KR20140022388A - 알코올로 올레핀 수산화를 위한 촉매를 함유하는 수화된 산화 니오븀 나노입자 - Google Patents

알코올로 올레핀 수산화를 위한 촉매를 함유하는 수화된 산화 니오븀 나노입자 Download PDF

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사우디 아라비안 오일 컴퍼니
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Abstract

올레핀 수산화 촉매 및 이를 제조하는 방법은 제공된다. 상기 올레핀 수산화 촉매는 황산 또는 인산과 같은, 강한 브뢴스테드 산과 니오븀 함유 화합물을 접촉시켜 제조될 수 있어, 니오븀 옥소 황산염 또는 니오븀 옥소 인산염 나노입자를 생산한다. 상기 나노 물질은 올레핀의 상응 알코올로 상기 올레핀의 수산화를 위한 반응기에서 분리되고, 건조되며, 활용될 수 있다.

Description

알코올로 올레핀 수산화를 위한 촉매를 함유하는 수화된 산화 니오븀 나노입자 {Hydrated Niobium Oxide Nanoparticle Containing Catalysts For Olefin Hydration into Alcohols}
본 발명은 촉매 및 올레핀 수산화를 위한 촉매를 제조하기 위한 방법에 관한 것이다. 좀더 구체적으로는, 본 발명은 촉매 및 촉매를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 여기서, 상기 촉매는 올레핀의 수산화에 사용하기 위한, 수화된 산화 니오븀 (hydrated niobium oxide), 니오븀 옥소 황산염 (niobium oxo sulfate), 니오븀 옥소 인산염 (phosphate), 또는 이의 혼합물의 무정질 또는 결정질 나노입자를 포함한다.
알코올은 다양한 화학 공정에 사용된다. 부탄올로 부텐의 수산화와 같은, 알코올로의 알켄 (alkenes)의 수산화는, 반응 생산물이 여러 중요한 산업적 적용을 발견함에 따라 상업적으로 중요한 반응이다. 예를 들어, 부탄올은 다양한 다른 화학적 화합물의 제조를 위해 사용될뿐만 아니라, 상응하는 케톤, 에스테르 및 에테르의 생산을 위한 용매 또는 화학적 중간체로서 사용될 수 있다. 유사한 방식에 있어서, 다른 저분자량 알켄은 부가적인 화학적 화합물의 생산을 위한 용매 또는 중간체로 사용하기 위해 상응하는 저분자량 알코올로 전환될 수 있다. 부가적으로, 저분자량 알코올은 또한 가솔린에 대한 첨가제 또는 혼합 성분 (blending component)으로 사용될 수 있다.
알코올로 알켄의 수산화는 통상적으로 산 촉매 반응이다. 상기 반응은 통상적으로 원하는 반응 동역학 (kinetic)을 달성하기 위해 상대적으로 강한 액체 브뢴스테드 산 (Bronsted acids)을 요구한다. 따라서, 올레핀 수산화에서 강한 브뢴스테드 산의 사용의 제거는 바람직하다.
예를 들어, 2차 부틸 알코올을 생산하기 위한 하나의 상업적으로 실행된 방법에 있어서, 두-단계 공정은 사용되며, 여기서 n-부텐은 상응하는 황산염 (sulfate)을 형성하기 위해 과량의 황산 (예를 들어, 80%)과 반응되고, 그 다음 아래와 같이, sec-부탄올로 가수분해된다:
(1) C4H8 + H2SO4 → C4H9OSO3H
(2) C4H9OSO3H + H2O → C4H9OH + H2SO4
이러한 공정 동안, 상기 황산은 약 35중량% 이하의 농도까지 희석되고, 그 다음 재활용되기 전에 반드시 재-농축되어, 공정에 사용된다. 상기 공정은 또한 이러한 액체 촉매의 사용과 관련된 부가적인 문제점을 갖는다. 이들 문제점들은 상기 촉매의 분리 및 회수, 촉매와 접촉에 의한 장비 및 설비의 부식, 및 sec-부틸 에테르, 이소프로필 알코올, 다양한 C5-C8 탄화수소, 및 중합체와 같은, 원하지 않는 부산물의 형성을 포함한다. 상기 반응의 전체 수율의 감소에 부가하여, 몇몇 이들 부산물들은 또한 원하는 sec-부탄올 생산물의 정제 및 회수를 복잡하게 한다.
일반적으로, 특정한 이온 교환 수지를 제외하고는, 물의 존재하에서 알코올의 수산화에 사용하는데 적절한 고체산 (solid acid) 촉매는 없다. 양이온 교환 수지는 극성 및 비-극성 매체에서 실질적 반응 속도를 제공하는 것으로 알려져 있다. 프로필렌 또는 부텐과 같은, 올레핀의 수산화를 위한 촉매로서 디비닐 벤젠으로 가교된 술폰화된 폴리스티렌 수지 (sulfonated polystyrene resins)를 포함한 양이온 교환 수지의 사용은 문헌 (예를 들어, 미국특허 제4,579,984호 및 제2,477,380호; 및 거기에 인용된 문헌 참조)에서 이미 기술되었다. 이들 교환 수지는, 예를 들어, 비-부식성 환경 및 생산물의 용이한 분리의 이점의 여러 공정을 일반적으로 제공한다고 믿어진다. 그러나, 이들 교환 수지의 사용은, 특정한 제한을 가지며, 부분적으로, 이들의 침출 경향, 이들의 적용의 제한된 범위, 및 매체를 재생 및 재사용하기 위한 능력의 일반적 결핍때문에, 전적으로 만족하지는 못한다.
