탄소 대기를 사용할 수도 있다. 이러한 열 처리에 사용되는 장치는 환원을 수행하기 위한 이들 기체의 정지 대기 또는 유동 대기를 사용할 수 있으나, 유동 대기가 훨씬 바람직하다.
본 발명의 촉매 제조시 중요한 고려사항은 지지체를 공격할 수있는 강산성 또는 염기성 용액 및 촉매의 성능에 악영향을 미칠 수 있는 침착 불순물이 사용되는 것을 피해야 한다는 점이다. 높은 로스팅 온도 및 짧은 체류 시간 방법을 결합시킨 영국 특허 제2,043,481호의 바람직한 함침 방법은 촉매의 오염을 최소화하는데 특히 유익하다. 그러나, 고순도의 지지체와 함께 본 발명의 염을 사용하면, 보다 낮은 온도를 사용할 수 있긴 하나, 짧은 체류 시간이 바람직하다.
선행 기술분야에서는 담체상에 침착된 은 금속의 입자 크기를 사용된 촉매 제조 공정의 함수로서 평가한다. 이는 촉매의 표면을 효과적으로 관찰하는데 대한 본 기술분야의 제한된 능력에 기인한 경우로 추정된다. 따라서, 담체상에 나타난 은 입자 사이의 간격은, 이들 은 입자가 담체상의 은 모두를 나타내는지의 여부를 판단하기에 충분할 정도로 특징적이지는 못하다. 그러나, 특정하게 선정된 용매 및/또는 착화제, 은 화합물, 열 처리 조건 및 촉매 담체는 정도의 차이는 있지만, 담체상에 생성되는 은 입자의 크기 범위에 영향을 미칠 수 있다. 에틸렌 옥사이드의 제조에 통상적으로 중요한 담체의 경우, 통상적으로 은 입자 크기는 0.005 내지 2.0μ 범위에 분포한다. 그러나, 에틸렌 옥사이드 제조시의 촉매 효과에 대한 은 촉매 입자 크기의 역할은 확실하게 인지되어 있지는 않다. 촉매 반응에 사용되는 경우, 은 입자는 이의 크기 및 형태면에서 현저한 변화를 일으키면서 촉매 표면위를 이동하는 반면, 촉매는 여전히 높은 효과를 나타낸다는 공지되어 있는 사실을 근거로, 지지체상에 나타나는 은 입자의 크기가 촉매 성능에 중요한 인자로서 작용하지 못할 수도 있다는 것을 제안한다.
본 발명의 은 촉매는 에틸렌을 산소분자로 증기상 산화시켜 에틸렌 옥사이드를 제조하는데 사용하기에 특히 적합하다. 산화 반응을 수행하기 위한 반응 조건은 널리 공지되어 있으며 선행 기술분야에 광범위하게 기술되어 있다. 이는 온도, 압력, 체류 시간, 반응물의 농도, 기체상(phase) 희석제(예: 질소, 메탄 및 CO), 기체상 억제제(예: 에틸렌 클로라이드 및 에틸렌 디클로라이드) 등과 같은 반응 조건에 적용된다.
반응기에 공급된 기체는 로(Law)등에게 허여된 미합중국 특히 제2,279,469호 및 제 2,279,470호에 기술되어 있는 질소 산화물 및 질소 산화물 생성 화합물과 같은 개질제 또는 억제제를 함유할 수 있다. 또한 유럽 특허 제3642호는 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 기체 효능 증진 성분 하나 이상과 결합하여 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 효능-증진 염을 하나 이상 포함하는 촉매를 기술하고 있다.
본원에 사용된 용어 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 기체 성분, 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 기체 효능-증진 성분 또는 이와 유사한 용어는 상기에서 정의한 바 있는 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 성분의 염 또는 이와 유사한 용어와 유사한 의미를 갖는다. 즉, 이들 용어는 표준 참조 문헌 또는 핸드북중의 표준 또는 단일 전극 전위차 표에 기재된, 기체 상태로 존재하며 문헌중에 기재된 반응식을 통해 산화되거나 환원되는 물질인 반쪽-반응의 성분을 나타낸다. 바람직한 기체 효능-증진 물질은 2 이상의 원자가 상태로 존재할 수 있는 원소, 바람직하게는 질소 및 다른 원소(바람직하게는 산소)를 함유하는 화합물이다. 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 바람직한 기체 효능-증진 성분의 예에는 하나 이상의 NO, NO, NO, NO, NO또는 에폭시화 조건하에서 전술한 기체중의 하나, 특히 NO 및 NO를 생성시킬 수 있는 기체 물질, 및 이들 물질과 하나 이상의 PH, CO, SO, SO, PO및 PO와의 혼합물이 포함된다. NO는 종종 기체 효능-증진 화합물로서 바람직한다.
