KR100543270B1 - Aromatic conversion processes and zeolite catalyst useful therein - Google Patents
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Abstract
본 발명은 방향족 탄화수소의 알킬화, 알킬교환 또는 이성질화에 관한 것이다. 본 공정은 전환 조건하에서 방향족 탄화수소를 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매와 접촉시킴을 포함한다. 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매는 제 2 제올라이트의 제 2 결정에 의해 결합된 제 1 거대 기공 제올라이트의 제 1 결정을 포함한다. The present invention relates to alkylation, transalkylation or isomerization of aromatic hydrocarbons. The process involves contacting an aromatic hydrocarbon with a zeolite-bound zeolite catalyst under conversion conditions. Zeolite-bonded zeolite catalysts comprise a first crystal of a first macroporous zeolite bound by a second crystal of a second zeolite.
Description
본 발명은 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매를 사용한, 방향족 탄화수소의 이성질화, 알킬화 및/또는 알킬교환(transalkylation)에 관한 것이다. The present invention relates to the isomerization, alkylation and / or transalkylation of aromatic hydrocarbons using zeolite-bonded zeolite catalysts.
쿠멘이라고도 알려져 있는 아이소프로필벤젠과 같은 모노알킬방향족 생성물 또는 에틸벤젠을 고수율로 생성시키는 방법으로서, 알킬화 및/또는 알킬교환을 포함하는 다양한 방법이 공지되어 있다. 그러나, 이러한 방법은 의도하지 않은 부산물을 생성시키는 등의 문제점을 갖는다. 쿠멘과 함께 생성되는 이러한 부산물의 예에는 알킬화제 올리고머, 고급 폴리방향족 화합물 및 n-프로필벤젠, 부틸벤젠 및 에틸벤젠과 같은 원치않는 모노알킬화 및 다이알킬화 화합물을 포함한다. 특히 원치않는 자일렌의 생성은 에틸벤젠의 제조에 있어서 문제가 된다. 이러한 공정과 관련된 또다른 문제는 고형 인산 또는 염화암모늄과 같은 프리델 크라프트(Friedel Craft) 촉매의 사용과 관련된다. 인산 촉매를 사용할 경우, 일반적으로 물을 동시에 공급해야 하는데, 이 물은 부식성 슬러지(sludge) 부산물을 생성시킨다. 촉매와 같은 특정 결정질 미세다공질 분자체를 사용함으로써 슬러지 부산물과 관련된 문제점을 피할 수 있다. 그러나, 제올라이트 촉매를 사용함과 관련된 주요한 단점은 목적하지 않은 부산물이 생성될 수 있다는 것과 촉매의 불활성화가 비교적 빨라서 시간 및 비용이 많이 드는 촉매의 대체 또는 재활성화가 필요하다는 것이다. As a method of producing ethylbenzene or monoalkylaromatic products such as isopropylbenzene, also known as cumene, in high yield, various methods are known including alkylation and / or alkyl exchange. However, this method has problems such as generating unintended by-products. Examples of such byproducts produced with cumene include alkylating agent oligomers, higher polyaromatic compounds and unwanted monoalkylated and dialkylated compounds such as n-propylbenzene, butylbenzene and ethylbenzene. In particular, the production of unwanted xylenes is a problem in the production of ethylbenzene. Another problem associated with this process involves the use of Friedel Craft catalysts such as solid phosphoric acid or ammonium chloride. When using a phosphate catalyst, water must generally be supplied simultaneously, which produces corrosive sludge by-products. The use of certain crystalline microporous molecular sieves, such as catalysts, avoids the problems associated with sludge byproducts. However, the major disadvantages associated with the use of zeolite catalysts are that undesired by-products can be produced and that catalyst deactivation is relatively fast, requiring time-consuming and expensive replacement or reactivation of the catalyst.
결정질 미세다공질 분자체는 x-레이 회절에 의해 결정된 바와 같은 한정된 결정 구조를 갖는, 많은 작은 채널 또는 기공에 의해 상호연결될 수 있는 수많은 작은 공동을 갖는, 질서정연하고, 다공질이고, 결정질인 물질이다. 이들 기공의 크기는 특정 크기의 분자를 흡수하면서도 더 큰 크기의 분자는 흡수하지 못하도록 하는 크기이다. 결정질 망상구조에 의해 형성된 간극의 공간 또는 채널에 의해 결정질 실리케이트, 결정질 알루미노실리케이트, 결정질 실리코알루미노 포스페이트 및 결정질 알루미노포스페이트와 같은 분자체들이 분리 공정에서의 분자체 및 다양한 탄화수소 전환 공정에서 촉매 및 촉매 지지체로서 사용될 수 있다. Crystalline microporous molecular sieve is an ordered, porous, crystalline material with a number of small cavities that can be interconnected by many small channels or pores, with a finite crystal structure as determined by x-ray diffraction. These pores are sized to absorb molecules of a certain size but not to absorb larger molecules. Molecular sieves, such as crystalline silicates, crystalline aluminosilicates, crystalline silicoalumino phosphates and crystalline aluminophosphates, by means of the spaces or channels of the gaps formed by the crystalline network, are used as catalysts in the separation process and in various hydrocarbon conversion processes. It can be used as a catalyst support.
결정질 분자체의 기공내에서, 방향족의 알킬교환 및 알킬화와 같은 탄화수소 전환 반응은 분자체의 크기에 따라 부여되는 조건에 의해 지배된다. 특정 분획의 공급물이 기공을 통과하여 반응하기에는 너무 클 경우 반응물 선택성이 일어나는 반면, 생성물이 채널을 통과하지 못하거나 후속적으로 반응하지 못할 경우에는 생성물의 선택성이 일어난다. 반응 전이 상태가 너무 커서 기공내에 형성되지 못하기 때문에 특정 반응이 일어날 수 없는 전이 상태 선택성에 의해 생성물 분포가 변화될 수 있다. 선택성은 분자의 크기가 기공 시스템의 크기와 유사한 확산시 입체 제한으로부터 유래될 수 있다. 분자체의 표면상에서의 비-선택적 반응은 일반적으로 바람직하지 못한데, 왜냐하면 이러한 반응은 분자체의 채널내에서 일어나는 반응에 부여되는 형태-선택적 제한에 적용되지 않기 때문이다. In the pores of crystalline molecular sieves, hydrocarbon conversion reactions such as alkylation and alkylation of aromatics are governed by conditions imposed by the size of the molecular sieve. Reactant selectivity occurs when a particular fraction of the feed is too large to react through the pores, whereas product selectivity occurs when the product fails to pass through the channel or subsequently reacts. The product distribution can be altered by the transition state selectivity in which a particular reaction cannot occur because the reaction transition state is so large that it cannot form in the pores. Selectivity can be derived from steric confinement upon diffusion, where the size of the molecule is similar to the size of the pore system. Non-selective reactions on the surface of the molecular sieve are generally undesirable because these reactions do not apply to the form-selective limitations imposed on the reactions occurring in the channels of the molecular sieve.
제올라이트는 실리카 격자, 및 임의적으로는 알칼리 또는 알칼리 토금속 이온과 같은 교환가능한 양이온과 합체된 알루미나로 이루어져 있다. "제올라이트"라는 용어에는 실리카 및 임의적으로 알루미나를 함유하는 물질이 포함되지만, 실리카 및 알루미나 부분이 전체적으로 또는 부분적으로 다른 산화물로 대체될 수 있다는 것을 알아야 한다. 예를 들면, 실리카 부분을 게르마늄 옥사이드, 틴 옥사이드, 포스포러스 옥사이드 및 그의 혼합물이 대체할 수 있다. 알루미늄 부분을 보론 옥사이드, 철 옥사이드, 티탄 옥사이드, 갈륨 옥사이드, 인듐 옥사이드 및 그의 혼합물이 대체할 수 있다. 따라서, 본원에서 사용된 "제올라이트" 및 "제올라이트 물질"이라는 용어는 그의 결정질 격자 구조내에 규소 및 임의적으로는 알루미늄 원자를 함유하는 물질을 뜻할 뿐만 아니라, 갈로실리케이트, 실리코알루미노포스페이트(SAPO) 및 알루미노포스페이트(ALPO)와 같은, 규소와 알루미늄을 대체하기 적합한 원자를 함유하는 물질을 뜻할 수도 있다. 본원에서 사용된 "알루미노실리케이트 제올라이트"란 본질적으로 결정질 격자 구조내의 규소 및 알루미늄 원자로 이루어진 제올라이트 물질을 의미할 것이다. Zeolites consist of a silica lattice and optionally alumina incorporating exchangeable cations such as alkali or alkaline earth metal ions. The term "zeolite" includes materials containing silica and optionally alumina, but it should be understood that the silica and alumina portions may be replaced in whole or in part by other oxides. For example, the silica portion may be replaced by germanium oxide, tin oxide, phosphorus oxide and mixtures thereof. The aluminum part can be replaced by boron oxide, iron oxide, titanium oxide, gallium oxide, indium oxide and mixtures thereof. Thus, the terms "zeolite" and "zeolitic material" as used herein refer to materials containing silicon and optionally aluminum atoms in their crystalline lattice structure, as well as gallosilicates, silicoaluminophosphates (SAPO) and alumines It may also mean a material containing an atom suitable for replacing silicon and aluminum, such as nophosphate (ALPO). As used herein, “aluminosilicate zeolite” shall mean a zeolite material consisting essentially of silicon and aluminum atoms in a crystalline lattice structure.
방향족 탄화수소의 이성질화, 알킬화 또는 알킬교환을 위한 수많은 방법들이 제안되어 왔다. 예를 들면 미국 특허 제 4,312,790 호는 알루미나-결합된 제올라이트 촉매를 사용한 자일렌 이성질화 방법을 포함한다. 미국 특허 제 5,227,558 호는 알루미나와 같은 결합제에 의해 결합된 제올라이트 베타 촉매를 사용한 방향족 알킬화 방법을 포함한다. 유럽 특허출원 제 0 109 962 호는 산 형태의 모르데나이트 및 ZSM-5, ZSM-8 또는 ZSM-11과 같은 또다른 특정한 산 형태의 제올라이트를 포함하는 촉매를 사용한 자일렌 이성질화 및 에틸벤젠의 벤젠으로의 탈에틸화를 개시한다. 문헌["Chemical Abstracts", 101: 72405n(1984) 및 85:95018s(1976)]은 산 형태의 모르데나이트 및 또다른 특정 산 형태의 제올라이트를 포함하는 촉매를 사용한 자일렌 이성질화 및 에틸벤젠의 탈에틸화를 개시한다.Numerous methods have been proposed for isomerization, alkylation or alkyl exchange of aromatic hydrocarbons. For example, US Pat. No. 4,312,790 includes a xylene isomerization process using an alumina-bonded zeolite catalyst. U. S. Patent No. 5,227, 558 includes a process for aromatic alkylation using a zeolite beta catalyst bound by a binder such as alumina. European Patent Application No. 0 109 962 discloses the use of xylene isomerization and ethylbenzene with a catalyst comprising mordenite in acid form and another specific acid form of zeolite such as ZSM-5, ZSM-8 or ZSM-11. Deethylation to benzene is initiated. "Chemical Abstracts", 101: 72405n (1984) and 85: 95018s (1976) describe the use of xylene isomerization and ethylbenzene with a catalyst comprising mordenite in acid form and another specific acid form of zeolite. Deethylation is initiated.
합성 제올라이트를 통상적으로는, 과포화된 합성 혼합물로부터 제올라이트를 결정화시킴으로써 제조한다. 이어서 이렇게 얻은 결정질 생성물을 건조시키고 하소시켜 제올라이트 분말을 만든다. 제올라이트 분말은 우수한 흡착성을 갖지만, 제올라이트 분말로는 고정 베드(bed)를 운용하기가 어렵기 때문에 그의 실용성은 심하게 제한되어 있다. 따라서, 일반적으로는 분말을 상업적 용도로 사용하기 전에 제올라이트 결정을 결합시킨다. Synthetic zeolites are typically prepared by crystallizing zeolites from supersaturated synthetic mixtures. The crystalline product thus obtained is then dried and calcined to form a zeolite powder. Although zeolite powder has excellent adsorption property, its practicality is severely limited because it is difficult to operate a fixed bed with zeolite powder. Thus, zeolite crystals are generally combined before the powder is used for commercial use.