부탄올은 에탄올 이후에 이차 발생 생물연료 성분 (즉, 비-식량 곡물로부터 얻어진 생물연료)로서 확인되어 왔다. 올레핀의 수산화와 같이, 부탄올을 생산하기 위해 알려진 대체 방법으로, 이러한 부탄올을 생산하기 위한 생-경로 (bio-route)는, 이미 보고되었으나, 상기 생-경로를 통해 생산된 부탄올은 효율적이지 못하며, 생산된 부탄올의 양은 부탄올 시장의 요구를 충분히 만족시키지 못할 것이다. 프로필렌 및 일산화탄소로부터 부탄올의 생산은 비싸고, 통상적으로, 다른 부탄올 이성질체 (isomer)와 비교하여 상대적으로 낮은 옥탄가 (octane value)를 갖는, n-부탄올을 오직 생산한다. 따라서, 올레핀 수산화를 통해 혼합 부탄올 (mixed butanols)을 생산하기 위한 효과적이고 경제적인 경로는 요구된다.
비록 상기 올레핀 수산화가 광범위하게 연구되어왔지만, 올레핀 수산화의 하나의 주요 목적은 이의 분리와 관련된 복잡성을 피하기 위해, 알코올의 혼합물에 대립하는 것으로서, 단일 알코올 분자를 생산하는데 있다. 그러나, 알코올이 연료 성분으로 활용되는 경우, 사용 전에 그들을 분리시키는 것은 필요하지 않다. 강한 브뢴스테드 산으로 올레핀 수산화는 통상적으로 혼합 알코올 생산물 스트림 (stream)를 생산하고, 따라서 연료 성분으로서 유용하지만, 중간체 화학물로서 활용하지는 않는다.
알코올로 알켄의 직접 촉매 수산화가 산업적으로 유용한 알코올을 제조하기 위한 저렴한 경로이고, 일반적으로 2차 및 3차 알코올의 합성을 위한 편리한 합성 경로이기 때문에, 물에서 사용하는데 적절한 반응을 위한 고체 촉매를 얻는 것이 바람직하다.
본 발명은 촉매 및 올레핀의 수산화를 위한 상기 촉매의 제조방법을 제공한다.
하나의 관점에 있어서, 본 발명은 니오븀 옥소 황산염 또는 니오븀 옥소 인산염 나노입자를 포함하는 올레핀 수산화 촉매에 관한 것이다. 특정 구체 예에 있어서, 상기 촉매는 지지 물질을 포함할 수 있고, 상기 나노입자는 그 위에 함침 또는 침전될 수 있다.
또 다른 관점에 있어서, 상기 니오븀 옥소 황산염 또는 니오븀 옥소 인산염 나노입자의 제조 방법은 제공되고, 상기 방법은 고체 나노입자를 침전시키기 위해 브뢴스테드 산으로 니오븀 함유 화합물을 접촉시키는 단계, 과량의 액체를 제거하는 단계, 및 고체 촉매 물질을 회수하는 단계를 포함한다.
또 다른 관점에 있어서, 알코올로 올레핀의 수산화를 위한 방법은 제공되며, 상기 방법은 존재하는 올레핀의 적어도 일부를 알코올로 전환하는데 충분한 접촉 시간 동안 반응 영역에서 니오븀계 나노입자를 포함하는 올레핀 수산화 촉매와 올레핀 공급원료 (feedstock)를 접촉시키는 단계; 알코올을 포함하는 유기 상, 및 수성 상을 포함하는 생산물 스트림을 상기 반응 영역으로부터 회수하는 단계; 및 알코올 생산물 스트림을 생산하기 위해 상기 유기 상을 분리시키는 단계를 포함한다.
비록 하기 상세한 설명이 사례에 대한 다수의 특별한 상세를 함유할지라도, 기술 분야에서 당업자들은 본 발명의 범주 및 사상 내에서 하기 상세한 설명에 대한 다수의 실시 예, 변형 및 변경이 가능할 수 있다. 따라서, 본 발명에 기술되고, 첨부된 도면에 제공된 본 발명의 대표적인 구체 예는 청구된 발명과 관련하여, 일반성의 어떤 상실없이, 부과하는 제한없이 기술된다.
하나의 관점에 있어서, 본 발명은 무정질 수산화된 산화 니오븀 나노입자를 포함하는 촉매를 사용하여 올레핀의 수산화를 위한 새로운 방법에 관한 것이다. 특정 구체 예에 있어서, 본 발명은 상기 올레핀 수산화 촉매, 및 FCC 정제 프로필렌 스트림 (FCC refinery propylene stream), (에틸렌 및/또는 프로필렌을 함유할 수 있는) 가스 설비의 방출-가스 (gas plant off-gases), (올레핀을 포함할 수 있는) 나프타 방출-가스, (펜텐, 헥센, 및/또는 헵텐을 포함할 수 있는) FCC 경질 가솔린 스트림, 또는 다른 열 분해 유닛 (thermal cracking unit)으로부터 생산물 또는 방출-가스 스트림과 같은, 저렴한 탄화수소 공급원료로부터 원하는 혼합 부탄올계 옥탄가 증진제 (enhancer) 및 산소화제 (oxygente)를 생산하기 위한 방법을 기술한다. 상기 최종 옥탄가 증진제 및 산소화제는 가솔린과 같은, 다른 탄화수소 생산물에 첨가될 수 있다.