몇몇 경우에는, 예를 들어, 질산칼륨 및 산화질소의 바람직한 혼합물과 함께 반응 시스템중의 동일한 반쪽-반응 쌍의 성분, 즉 공급 스트림 중의 촉매와 결합된 효능-증진염 성분 및 기체 성분을 사용하는 것이 바람직하지만, 이러한 것이 모든 경우에 만족스러운 결과를 반드시 제공하는 것은 아니다. 또한, 동일한 시스템에 KNO/NO, NO/NO, NO/NO, KNO/SO, KNO/NO, KNO/NO및 KNO/SO와 NO의 혼합물과 같은 기타의 혼합물을 사용할 수도 있다. 몇몇 경우에는, 전체 반응중의 일련의 반쪽-반응식 중에서 최초 반응 및 최종 반응을 나타내는 상이한 반쪽-반응중에 염 및 기체 성분이 존재할 수도 있다.
또한, 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 기체 효능-증진 성분은 촉매의 활성과 같은 성능, 특히 에폭시화 반응의 효능을 증진시키기에 충분한 양으로 존재한다. 부분적으로, 정확한 양은 사용된 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 성분인 특정한 효능-증진 염 및 이의 농도, 산화되는 특정한 알켄, 및 산화 환원-반쪽 반응 상의 성분의 효능-증진 염의 양에 영향을 미치는 상기에서 언급한 바와 같은 기타 인자에 따라 결정된다. N를 밸러스트 (ballast)로서 사용하는 경우, 통상적으로, 대부분의 알켄(프로필렌 포함)울 애폭시화시키는 위한 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 기체 성분의 적합한 농도는 기체 공급 스트림의 약 0.1 내지 약 2,000ppm (용적을 기준으로 함)이다. NO와 같은 산화 환원-반쪽 반응 쌍의 바람직한 기체 성분을 프로필렌의 에폭시화 반응에 사용하는 경우, N밸러스트를 사용할 때의 바람직한 농도는 약 2,000ppm(용적을 기준으로 함)이다. 그러나, 에틸렌을 산화시키는 경우, 적합한 농도는 기체 공급 스트림 성분의 약 0.1 내지 약 100ppm(용적을 기준으로 함)이다. 바람직하게는, CO가 반응 혼합물중에 약 3용적%로 존재하는 경우, 산화 환원-반쪽 반응 상의 기체 효능-증진 성분은 약 1 내지 약 80ppm의 양으로 존재한다. 에틸렌 에폭시화 시스템중의 기체 효능-증진 화합물로서 산화질소를 사용하는 경우, CO가 반응 혼합물중에, 예를 들어, 약 3용적% 이하의 양으로 존재할 때 산화 질소는 약 0,1 내지 약 60ppm, 바람직하게는 약 1 내지 약 40ppm의 양으로 존재한다.
미반응 공급물을 재순환시키는 방법, 단일-통과 시스템을 사용하는 방법, 또는 연속 배열 상태의 반응기를 사용하여 에틸렌 전환률을 증가시키는 연속 반응을 사용하는 방법중 보다 바람직한 방법은 당해 기술분야의 숙련가에 의해 용이하게 결정될 수 있다. 선정된 특정한 작동 양태는 통상 처리 비용에 의해 결정된다.
통상적으로, 산업적으로 실행되는 방법은 에틸렌 및 산소를 함유하는 공급 스트림을 목적하는 질량 속도 및 생산성에 따라 약 200 내지 300℃의 온도 및 약 5 내지 약 30기압에서 변화될 수 있는 압력에서 촉매-함유 반응기에 연속적으로 도입시켜 수행한다. 대규모 반응기내에서의 체류 시간은 일반적으로 약 0.1 내지 5초 정도이다. 산소는 공기 또는 시판용 산소화 같은 산소-함유 스트림을 통해 반응에 공급할 수 있다. 생성되는 에틸렌 옥사이드를 통상적인 방법을 사용하여 반응 생성물로부터 분리 및 회수한다. 그러나, 본 발명의 경우, 에틸렌 옥사이드 공정은 이산화탄소 재순환을 포함하는 통상적인 기체 재순환을 통상적인 농도로, 예를 들어 약 0.5 내지 6용적%로 포함한다.
본 발명의 코발트-함유 촉매는 선택적으로 사용되는 상기한 바와 같이, 알켄 에폭시화 공정의 효과를 증진시킬 수 있다. 에를 들어, 본 코발트-함유 촉매는 알켄 에폭시화 공정의 시동 속도를 증가 또는 증진시키는데 효과적일 수 있다. 또한, 촉매는, 예를 들어, 조건에서 코발트 성분을 함유하지 않는 유사한 촉매에 비해 촉매의 고정상의 길이를 따라 증가된 촉매 효과 안정성을 제공할 수 있다. 본 코발트-함유 촉매의 상기 특징은 본원에 참고로 인용되고 있는 문헌에 상세히 기술되어 있다[참조: 통상적으로 양도된 미합중국 특허원(Attoney's Docket 16566), 출원일: 1990년 ________].