제올라이트 분말은 전형적으로는, 환, 구 또는 압출물과 같은 제올라이트 응집체의 형성에 의해 결합된다. 압출물은 통상적으로는 비-제올라이트계 결합제의 존재하에서 제올라이트의 압출 및 이렇게 얻어진 압출물의 건조 및 하소에 의해 형성된다. 사용된 결합제 물질은 다양한 탄화수소 전환 공정에서 일어날 수 있는 온도 및 예를 들면 기계적 마모와 같은 기타 조건에 대해 내성을 갖고 있다. 결합제 물질의 예는 알루미나, 실리카, 티타니아 및 다양한 유형의 클레이와 같은 무정형 물질을 포함한다. 일반적으로 제올라이트는 기계적 마모(즉, 20㎛ 미만의 크기를 갖는 작은 입자인 미분의 생성)에 내성을 가질 필요가 있다. Zeolite powders are typically joined by the formation of zeolite aggregates such as rings, spheres or extrudates. The extrudate is usually formed by extrusion of the zeolite in the presence of a non-zeolitic binder and drying and calcination of the resulting extrudate. The binder materials used are resistant to temperatures that can occur in various hydrocarbon conversion processes and other conditions such as, for example, mechanical wear. Examples of binder materials include amorphous materials such as alumina, silica, titania and various types of clays. In general, zeolites need to be resistant to mechanical abrasion (ie, the production of fines, small particles having a size of less than 20 μm).
비록 이러한 결합된 제올라이트 응집체가 제올라이트 분말보다 훨씬 더 좋은 기계적 강도를 갖지만, 이러한 결합된 제올라이트는 방향족 전환에서 사용될 때, 제올라이트 촉매의 성능, 예를 들면 활성, 선택성, 활성 유지능 또는 이들의 조합이 결합제로 인해 감소될 수 있다. 예를 들면 결합제는 전형적으로 제올라이트의 약 50중량% 이하의 양으로 존재하므로, 결합제는 제올라이트 응집체의 흡착성을 떨어뜨릴 수 있다. 또한, 결합된 제올라이트가, 제올라이트를 결합제로 압출시키거나 달리 생성시키고 이렇게 얻어진 압출물을 건조 및 하소시킴으로써 제조되기 때문에, 무정형 결합제가 제올라이트의 기공에 침투하거나 달리 제올라이트의 기공을 폐색시킬 수 있거나, 제올라이트의 기공으로의 대량 수송 속도를 늦추어 방향족 전환 공정에서 사용되는 제올라이트의 효능을 감소시킬 수 있다. 더욱이, 결합된 제올라이트가 방향족 전환 공정에서 사용될 경우, 결합제는 제올라이트내에서 일어나는 화학 반응에 영향을 미칠 뿐만 아니라 그 자체로 목적하지 않은 생성물을 생성시킬 수 있는 목적하지 않은 반응을 촉진시킬 수도 있다. Although these bonded zeolite aggregates have much better mechanical strength than zeolite powders, when these bonded zeolites are used in aromatic conversion, the performance of the zeolite catalysts, such as activity, selectivity, activity retention or combinations thereof, are combined. Can be reduced due to zero. For example, the binder is typically present in an amount up to about 50% by weight of the zeolite, so that the binder can degrade the adsorbability of the zeolite aggregates. In addition, since the bound zeolite is prepared by extruding or otherwise producing the zeolite with a binder and drying and calcining the resulting extrudate, the amorphous binder can penetrate the pores of the zeolite or otherwise block the pores of the zeolite, or By slowing down the mass transport to the pores of the can reduce the efficacy of the zeolite used in the aromatic conversion process. Moreover, when bound zeolites are used in aromatic conversion processes, the binders may not only affect the chemical reactions occurring in the zeolites but may also promote undesired reactions which may produce undesired products by themselves.
발명의 요약Summary of the Invention
한 실시양태에서, 본 발명은 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매를 사용한 방향족 탄화수소의 이성질화, 알킬화 및/또는 알킬교환과 같은 방향족 전환 공정에 관한 것이다. 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매는 거대 기공의 제 1 제올라이트의 제 1 결정, 및 제 2 제올라이트의 제 2 결정을 포함하는 결합제를 포함한다. 본 발명에 따른 방향족 스트림의 이성질화, 알킬화 또는 알킬교환은 목적하는 생성물을 고수율로 생성시킨다. In one embodiment, the present invention is directed to aromatic conversion processes such as isomerization, alkylation and / or transalkylation of aromatic hydrocarbons using zeolite-bonded zeolite catalysts. Zeolite-bonded zeolite catalysts include a binder comprising a first crystal of the macroporous first zeolite and a second crystal of the second zeolite. Isomerization, alkylation or transalkylation of the aromatic stream according to the invention gives the desired product in high yield.
또다른 실시양태에서, 본 발명은 방향족 전환 공정에서 특별한 용도를 갖는 것으로 밝혀진, MOR, EMT 또는 MAZ 구조형을 갖는 제 1 제올라이트의 제 1 결정, 및 제 2 제올라이트의 제 2 결정을 포함하는 결합제를 포함하는 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매에 관한 것이다. In another embodiment, the present invention includes a binder comprising a first crystal of a first zeolite having a MOR, EMT or MAZ structure, and a second crystal of a second zeolite, found to have special use in an aromatic conversion process. To a zeolite-bound zeolite catalyst.
도 1은 실시예 1의 촉매의 SEM 현미경사진이다. 1 is an SEM micrograph of the catalyst of Example 1. FIG.
도 2는 실시예 2의 촉매의 SEM 현미경사진이다. 2 is an SEM micrograph of the catalyst of Example 2. FIG.
제올라이트-결합된 제올라이트 촉매는 거대 기공의 산성 제올라이트의 제 1 결정, 및 바람직하게는 상기 제 1 입자의 평균 입경보다 작은 평균 입경을 갖는 제 2 제올라이트의 제 2 결정을 포함하는 결합제를 포함한다. 제 2 제올라이트 결정을 결합제로서 사용하여, 제 1 제올라이트 결정의 외부 표면내에서 또는 그 근처에서 일어나는 의도하지 않은 반응을 조절하기 위한 수단을 제공하고, 반응물의 대량 수송이 개선되고 제 1 제올라이트의 기공으로부터 및 기공으로의 접근이 더 우수한 촉매를 생성할 수 있다. 또한 제 2 제올라이트 결합 결정은 경우에 따라서는 촉매 활성을 가질 수 있고, 촉매 담체로서 작용할 수 있고/있거나, 목적하지 않은 분자가 제 1 제올라이트의 기공에 들어가거나 이를 빠져나오는 것을 선택적으로 방지할 수 있다.The zeolite-bonded zeolite catalyst comprises a binder comprising a first crystal of the macroporous acidic zeolite, and a second crystal of the second zeolite, preferably having an average particle diameter smaller than the average particle diameter of the first particle. Using the second zeolite crystals as binders provides a means for controlling unintended reactions occurring in or near the outer surface of the first zeolite crystals, improving mass transport of the reactants and from the pores of the first zeolite And catalysts with better access to the pores. In addition, the second zeolite binding crystal may optionally have catalytic activity, act as a catalyst carrier, and / or selectively prevent unwanted molecules from entering or exiting the pores of the first zeolite. .
실리카 또는 알루미나 또는 제올라이트의 기계적 강도를 향상시키기 위해 통상적으로 사용되는 기타 무정형 결합제로 통상적으로 결합된, 탄화수소 전환 공정에서 사용되는 전형적인 제올라이트 촉매와는 달리, 본 발명의 제올라이트 촉매는 비-제올라이트계 결합제를 상당량으로 함유하지 않는다. 바람직하게는, 제올라이트 촉매는 제 1 및 제 2 제올라이트의 총 중량을 기준으로 비-제올라이트계 결합제를 10중량% 미만, 더욱 바람직하게는 5중량% 미만으로 포함하며, 가장 바람직하게는 비-제올라이트계 결합제를 실질적으로 포함하지 않는다. 바람직하게는, 제 2 제올라이트 결정은 제 1 제올라이트 결정의 표면에 접착하여 제 1 결정 입자들을 서로 붙드는 매트릭스 또는 다리 구조를 형성함으로써 제 1 제올라이트 결정과 결합한다. 더욱 바람직하게는, 제 2 제올라이트 입자는 결정간 성장하여(intergrow) 보다 큰 제 1 제올라이트 결정상에 피막 또는 부분적인 피막을 형성함으로써 제 1 제올라이트와 결합하고, 가장 바람직하게는, 제 2 제올라이트 결정은 결정간 성장하여 제 1 제올라이트 결정위에 내마모성인 과-증식층(over-growth)을 형성함으로써 제 1 제올라이트 결정과 결합한다. Unlike typical zeolite catalysts used in hydrocarbon conversion processes, which are commonly combined with silica or alumina or other amorphous binders commonly used to improve the mechanical strength of zeolites, the zeolite catalysts of the present invention utilize non-zeolitic binders. It does not contain a considerable amount. Preferably, the zeolite catalyst comprises less than 10% by weight, more preferably less than 5% by weight of the non-zeolitic binder, based on the total weight of the first and second zeolites, most preferably the non-zeolitic It is substantially free of binders. Preferably, the second zeolite crystal is bonded to the first zeolite crystal by adhering to the surface of the first zeolite crystal to form a matrix or bridge structure that holds the first crystal grains together. More preferably, the second zeolite particles are intergrown to bind with the first zeolite by forming a coating or partial coating on the larger first zeolite crystal, most preferably the second zeolite crystal is crystallized. The liver grows and binds to the first zeolite crystal by forming an over-growth that is wear resistant on the first zeolite crystal.
본 발명은 이론적으로 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의 제올라이트 촉매 시스템의 잇점중 하나는 제 1 제올라이트의 외부 표면상의 산 부위의 반응물로의 접근성을 조절할 수 있는 제 2 제올라이트에 의해 얻어진다고 생각된다. 제올라이트 촉매의 외부 표면상에 존재하는 산 부위가 형태-선택적이 아니기 때문에, 이들 산 부위는 제올라이트의 기공에 들어가는 반응물 및 제올라이트의 기공을 빠져나오는 생성물에 부정적으로 영향을 미칠 수 있다. 이러한 생각에서 제 2 제올라이트의 산성을 신중하게 선택할 수 있기 때문에, 종래의 결합된 제올라이트 촉매와는 달리, 제 2 제올라이트는 제 1 제올라이트의 기공을 빠져나가는 반응물에 부정적인 영향을 미치지 않고, 제 1 제올라이트의 기공을 빠져나가는 반응물에 긍정적인 영향을 미칠 수도 있다. 또한, 제 2 제올라이트는 무정형이 아닌 대신에 분자체이므로, 탄화수소는 탄화수소 전환 공정 동안 제 1 제올라이트의 기공에 대한 접근성이 증가될 수 있다. 이러한 이론과 무관하게, 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매는 촉매 공정에서 사용되는 경우, 본원에서 개시된 바와 같은 개선된 성질을 갖는다. Although the present invention is not limited in theory, it is believed that one of the advantages of the zeolite catalyst system of the present invention is obtained by a second zeolite which can control the accessibility of the acid sites on the outer surface of the first zeolite to the reactants. Since the acid sites present on the outer surface of the zeolite catalyst are not form-selective, these acid sites can negatively affect the reactants entering the pores of the zeolite and the products exiting the pores of the zeolite. In this sense, since the acidity of the second zeolite can be carefully selected, unlike the conventional bonded zeolite catalyst, the second zeolite has no negative effect on the reactants exiting the pores of the first zeolite, It can also have a positive effect on the reactants exiting the pore. In addition, since the second zeolite is not an amorphous but instead a molecular sieve, the hydrocarbon may have increased access to the pores of the first zeolite during the hydrocarbon conversion process. Regardless of this theory, zeolite-bonded zeolite catalysts have improved properties as disclosed herein when used in catalytic processes.