또 다른 관점에 있어서, 본 발명은 알코올을 생산하기 위한 올레핀의 수산화를 위한 촉매에 관한 것이고, 여기서 상기 촉매는 무정질 수산화된 산화 니오븀 나노입자를 포함한다. 특정한 구체 예에 있어서, 본 발명의 촉매는, 각각 니오븀 옥소 인산염 또는 니오븀 옥소 황산염와 같은, 니오븀 옥소 화합물을 얻기 위하여, 인산 또는 황산과 같은, 강한 브뢴스테드 산 용액에서, 니오븀 염 또는 이의 혼합물, 예를 들어, 암모늄 니오베이트 (V) 옥살레이트 (ammonium niobate (V) oxalate), 니오븀 (III) 클로라이드 1,2-디메톡시에탄 (niobium (III) chloride 1,2-dimethoxyethane), 니오브산 칼륨 (potassium niobate), 니오븀 (V) 아세틸 아세토네이트 (niobium (V) acetyl acetonate), 니오븀 알콕사이드 (niobium alkoxides) (예를 들어, 니오븀 에톡사이드 (niobium ethoxide)) 또는 니오븀 할라이드 (niobium halides) (예를 들어, 니오븀 펜타클로라이드 (niobium pentachloride))의 침전에 의해 제조될 수 있다. 본 발명에서 사용된 바와 같이, 용어 브뢴스테드 산은, 용액에서 하이드로늄 (hydronium) 농도를 증가시킬 수 있는, 양자 (proton)를 공여할 수 있는 종에 관한 것이다. 특정 구체 예에 있어서, 플루오르화수소산 (hydrofluoric acid)은 또한 사용될 수 있다. 특정 구체 예에 있어서, 상기 니오븀 옥소 생산물 화합물은 수성 현탁액 또는 콜로이드 현탁액에 존재한다. 선택적으로, 상기 니오븀 옥소 화합물은 콜로이드 졸로 존재한다. 어떤 경우에 있어서, 상기 콜로이드 졸에 존재하는 상기 니오븀 옥소 화합물은 용액으로부터 침전될 수 있는 니오븀 옥소 화합물보다 더 작음에 따라 향상된 촉매 특성을 갖는다고 믿는다. 특정 구체 예에 있어서, 이러한 반응에 의해 얻어진 니오븀 옥소 나노입자는 (탄소 나노튜브 (carbon nanotubes), 그래핀 (grapheme), 흑연 (graphite), 또는 활성탄소와 같은) 탄소의 형태 또는 일반식 MxOy을 갖는 산화 금속 (여기서 M은 주기율표의 그룹 IV-B, V-B 또는 VI-B의 원소 또는 이의 혼합물로부터 선택된다)과 같은 고체 지지 물질 (solid support material)상에 지지될 수 있거나; 또는 탄탈륨, 텅스텐, 지르코늄 및 다른 것과 같은 다른 금속으로 공-침전될 수 있다. 선택적으로, 상기 고체 지지 물질은 실리카 또는 알루미나로부터 선택될 수 있다. 선택적으로, 상기 고체 지지 물질은 Mg, Ca, Sr, Al 또는 Zr의 인산염과 같이, 수불용성 무기 인산염일 수 있다. 선택적으로, 상기 고체 지지 물질은 점토 또는 제올라이트 물질일 수 있다.
특정 구체 예에 있어서, 상기 촉매 나노입자는 약 250 nm 미만, 선택적으로 약 200 nm 미만, 또는 선택적으로 약 100 nm 미만의 직경을 갖는다. 다른 구체 예에 있어서, 상기 촉매 나노입자는 약 10 및 50 nm 사이, 선택적으로 약 25 및 75 nm 사이, 선택적으로 약 50 및 100 nm 사이, 선택적으로 약 30 및 120 nm 사이의 직경을 갖는다. 지지체가 활용되는 특정 구체 예에서, 상기 지지체 물질은 적어도 30 ㎛, 선택적으로 적어도 약 50 ㎛, 선택적으로 약 50 및 150 ㎛ 사이, 선택적으로 약 50 및 100 ㎛ 사이, 선택적으로 약 100 및 150 ㎛ 사이의 직경을 가질 수 있다. 특정 구체 예에 있어서, 상기 지지체 물질은 적어도 약 50 ㎡/g, 선택적으로 약 50 및 1500 ㎡/g 사이, 선택적으로 약 50 및 500 ㎡/g 사이, 선택적으로 약 250 및 750 ㎡/g 사이, 선택적으로 약 500 및 1000 ㎡/g 사이, 선택적으로 약 1000 및 1500 ㎡/g 사이의 표면적을 가질 수 있다.