특별한 지시가 없는한, 하기 실시예에서는 특정한 표준 에틸렌 옥사이드 공정 조건을 사용한다. 산업적 방법에서는, 통상적인 작용 조건을 변화시킬 수 있으며, 성분의 사용량을 조절하여 최대의 효능을 달성할 수 있다. 특히, 에탄, 이산화탄소 및 유기 염화물의 양을 변화시켜 에틸렌 옥사이드를 제조하기 위한 효능을 최적화할 수 있다. 에탄은 에틸렌 원료중에 다양한 양으로 함유된 불순물이다. 또한, 에탄올 산업적으로 이용되도 있는 반응기에 가하여 염화물의 억제 작용을 보다 잘 제어할 수도 있다. 통상적으로, 산업적 방법에서의 에탄의 사용랴은 공기 공정 조건 및 산소 공정 조건하에서 최적화를 달성하기 위해 약 0.001 내지 약 5몰%에서 변할 수 있다. 반응기내에서의 에탄 농도가 증가함에 따라, 촉매상의 유효한 표면 염화물 농도는 감소되어 에틸렌 옥사이드의 제조 효능을 증가시키는 반응을 촉진/억제하는 염화물의 능력을 감소시킬 것으로 추정된다. 예를 들어, 에틸 클로라이드 또는 에틸렌 디클로라이드와 같은 염화물의 양을 조절하여 특정 방법에 사용된 에탄의 양 및 촉매중에 사용된 촉진제 또는 기질제의 종류에 부합하는 필요한 촉진제/억제제 작용을 제공할 수 있다. 산업적 방법에서의 유기 염화물의 사용랴은 통상적으로 공기 공정 조건 및 산소 공정 조건하에서 최적화를 달성하기 위해 약 1.0 내지 약 100ppm 사이에서 변할 수 있다. 통상적으로, 이산화탄소는 억제제로 생각되며, 공정 효능에 대한 이산화탄소의 억제 효과는 이의 농도에 따라 달라질 수 있다. 특정한 산업적 방법에서 본 발명의 촉매 제조시 사용된 촉진제 또는 개질제와는 상이한 형태의 촉진제 또는 개질제를 사용하는 경우, 특정한 산업적 방법에서 이산화탄소의 농도도 또한 변화시키는 것이 보다 바람직할 수 있다. 통상적으로, 산업적 방법에 사용되는 이산화탄소의 양은 공기 공정 조건 및 산소 공정 조건하에서 최적화를 달성하기 위해 약 2 내지 약 15몰% 사이에서 변할 수 있다. 이산화탄소의 양은 사용된 이산화탄소 스크러빙(scrubbing) 시스템의 크기 및 형태에 따라 달라진다. 최적량의 에탄, 이산화탄소 및 유기 혐화물은 산업적 에틸렌 옥사이드 제조시 목적하는 효능을 달성하기에 특히 적합한 촉매를 제공한다. 특히, 촉매상의 산화 환원-반쪽 반응쌍의 성분의 염하나 이상과 결합되어 있는 산화 환원-반쪽 반응쌍의 기체 효능-증진 성분 하난 이상을 사용하는 에폭시화 방법의 경우에는, 이산화탄소의 농도를 약 바람직하게는 1.5용적% 이하, 예를 들면, 약 1.0용적% 이하, 보다 바람직하게는 약 0.5용적% 이하로 유지시키는 것이 바람직하다.
표준 에틸렌 옥사이드 방법 조건과 같은 에틸렌 옥사이드 제조를 위한 처리 조건에 사용되어온 촉매는 본 발명의 중요한 양태로서 사료된다.
[실시예]
하기 실시예는 본 발명을 설명하는 것이며 본 명세서에 기술된 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해해서는 안된다.
본 명세서에 기술된 모든 촉매용 은 및 촉진제의 농도는 후술되는 바와 같이 계산한다.
특별한 언급이 없는한, 담체는 통상적으로 치수가 약 1/8x5/16x5/16 인치 또는 약 1/8x1/4x1/4 인치인 명목상 환 형태이다.
본 실시예 하나 이상에서 하기 담체를 사용한다.
[담체 N]
[담체 N의 화학적 조성 ]
약 98중량% 이상의 α- 알루미나.
[산 침출성 불순물]
침출물은 나트륨 378ppm 및 칼륨 330ppm을 함유한다.
[담체 N의 물리적 특성]
[담체 S]
담체 S는 암모늄 바이플루오라이드 3중량%를 함유하는 보마이트-암모늄 바이플루오라이드 혼합물을 먼저 약 600℃에서 하소시킨 다음 약 1025℃에서 다시 하소시켜 제조한 α-알루미나 담체이다. 이 담체의 화학적 및 물리적 특성은 하기한 바와 같다.
[담체 S의 화학적 조성]
[수 침몰성 불순물]
[담체 S의 물리적 특성]
[기공 크기 분포, 전체 기공 용적%]
[담체 T]
담체 T 는 암모늄 바이플루오라이드 3중량%를 함유하는 보마이트-암모늄 바이플루오라이드 혼합물을 먼저 약 600℃에서 하소시킨 다음, 다시 약 1025℃에서 하소시켜 제조한 α-알루미나 담체이다. 이 담체의 화학적 및 물리적 특성은 하기한 바와 같다.