본원에서 제올라이트에 대해 사용된 "산성", "약산성" 및 "강산성"이라는 용어는 당해 분야의 숙련자들에게는 잘 공지되어 있다. 제올라이트의 산성은 잘 공지되어 있다. 그러나, 본 발명과 관련하여 산 강도와 산 부위 밀도라는 용어는 구분되어야 한다. 제올라이트의 산 부위는 브뢴스테드(Bronsted) 산 또는 루이스(Lewis) 산일 수 있다. 산 부위의 밀도 및 산 부위의 수는 제올라이트의 산성을 결정하는데 있어서 중요하다. 산 강도에 직접 영향을 미치는 인자는 (i) 제올라이트 골격(framework)의 화학적 조성, 즉 4면체 원자의 상대적 농도 및 유형, (ii) 외부-골격 양이온 및 그 결과 얻어진 외부-골격 종의 농도, (iii) 제올라이트의 국소적 구조, 예를 들면 제올라이트의 표면에서 또는 그 근처에서의 결정내의 기공 크기 및 위치, 및 (iv) 전처리 조건 및 동시-흡착된 분자의 존재 여부이다. 산성의 양은 동형 치환도와 관련되지만, 이러한 산성은 순수한 SiO2 조성물의 산 부위의 손실에만 국한된다. 본원에서 사용된 "산성", "약산성" 및 "강산성"이라는 용어는 암모니아 흡착에 의해 측정될 수 있는 이러한 산 부위의 강도에 무관하게 산 부위의 농도와 관련된다.The terms "acidic", "weakly acidic" and "strongly acidic" as used herein for zeolites are well known to those skilled in the art. The acidity of zeolites is well known. However, in connection with the present invention the terms acid strength and acid site density should be distinguished. The acid site of the zeolite can be Bronsted acid or Lewis acid. The density of the acid sites and the number of acid sites are important for determining the acidity of the zeolite. Factors directly affecting acid strength include (i) the chemical composition of the zeolite framework, i.e. the relative concentration and type of tetrahedral atoms, (ii) the concentration of exogenous-skeletal cations and the resulting exogenous-skeletal species, ( iii) the local structure of the zeolite, for example the pore size and position in the crystal at or near the surface of the zeolite, and (iv) the pretreatment conditions and the presence of co-adsorbed molecules. Although the amount of acidity is associated with isomorphic substitution, this acidity is limited to the loss of acid sites in pure SiO 2 compositions. As used herein, the terms “acidic”, “weakly acidic” and “strongly acidic” refer to the concentration of acid sites, regardless of the strength of these acid sites, which can be measured by ammonia adsorption.
본원에서 사용된 "평균 입경"이라는 용어는 부피를 기준으로 할 때 결정의 직경 분포의 산술 평균을 말한다. As used herein, the term "average particle diameter" refers to the arithmetic mean of the diameter distribution of crystals based on volume.
제올라이트-결합된 제올라이트 촉매에 사용하기에 적합한 거대 기공 제올라이트의 예는 약 7.0Å 이상의 기공 크기를 갖는 제올라이트를 포함한다. 이러한 제올라이트는 본원에서 참고로 인용된 문헌["Atlas of Zeolite Structure Types", eds. W.H.Meier and D.H.Olson, Buttersworth-Heineman, Third Edition, 1992]에 기술되어 있다. 거대 기공 제올라이트의 예는 VFI, AFI, MAZ, MEI, FAU, EMT, OFF, BEA 및 MOR 구조형 제올라이트(IUPAC 제올라이트 명명 위원회)를 포함한다. 거대 기공 제올라이트의 예는 예를 들면 마지트(mazzite), 오프레티트(offretite), 제올라이트 L, VPI-5, 제올라이트 Y, 제올라이트 X, 오메가(omega), 베타, ZSM-3, ZSM-4, ZSM-18, ZSM-20 및 SAPO-37을 포함한다. 제 1 및 제 2 제올라이트의 구조형은 동일하거나 상이할 수 있다. 제올라이트는 통상적으로는 적어도 부분적으로는 수소 형태이다. 바람직한 제 1 제올라이트는 BEA 또는 MOR 구조형을 갖는 제올라이트이다. Examples of macroporous zeolites suitable for use in zeolite-bonded zeolite catalysts include zeolites having a pore size of about 7.0 GPa or greater. Such zeolites are described in "Atlas of Zeolite Structure Types", eds. W.H.Meier and D.H.Olson, Buttersworth-Heineman, Third Edition, 1992. Examples of macroporous zeolites include VFI, AFI, MAZ, MEI, FAU, EMT, OFF, BEA, and MOR structured zeolites (IUPAC Zeolite Naming Commission). Examples of macroporous zeolites are, for example, mazzite, offretite, zeolite L, VPI-5, zeolite Y, zeolite X, omega, beta, ZSM-3, ZSM-4, ZSM-18, ZSM-20 and SAPO-37. The structural forms of the first and second zeolites can be the same or different. Zeolites are typically at least partially in hydrogen form. Preferred first zeolites are zeolites having a BEA or MOR structure.
당해 분야의 숙련자들에게 공지되어 있는 바와 같이, 제올라이트의 산성은 증기를 쐬는 것과 같은 많은 방법을 사용하여 감소시킬 수 있다. 또한, 제올라이트의 산성은 제올라이트의 형태에 따라 달라지는데, 수소 형태일 때 산성이 가장 강하고, 나트륨 형태와 같은 다른 형태의 제올라이트의 경우 산 형태보다 덜 산성이다. 따라서, 본원에서 개시된 실리카 대 알루미나의 몰비를 갖는 제올라이트는 개시된 몰비를 갖는 제올라이트 뿐만 아니라 개시된 몰비를 갖지 않지만 동등한 촉매 활성을 갖는 제올라이트도 포함한다. As is known to those skilled in the art, the acidity of the zeolite can be reduced using many methods, such as venting steam. The acidity of the zeolite also depends on the form of the zeolite, which is most acidic when in the hydrogen form, and less acidic than the acid form for other forms of zeolite, such as the sodium form. Thus, zeolites having a molar ratio of silica to alumina disclosed herein include zeolites having a molar ratio disclosed as well as zeolites having no molar ratio disclosed but having equivalent catalytic activity.
제올라이트-결합된 제올라이트 촉매에 사용하기에 적합한 거대 기공 크기 제올라이트는 X2O3:(n)YO2(X는 알루미늄, 붕소 및/또는 갈륨과 같은 3가 원소이고, Y는 규소, 주석 및/또는 게르마늄과 같은 4가 원소이고; 제올라이트 및 제올라이트내에 존재하는 3가 원소의 특정 유형에 따라 n은 2보다 큰 값이다)의 몰 관계를 갖는 조성물을 포함한다.Large pore size zeolites suitable for use in zeolite-bonded zeolite catalysts are X 2 O 3 : (n) YO 2 (X is a trivalent element such as aluminum, boron and / or gallium, and Y is silicon, tin and / Or a tetravalent element such as germanium, and n is a value greater than 2 depending on the zeolite and the particular type of trivalent element present in the zeolite.
제 1 제올라이트가 알루미노실리케이트 제올라이트인 경우, 제 1 제올라이트의 실리카 대 알루미나의 비는 통상적으로 제 1 제올라이트의 구조형에 따라 달라지므로 어떤 특정한 비에만 국한되지는 않는다. 그러나, 일반적으로 제올라이트의 구조형에 따라서, 제 1 제올라이트는 약 2:1 이상의 실리카 대 알루미나 몰비를 가질 것이며, 약 300:1의 실리카 대 알루미나 몰비를 가질 수 있다. 바람직하게는 알루미노실리케이트 제올라이트는 수소 형태이다. When the first zeolite is an aluminosilicate zeolite, the ratio of silica to alumina of the first zeolite is usually not limited to any particular ratio since it depends on the structural type of the first zeolite. Generally, however, depending on the structure of the zeolite, the first zeolite will have a silica to alumina mole ratio of at least about 2: 1 and may have a silica to alumina mole ratio of about 300: 1. Preferably the aluminosilicate zeolite is in hydrogen form.
제 1 결정의 결정 크기는 바람직하게는 약 0.1㎛ 내지 15㎛의 범위에 있을 것이다. 더욱 바람직하게는, 제 1 결정은 1 내지 6㎛의 평균 입경을 가질 것이다. 거대 결정을 사용하면 결정의 특정 외부 표면적이 감소되고 이로 인해서 결정내 산 부위 대 표면 산 부위의 비가 증가하므로, 거대 결정을 사용하는 것이 바람직하다. The crystal size of the first crystals will preferably be in the range of about 0.1 μm to 15 μm. More preferably, the first crystal will have an average particle diameter of 1-6 μm. The use of macrocrystals reduces the specific external surface area of the crystals and thereby increases the ratio of acid sites to surface acid sites in the crystals, so it is desirable to use macrocrystals.
결정 크기를 결정하는 방법은 당해 분야의 숙련자들에게 잘 공지되어 있다. 예를 들면 결정 크기는 적합한 주사전자현미경(SEM) 사진을 찍어 직접 결정할 수 있다. Methods of determining the crystal size are well known to those skilled in the art. For example, the crystal size can be determined directly by taking a suitable scanning electron microscope (SEM) picture.
제 1 제올라이트의 거대 제 1 결정의 외부 표면 산성은 바람직하게는 제올라이트의 채널내의 산성보다 낮다. 외부 표면 산성은 바람직하게는 채널내의 산성보다 40% 이상 낮고, 더욱 바람직하게는 50% 이상 낮고, 더욱 더 바람직하게는 60% 이상 낮다. 가장 바람직하게는 제 1 결정은 실질적으로 표면 산성을 갖고 있지 않다. The outer surface acidity of the large first crystal of the first zeolite is preferably lower than the acidity in the channel of the zeolite. The outer surface acidity is preferably at least 40% lower, more preferably at least 50% lower, even more preferably at least 60% lower than the acidity in the channel. Most preferably the first crystals are substantially free of surface acidity.
제 1 결정의 표면 산성을 감소시키기 위한 방법은 열수, 산 또는 화학약품 처리에 의해 제올라이트 표면으로부터 알루미나를 제거함을 포함한다. 예를 들면, 제 1 결정의 표면을 아민, 포스핀, 페놀, 다핵 탄화수소, 양이온성 염료 등과 같은 염기성 화합물로 처리함으로써 제 1 결정의 표면 산성을 감소시킬 수 있다. 또한, 제올라이트 결정을 피복시켜 제 1 결정의 표면상에 결정 표면을 불활성화시키는 층 또는 쉘(shell)을 형성하는 다공성 결정질 실리케이트와 같은 물질을 결정 표면상에 침착시킴으로써 결정의 표면 산성을 감소시킬 수 있다. 외부 다공성 비-산성 쉘을 제올라이트 결정 표면상에 침착시키는 방법은 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제 4,088,605 호에 개시되어 있다. Methods for reducing the surface acidity of the first crystals include removing alumina from the zeolite surface by hydrothermal, acid or chemical treatment. For example, the surface acidity of the first crystal can be reduced by treating the surface of the first crystal with basic compounds such as amines, phosphines, phenols, multinuclear hydrocarbons, cationic dyes and the like. In addition, the surface acidity of the crystals can be reduced by depositing on the crystal surface a material such as a porous crystalline silicate that coats the zeolite crystals and forms a layer or shell that inactivates the crystal surface on the surface of the first crystal. . A method of depositing an outer porous non-acidic shell on a zeolite crystal surface is disclosed in US Pat. No. 4,088,605, which is incorporated herein by reference.
제올라이트 결정 표면상에 다공성 결정질 실리케이트 층 또는 쉘을 침착시키는 또다른 방법은 유기 지향제(organic directing agent; 예를 들면 테트라프로필암모늄 브로마이드, 콜로이드성 실리카), 및 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속 염기(예를 들면 수산화나트륨)를 바람직하게는 이 순서대로 혼합하여 알칼리성 수용액을 만들고, 제 1 결정을 상기 알칼리성 수용액에 첨가하고, 이 수성 혼합물을 저 알칼리성 결정 조건하에서 반응시켜 제 1 결정상에 비-산성 다공성 결정질 실리케이트 층을 형성시킴을 포함한다.Another method of depositing a porous crystalline silicate layer or shell on the zeolite crystal surface is an organic directing agent (e.g. tetrapropylammonium bromide, colloidal silica), and an alkali or alkaline earth metal base (e.g. Sodium hydroxide) is preferably mixed in this order to form an alkaline aqueous solution, a first crystal is added to the alkaline aqueous solution, and the aqueous mixture is reacted under low alkaline crystalline conditions to produce a non-acidic porous crystalline silicate layer. Forming a compound.
바람직한 제 1 제올라이트는 제올라이트 베타이다. 그의 제조방법은 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제 3,308,069 호 및 재발행 특허 제 28,341 호에 개시되어 있다. Preferred first zeolite is zeolite beta. Methods of making them are disclosed in US Pat. No. 3,308,069 and Reissue Pat. No. 28,341, incorporated herein by reference.