본 발명에 기술된 무정질 수산화된 산화 니오븀 나노입자 함유 촉매는 통상적으로 수성 용액에 현탁되거나, 또는 콜로이드 형태로 존재하여, 촉매가 촉매 활성의 상응하는 실질적 손실을 겪지 않고, 액체 상에서 올레핀 수산화 반응을 위해 사용될 수 있는 촉매를 허용한다. 특정 구체 예에 있어서, 상기 방법이 또한 적어도 부분적으로 결정질 구조를 갖는 산화 니오븀 나노입자 생산물의 제조를 결과할 수 있을 지라도, 무정질 구조를 갖는 산화 니오븀 물질은 본 발명에서 제공된 방법에 따라 제조될 수 있다. 무정질 산화 니오븀 나노입자는 산화 니오븀 나노입자의 결정질 형태와 비교하여, 산점 밀도 (acid site density) 및 산 강도 (acid strength)의 관점에서 더 높은 산도 (acidity)를 갖는 것으로 믿어진다. 특정 구체 예에 있어서, 산화 니오븀의 무정질 형태가 따라서 바람직하다. 상기 산화 니오븀 나노입자의 결정질 형태는 니오븀산 (niobic acid)으로부터 얻어진 산화 니오븀 나노입자에 대하여, 고온, 통상적으로 적어도 약 550℃의 온도에서 처리한 후 얻어질 수 있고, 특정 구체 예에 있어서, 상기 나노입자에서 무정질 구조를 완전하거나, 또는 선택적으로 높은 퍼센트의 무정질 구조를 유지하기 위한 노력에 있어서 산화 니오븀 나노입자의 제조 동안 상대적으로 낮은 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 산화 니오븀 나노입자가 인산 또는 황산으로부터 제조되는, 특정 구체 예에 있어서, 상기 산화 니오븀 나노입자 형태의 결정질 형태는 온도에서 다를 수 있다. 특정 구체 예에 있어서, 본 발명에 기술된 촉매의 하나의 장점은 통상적으로 산과 접촉에 의해 촉매를 산화시키거나 또는 몇몇 다른 산화 처리에 촉매를 적용시켜 재생될 수 있다. 특정한 구체 예에 있어서, H3PO4 또는 H2SO4과 같은, 강산의 존재하에서 촉매의 재생은 산화 니오븀 나노입자의 무정질 구조를 유지하는 것을 도와주므로, 따라서 결정질 산화 니오븀의 형성을 방지한다. 본 발명에 기술된 촉매의 부가적 장점은, 촉매의 분열 (disintegration) 또는 분해 (breaking up)가, 통상적으로 종래의 고체 무기 촉매가 직면하는 것과 반대로, 고압 하에서 액체 상으로 사용하기 때문에, 통상적으로 피하게 되는 것이다.
본 발명의 일 구체 예에 있어서, 무정질 수산화된 산화 니오븀 나노입자 함유 촉매는 혼합 알코올로 혼합 올레핀의 수산화, 예를 들어, 혼합 부탄올로 혼합 부텐의 수산화에 사용하기 위해 제안된다. 특정 구체 예에 있어서, 상기 촉매는, 상기 촉매의 산도를 더욱 증가시키기 위해 (즉, 산 처리된 촉매의 산도는 산으로 처리되지 않은 촉매의 산도보다 더 크다), 각각 니오븀 옥소 인산염 (NbOPO4) 또는 니오븀 옥소 황산염 (NbOSO4) 입자를 생산하도록, 산 용액 (바람직하게는 강산 브뢴스테드 산, 예를 들어, 인산 또는 황산)에서, 니오븀 알콕사이드 (예를 들어, 니오븀 에톡사이드) 또는 니오븀 할라이드 (예를 들어, 니오븀 펜타클로라이드 또는 니오븀 펜타브로마이드)와 같은, 니오븀 함유 화합물과 반응시켜 제조될 수 있다. 전술된 방법에 의해 침전된 니오븀산 촉매의 나노입자는 또한 실리카, 알루미나, 점토, 제올라이트 물질, (Mg, Ca, Sr, Al 또는 Zr 인산염에 기초한 것과 같은) 불용성 금속 인산염, (M이 이산화티탄과 같은, 주기율표에서 그룹 IV-B, V-B 또는 VI-B로부터 선택된 금속인, 일반식 MxOy를 갖는) 산화 금속, 또는 (탄소 나노튜브, 그래핀, 흑연, 또는 활성탄소와 같은) 탄소계 화합물과 같은, 다양한 고체 지지체, 또는 이의 혼합물 상에 주입될 수 있다. 다른 구체 예에 있어서, 상기 나노입자 니오븀산 촉매는 또한, 다른 산화 금속과 수산화된 니오븀산의 혼합 나노입자 촉매 시스템을 형성하기 위하여, 지르코늄, 티타늄, 탄탈륨, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 실리콘, 알루미늄, 또는 다른 금속, 또는 이의 조합을 포함하는, 이의 산화 금속과 같은, 다른 금속 화합물로 공-침전될 수 있다.
본 발명의 특정 구체 예에 있어서, 상기 수산화된 산화 니오븀 촉매 나노입자는 다음과 같이 제조될 수 있다.