[담체 T의 화학적 조성]
[수 침출성 불순물]
[담체 T의 물리적 특성]
[기공 크기 분포, 전체 기공 용적 %]
[담체 U]
담체 U은 뜨거운 탈이온수 (약 70 ℃)로 5회 세척한 담체 T이다.
[담체 V]
담체 V는 암모늄 바이플루오라이드 3중량%를 함유하는 보마이트-암모늄 바이플루오라이드 혼합물을 먼저 약 600℃에서 하소시킨 다음 다시 약 1025℃에서 하소시켜 제조한 α-알루미나 담체이다. 이 담체의 환을 명목상 길이 및 직경이 약 0.31인치인, 교차-분해된 환 단면 구조로 압출시킨다. 담체는 α-알루미나 99중량% 이상 및 플루오라이드 약 0.25중량%를 포함한다. 본 담체의 기타 화학적 및 물리적 특징은 하기한 바와 같다.
[수 침출성 불순물]
[물리적 특성]
[기공 크기 분포]
(1) 문헌에 기술되어 있는 측정법 [참조 : Adsorption Surface Area and Porosity, S.J. Gregg and K.S.W. Sing, Academic Press(1967), pages 316-321].
(2) ASTM C20-46에 기술되어 있는 측정법
(3) 측정치는 공지된 용적 컨테이너 중에서 담체의 중량을 측정하는 통상적인 측정방법을 기준으로 한다.
(4) 문헌에 기술되어 있는 측정법 [참조 : Application of Mercury Penetration to Materials Analysis, C. Orr, Jr., Powder Texhnology, Vol. 3, pp. 117-123(1970)]
담체의 수 침출성 성분 및 이의 양은 통상적인 분석 기술에 의해 측정할 수 있다. 통상적으로는, 담체를 약 50 내지 95℃, 종종 90℃에서 증류수 중에서 약 0.5 내지 2시간 동안, 예를 들어, 1시간동안 가열한다. 이어서, 액체를 이온 크로마토그래피 및 유도적으로 결합된 플라스마 분광법으로 분석한다.
저장 은 용액
후술되는 예시적인 촉매의 제조시 사용된 몇가지 은 함침 용액을 하기 방법을 사용하여 대량으로 제조한다. 지시된 양(중량을 기준으로 함)의 에틸렌디아민을 초기량의 증류수와 혼합한다. 옥살산 2수화물을 서서히 가하여 발열이 세정할 용액의 온도를 약 40℃이상으로 상승시키지 않도록 한다. 지시량의 산화은을 가한 다음 모노에탄올아민을 가한다. 증류수를 가하여 용액이 목적하는 최종 중량으로 되게 한다.
[실시예 1 내지 3]
실시예 1 (비교용), 2 및 3의 촉매를 제조하는 방법은 다음과 같다. 첫번째 함침을 위해, 계량한 양의 담체 S를 함침 용기내에 놓는다. 기계적 진공 펌프를 사용하여 용기를 배기시키고 지정된 원료 은 용액을 가한다. 용액을 대기압에서 30분 동안 담체와 접촉시킨 다음 15분 동안 담체로부터 배출시킨다. 먼저 함침된 담체를 하기 방법을 이용하여 벨트 로우스터에서 공기중에 하소시킨다. 먼저 함침된 담체를 단일층에서 분포시키고 2.5분 동안 2x2in 가열대를 통해 스텐레스 스틸 벨트에 이동시킨다. 환형 용광로에 의해 외부에서 가열된 고온 대기를 약 500℃에서 66 표준 ft /h/in 의 속도로 벨트 아래에서 즉시 포트로부터 방출시킨다. 그다음 로우스팅된 담체를 제 2 함침용 용기로 회수시킨다. 제 2 함침용 용액은 KNO를 격렬하게 교반하면서 지정된 은 용액에 가함으로써 제조된다. 사용시 지정된 양의 Co(NO)ㆍ 6HO를 소량의 물에 우선적으로 용해시킨 다음 함침용액에 가한다. 제 2 함침을 신속하게 수행하고 수득한 제 2 함침 담체를 다시 하소시키고, 제 2 함침및 하소 공정을 상기와 유사한 방법으로 수행한다. 실시예 1 내지 3의 촉매의 경우, 제조방법 및 수득한 촉매에 대한 상세한 설명이 하기에 제공된다 :
제조된 촉매를 조건을 고려하여 전술한 시험 방법에 따라 일반적으로 표준 역혼합된 오토클레이브에서 평가한다. 각 촉매 약 80cc를 하기의 공급 기체 조성을 사용하여 8000hr-1의 명목상 기체 공간속도에서 시험한다 : 산소 8용적%, 에틸렌 30용적%, 에틸 클로라이드 약 5ppmw, 산화질소 약 5ppmw 및 나머지 양의 질소. 실시예1 및 2의 촉매를 220℃에서 우선적으로 처리하고 온도를 연속적으로 수일동안 230,240 및 255℃로 승온시킨다. 실시예 3의 촉매를 240℃에서 개시하여 수일 동안 255℃로 승온시킨다. 에틸 클로라이드 및 산화질소의 농도를 필요에 따라 조절하여 활성 및 효능의 조합을 최적화시킨다. 하기 성능이 관찰된다 :
상기 결과는 코발트-함유 촉매 (실시예 2 및 3)가 특히 스트림에서 보다 긴 시간 경과 후 비-코발트-함유 촉매(실시예 1)에 대하여 증가된 에틸렌 옥사이드 %, 증가된 활성의 지적 및 증가된 효능을 제공함을 나타낸다. 따라서, 촉매에서 코발트의 함유는 에틸렌 옥사이드 생성물 촉매의 증가된 활성 및/또는 증가된 효능을 제공할 수 있다.