제 1 거대 기공 제올라이트로서 가장 유용한 유형의 제올라이트 베타는 다음 실험식(X/n)M·(1-X)Q·AlO2·Y SiO2·W H2O(여기서, X는 1 미만, 바람직하게는 0.75 미만이고, Y는 5보다 크고 100 미만이고, W는 약 4 이하이고, M은 금속 이온이고, n은 M의 원자가이고, Q는 수소 이온, 암모늄 이온 또는 유기 양이온, 또는 그의 혼합이다)를 갖는 결정질 알루미노실리케이트이다. 본 발명의 목적을 위해서, Y는 바람직하게는 5보다 크고 약 50보다 작다. 결과적으로, 상기 식에서 실리카 대 알루미늄의 원자비는 5:1보다 크고 100:1보다 작고, 바람직하게는 5:1보다 크고 약 50:1보다 작다.The most useful type of zeolite beta as the first macroporous zeolite is the following empirical formula (X / n) M. (1-X) Q.AlO 2 .Y SiO 2 .WH 2 O, where X is less than 1, preferably Less than 0.75, Y is greater than 5 and less than 100, W is about 4 or less, M is a metal ion, n is a valence of M, Q is a hydrogen ion, ammonium ion or organic cation, or a mixture thereof) Crystalline aluminosilicate having. For the purposes of the present invention, Y is preferably greater than 5 and less than about 50. As a result, the atomic ratio of silica to aluminum in the above formula is greater than 5: 1 and less than 100: 1, preferably greater than 5: 1 and less than about 50: 1.
상기 식에서 갈륨, 붕소 및 철과 같은 기타 원소가 알루미늄에 대해 다양하게 치환될 수 있다. 유사하게, 게르마늄 및 인과 같은 원소가 규소에 대해 다양하게 치환될 수 있다. In the above formula, other elements such as gallium, boron and iron may be variously substituted for aluminum. Similarly, elements such as germanium and phosphorus can be variously substituted for silicon.
적합한 유기 양이온은 수용액중에서 테트라에틸암모늄 브로마이드 또는 하이드록사이드, 다이벤질-1, 4-다이아자바이사이클로[2.2.2]옥탄 클로라이드, 다이메틸다이벤질 암모늄 클로라이드, 1,4-다이(1-아조늄 바이사이클로[2.2.2]옥탄)부탄 다이브로마이드 또는 다이하이드록사이드 등으로부터 유도된 양이온이다.Suitable organic cations are tetraethylammonium bromide or hydroxide, dibenzyl-1, 4-diazabicyclo [2.2.2] octane chloride, dimethyldibenzyl ammonium chloride, 1,4-di (1-azonium) in aqueous solution. Cations derived from bicyclo [2.2.2] octane) butane dibromide or dihydroxide and the like.
M은 전형적으로 유기 합성된 나트륨 이온이지만 이온 교환 또는 기공 충진과 같은 기법에 의해 첨가된 금속일 수도 있다. 적합한 금속 양이온은 주기율표 IA, IIA 또는 IIIA족의 것 또는 수소화 성분을 포함한다. 이러한 양이온의 예는 리튬, 칼륨, 칼슘, 마그네슘, 바륨, 란탄, 세륨, 니켈, 백금, 팔라듐 등의 이온을 포함한다. M is typically an organic synthesized sodium ion, but may also be a metal added by techniques such as ion exchange or pore filling. Suitable metal cations include those of the periodic table IA, IIA or IIIA or hydrogenation components. Examples of such cations include ions of lithium, potassium, calcium, magnesium, barium, lanthanum, cerium, nickel, platinum, palladium and the like.
제올라이트-결합된 제올라이트 촉매에 사용되는 제 2 제올라이트는 바람직하게는 제 1 제올라이트에 대해 전술된 바와 같은 유형의 거대 기공 제올라이트이다. 어떤 용도에서는, 제 2 제올라이트는 산성이 감소되거나 실질적으로 산성을 갖지 않으며, 알루미노실리케이트 제올라이트는 높은 실리카 대 알루미나 몰비로서 제조될 수 있다. 제 2 제올라이트가 알루미노실리케이트 제올라이트인 경우, 제 2 제올라이트의 실리카 대 알루미나의 비는 제올라이트의 구조형에 따라 다르고 임의의 특정 비로 제한되지 않는다. 그러나, 일반적으로 제올라이트의 구조형에 따라, 제 2 제올라이트는 약 2:1 이상의 실리카 대 알루미나 몰비를 가질 것이고, 어떤 알루미노실리케이트 제올라이트의 경우에는 실리카 대 알루미나 몰비가 보다 높은 10:1, 500:1, 1000:1일 수 있고, 어떤 용도에서는 더욱 더 미량의 알루미나를 함유할 수도 있다. 제 2 제올라이트는 바람직하게는 제 1 제올라이트의 중량을 기준으로 약 10 내지 약 60중량%의 범위로 존재한다. 더욱 바람직하게는 제 2 제올라이트의 양은 약 20 내지 약 50중량%이다. The second zeolite used in the zeolite-bonded zeolite catalyst is preferably a macroporous zeolite of the type as described above for the first zeolite. In some applications, the second zeolite is reduced in acid or substantially free of acid, and the aluminosilicate zeolite can be prepared with a high silica to alumina molar ratio. When the second zeolite is an aluminosilicate zeolite, the ratio of silica to alumina of the second zeolite depends on the structure type of the zeolite and is not limited to any particular ratio. Generally, however, depending on the structure of the zeolite, the second zeolite will have a silica to alumina molar ratio of at least about 2: 1, and for some aluminosilicate zeolites, the higher silica to alumina molar ratios of 10: 1, 500: 1, 1000: 1, and in some applications may contain even less traces of alumina. The second zeolite is preferably present in the range of about 10 to about 60 weight percent based on the weight of the first zeolite. More preferably, the amount of second zeolite is about 20 to about 50 weight percent.
제 2 제올라이트 결정은 바람직하게는 제 1 제올라이트 입자보다 더 작은 크기를 갖는다. 제 2 제올라이트 결정은 바람직하게는 1㎛ 미만, 더욱 바람직하게는 약 0.1 내지 약 0.5㎛의 평균 입경을 갖는다. 제 2 제올라이트 결정은 제 1 제올라이트 입자에 결합되어 촉매의 성능을 최대화할 뿐만 아니라 바람직하게는 결정간 성장하여 제 1 제올라이트를 피복시키거나 부분적으로 피복시키는 과-증식층을 형성한다. 바람직하게는 상기 피막은 내마모성이다. The second zeolite crystals preferably have a smaller size than the first zeolite particles. The second zeolite crystals preferably have an average particle diameter of less than 1 μm, more preferably from about 0.1 to about 0.5 μm. The second zeolite crystals are bonded to the first zeolite particles to maximize the performance of the catalyst as well as preferably form inter-growth layers that grow between the crystals to coat or partially coat the first zeolite. Preferably the coating is wear resistant.
제올라이트-결합된 제올라이트는 또한 촉매 활성인 금속과 같은 수소화 성분을 함유할 수 있다. 촉매 활성인 금속(들)이라 함은 옥사이드, 설파이드, 할라이드, 카복실레이트 등과 같은 원소 상태 또는 몇몇 기타 촉매적으로 활성인 형태의 금속(들)을 말하는 것이다. 이러한 촉매 활성인 금속은 당해 분야의 숙련자들에게 공지되어 있고, 예를 들면 주기율표의 IB, IIB, IIIA, IVA, VA, VIA, IVB, VB, VIB, VIIB 및 VIII족의 하나 이상의 금속을 포함한다. 적합한 금속의 예에는 백금, 팔라듐, 로듐, 이리듐, 철, 몰리브덴, 코발트, 텅스텐, 니켈, 망간, 티탄, 지르코늄, 바나듐, 하프늄, 아연, 주석, 납, 크롬 등을 포함한다. 촉매 활성 금속의 양은 일반적으로 촉매의 중량을 기준으로 약 0.001 내지 약 10중량%이고, 바람직하게는 약 0.05 내지 약 3.0중량%이다. 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매내에 수소화 성분을 혼입시키는 방법은 당해 분야의 숙련자들에게 잘 공지되어 있다. Zeolite-bonded zeolites may also contain hydrogenation components such as metals that are catalytically active. By catalytically active metal (s) is meant an elemental state such as oxides, sulfides, halides, carboxylates or the like or some other catalytically active form of metal (s). Such catalytically active metals are known to those skilled in the art and include, for example, one or more metals of groups IB, IIB, IIIA, IVA, VA, VIA, IVB, VB, VIB, VIIB and VIII of the Periodic Table. . Examples of suitable metals include platinum, palladium, rhodium, iridium, iron, molybdenum, cobalt, tungsten, nickel, manganese, titanium, zirconium, vanadium, hafnium, zinc, tin, lead, chromium and the like. The amount of catalytically active metal is generally from about 0.001 to about 10 weight percent, preferably from about 0.05 to about 3.0 weight percent, based on the weight of the catalyst. Methods of incorporating hydrogenation components into zeolite-bonded zeolite catalysts are well known to those skilled in the art.
제 2 제올라이트가 알루미노실리케이트인 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매를 다음에 기술한 바와 같은 3단계 공정에 의해 제조할 수 있다(그러나, 이 방법에만 국한시키려는 것은 아니다). 첫번째 단계는 제 1 제올라이트의 합성을 포함한다. 제 1 제올라이트를 제조하는 방법은 당해 분야의 숙련자들에게 잘 공지되어 있다. 예를 들면 제올라이트 베타의 경우, 그 방법은 미국 특허 제 3,308,069 호에 개시되어 있다. Zeolite-bonded zeolite catalysts in which the second zeolite is aluminosilicate may be prepared by a three step process as described below (but not limited to this method). The first step involves the synthesis of the first zeolite. Methods of making the first zeolite are well known to those skilled in the art. For example, for zeolite beta, the method is disclosed in US Pat. No. 3,308,069.
제 1 제올라이트를 제조한 후, 제올라이트 결정, 실리카 겔 또는 졸, 물 및 임의적으로는 압출 보조제를 포함하는 혼합물을 균질한 조성의 압출가능한 패이스트가 생길때까지 혼합시킴으로써 실리카-결합된 제올라이트를 제조할 수 있다. 임의적으로는 실리카에 알루미나를 넣을 수도 있다. 실리카-결합된 제올라이트 응집체를 제조하는데 사용되는 실리카 결합제는 통상적으로는 실리카 졸이고, 예를 들면 알루미나를 단지 소량(예를 들면 2중량% 미만)으로만 함유할 수 있다. 건조시에 압출물내의 제올라이트의 양은 약 40 내지 90중량%, 더욱 바람직하게는 약 50 내지 80중량%이고 그 나머지는 주로 실리카로서 예를 들면 약 20 내지 50중량%의 실리카이다. After preparing the first zeolite, silica-bonded zeolites can be prepared by mixing a mixture comprising zeolite crystals, silica gel or sol, water and optionally extrusion aids, until a homogeneous composition of extrudable paste is produced. Can be. Optionally, alumina may be added to silica. Silica binders used to prepare silica-bonded zeolite aggregates are typically silica sol and may contain, for example, only small amounts (eg less than 2% by weight) of alumina. The amount of zeolite in the extrudate upon drying is about 40 to 90 weight percent, more preferably about 50 to 80 weight percent and the remainder is primarily silica, for example about 20 to 50 weight percent silica.
이렇게 얻은 패이스트를 성형시키고(예를 들면 압출시키고), 작은 스트랜드(예를 들면 직경 2㎜ 압출물)로서 절단시키고, 이를 100 내지 150℃에서 4 내지 12시간동안 건조시킨 후, 약 400 내지 550℃의 공기중에서 약 1 내지 10시간동안 하소시킨다. The paste thus obtained is molded (eg extruded), cut into small strands (eg 2 mm diameter extrudate), dried at 100-150 ° C. for 4-12 hours and then about 400-550 Calculate for about 1 to 10 hours in air at < RTI ID = 0.0 >
임의적으로는, 실리카-결합된 응집체를 촉매적 크래킹(cracking)과 같은 유동베드 방법에서 유용한 매우 작은 입자로 만들 수 있다. 이는 바람직하게는 실리카를 함유하는 매트릭스 용액과 제올라이트를 혼합하여, 제올라이트 및 실리카 결합제의 수용액을 형성하고, 이를 분사 건조시켜 작은 유동성 실리카-결합된 응집체 입자를 형성시킴을 포함한다. 이러한 응집체 입자를 제조하는 방법은 당해 분야의 숙련자들에게 공지되어 있다. 이러한 방법의 예는 스케르저(Scherzer)의 문헌["Octane-Enhancing Zeolite FCC Catalysts", Julius Scherzer, Marcel Dekker, Inc. New York, 1990]에 기술되어 있다. 전술된 바와 같은 실리카-결합된 압출물과 마찬가지로, 유동성 실리카-결합된 응집체 입자는 실리카 결합제를 제 2 제올라이트로 전환시키는 후술될 최종 단계를 거친다. Optionally, the silica-bonded aggregates can be made into very small particles useful in fluid bed processes such as catalytic cracking. This preferably comprises mixing the silica solution with the zeolite and the zeolite to form an aqueous solution of the zeolite and silica binder, which is then spray dried to form small flowable silica-bonded aggregate particles. Methods of making such aggregate particles are known to those skilled in the art. Examples of such methods are described in Scherzer, "Octane-Enhancing Zeolite FCC Catalysts", Julius Scherzer, Marcel Dekker, Inc. New York, 1990. As with the silica-bonded extrudate as described above, the flowable silica-bonded agglomerate particles undergo a final step, described below, which converts the silica binder into a second zeolite.