니오븀 화합물 (예를 들어, 암모늄 니오베이트 (V) 옥살레이트, 니오븀 (III) 클로라이드 1,2-디메톡시에탄, 니오븀 할라이드, 니오븀 알콕사이드, 니오븀 (V) 아세틸 아세토네이트, 또는 니오브산 칼륨 (potassium niobate)과 같은, 알칼리 금속 니오브산 (niobate))은, 용매에서 니오븀 함유 용액을 제조하기 위해 용해되어 먼저 용해된다. 대표적인 용매는 물, (포름산, 아세트산, 및 과불소 아세트산 (perfluoro acetic acid)과 같은) 유기산, 또는 (메탄올, 에탄올, 프로판올, 또는 부탄올과 같은) 알코올을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 용액에서 니오븀 금속의 농도는 약 0.01 mol/L 및 10 mol/L사이; 선택적으로 약 0.1 mol/L 및 1 mol/L 사이; 선택적으로 약 0.5 mol/L 및 2 mol/L 사이; 선택적으로 약 0.5 mol/L 및 1.5 mol/L 사이이다. 본 발명에서 사용된 바와 같이, 니오븀 화합물은 니오븀을 공여할 수 있는 화합물에 관한 것이다. 특정 구체 예에 있어서, 니오븀 펜타클로라이드 또는 니오븀 에톡사이드와 같은, 니오븀 알콕사이드는 니오븀 소스로서 사용된다. 특정 바람직한 구체 예에 있어서, 니오븀 알콕사이드 (Nb(OR)5)는 사용될 수 있고, 여기서 R은 사용될 수 있는 직쇄 또는 가지형 알콕시 그룹, 바람직하게는 약 6개 탄소 원자 미만을 갖는, 더욱 바람직하게는 4개 탄소 원자 미만을 갖는 알콕시 그룹을 나타낸다. 어떤 구체 예에 있어서, 상기 알콕시 그룹은 에톡시, 프로폭시, 이소-프로폭시, 부톡시, 2-부톡시, 및 t-부톡시 그룹 및 이의 혼합물로 이루어지는 그룹으로부터 선택된다. 이론에 제한을 받는 것을 원하지는 않지만, 상기 알콕시 그룹에서 탄소 원자의 수가 증가함에 따라, 가수분해 및 축합 반응에서 전구체의 반응성이 감소하는 것으로 믿어진다.
상기 니오븀 함유 용액은 그 다음 혼합 단계에서 물 또는 수성 산 용액 (예를 들어, 인산 또는 황산)에 방울씩 첨가될 수 있고, 약 5분까지, 선택적으로 약 10분까지, 선택적으로 약 15 분 이상까지 동안 지속적인 교반하에서 유지된다. 수성 산 용액이 사용된 경우, 상기 농도는 약 0.01M 및 5M 사이, 선택적으로 약 0.01M 및 1M 사이, 선택적으로 약 0.5M 및 약 2.5M 사이, 선택적으로 약 1M 및 3M 사이, 선택적으로 약 2M 및 5M 사이의 범위 일 수 있다. 상기 산은 단일 또는 조합으로 사용될 수 있다. 특정 구체 예에 있어서, 상기 혼합 단계 동안 온도는 약 40℃ 및 80℃ 사이, 선택적으로 약 40℃ 및 60℃ 사이, 선택적으로 약 45℃ 및 65℃ 사이, 또는 선택적으로 약 50℃ 및 80℃ 사이 정도이다.
특정 구체 예에 있어서, 상기 혼합 단계 동안 온도는 콜로이드 졸을 제조하기 위하여 약 80℃ 미만의 온도로 유지된다. 특정 구체 예에 있어서, 상기 온도는 고체 니오븀 침전물을 생산하기 위하여 약 80℃를 초과하는 온도로 유지된다. 특정 구체 예에 있어서, 암모니아와 같은, 침전제는 산화 니오븀 화합물의 침전을 유도하기 위하여 첨가될 수 있다.
상기 혼합 단계가 완성되고, 니오븀 함유 용액의 액적 첨가가 완성된 후, 상기 최종 혼합물은 그 다음 산화 니오븀 화합물을 형성하기 위해 용액이 끓도록 충분히 높은 온도까지 가열될 수 있고, 상기 용액은 적어도 약 10분, 선택적으로 5 및 15분 사이, 또는 선택적으로 약 10 및 30 분 사이, 또는 그 이상 동안 끓는점에서 유지될 수 있다.
상기 수산화된 산화 니오븀 용액은 그 다음 어떤 잔여 인산 또는 황산의 제거를 촉진하기 위하여, 선택적으로 교반하에서, 탈이온수로 여러번 세척될 수 있다. 상기 세척 단계는 선택적으로 인산 또는 황산이 충분히 제거되는 것을 보장하기 위하여, 반복적으로 수행될 수 있다. 상기 세척수는 선택적으로 회전 증발에 의해 제거될 수 있다. 특정 구체 예에 있어서, 상기 세척수의 제거는 침전물을 형성하는 것이 아니라, 콜로이드 졸로서 생산물의 유지를 보장하기 위하여 약 80℃를 초과하지 않는 온도에서 수행된다.