[실시예 4 내지 6]
실시예 4(비교)의 촉매에 대한 제조 방법은 하기와 같다. 제 1 함침의 경우, 담체 V 59.57중량부를 함침 용기에 배치시킨다. 용기를 배기시키고 원료 은 용액(유형C) 186.3중량부를 가한다. 용액을 대기압에서 30분 동안 담체와 접촉시킨 다음 15분 동안 담체로부터 배출시킨다. 제 1 함침된 담체를 하기 방법을 이용하여 벨트 로우스터에서 공기중에 하소시킨다. 제 1 함침된 담체를 단일층에서 분포시키고 2.5분 동안 2x2in 가열대를 통해 스텐레스 스틸 벨트에 이동시킨다. 관형 로에 의해 외부적으로 가열된 고은 대기를 약 500℃에서 66 표준ft /h/in 의 속도로 벨트 아래에서 즉시 포트로부터 방출시킨다. 그다음 로우스팅 담체를 제 2 함침동안 함침 용기로 회수한다. 제 2 함침용 용액은 격렬하게 교반하면서 원료 은 용액 (C유형)186.3 중량부에 KNO수용액(칼륨 6.96중량%) 5.42중량부를 가함으로써 제조된다. 제 2 함침을 수행하고 수득한 제 2 함침된 담체를 다시 하소시키고, 전술한 방법으로 제 2 함침 및 하소 공정을 수행한다.
실시예 5(비교)의 촉매를 하기 방법으로 제조한다. 제 1 함침을 위해, 담체 V 18.33중량부를 유리 함침 용기에 배치한다. 용기를 배기시키고 원료 은 용액(유형 A) 58.88중량부를 도입시킨다. 용액을 대기압에서 30분 동안 담체와 접촉시킨 다음 15분 동안 담체로부터 배출시킨다. 제 1 함침된 담체를 500℃에서 2.5분 동안 벨트로우스터에서 공기중에 하소시킨다. 그다음 로우스팅된 담체를 제 1 함침 동안 함침 용기에 회수한다. 제 2 함침을 위한 용액을 격렬하게 교반하면서 원료 은 용개 (A 유형) 55.94중량부에 KNO0.321중량부를 가함으로써 제조한다. KMnO약 0.0358중량부를 함침 용액에 가한다. 이 용액을 제 2 함침동안 망간을 가한후 즉시 사용하고 수득한 제 2 함침 담체를 전술한 방법으로 다시 하소시킨다.
실시예 6의 촉매를 하기와 같이 제조한다. 제 1 함침의 경우, 담체 V59.39중량부를 함침 용기에 배치시킨다. 용기를 배기시키고 원료 은 용액 (A유형) 192.9중량부를 가한다. 용액을 대기압에서 30분 동안 담체와 접촉시킨 다음 15분 동안 담체로부터 배출시킨다. 제 1 함침된 담체를 500℃에서 2.5분 동안 벨트 로우스터에서 공기중에 하소시킨다. 그다음 로우스팅된 담체를 제 2 함침을 위해 함침 용기로 회수시킨다. 제 2 함침을 위한 용액은 격렬하게 교반하면서 원료 은 용액(A유형) 167.5중량부에 KNO1.107중량부를 가함으로써 제조한다. Co(NO)ㆍ6HO (증류수중의 3.9중량% 용액) 0.20중량부 및 KMnO(증류수중의 2.3중량% 용액) 0.12중량부를 함침 용액에 가한다. 제 2 함침을 망간 및 코발트를 가한후 즉시 수행하고 수득한 제 2 함침 담체를 다시 하소시키고, 전술한 방법으로 제 2 함침 및 제 2 하소 공정을 수행한다.