3단계 촉매 제조 공정에서 최종 단계는 실리카-결합된 제올라이트내에 존재하는 실리카를 제 2 제올라이트로 전환시키는 것이다. 제 1 제올라이트 결정은 비-제올라이트 결합제를 상당량 사용하지 않고도 서로 결합된다. The final step in the three-step catalyst preparation process is the conversion of the silica present in the silica-bonded zeolite to a second zeolite. The first zeolite crystals are bonded to each other without using a significant amount of non-zeolitic binders.
제올라이트 촉매를 제조하기 위해서, 우선 실리카-결합된 응집체를 승온에서 적당한 수용액에서 노화시킬 수 있다. 이어서, 무정형 실리카 결합제가 목적하는 제 2 제올라이트로 전환되도록 용액의 내용물 및 응집체의 노화 온도를 선택해야 한다. 새롭게 형성된 제 2 제올라이트는 결정으로서 생성된다. 이 결정은 제 1 제올라이트 결정상에서 성장하고/하거나 거기에 접착될 수 있고, 일반적으로는 제 1 결정보다 훨씬 더 작은(예를 들면 서브-마이크론 크기) 새로운 결정간 성장된 결정 형태로 제조될 수 있다. 이들 새롭게 형성된 결정은 함께 성장하여 상호연결된다. To prepare the zeolite catalysts, the silica-bonded aggregates can first be aged in a suitable aqueous solution at elevated temperature. The aging temperature of the contents and agglomerates of the solution should then be chosen so that the amorphous silica binder is converted to the desired second zeolite. The newly formed second zeolite is produced as crystals. These crystals can be grown on and / or adhered to the first zeolite crystals and can be prepared in the form of new inter-crystal grown crystals, which are generally much smaller than the first crystal (eg sub-micron size). . These newly formed crystals grow together and are interconnected.
실리카의 제올라이트로의 2차 합성 전환에서 생성되는 제올라이트의 성질은 2차 합성 용액의 조성 및 합성 노화 조건의 함수로서 변할 수 있다. 2차 합성 용액은 바람직하게는 실리카를 목적하는 제올라이트로 전환시키기에 충분한 하이드록시 이온의 공급원을 함유하는 수성 이온 용액이다. 유기 아민과 같은 주형(template)을 첨가하여 전환 공정을 보조할 수 있다. 노화시킨 후에는 제올라이트-결합된 제올라이트를 용액으로부터 분리시키고, 세척하고, 건조시키고, 하소시킨다. The nature of the zeolite produced in the secondary synthesis conversion of the silica into the zeolite can vary as a function of the composition of the secondary synthesis solution and the synthetic aging conditions. The secondary synthesis solution is preferably an aqueous ionic solution containing a sufficient source of hydroxy ions to convert the silica to the desired zeolite. Templates such as organic amines can be added to assist in the conversion process. After aging the zeolite-bound zeolite is separated from the solution, washed, dried and calcined.
촉매를 당해 분야에 공지된 바와 같이 추가로 이온 교환시켜 제올라이트에 존재하는 원래의 알칼리 금속을 적어도 부분적으로는 상이한 양이온(예를 들면 주기율표의 IB족 내지 VIII족)으로 대체시키거나, 알칼리 금속을 중간체 암모늄으로 교체시킨 후 이 암모늄 형태를 하소시켜 산성 수소 형태를 제공함으로써 보다 산성형태의 제올라이트를 제공할 수 있다. 질산암모늄과 같은 적합한 산성 시약을 사용하여 이온 교환시킴으로써 산성 형태를 용이하게 제조할 수 있다. 이어서 제올라이트 촉매를 400 내지 550℃의 온도에서 10 내지 45시간동안 하소시켜 암모니아를 제거하고 산성 수소 형태를 형성할 수 있다. 이온 교환을 바람직하게는 제올라이트 촉매의 형성 후에 수행한다. The catalyst is further ion exchanged as is known in the art to replace the original alkali metal present in the zeolite at least partially with a different cation (e.g. groups IB to VIII of the periodic table), or the alkali metal as an intermediate After replacement with ammonium, this ammonium form can be calcined to provide an acidic hydrogen form to provide a more acidic zeolite. Acidic forms can be readily prepared by ion exchange using a suitable acidic reagent such as ammonium nitrate. The zeolite catalyst may then be calcined at a temperature of 400-550 ° C. for 10-45 hours to remove ammonia and form an acidic hydrogen form. Ion exchange is preferably carried out after the formation of the zeolite catalyst.
제올라이트-결합된 제올라이트 촉매는 방향족 탄화수소의 이성질화, 알킬화 및 알킬교환을 포함하는 탄화수소 전환 공정에서 촉매로서 특히 유용하다. 방향족 탄화수소의 알킬화 및 알킬교환과 관련된 공정은 본원에서 참고로 인용된 미국 특허 제 4,891,458 호에 개시되어 있다. Zeolite-bonded zeolite catalysts are particularly useful as catalysts in hydrocarbon conversion processes, including isomerization, alkylation and transalkylation of aromatic hydrocarbons. Processes associated with alkylation and transalkylation of aromatic hydrocarbons are disclosed in US Pat. No. 4,891,458, which is incorporated herein by reference.
알킬화를 수행하는 경우, 반응 조건은 다음과 같다. 방향족 탄화수소 공급물은 화학양론학적 과량으로 존재해야 한다. 촉매가 빠르게 오염되는 것을 방지하기 위해서 방향족 대 올레핀의 몰비는 바람직하게는 약 4:1 이상이어야 한다. 반응 온도는 100℉ 내지 600℉, 바람직하게는 250℉ 내지 450℉일 수 있다. 쿠멘이 생성되는 경우, 생성물의 불순물 함량을 낮추기 위해서는 온도 범위는 250℉ 내지 375℉인 것이 가장 바람직하다. 촉매 오염을 늦추기 위해서 반응 압력은 적어도 부분적으로라도 액체상을 유지시킬 정도로 충분해야 한다. 이는 공급물 및 반응 온도에 따라서 전형적으로 50 내지 1000psig이다. 접촉 시간은 10초 내지 10시간일 수 있지만, 통상적으로는 5분 내지 1시간이다. 시간당 촉매 1g(파운드)당 방향족 탄화수소 및 올레핀의 g(파운드)인 시간당 중량 공간 속도(weight hourly space velocity: WHSV)는 일반적으로 약 0.5 내지 50의 범위이다. When alkylation is carried out, the reaction conditions are as follows. Aromatic hydrocarbon feeds should be present in stoichiometric excess. The molar ratio of aromatic to olefins should preferably be at least about 4: 1 to prevent the catalyst from fouling rapidly. The reaction temperature may be between 100 ° F and 600 ° F, preferably between 250 ° F and 450 ° F. When cumene is produced, the temperature range is most preferably 250 ° F. to 375 ° F. in order to lower the impurity content of the product. To slow catalyst contamination, the reaction pressure must be sufficient to maintain the liquid phase, at least in part. It is typically 50 to 1000 psig depending on the feed and the reaction temperature. The contact time may be 10 seconds to 10 hours, but typically 5 minutes to 1 hour. Weight hourly space velocity (WHSV), which is g (pounds) of aromatic hydrocarbons and olefins per gram (lb) of catalyst per hour, is generally in the range of about 0.5 to 50.
알킬교환을 본 발명에 따라 수행하는 경우, 방향족 탄화수소 대 알킬방향족 탄화수소의 몰비는 일반적으로 약 0.5 내지 약 50:1이고, 바람직하게는 약 1:1 내지 약 20:1이다. 반응 온도는 약 100℉ 내지 1000℉이지만, 바람직하게는 약 250℉ 내지 900℉이다. 반응 압력은 전형적으로는 약 50psig 내지 1000psig, 바람직하게는 200psig 내지 600psig이다. 시간당 중량 공간 속도는 약 0.1 내지 10이다. When the transalkylation is carried out according to the invention, the molar ratio of aromatic hydrocarbons to alkylaromatic hydrocarbons is generally from about 0.5 to about 50: 1, preferably from about 1: 1 to about 20: 1. The reaction temperature is about 100 ° F to 1000 ° F, but is preferably about 250 ° F to 900 ° F. The reaction pressure is typically about 50 psig to 1000 psig, preferably 200 psig to 600 psig. The weight space velocity per hour is about 0.1 to 10.
알킬화 또는 알킬교환될 수 있는 적합한 방향족 탄화수소 공급물의 예는 벤젠, 톨루엔, 자일렌, 트라이메틸벤젠 또는 그의 혼합물과 같은 방향족 화합물을 포함한다. Examples of suitable aromatic hydrocarbon feeds that can be alkylated or transalkylated include aromatic compounds such as benzene, toluene, xylene, trimethylbenzene or mixtures thereof.
방향족 탄화수소의 알킬화에 적합한 올레핀은 에틸렌, 프로필렌, 부텐-1, 알킬교환-부텐-2 및 시스-부텐-2, 펜텐, 헥센, 옥텐, 노넨, 데센, 운데센, 도데센, 및 트라이데센 또는 그의 혼합물과 같은, 2 내지 30개의 탄소 원자를 함유하는 것이다. 바람직한 올레핀은 에틸렌 및 프로필렌이다. 이들 올레핀은 상응하는 C2-C30 파라핀과의 혼합물로서 존재할 수 있지만, 통상적으로는 촉매의 급격한 불활성화를 방지하기 위해서 올레핀 공급스트림에 존재할 수 있는 다이엔, 아세틸렌, 물, 황 화합물 또는 질소 화합물을 제거하는 것이 바람직하다. 그러나, 어떤 경우에서는, 촉매 성질을 최적화시키기 위해서 소량의 물 또는 질소 화합물을 조절하여 첨가하는 것이 바람직할 수 있다.Suitable olefins for the alkylation of aromatic hydrocarbons are ethylene, propylene, butene-1, transalkyl-butene-2 and cis-butene-2, pentene, hexene, octene, nonene, decene, undecene, dodecene, and tridecene or their It contains from 2 to 30 carbon atoms, such as mixtures. Preferred olefins are ethylene and propylene. These olefins may be present as a mixture with the corresponding C 2 -C 30 paraffins, but are typically dienes, acetylene, water, sulfur compounds or nitrogen compounds which may be present in the olefin feedstream to prevent rapid deactivation of the catalyst. It is desirable to remove. However, in some cases, it may be desirable to adjust and add small amounts of water or nitrogen compounds to optimize the catalytic properties.