부텐은 물에서만 오직 빈약하게 용해되고, 따라서 특정 반응 조건, 특히 부텐이 충분한 대량으로 사용되는 환경하에서, 분리된 상을 형성하는 경향이 있다. 상당한 양의 형성된 부탄올 분자가, 이의 분리를 돕는, 부텐-풍부 유기 상에 존재하는 것으로 예상됨에 따라, 부탄올은 상대적으로 비-극성이기 때문에, 이것은 반응에서 바람직한 분포를 갖는다. 따라서, 특정 구체 예에 있어서, 상기 반응의 과정 동안 부탄올의 동시 추출 (즉, 부탄올로 부텐의 수산화)은 정방향에서 가역반응으로 이동하는 것을 도울수 있다. 유사하게, 다른 올레핀의 수산화에 있어서, 이로부터 형성된 알코올은 이들이 형성되는 반응 동안 제거될 수 있다.
본 발명에 기술된 수산화된 산화 니오븀 나노입자는, 존재하는 산점의 총 수의 관점에서, 높은 극성 및 양성자성 매체 모두에서 유지될 수 있는, 이의 더 높은 고유의 효과적인 산도에 부분적으로 기인할 수 있는, 상대적으로 높은 촉매 활성을 유지한다.
본 발명의 특정 구체 예에 있어서, FCC공정 생산물 스트림, 또는 프로필렌 또는 LPG를 선택적으로 포함하는, 또 다른 분해 (cracking) 공정으로부터의 생산물 스트림으로부터 얻어질 수 있는, 혼합 부텐은, 2차-부틸 알코올, 3차-부틸 알코올 및 이소프로판올을 생산하기 위해 본 발명에 기술된 산화 니오븀 나노입자 함유 촉매의 존재하에서 물로 동시에 수산화될 수 있다. 미전환된 올레핀은 공지의 방법에 의해 분리될 수 있고, 탈수소 구역 (dehydrogenation section)으로 재-순환될 수 있다.
전술한 바와 같이, (부탄올로 부텐과 같은) 알코올로 올레핀의 수산화는 통상적으로 원하는 반응 동역학을 달성하기 위해 강산을 요구하는, 산 촉매 반응이다. 강한 액체 산, 예를 들어, 황산은 통상적으로 종래의 부텐 수산화 공정에서 사용된다. 그러나, 황산은 희석되고, 그 다음 상기 공정에 재활용되기 전에 다시 농축되어야 한다. 이러한 액체 산 촉매를 사용하는 것과 관련된 부가적 문제점은, 상기 액체 촉매의 분리 및 회수에 대한 문제점, 상기 촉매와 접촉하는 장비 및 설비의 부식, 및 2차 부틸 에테르, 이소프로필 알코올, C5-C8 탄화수소, 및 수산화 동안 형성된 중합체와 같은, 원하지 않는 부산물의 형성을 포함하지만, 이러한 문제점들은 본 발명에 기술된 니오븀 옥소 함유 촉매를 사용하는 경우에는 직면하지 않는다.
양이온 교환 수지와 같은, 고체산 촉매는, 통상적으로 액체 산 촉매에 의해 겪게되는 동일한 단점을 겪지 않고, 극성 및 비-극성 매체 모두에서 실질적인 반응 속도를 빈번하게 제공한다. 그러나, 이들 촉매 수지는 또한 이들이 제한된 범위의 적용 및 침출 경향을 겪는 것과 같은 단점이 있다. 부가적으로, 황산 그룹 존재는 이것이 비활성화되면서 수지로부터 비가역적으로 유리될 수 있다. 비활성화된 촉매 수지는 또한 무기 고체 촉매의 재생을 위해 통상 사용된, 하소 (calcination)에 의해 재생될 수 없다.
본 발명의 특정 구체 예에 있어서, 본 발명에 기술된 니오븀계 나노입자 촉매로 혼합 부텐의 수산화에 의해 제조된 부탄올은 우수한 가솔린 혼합 옥탄 특징을 가지며, 하기 표 1에서 나타낸 바와 같은, 특정한 석유 첨가제로서 조합 (즉, 부탄올의 조합)에 사용될 수 있다.
대표적인 공정에 있어서, 시스템은 올레핀의 촉매 수산화를 위해 제공된다. 상기 시스템은 본 발명에 기술된 고체 산성 촉매로 충진될 수 있는, 상승된 온도 및 압력에서 작동하는데 적절한 밀폐된 반응기 (closed reactor)를 포함할 수 있다. 올레핀 공급원료 및 물은 상기 반응기에 각각 분리하여 공급되고, 여기서 상기 올레핀 공급원료는 알코올을 포함하는 생산물 스트림을 생산하기 위한 촉매의 존재하에서 수산화를 진행한다. 상기 생산물 스트림은 분리 유닛에 공급될 수 있고, 여기서 상기 생산물 스트림은 유기 상 및 수성 상으로 분리될 수 있으며, 여기서 상기 상들은 공지의 방법에 의해 작업될 수 있다. 생산된 알코올로부터 분리된 미반응된 올레핀 공급원료는 상기 반응기로 재순환될 수 있다.
본 발명의 특정 구체 예에 있어서, 하나 이상의 1-부텐, 2-트랜스-부텐, 2-시스-부텐 및 이소부텐을 함유하는 전체 부텐 분획은 반응 용기에 공급될 수 있고, 본 발명에 기술된 방법에 따라 제조된 니오븀산 나노입자 촉매를 사용하여 sec-부탄올 및 3차-부탄올로 수산화된다. 나머지 미전환된 부텐은 공지의 수단에 의해 분리될 수 있고, 수산화 공정으로 재순환된다.