상기 촉매를 하기 방법으로 표준 역혼합된 오토클레이브에서 평가한다. 각 촉매 약 40cc를 하기 공급 기체 조성물을 사용하여 명목상 기체 공간 속도 1600hr 로 시험한다 : 산소 8용적%, 에틸렌 30용적%, 에틸 클로라이드 약 5ppmw, 산화질소 약 6ppmw 및 나머지 양의 질소. 촉매를 240℃에서 우선적으로 처리하고 온도를 다음날까지 255℃로 승온시킨다. 에틸 클로라이드 및 산화질소의 농도를 필요에 따라 조절하여 활성 및 효능의 조합을 최적화시킨다. 16일후 실험 오차내에서, 동일한 효능을 갖는 모든 3개의 촉매에 대해 시험을 수행한다. 그러나, 실시예 5및 6의 촉매는 동일한 활성을 갖는 반면, 다시 실험 오차 내에서, 실시예 4의 촉매는 덜 활성이며, 기타 두 촉매보다 약 53% 많은 에틸렌 옥사이드를 생성시킨다.
[실시예 7 및 8]
하기 방법을 이용하여 실시예 7의 촉매를 제조한다. 에틸렌디아민 17.17중량부를 증류수 19.24중량부와 혼합함으로써 은 용액을 제조한다. 그다음 옥살산 2수화물 17.20중량부를 주위 조건하에서 혼합물에 서서히 가한다. 옥살산 2수화물을 발열이 용액의 온도를 40℃이상으로 증가시키지 않는 속도로 가한다. 그다음 은 산화물 30.12중량부를 가한 다음 모노에탄올아민 6.02중량부를 가한다. 그다음 증류수 2.98중량부를 용액에 추가로 가한다.
함침 용기에 담체 U9.68중량부를 배치시켜 제 1 함침을 수행한 다음 주변 온도에서 약 35mm-Hg 절대 기압으로 배기시킨다. 그다음 증류수 14.12중량부를 가하여 희석시킨 상기-제조한 은 용액 9.36중량부를 함유하는 용액을 함침 용기에 도입시키고 30분 동안 담체와 접촉시킨다. 그 다음 용기를 개방시키고 용액을 30분 동안 담체로 부터 배출시킨다.
그 다음 제 1 함침된 담체를 벨트 로우스터를 사용하여 고온 공기중에서 로우스팅시킨다. 제 1 함침 담체를 끝이없는 스텐레스 스틸 벨트에서 단일층에서 분포시키고 5분동안 가 열 대를 통해 이동시킨다. 환형 용광로에 의해 외부에서 가열한 고온 공기를 약 66 표준 ft /h/in 의 속도로 약 300℃에서 벨트 아래로 즉시 포트로부터 방출시킨다.
로우스팅 후, 제 1 함침된 담체 4.64중량부를 함침 용기로 회수시키고 진공하에 배치한다. 상기-제조된 은 용액 13.65중량부로 부터 제 2 함침 용액을 제조하고 여기에 CsMoO수용액 0.529중량부(Cs 1.48중량%) 및 CsSO수용액 0.060 중량부(Cs 6.58중량%)를 가한다. 그다음 CoSOㆍ7HO(증류수중의 0.49중량%용액)0.0042중량부를 제 2 함침 용액에 신속하게 가한 다음, 배가된 함침 용기에 가한다. 용액을 40분 동안 담체와 접촉시킨 다음 배출시키다. 그다음 제 2 함침된 담체를 벨트 로우스터를 사용하여 고온 공기중에 2회 하소시킨다. 각 통과의 경우, 담체를 2.625인치 너비의 끝이 없는 스텐레스 스틸 벨트(나선형 웨이브)에서 단일층에서 수행하고 2.5분 동안 2x2in 가열 대를 통해 이동시킨다. 환형 용광로에 의해 외부에서 가열한 고온 공기를 300℃에서 벨트아래로 즉시 2x2in 포트로부터 방출시킨다.
실시예 8(비교)의 촉매를 유사한 방법으로 제조한다. 에틸렌 디아민 8.58중량부, 옥살산 2수화물 8.60중량부, 산화은 15.06중량부 및 모노에탄올아민 3.01중량부를 전술한 방법에 따라 제조한다. 제 1 함침을 위해, 담체 U 41.1중량부를 함침 용기에 배치시킨 다음 배기시킨다. 증류수 67.43중량부로 희석시킨 상기-제조된 은 용액 49.96중량부를 함유하는 용액을 용기에 도입시키고 30분 동안 담체와 접촉시킨다. 그다음 용기를 개방하고 용액을 20분동안 담체로부터 배출시킨다. 그다음 함침된 담체를 벨트 로우스터에서 300℃에서 5분 동안 하소시키고 함침 용기로 회수시킨다. 제 2 함침을 위해, CsMoO용액(Cs 6.58중량%) 0.59중량부를 희석되지 않은 은 용액 135.99중량부와 혼합한 다음 배기된 용기에 가한다. 30분후, 용기를 배출시키고 제 2 함침된 촉매를 300℃에서 5분 동안 로우스팅시킨다.