알킬교환을 수행하는 경우, 알킬교환제는 1개 이상(예를 들면 1 내지 6개)의 알킬기를 함유하는 알킬-방향족 탄화수소이다. 각 군의 알킬방향족 탄화수소는 1 내지 약 14개의 탄소 원자를 함유하고, 바람직하게는 1 내지 약 6개의 탄소 원자를 함유할 것이다. 예를 들면, 적합한 알킬방향족 탄화수소는 메틸벤젠, 에틸벤젠, 다이메틸벤젠, 트라이메틸벤젠, 다이에틸벤젠, 트라이에틸벤젠, 다이에틸메틸벤젠(다이에틸톨루엔), 다이아이소프로필벤젠, 트라이아이소프로필벤젠, 다이아이소프로필톨루엔, 다이부틸벤젠 등과 같은 모노-, 다이-, 트라이- 및 테트라-알킬 방향족 탄화수소를 포함한다. 알킬교환제 및 알킬교환제에 의해 알킬화되는 방향족 탄화수소는 동일할 수 있는데, 예를 들면 둘다 에틸벤젠이어서 반응하여 다이에틸벤젠과 벤젠을 생성시킬 수 있다. When the transalkylation is carried out, the transalkylator is an alkyl-aromatic hydrocarbon containing at least one (eg 1 to 6) alkyl group. Each group of alkylaromatic hydrocarbons will contain from 1 to about 14 carbon atoms, and preferably from 1 to about 6 carbon atoms. For example, suitable alkylaromatic hydrocarbons include methylbenzene, ethylbenzene, dimethylbenzene, trimethylbenzene, diethylbenzene, triethylbenzene, diethylmethylbenzene (diethyltoluene), diisopropylbenzene, triisopropylbenzene Mono-, di-, tri- and tetra-alkyl aromatic hydrocarbons such as diisopropyltoluene, dibutylbenzene and the like. The aromatic hydrocarbons alkylated by the transalkylator and the transalkylator may be the same, for example both may be ethylbenzene and react to produce diethylbenzene and benzene.
본 발명의 공정을 사용하여 얻을 수 있는 반응 생성물은 벤젠과 에틸렌 또는 폴리에틸벤젠의 반응으로부터 얻어진 에틸벤젠, 벤젠과 프로필렌 또는 폴리아이소프로필벤젠의 반응으로부터 얻어진 쿠멘, 톨루엔과 에틸렌 또는 폴리에틸톨루엔의 반응으로부터 얻어진 에틸톨루엔, 톨루엔과 프로필렌 또는 폴리아이소프로필톨루엔의 반응으로부터 얻어진 시멘, 트라이메틸벤젠과 톨루엔의 반응으로부터 얻어진 자일렌, 및 벤젠과 n-부텐 또는 폴리부틸벤젠의 반응으로부터 얻어진 2차-부틸벤젠을 포함한다. The reaction products obtainable using the process of the present invention are reactions of cumene, toluene and ethylene or polyethyltoluene obtained from the reaction of ethylbenzene, benzene and propylene or polyisopropylbenzene obtained from the reaction of benzene and ethylene or polyethylbenzene. Ethyl toluene obtained from, toluene and cymen obtained from the reaction of propylene or polyisopropyltoluene, xylene obtained from the reaction of trimethylbenzene and toluene, and secondary-butylbenzene obtained from the reaction of benzene and n-butene or polybutylbenzene It includes.
알킬화 또는 알킬교환을 수행할 경우, 다양한 유형의 반응기를 본 발명의 공정에서 사용할 수 있다. 예를 들면, 촉매 및 방향족 공급물을 교반된 오토클레이브에 첨가하고, 반응 온도로 가열시키고, 이어서 올레핀 또는 알킬방향족 공급물을 서서히 첨가함으로써 회분식으로 공정을 수행할 수 있다. 열 전달 유체를 오토클레이브 재킷을 통해 순환시키거나, 반응열을 제거하고 일정 온도를 유지시키기 위해서 냉각기를 사용할 수도 있다. 대규모의 산업적 공정에서는 상향식 또는 하향식으로 작동되는 고정 베드 반응기 또는 같은 방향 또는 반대 방향으로 유동하는 촉매 및 탄화수소에 의해 작동되는 이동 베드 반응기를 사용할 수 있다. 이러한 반응기는 단일 촉매 베드 또는 다중 베드를 함유할 수 있고, 스테이지들 사이에서 올레핀을 첨가하거나 냉각시키기 위한 장치를 가질 수 있다. 스테이지들 사이의 올레핀 첨가 및 더욱 철저한 등온 공정은 생성물의 품질 및 촉매 수명을 향상시킨다. 이동 베드 반응기는 소모된 촉매를 재생시키기 위해 이를 연속적으로 제거하여 이것이 신선한 또는 재생된 촉매로 대체될 수 있게 한다. 촉매 증류 반응기를 또한 사용할 수 있고, 이는 알킬화 반응에 특히 유리하다. When performing alkylation or transalkylation, various types of reactors can be used in the process of the present invention. For example, the process can be carried out batchwise by adding the catalyst and the aromatic feed to the stirred autoclave, heating to the reaction temperature, and then slowly adding the olefin or alkylaromatic feed. Coolers may be used to circulate the heat transfer fluid through the autoclave jacket or to remove heat of reaction and maintain a constant temperature. Large scale industrial processes may use either fixed bed reactors operated in a bottom-up or top-down manner or moving bed reactors operated by catalysts and hydrocarbons flowing in the same or opposite directions. Such a reactor may contain a single catalyst bed or multiple beds and may have a device for adding or cooling olefins between stages. Addition of olefins between stages and a more thorough isothermal process improves product quality and catalyst life. The mobile bed reactor continuously removes the spent catalyst to regenerate it so that it can be replaced with fresh or recycled catalyst. Catalytic distillation reactors can also be used, which is particularly advantageous for alkylation reactions.
올레핀을 2개 이상의 스테이지에서 첨가하여 알킬화 공정을 수행할 수 있다. 바람직하게는, 둘 이상의 촉매 베드 또는 반응기가 직렬로 있을 것이며, 이때 적어도 일부분의 올레핀이 촉매 베드들 또는 반응기들 사이에 첨가된다. 스테이지들 사이의 냉각을 냉각 코일 또는 열 교환기를 사용하여 수행할 수 있다. 한편으로는, 스테이지들 사이의 냉각을 방향족 공급물의 단계적 첨가, 즉 방향족 공급물을 둘 이상의 스테이지에 첨가함으로써 수행할 수 있다. 이러한 경우, 전술된 올레핀의 단계적 첨가와 유사한 방식으로, 적어도 일부분의 방향족 공급물이 촉매 베드들 또는 반응기들 사이에 첨가된다. 방향족 공급물을 단계적으로 첨가함으로써 추가의 냉각이 이루어져서 반응열이 상쇄된다. The olefin may be added in two or more stages to carry out the alkylation process. Preferably, two or more catalyst beds or reactors will be in series, with at least a portion of the olefins added between the catalyst beds or reactors. Cooling between the stages can be performed using a cooling coil or a heat exchanger. On the one hand, cooling between the stages can be carried out by the stepwise addition of the aromatic feed, ie by adding the aromatic feed to two or more stages. In this case, at least a portion of the aromatic feed is added between the catalyst beds or reactors in a manner similar to the staged addition of olefins described above. By adding the aromatic feed in stages, further cooling takes place to offset the heat of reaction.
고정 베드 반응기 또는 이동 베드 반응기에서, 알킬화는 비교적 짧은 반응 대역에서 완결되고 이어서 올레핀이 도입된다. 반응하는 방향족 분자의 10 내지 30%가 1회 이상 알킬화될 수 있다. 알킬교환은 알킬화 대역에서도 일어나고 촉매 베드의 나머지 부분에서도 일어나는 더욱 느린 반응이다. 알킬교환 반응이 평형이 되면, 모노알킬화된 생성물에 대한 선택성이 90중량% 이상이 될 수 있다. In fixed bed reactors or mobile bed reactors, alkylation is completed in a relatively short reaction zone followed by the introduction of olefins. 10-30% of the reacting aromatic molecules may be alkylated one or more times. The transalkylation is a slower reaction that occurs in the alkylation zone and also occurs in the rest of the catalyst bed. When the transalkylation reaction is equilibrated, the selectivity to the monoalkylated product may be at least 90% by weight.
알킬화 반응기 유출물은 과량의 방향족 공급물, 모노알킬화 생성물, 알킬화 생성물 및 다양한 불순물을 함유한다. 방향족 공급물은 증류에 의해 회수되며 알킬화 반응기로 재순환된다. 통상적으로 작은 퍼징 스트림이 재순환 스트림으로부터 취해져서 루프로부터 미반응성 불순물이 제거된다. 벤젠 증류물로부터 취해진 저부 물질들을 추가로 증류시켜 모노알킬화된 생성물이 알킬화 생성물 및 기타 무거운 물질로부터 제거될 수 있게 한다. 대부분의 경우에서, 회수된 모노알킬화된 생성물은 매우 순수해야 한다. 예를 들면, 현재로서는 에틸벤젠 및 부틸벤젠 각각을 500ppm 미만으로 갖는 쿠멘의 순도가 99.9%이기를 요구하고 있다. 부산물인 에틸벤젠과 n-프로필벤젠의 적은 부분만이 증류에 의해 경제학적으로 제거되므로, 에틸렌을 거의 함유하지 않는 공급물 및 매우 적은 불순물만을 생성시키는 촉매를 사용하는 것이 중요하다.The alkylation reactor effluent contains excess aromatic feed, monoalkylation products, alkylation products and various impurities. The aromatic feed is recovered by distillation and recycled to the alkylation reactor. Typically a small purging stream is taken from the recycle stream to remove unreacted impurities from the loop. The bottoms material taken from the benzene distillate is further distilled to allow the monoalkylated product to be removed from the alkylated product and other heavy materials. In most cases, the recovered monoalkylated product should be very pure. For example, at present, the purity of cumene having less than 500 ppm of ethylbenzene and butylbenzene is required to be 99.9%. Since only a small fraction of the by-products ethylbenzene and n-propylbenzene are economically removed by distillation, it is important to use a catalyst that produces little feed of ethylene and very few impurities.
추가의 모노알킬화된 생성물을 알킬교환에 의해 제조할 수 있다. 알킬화된 생성물을 알킬화 반응기로 재순환시켜 알킬교환 반응시키거나 이들을 별도의 반응기에서 추가의 방향족 공급물로 처리할 수 있다. 통상적으로는, 모노알킬화 생성물의 증류로부터 생성된 저부 물질들을 화학양론학적으로 과량인 방향족 공급물과 블렌드시키고 이 혼합물을 적합한 알킬교환 반응 촉매상의 개별적인 반응기에서 반응시키는 것이 바람직하다. 알킬교환 반응기로부터 나온 유출물을 알킬화 반응기 유출물 및 증류된 스트림의 혼합물과 혼합시킨다. 퍼징 스트림을 알킬화 생성물 스트림으로부터 취하여 미반응성의 무거운 물질들을 루프로부터 제거하거나, 알킬교환전에 알킬화 생성물 스트림을 증류시켜 무거운 물질들을 제거할 수 있다.Additional monoalkylated products can be prepared by transalkylation. The alkylated products can be recycled to the alkylation reactor for alkylation or they can be treated with additional aromatic feed in a separate reactor. Typically, it is desirable to blend the bottoms material resulting from the distillation of the monoalkylation product with a stoichiometric excess of aromatic feed and to react the mixture in separate reactors on a suitable transalkylation catalyst. The effluent from the transalkylation reactor is mixed with the mixture of the alkylation reactor effluent and the distilled stream. The purge stream can be taken from the alkylation product stream to remove unreactive heavy materials from the loop, or the alkylation product stream can be distilled off to remove the heavy materials prior to transalkylation.
이성질화를 수행하는 경우, 사용되는 방향족 탄화수소 공급물은 고리상에 바람직하게는 2 내지 3개의 알킬기 치환체를 함유하는 이성질화가능한 모노사이클릭 알킬방향족 탄화수소, 및 바람직하게는 고리상에 2 내지 4개의 알킬기 치환체를 함유하는 이성질화가능한 바이사이클릭 알킬방향족 탄화수소를 포함할 것이다. 이러한 탄화수소에는 (A) 하기 화학식 I의 모노사이클릭 알킬방향족 탄화수소, 및 (B) 하기 화학식 II의 바이사이클릭 알킬방향족 탄화수소를 포함한다:When isomerization is carried out, the aromatic hydrocarbon feed used is an isomerizable monocyclic alkylaromatic hydrocarbon containing preferably 2 to 3 alkyl group substituents on the ring, and preferably 2 to 4 carbon atoms on the ring. And isomerizable bicyclic alkylaromatic hydrocarbons containing alkyl group substituents. Such hydrocarbons include (A) a monocyclic alkylaromatic hydrocarbon of formula (I), and (B) a bicyclic alkylaromatic hydrocarbon of formula (II):
상기 식에서, Where
R1은 1 내지 약 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬기이고;R 1 is an alkyl group having 1 to about 4 carbon atoms;
X는 2 내지 3의 정수이고 알킬기 수와 동일하고;X is an integer from 2 to 3 and equal to the number of alkyl groups;
R2 및 R3은 1 내지 약 4개의 탄소 원자를 갖는 알킬기로부터 독립적으로 선택되고;R 2 and R 3 are independently selected from alkyl groups having 1 to about 4 carbon atoms;
Y는 0 내지 2의 정수이고;Y is an integer from 0 to 2;
Z는 0 내지 2의 정수이고;Z is an integer from 0 to 2;
Y와 Z의 합은 1 내지 4의 정수이고 알킬기의 총 수와 동일하다. The sum of Y and Z is an integer from 1 to 4 and is equal to the total number of alkyl groups.