가솔린과 비교한 부탄올의 특성
연료 에너지 밀도 공기-연료비 비 에너지 증발 열 RON MON
가솔린 32 14.5 2.9 0.36 91-99 81-89
부탄올 29.2 11.1 3.3 0.43 96-110 78-99.5
실시 예 1. 촉매 A.
약 100mL의 EtOH에 대략 5.15g의 Nb(EtO)5를 함유하는 용액은 500mL의 탈이온수 (즉, 약 20:1의 몰비 Nb:H3PO4)에 0.093g의 H3PO4 (대략 85중량%)를 함유하는 용액에 한 방울씩 첨가된다. 상기 첨가는 실온에서 지속적으로 교반 (약 800 rpm)하면서 수행된다. 상기 니오븀 함유 용액의 첨가를 마친 후, 상기 혼합물의 온도는 혼합물이 끓을 때까지 증가되고, 상기 끓음은 약 한 시간 반 동안 유지된다. 실온까지 냉각한 후에, 최종 용액은 유백색 수성 용액을 생산하기 위해 (에탄올 및 물의 일부분을 제거하는) 회전 증발기를 사용하여 증발된다. 상기 용액은 세척수의 pH가 약 5 및 6 사이에 도달될 때까지 여러번 탈이온수로 세척하고, 세척수는 회전 증발에 의해 제거된다. 그 다음 최종 유백색 용액 (수율: 약 1 내지 1.5g 사이)은 또 다른 증발 또는 물의 제거 없이 사용된다.
실시 예 2. 촉매 B.
약 70mL의 탈이온수에서 대략 4.25g의 NbCl5를 함유하는 용액에 실온 및 지속적인 교반하에서 약 3.57g의 H3PO4 (대략 85중량%) 및 약 100　mL의 탈이온수 (즉, 약 1:2의 몰비 Nb:H3PO4)를 함유하는 용액을 한 방울씩 첨가한다. 상기 최종 용액은 약 60분 동안 실온에서 교반된다. 상기 용액에 수성 암모니아 용액 (1 M)은 pH가 약 5가 될때 까지 한 방울씩 첨가하고, 고체 침전물이 형성된다. 상기 침전물은 상기 침전물에 존재하는 물의 양에 의존하여, 약 1.5 및 4 g 사이로 산출되도록 여러번 여과되고 세척된다.
실시 예 3. 촉매 C.
약 100 mL의 EtOH에 대략 7g의 Nb(EtO)5를 함유하는 용액은 약 500 mL의 탈이온수 (즉, 약 20:1의 몰비 Nb:H2SO4)에서 약 51g의 H2SO4를 함유하는 용액에 한 방울씩 첨가된다. 상기 첨가는 실온 및 지속적으로 교반 (약 800 rpm)하면서 수행된다. 상기 첨가가 완성된 후, 상기 최종 용액은 끓을 때까지 가열되고, 약 한시간 반 동안 끓음이 유지된다. 실온까지 냉각한 후, 상기 최종 용액은 회전 증발기로 증발되고, 상기 최종 고체 생산물은 약 5 및 6 사이의 세척수의 pH가 얻어질 때까지 여러번 세척된다. 상기 침전물은 상기 침전물에 존재하는 물의 양에 의존하여, 약 3 및 5　g 사이를 산출되도록 여러번 여과되고 세척된다. 상기 얻어진 침전물은 그 다음 수산화 시험에 사용된다.
실시 예 4. 부텐 수산화.
네 개의 분리 시험에 있어서, 대략 200 g의 탈이온수 및 (상기 실시 예에 따라 제조된) 4 g의 대표적인 산 촉매 A, B 및 C, 및 비교 촉매 Amberlyst 15는 파 오토클레이브 (Parr autoclave)에 놓고, 이것은 그 다음 밀봉되고 50 Psi에서 다섯번 질소로 퍼지된다. 산 촉매 A의 용액의 농도는 출발 물질을 기초하여 평가된다. 대략 10 mL의 순수 2-트랜스-부텐은 그 다음 50 psi의 질소 가스하에서 상기 오토클레이브에 도입된다. 상기 오토클레이브는 그 다음 약 150℃의 온도로 가열되고, 3시간동안 상기 온도에서 유지된다. 3 시간 후, 가열은 중단되고, 상기 오토클레이브는 약 2 내지 3시간에 걸쳐 실온으로 되돌아 오고, 상기 시스템에서 초과 압력은 분출된다. 상기 오토클레이브는 그 다음 개방되고, 상기 반응 혼합물은 회수된다. 전환율은 가스 크로마토그래피의 수단에 의해 결정된다. 모든 촉매는 트랜스-2-부텐으로 sec-부탄올에 대한 민감도를 나타낸다. 다른 수산화 조건의 전환율은 표 2에 기재된다.
2-부텐의 수산화
촉매 H2O (mL) 부텐 (mL) 산 (g) 전환율 (%)
A 200 10 4 0.13
B 200 10 4 0.47
C 150 10 4 0.92
Amberlyst 15(비교) 150 10 4 0.82
본 발명은 상세하게 기술되었지만, 다양한 변화, 치환, 및 변경은 본 발명의 원리 및 범주를 벗어나지 않고 제조될 수 있다는 것으로 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 하기 청구항 및 이들의 적절한 법적 균등물에 의해 결정될 수 있다.