실시예 7 및 8의 촉매에 대한 시험은 표준 역혼합된 오토클레이브 반응기에서 수해한다. 산소 8용적%, 에틸렌 30용적%, 이산화탄소 6.5용적%, 에틸 클로라이드 2ppmw 및 나머지 양의 질소의 공급 가스 혼합물을 사용하여 명목상 기체 공간 속도 8000hr 에서 각 촉매 약 40cc를 시험한다. 실시예 7에서, 251℃의 처리 온도에서 에틸렌 옥사이드의 배출구 농도는 2.0용적%이며 효능은 76.4%이다. 실시예 8의 경우, 에틸렌 옥사이드 2.0용적%의 배출구 농도는 251℃의 온도에서 80.7% 효능에 이른다.
[실시예 9 내지 11]
실시예 9 내지 11에서 사용한 촉매에 대한 제조방법은 하기와 같다.
하기 조성물을 사용하여 은-함유 용액을 제조한다 :
증류수에 수산화세슘 용액 및 과레늄암모늄을 가하여 용액 1g당 세슘 0.0060g 및 레늄 0.0083g을 함유하는 과레늄산세슘 표준용액을 제조한다. 증류수에 황산세슘을 가하여 용액 1g당 세슘 0.015g을 함유하는 황산세슘 표준 용액을 제조한다. 증류수에 진한 수산화세슘 용액을 가하여 용액 1g당 세슘 0.0472g을 함유하는 수산화세슘 표준 용액을 제조한다.
은-함유 용액 35cc에 표준 황산세슘 용액 약 1.31g 및 표준 과레늄산세슘 용ㅇ개 2.7g을 가함으로써 실시예 9의 촉매에 대한 함침 용액을 제조한다. 과레늄산세슘 표준 용액을 75℃까지 가열하여 염을 확실하게 용해시키고, 함침 용액을 40℃까지 가온하여 과레늄산세슘을 확실하게 용해시킨다. 그다음 용액을 증류수로 희석시켜 최종 용적 39cc로 한다.
실시예 10 및 11 촉매용 함침 용액은 표준 황산세슘 용액 약 1.31g 및 표준 과레늄산세슘 용액 2.7g을 은-함유 용액 35cc에 가하여 제조한다. 과레늄산세슘 표준 용액을 75℃로 가열하여 염을 확실하게 용해시키고 함침 용액을 40℃로 가온시켜 과레늄산세슘을 확실하게 용해시킨다. 다음에 용액을 증류수로 희석시켜 최종 용적이 39cc가 되게 한다. 실시예 10의 촉매의 경우, 질산코발트 약 0.0308g을 가하고 실시예11의 촉매의 경우, 질산코발트 0.0308g 및 수산화세슘 표준 용액 0.135g을 가한다.
촉매를 하기와 같이 제조한다. 담체 N 10g을 파이렉스 함침 챔버에 가한다. 챔버의 압력을 약 20.mm 내지 5.0mmHg로 감소시킨다. 함침 용액을 챔버에 서서히 가한다. 챔버의 압력을 대기압까지 역상승시킨다. 20분후 함침 용액을 배출시킨다. 배출 용액을 커버가 있는 비이커에서 유지시킨다. 함침된 담체를 500℃에서 3분 동안 로우스터에서 하소시킨다. 함침을 위해 배출된 용액을 사용하여 함침 및 하소단계를 반복한다.
촉매의 분석된 조성은 하기 표에 요약하였다 :
촉매를 미세반응기에서 평가한다. 촉매 환제를 막자사발 및 막자로 분쇄시키고 목적으로 크기(30 내지 70메쉬)로 스크리닝 시킨다. 분쇄된 촉매 2g을 5 내지 1/2인치 길이의 스텐레스 스틸 튜브에 의해 1/4in 직경으로 부하시킨다. 튜브를 시험 오븐내에 배치시키고 공급 시스템에 연결시킨다. 온도 조절기를 사용하여 오븐의 온도를 조절하고 그로브스(Groves) 역압 조절기를 사용하여 반응기 외부 압력을 150psig로 조절한다. 공급물 조성은 에틸렌 10용적%, 산소 6용적% 및 이산화탄소 5용적%이다. 질소는 밸러스트 기체이다. 에탄 및 에틸 클로라이드 농도를 하기 표에 제공하고 변화시켜 촉매활성 및 효능을 최적화시킨다. 하기 기체를 조절하여 기체 공간 속도 400hr 을 제공한다. 이들 촉매의 성능을 하기 표에 요약한다 :
들 결과는 코발트 성분 및 레늄 성분을 포함하는 실시예 10 및 11의 촉매가 코발트 성분을 포함하지 않는 실시예 9의 촉매에 비해 증가된 활성을 제공함을 지적한다.
본 발명을 여러 특징 실시예 및 양태와 비교하여 기술하였지만, 본 발명이 이에 제한되지 않고 하기 특허청구의 범위내에서 다양하게 수행될 수 있음이 이해된다.