R1, R2 및 R3은 직쇄 또는 분지쇄 알킬기일 수 있다. 적합한 알킬기의 예는 메틸, 에틸, n-프로필, n-부틸, 아이소프로필, 아이소부틸, 또는 그의 조합을 포함한다. 바람직한 기는 메틸이다.R 1 , R 2 and R 3 may be straight or branched chain alkyl groups. Examples of suitable alkyl groups include methyl, ethyl, n-propyl, n-butyl, isopropyl, isobutyl, or combinations thereof. Preferred group is methyl.
적합한 모노사이클릭 알킬방향족 탄화수소는 자일렌(예를 들면 파라-자일렌, 오르토-자일렌 및 메타-자일렌), 다이에틸벤젠(예를 들면 1,4-다이에틸벤젠, 1,2-다이에틸벤젠 및 1,3-다이에틸벤젠), 트라이메틸벤젠(예를 들면 메시틸렌(1,3,5-트라이메틸벤젠), 헤미멜리텐(1,2,3-트라이메틸벤젠), 슈도쿠멘(1,2,4-트라이메틸벤젠)), 에틸톨루엔, 트라이에틸벤젠(예를 들면 1,3,5-트라이에틸벤젠), 메틸프로필벤젠, 에틸프로필벤젠, 다이프로필벤젠, 다이아이소프로필벤젠, 트라이아이소프로필벤젠 등을 포함한다. 적합한 바이사이클릭 알킬방향족 탄화수소는 모노알킬나프탈렌(예를 들면 1-메틸나프탈렌 및 3-에틸나프탈렌), 다이알킬나프탈렌(예를 들면 1,2-다이메틸나프탈렌, 1,2-다이에틸나프탈렌, 2,3-다이메틸나프탈렌, 2,3-다이프로필나프탈렌, 2,6-다이메틸나프탈렌, 2,6-다이부틸-나프탈렌) 등을 포함한다.Suitable monocyclic alkylaromatic hydrocarbons include xylenes (eg para-xylene, ortho-xylene and meta-xylene), diethylbenzenes (eg 1,4-diethylbenzene, 1,2-di Ethylbenzene and 1,3-diethylbenzene), trimethylbenzene (e.g. mesitylene (1,3,5-trimethylbenzene), hemimelitene (1,2,3-trimethylbenzene), sudoku Men (1,2,4-trimethylbenzene)), ethyltoluene, triethylbenzene (e.g. 1,3,5-triethylbenzene), methylpropylbenzene, ethylpropylbenzene, dipropylbenzene, diisopropyl Benzene, triisopropylbenzene and the like. Suitable bicyclic alkylaromatic hydrocarbons include monoalkylnaphthalenes (eg 1-methylnaphthalene and 3-ethylnaphthalene), dialkylnaphthalenes (eg 1,2-dimethylnaphthalene, 1,2-diethylnaphthalene, 2 , 3-dimethylnaphthalene, 2,3-dipropylnaphthalene, 2,6-dimethylnaphthalene, 2,6-dibutyl-naphthalene) and the like.
알킬방향족 탄화수소 공급물은 고리상에 2 내지 3개의 알킬기를 갖는 모노사이클릭 알킬방향족 탄화수소 및/또는 바이사이클릭 알킬방향족 탄화수소로만 이루어질 수 있거나 에틸벤젠 및 톨루엔과 같은 기타 방향족 탄화수소를 포함할 수도 있다. The alkylaromatic hydrocarbon feed may consist solely of monocyclic alkylaromatic hydrocarbons and / or bicyclic alkylaromatic hydrocarbons having 2 to 3 alkyl groups on the ring or may include other aromatic hydrocarbons such as ethylbenzene and toluene.
본 발명의 방법은 하나 이상의 자일렌 이성질체를 C8 방향족 공급물에서 이성질화시켜 오르토-, 메타- 및 파라-자일렌을 대략 평형 비율로 얻는데 있어서 특히 유용하다. 특히, 자일렌 이성질화를 분리 공정과 함께 사용하여 파라-자일렌을 제조할 수 있다. 예를 들면 혼합된 C8 방향족 스트림에서 파라-자일렌의 일부를 당해 분야에 공지된 방법, 예를 들면 결정화, 흡착 등을 사용하여 회수할 수 있다. 이렇게 얻어진 스트림을 자일렌 이성질화 조건하에서 반응시켜 오르토-, 메타- 및 파라자일렌을 거의 평형 비율로 복구시킬 수 있다. 이와 동시에, 공급물내의 에틸벤젠을 자일렌의 총 손실이 거의 없게 전환시키는 것이 바람직하다. 본원에서 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매는 에틸벤젠의 탈에틸화 동안에 형성된 에텐을 수소화시켜 에틸화 생성물의 형성을 감소시키는, 백금과 같은 수소화/탈수소화 성분을 함유할 것이다. 목적하지 않은 부 반응물을 최소화시키면서 자일렌 이성질화 및 에틸벤젠 탈알킬화가 균형을 이루도록 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매의 제 1 제올라이트 및 제 2 제올라이트의 산성을 선택할 수 있다. 이성질화 조건하에서 하나 이상의 자일렌 이성질체 또는 에틸벤젠 또는 그의 혼합물을 함유하는 C8 방향족 스트림을 제올라이트-결합된 제올라이트 촉매와 접촉시킴으로써 이성질화 공정을 수행한다.The process of the invention is particularly useful for isomerizing one or more xylene isomers in a C 8 aromatic feed to obtain ortho-, meta- and para-xylene in approximately equilibrium ratios. In particular, xylene isomerization can be used in conjunction with a separation process to produce para-xylene. For example, part of the para-xylene in the mixed C 8 aromatic stream can be recovered using methods known in the art, such as crystallization, adsorption and the like. The stream thus obtained can be reacted under xylene isomerization conditions to recover ortho-, meta- and paraxylene at near equilibrium ratios. At the same time, it is desirable to convert ethylbenzene in the feed with little total loss of xylene. The zeolite-bonded zeolite catalyst herein will contain a hydrogenation / dehydrogenation component, such as platinum, which hydrogenates ethene formed during deethylation of ethylbenzene to reduce the formation of ethylation products. The acidity of the first zeolite and the second zeolite of the zeolite-bonded zeolite catalyst can be chosen to balance xylene isomerization and ethylbenzene dealkylation while minimizing undesired side reactions. The isomerization process is performed by contacting a C 8 aromatic stream containing one or more xylene isomers or ethylbenzene or mixtures thereof with a zeolite-bound zeolite catalyst under isomerization conditions.
증기상에서, 적합한 이성질화 조건은 온도 범위가 250℃ 내지 600℃, 바람직하게는 300℃ 내지 550℃이고, 압력 범위는 0.5 내지 50atm abs이고, 바람직하게는 10 내지 25atm abs이고, 시간당 중량 공간 속도는 0.1 내지 100, 바람직하게는 0.5 내지 50이다. 임의적으로는 증기상에서의 이성질화를 알킬벤젠 1몰당 0.1 내지 10.0몰의 수소의 존재하에서 수행한다. 수소를 사용할 경우, 촉매는 주기율표의 VIII족으로부터 선택된 수소화/탈수소화 성분, 특히 백금, 팔라듐 또는 니켈을 0.01 내지 2.0중량%로 포함한다. VIII족 금속 성분은 금속, 및 옥사이드와 설파이드와 같은 그의 화합물을 뜻한다. In the vapor phase, suitable isomerization conditions have a temperature range of 250 ° C. to 600 ° C., preferably 300 ° C. to 550 ° C., a pressure range of 0.5 to 50 atm abs, preferably 10 to 25 atm abs, and the hourly weight space velocity is 0.1 to 100, preferably 0.5 to 50. Optionally isomerization in the vapor phase is carried out in the presence of 0.1 to 10.0 moles of hydrogen per mole of alkylbenzene. When using hydrogen, the catalyst comprises from 0.01 to 2.0% by weight of hydrogenated / dehydrogenated components, in particular platinum, palladium or nickel, selected from group VIII of the periodic table. Group VIII metal components refer to metals and their compounds such as oxides and sulfides.
하기 실시예는 본 발명을 예시한다.The following examples illustrate the invention.
실시예 1: 촉매 A의 제조-모르데나이트-결합된 모르데나이트Example 1 Preparation of Catalyst A-mordenite-bonded Mordenite
하기 표 1과 같이 모르데나이트를 실리카-결합된 입자로 형성시켰다:Mordenite was formed into silica-bound particles as shown in Table 1 below:
상기 성분들을 상기 열거된 순서대로 가정용 혼합기에서 혼합하였다. 메토셀을 첨가한 후, 증점된 도우(dough)를 얻었다. 총 혼합 시간은 약 24분이었다. The components were mixed in a domestic mixer in the order listed above. After addition of methocel, thickened dough was obtained. Total mixing time was about 24 minutes.
도우를 2㎝ 조각이 되게 부수고, 120℃에서 건조시키고, 파쇄시키고, 1 내지 2㎜의 분획을 체로 걸렀다. 체로 거른 분획을 공기중에서 510℃에서 8시간동안 하소시켰다. The dough was broken into 2 cm pieces, dried at 120 ° C., crushed and sieved through a fraction of 1-2 mm. The sifted fractions were calcined in air at 510 ° C. for 8 hours.
실리카-결합된 하소된 입자의 조성은 모르데나이트 69.95중량% 및 SiO2 30.05중량%였다. 실리카-결합된 모르데나이트 입자를 하기 표 2와 같이 모르데나이트에 의해 결합된 모르데나이트로 전환시켰다.The composition of the silica-bonded calcined particles was 69.95 wt% mordenite and 30.05 wt% SiO 2 . Silica-bonded mordenite particles were converted to bonded mordenite by mordenite as shown in Table 2 below.
성분 1 및 2를 성분 3을 함유하는 비이커에 용해시켜 용액을 만들고 수분 손실량을 보정하였다. 용액을 300㎖의 스테인레스 강 오토클레이브에 부었다. 성분 4를 사용하여 비이커를 헹구고 오토클레이브에 부었다. 이어서, 성분 5를 오토클레이브의 내용물에 첨가하고 내용물을 교반하였다. 최종적으로 80g의 실리카-결합된 입자를 오토클레이브의 내용물에 첨가하였다. 입자는 액체로 덮였다. 합성 혼합물의 몰 조성은 0.79 Na2O/0.48 (TEA)2O/0.33 Al2O3/10 SiO2/169 H2O이었다. 오토클레이브를 오븐 속에 넣고 2시간동안 150℃ 이하로 가열시키고 이 온도에서 96시간동안 유지시켰다. 노화 시간이 흐른 후, 오토클레이브를 열고 생성물을 수거하였다.Components 1 and 2 were dissolved in a beaker containing component 3 to make a solution and to correct for moisture loss. The solution was poured into 300 ml stainless steel autoclave. The beaker was rinsed using component 4 and poured into the autoclave. Component 5 was then added to the contents of the autoclave and the contents were stirred. Finally 80 g of silica-bound particles were added to the contents of the autoclave. The particles were covered with liquid. Molar composition of the synthesis mixture was 0.79 Na 2 O / 0.48 (TEA ) was 2 O / 0.33 Al 2 O 3 /10 SiO 2/169 H 2 O. The autoclave was placed in an oven and heated to 150 ° C. or lower for 2 hours and held at this temperature for 96 hours. After the aging time, the autoclave was opened and the product collected.
생성물을 60℃에서 1400㎖의 물로 7회 세척하였다. 최종 세척수의 전도도는 75㎛S/㎝이었다. 생성물을 120℃에서 밤새 건조시키고, 이어서 500℃에서 20시간동안 공기중에서 하소시켰다. 회수된 생성물의 양은 75.8g이었다. The product was washed 7 times with 1400 mL of water at 60 ° C. The conductivity of the final wash water was 75 μm S / cm. The product was dried overnight at 120 ° C. and then calcined in air at 500 ° C. for 20 hours. The amount of product recovered was 75.8 g.
생성된 압출물을 x-레이 회절(XRD) 및 주사전자현미경(SEM)에 의해 하기 표 3과 같이 특징지었다. The resulting extrudate was characterized by x-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) as shown in Table 3 below.