본 발명에서, 별도의 언급이 없는 한, 단수와 복수를 특별히 구분하지 않는다.
선택적 또는 선택적으로는 이후에 설명된 일 또는 상황이 일어나거나 또는 일어나지 않을 수 있는 것을 의미한다. 상기 설명은 상기 일 또는 상황이 일어나는 경우 및 일어나지 않는 경우를 포함한다.
범위는 약 하나의 특정 값으로부터, 약 또 다른 특정 값까지로 본 발명에서 표현될 수 있다. 이러한 범위가 표현된 경우, 또 다른 구체 예는 상기 범위 내에 모든 조합에 따라, 하나의 특정 값으로부터 다른 특정 값까지로 이해될 것이다.
본 출원의 전반에 걸쳐 언급된 특허 또는 공개공보는, 이들 문헌이 여기서 만들어진 설명과 모순되는 것을 제외하고, 본 발명이 속하는 기술 상태를 좀더 전체적으로 설명하기 위하여, 본 출원에 참조로서 포함된다.

Claims (18)

  1. 그 위에 침전된 니오븀 옥소 황산염 또는 니오븀 옥소 인산염 나노입자를 갖는 고체 지지 물질을 포함하는 올레핀 수산화 촉매.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 나노 물질이 그 위에 침전된 상기 고체 지지 물질은 실리카, 알루미나, 주기율표의 그룹 IV-B, V-B 또는 VI-B의 산화 금속, 무기 인산염, 탄소 나노튜브, 그래핀 (grapheme), 활성 탄소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 올레핀 수산화 촉매.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 나노 물질이 그 위에 침전된 상기 고체 지지 물질은 지르코늄, 티타늄, 탄탈륨, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 실리콘, 알루미늄, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 올레핀 수산화 촉매.
  4. 청구항 1-3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 무정질 구조를 갖는 올레핀 수산화 촉매.
  5. 청구항 1-3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 결정질 결정 구조를 갖는 올레핀 수산화 촉매.
  6. 청구항 1-5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 나노 물질은 약 100 nm 미만의 직경을 가지며, 상기 지지 물질은 약 50 및 150 ㎛ 사이의 직경을 갖는 올레핀 수산화 촉매.
  7. 고체 지지 물질의 존재하에서 브뢴스테드 산과 니오븀 함유 염 화합물을 접촉시키는 단계 및 침전물을 형성시키는 단계;
    과량의 액체를 제거하는 단계; 및
    고체 촉매 물질을 회수하는 단계를 포함하는 청구항 1의 촉매를 제조하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    지지 물질의 존재하에서 브뢴스테드 산과 니오븀 함유 화합물을 접촉시키는 단계는 상기 지지 물질의 표면에 증착하는 촉매 나노입자를 결과하는 촉매를 제조하는 방법.
  9. 청구항 8 또는 9에 있어서,
    상기 지지 물질은 실리카, 알루미나, 주기율표의 그룹 IV-B, V-B 또는 VI-B의 산화 금속, 무기 인산염, 탄소 나노튜브, 그래핀, 활성 탄소, 및 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 촉매를 제조하는 방법.
  10. 청구항 8 또는 9에 있어서,
    상기 지지 물질은 지르코늄, 티타늄, 탄탈륨, 바나듐, 텅스텐, 몰리브덴, 실리콘, 알루미늄, 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 촉매를 제조하는 방법.
  11. 청구항 7-10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 브뢴스테드 산은 황산 및 인산으로 이루어진 군으로부터 선택된 촉매를 제조하는 방법.
  12. 청구항 1-11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 니오븀 함유 화합물은 니오븀 알콕사이드인 촉매를 제조하는 방법.
  13. 청구항 1-11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 니오븀 함유 화합물은 니오븀 (V) 할라이드인 촉매를 제조하는 방법.
  14. 존재하는 올레핀의 적어도 일부를 알코올로 전환하는데 충분한 접촉 시간 동안 반응 영역에서 청구항 1-13 중 어느 하나의 촉매와 올레핀 공급원료를 접촉시키는 단계;
    알코올을 포함하는 유기 상, 및 수성 상을 포함하는 생산물 스트림을 상기 반응 영역으로부터 회수하는 단계; 및
    알코올 생산물 스트림을 생산하기 위해 상기 유기 상을 분리시키는 단계를 포함하는 알코올로 올레핀의 수산화를 위한 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 올레핀 공급원료는 부탄의 혼합물을 포함하는 알코올로 올레핀의 수산화를 위한 방법.
  16. 청구항 14에 있어서,
    상기 알코올은 혼합 부탄올을 포함하는 알코올로 올레핀의 수산화를 위한 방법.
  17. 청구항 14에 있어서,
    상기 올레핀 공급원료는 FCC 정제 프로필렌 스트림, 가스 설비의 방출-가스, FCC 경질 가솔린 스트림, 및 다른 열 분해 유닛으로부터 생산물 스트림 또는 방출-가스 스트림으로 이루어진 군으로부터 선택된 알코올로 올레핀의 수산화를 위한 방법.
  18. 청구항 14-17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 유기 상으로부터 미반응된 올레핀을 분리시키는 단계 및 상기 미반응된 올레핀을 반응 영역으로 순환시키는 단계를 더욱 포함하는 알코올로 올레핀의 수산화를 위한 방법.
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