Claims (19)

  1. (ⅰ) 불활성의 내화성 고체 지지체에 함침된 은 ;
    (ⅱ) 촉매의 효능을 증진시키는 하나 이상의 촉진제(효능 촉진제는 알칼리 금속, 알칼리 토금속 또는 주기율표의 3b족 내지 7b족 및 3a족 내지 7a족 중에서 선택된 산소 이외의 원소의 옥시음이온을 포함하는 화합물이다) ; 및
    (ⅲ) 코발트 성분을 함유하지 않는 유사한 촉매와 비교하여(비교는 표준 에틸렌 옥사이드 공정 조건하에서 수행된다), 촉매의 활성, 효능 및 안정성 중의 하나 이상을 증진시키는, 촉매의 중량을 기준으로 하여 약 10 내지 1000ppmw의 코발트 성분을 포함함을 특징으로 하는, 알켄을 에폭시화시켜 알킬렌 옥사이드를 제조하기 위한 촉매.
  2. 제 1항에 있어서, 알칼리 또는 알칼리 토금속 양이온을 포함하는 촉매.
  3. 제 1항에 있어서, 원자 번호가 5내지 83이고, 원소 주기율표의 3b족 내지 7b족 및 3a족 내지 7a족 중에서 선택된 산소 이외의 원소의 옥시음이온을 포함하는 촉매.
  4. 알켄, 산소, 이산화탄소 및 기체상 억제제를 함유하는 기체 스트림을 알킬렌옥사이드 생성 조건하에서 제1항의 촉매의 고정상(fixed bed)의 존재하에 접촉시켜 알킬렌 옥사이드를 함유하는 촉매의 고정상으로부터 유출물을 제공함을 특징으로 하여, 알켄과 산소를 반응시킴으로써 알킬렌 옥사이드를 제조하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 알킬렌 옥사이드가 에틸렌 옥사이드이고 알켄이 에틸렌인 방법.
  6. (ⅰ) 불활성의 내화성 고체 지지체상의 은 ;
    (ⅱ) 촉매의 총 중량을 기준으로 하여 약 0.01 내지 5중량%(양이온 으로서 계산된 효능-증진 염의 양)의, 산화 환원-반쪽 반응쌍 성분의 하나 이상의 효능-증진 염 : 및
    (ⅲ) 코발트 성분을 함유하지 않는 유사한 촉매와 비교하여(비교는 표준 에틸렌 옥사이드 공정 조건하에서 수행된다), 촉매의 효능 및 안정성을 증진시키는, 촉매의 중량을 기준으로 하여 약 10 내지 1000ppmw의 코발트 성분을 포함함을 특징으로 하는, 알켄을 산화 환원-반쪽 반응쌍의 하나 이상의 효능-증진 기체 성분의 존재하에 증기상으로 에폭시화시켜 알킬렌 옥사이드를 제조하기 위한 촉매.
  7. 제6항에 있어서, 코발트 성분이 코발트 양이온을 포함하는 촉매.
  8. 제6항에 있어서, 산화 환원-반쪽 반응쌍 성분의 하나 이상의 효능-증진 염이 알칼리 금속 질산염을 포함하는 촉매.
  9. 제8항에 있어서, 알칼리 금속 질산염이 질산칼륨 및 질산루비듐중 하나 이상을 포함하는 촉매.
  10. 제9항에 있어서, 알칼리 금속 질산염이 질산칼륨을 포함하는 촉매.
  11. 알켄, 산소, 기체상 억제제 및 산화 환원-반쪽 반응쌍의 하나 이상의 효능-증진 기체 성분을 함유하는 기체 스트림을 알킬렌 옥사이드 생성 조건하에서 제6항의 촉매상의 존재하에 접촉시켜 알킬렌 옥사이드를 함유하는 촉매상으로부터 유출물을 제공함을 특징으로 하여, 알켄과 산소를 반응시킴으로써 알킬렌 옥사이드를 제조하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 산화 환원-반쪽 반응싸의 효능-증진 기체 성분및 염 성분이 동일한 산화 환원-반쪽 반응 성분을 포함하는 방법.
  13. 제11항에 있어서, 산화 환원-반쪽 반응싸의 하나 이상의 기체 성분이 NO, NO2, N2O3, N204, N2O5또는 알킬렌 옥사이드 생성 조건하에서 이들 기체 중의 하나를 형성할 수 있는 기체인 방법.
  14. 제13항에 있어서, 언급한 기체 중의 하나를 형성할 수 있는 기체가 알킬렌 옥사이드 생성 조건하에 NO 또는 NO2또는 NO 와 NO2를 형성하는 기체인 방법.
  15. 제11항에 있어서, 산화 환원-반쪽 반응쌍 성분의 하나 이상의 효능-증진 염이 질산칼륨을 포함하는 방법.
  16. 제11항에 있어서, 산화 환원-반쪽 반응쌍 성분의 하나 이상의 기체 성분이 NO를 포함하는 방법.
  17. 제16항에 있어서, 산화 환원-반쪽 반응쌍 성분의 하나 이상의 효능-증진 염이 질산칼륨을 포함하는 방법.
  18. 제11항에 있어서, 알켄이 에틸렌인 방법.
  19. 제11항에 있어서, 알켄이 프로필렌인 방법.
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