실시예 2: 촉매 B의 제조-제올라이트 베타에 의해 결합된 제올라이트 베타Example 2 Preparation of Catalyst B— Zeolite Beta Bound by Zeolite Beta
제올라이트 베타(나트륨 형태 및 실리카 대 알루미나 몰비 26)를 하기 표 4와 같이 실리카-결합된 압출물로 형성시켰다:Zeolite beta (sodium form and silica to alumina molar ratio 26) was formed from silica-bonded extrudate as shown in Table 4 below:
성분을 열거된 순서대로 혼합하였다. 총 혼합 시간은 약 28분이었다. 가소성 압출가능한 도우가 얻어졌다. 도우를 약 2㎜ 압출물로 압출시켰다. 압출물을 120℃에서 밤새 건조시키고 510℃에서 8시간동안 하소시켰다. The ingredients were mixed in the order listed. Total mixing time was about 28 minutes. Plastic extrudeable dough was obtained. The dough was extruded into about 2 mm extrudate. The extrudate was dried overnight at 120 ° C. and calcined at 510 ° C. for 8 hours.
하소된 실리카-결합된 압출물의 조성은 베타 69.90중량%, SiO2 30.05중량%이었다.The composition of the calcined silica-bonded extrudate was 69.90 wt% beta, 30.05 wt% SiO 2 .
실리카-결합된 압출물을 하기 표 5와 같이 제올라이트 베타에 의해 결합된 제올라이트 베타로 전환시켰다.Silica-bonded extrudate was converted to bound zeolite beta by zeolite beta as shown in Table 5 below.
실온에서 성분 1 및 2를 성분 3과 비이커에서 용해시켜 용액을 형성하였다. 용액을 300㎖의 스테인레스 강 오토클레이브에 부었다. 성분 4를 사용하여 비이커를 헹구고 이어서 오토클레이브의 내용물에 첨가하였다. 오토클레이브의 내용물을 교반하고 최종적으로 50.00g(무수 중량)의 베타 결정을 오토클레이브의 내용물에 첨가하였다. 합성 혼합물의 몰 조성은 0.37 Na2O/ 3.63 TEAOH/0.32 Al2O3/10 SiO2/223 H2O이었다.At room temperature, components 1 and 2 were dissolved in component 3 and the beaker to form a solution. The solution was poured into 300 ml stainless steel autoclave. The beaker was rinsed using component 4 and then added to the contents of the autoclave. The contents of the autoclave were stirred and finally 50.00 g (anhydrous weight) beta crystals were added to the contents of the autoclave. Molar composition of the synthesis mixture was 0.37 Na 2 O / 3.63 TEAOH / 0.32 Al 2 O 3/10 SiO 2/223 H 2 O.
오토클레이브를 실온에서 오븐에 넣었다. 오븐을 2시간동안 150℃로 가열시킨 후 72시간동안 150℃에서 유지시켰다. 이렇게 얻은 생성물을 150㎖의 물로 60℃에서 8회 세척하였다. 최종 세척수의 전도도는 48㎛S/㎝이었다. 생성물을 120℃에서 밤새 건조시킨 후 500℃에서 공기중에서 20시간동안 하소시켰다. 회수된 생성물의 양은 55.26g이었다. The autoclave was placed in an oven at room temperature. The oven was heated to 150 ° C. for 2 hours and then held at 150 ° C. for 72 hours. The product thus obtained was washed eight times at 60 ° C. with 150 ml of water. The conductivity of the final wash water was 48 μm S / cm. The product was dried overnight at 120 ° C. and then calcined in air at 500 ° C. for 20 hours. The amount of product recovered was 55.26 g.
생성물을 XRD 및 SEM으로 분석하여 하기 표 6의 결과를 얻었다.The product was analyzed by XRD and SEM to give the results in Table 6 below.
실시예 3Example 3
촉매 B에 대해 알킬화제로서 1-도데센을 사용하여 벤젠의 알킬화를 시험해 보았다. 사용전에, 촉매 B를 70℃에서 그의 중량의 5배 과량의 1.0N 수성 질산암모늄으로 3회 처리하였다. 이어서, 최종 세척수의 전도도가 75㎛SCM 미만이 될 때까지 촉매 B를 탈이온수로 세척하고 70℃에서 밤새 건조시켰다. 최종적으로, 촉매 B를 35℃ 내지 435℃로 약 3시간 내지 30분동안 가열시키고, 435℃에서 2시간동안 유지시키고, 이어서 510℃에서 5시간동안 유지시켰다. ICPES 분석 결과 촉매의 나트륨 함량은 83ppm이었다. Catalyst B was tested for alkylation of benzene using 1-dodecene as alkylating agent. Prior to use, Catalyst B was treated three times with 1.0 N aqueous ammonium nitrate in excess of 5 times its weight at 70 ° C. The catalyst B was then washed with deionized water and dried at 70 ° C. overnight until the conductivity of the final wash water was less than 75 μm SCM. Finally, catalyst B was heated from 35 ° C. to 435 ° C. for about 3 to 30 minutes, held at 435 ° C. for 2 hours, and then at 510 ° C. for 5 hours. ICPES analysis showed that the sodium content of the catalyst was 83 ppm.
200℃에서 1.12g의 촉매 B를 1시간동안 건조시킴으로써 시험을 수행하였다. 이어서, 촉매 B를 질소 공급물로 65℃로 냉각시켰다. 냉각후, 10.6g의 데칸, 5.89g의 벤젠 및 2.12g의 1-도데센을 교반시키면서 질소하에서 공급물에 첨가하였다. 샘플을 다양한 간격으로 취하고 기체 크로마토그래피에 의해 분석하였다. The test was carried out by drying 1.12 g of catalyst B at 200 ° C. for 1 hour. Catalyst B was then cooled to 65 ° C. with a nitrogen feed. After cooling, 10.6 g of decane, 5.89 g of benzene and 2.12 g of 1-dodecene were added to the feed under nitrogen with stirring. Samples were taken at various intervals and analyzed by gas chromatography.
시판되는 알루미나-결합된 H-베타 제올라이트 촉매(30중량%의 알루미나 및 SiO2/Al2O3=11:1)를 사용하여 시험을 수행하였다. 촉매 B에 대해서도 동일한 시험을 수행하였다. 반응 생성물은 페닐기가 C12 쇄를 따라 상이한 위치에서 결합된 도데실벤젠이었다. 생성물 선택성(총 알킬화 생성물을 기준으로 함) 및 1-도데센 전환이 하기 표 I에 기재되어 있다:The test was carried out using commercially available alumina-bonded H-beta zeolite catalyst (30 wt% alumina and SiO 2 / Al 2 O 3 = 11: 1). The same test was conducted for catalyst B. The reaction product was dodecylbenzene in which phenyl groups were bonded at different positions along the C 12 chain. Product selectivity (based on total alkylation product) and 1-dodecene conversion are described in Table I below:
실시예 4Example 4
5.5g의 촉매 B에 대해서 에틸렌을 사용하여 벤젠의 알킬화를 시험하였다. 시험을 다음의 방법을 사용하여 수행하였다: 5.5g의 촉매를 강철 메쉬의 2개의 동심원 실린더로 이루어진 촉매 바스켓의 중앙에 넣었다. 바스켓의 나머지를 불활성 3A 제올라이트 1/16" 압출물로 채웠다. 이어서, 바스켓을 300cc의 교반된(750rpm) 오토클레이브 반응기에 넣었다. 벤젠(54.6g/h), 에틸렌(68.9 std ㎖/분) 및 수소(73.3 std ㎖/분)를 포함하는 공급물을 반응기에 넣었다. 반응기의 온도는 180℃였고 수행 시간은 16시간이었다. 액체 및 기체 스트림을 기체 크로마토그래피에 의해 정기적으로 분석하였다. 5.5 g of catalyst B was tested for alkylation of benzene using ethylene. The test was carried out using the following method: 5.5 g of catalyst was placed in the center of a catalyst basket consisting of two concentric cylinders of steel mesh. The rest of the basket was filled with an inert 3A zeolite 1/16 "extrudate. The basket was then placed in a 300 cc stirred (750 rpm) autoclave reactor. Benzene (54.6 g / h), ethylene (68.9 std ml / min) and A feed containing hydrogen (73.3 std ml / min) was placed in the reactor The temperature of the reactor was 180 ° C. and the run time was 16 hours The liquid and gas streams were regularly analyzed by gas chromatography.
실시예 3에서 분석된 시판되는 알루미나-결합된 베타 제올라이트를 사용하여 시험을 또한 수행하였다. 촉매 B와 동일한 방법으로 시험을 수행하되, 단 SiO2/Al2O3 비가 더 높아서 알루미늄-결합된 촉매가 더 높은 활성을 갖기 때문에, 2개의 촉매를 비교하기 위해서 에틸렌을 86.6 std ㎖/분으로 공급하고, 수소를 46.7std ㎖/분으로 공급하였다.The test was also performed using commercially available alumina-linked beta zeolites analyzed in Example 3. The test is carried out in the same manner as for catalyst B, except that the aluminum-bonded catalyst has higher activity since the SiO 2 / Al 2 O 3 ratio is higher, so that ethylene is added at 86.6 std ml / min to compare the two catalysts. It was fed and hydrogen was supplied at 46.7 std ml / min.
이 시험의 결과는 하기 표 II에 기재되어 있다:The results of this test are listed in Table II below:
데이터는 촉매 B가 우수한 에틸렌 선택성을 갖고 있음을 보여준다. The data shows that catalyst B has good ethylene selectivity.
실시예 5Example 5
촉매 A 및 시판되는 알루미나-결합된 모르데나이트 촉매를 34중량%의 톨루엔, 17중량%의 1,3,5-트라이메틸벤젠, 41중량%의 1,2,4-트라이메틸벤젠, 및 1,2,3-트라이메틸벤젠을 함유하는 공급물을 사용하여 방향족의 알킬교환에 대해서 시험하였다. Catalyst A and commercially available alumina-bonded mordenite catalysts were prepared by mixing 34% by weight of toluene, 17% by weight of 1,3,5-trimethylbenzene, 41% by weight of 1,2,4-trimethylbenzene, and 1 A feed containing 2,3-trimethylbenzene was tested for alkylalkyl exchange.
4.5g의 촉매를 4.5g의 석영과 혼합하고 이어서 이를 직경 0.5인치의 스테인레스 강 반응기에 넣었다. 반응기의 총 길이는 5인치였다. 반응기에는 베드의 실제 온도를 측정하기 위한 축방향 써모-웰(thermo-well)이 장착되어 있다. 716℉의 온도, 72.5psig의 압력, 705cc/분의 수소 유속 및 8.5g/시의 모델 공급물 유속에서 촉매의 탈-에징(de-edging)을 12.5분동안 수행하였다. 탈-에징후, 촉매를 716℉의 온도, 335cc/분의 수소 유속 및 72.5psig의 압력에서 1시간동안 수소 스트립핑시켰다. 수소 스트립핑이 끝난 후, 모델 공급물을 수소 스트림내로 도입시켰다. 716℉에서 1시간 동안 초기 수행시켰고, 스트림상에서 3시간이 흐른 후에 온도는 892℉로 증가되었다. 시험 조건 및 결과는 하기 표 III에 기재되어 있다. 4.5 g of catalyst were mixed with 4.5 g of quartz and then placed in a stainless steel reactor 0.5 inches in diameter. The total length of the reactor was 5 inches. The reactor is equipped with an axial thermo-well for measuring the actual temperature of the bed. De-edging of the catalyst was performed for 12.5 minutes at a temperature of 716 ° F., a pressure of 72.5 psig, a hydrogen flow rate of 705 cc / min and a model feed flow rate of 8.5 g / hr. After de-aging, the catalyst was hydrogen stripped for 1 hour at a temperature of 716 ° F., a hydrogen flow rate of 335 cc / min and a pressure of 72.5 psig. After the hydrogen stripping, the model feed was introduced into the hydrogen stream. Initial run was performed at 716 ° F. for 1 hour and after 3 hours on the stream the temperature was increased to 892 ° F. Test conditions and results are listed in Table III below.
이들 데이터를 보면, 촉매 A가 알루미나-결합된 모르데나이트 촉매보다 높은 활성을 갖고 보다 높은 자일렌 선택성을 갖는다는 것을 알 수 있다. These data show that Catalyst A has higher activity and higher xylene selectivity than the alumina-bonded mordenite catalyst.
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