KR960010775B1 - 염화수소의 산화에 의한 염소제조용 염화세륨-삼산화이크롬 촉매 및 이의 제조방법 - Google Patents
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Abstract
내용 없음.
Description
본 발명은 염화수소를 산화시켜 염소를 제조하는데 유용한 신규한 염화세륨-삼산화이크롬 촉매 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 촉매는 삼산화크롬(CrO3)와 염화세륨(CeCl3)과의 수용액을 에탄올과 반응시켜 얻어진 염화세륨-삼산화이크롬(CeCl3-Cr2O3) 수화물을 건조 소성하여 제조하거나, 또는 삼산화크롬(CrO3)을 에탄올과 반응시켜 얻어진삼산화이크롬(Cr2O3)에 염화세륨을 담지시켜 얻는다.
화학 공업의 중요한 원료인 염소는 유기 염소 화합물의 제조 및 포스겐화 반응에 대량으로 쓰이고 있으나, 투입된 염소의 일부만이 제품의 제조에 쓰이고 나머지는 염화수소 가스로 배출된다. 부생된 염화수소 가스는 물에 흡수시켜 35% 염산 형태로 유용하게 쓰이기도 하나 과잉량은 중화처리하여 폐기하여야 하므로 경제적인 손실뿐만 아니라 공해문제가 발생하게 된다. 따라서, 과잉으로 부생되는 염화수소로부터 염소를 제조하여 재사용한다면 과잉공급되는 염산의 처리뿐만 아니라 늘어나는 염소의 수용에 대처할 수 있게 된다.
염화수소를 산화시켜 염소를 제조하는 촉매로는 1868년 Deacom이 구리계 촉매를 발명한 이래 철계, 크롬계 촉매 등 여러 촉매들이 발표된 바 있다. Deacom 촉매를 개량한 구리계 촉매에 대하여 미국특허 제2, 418, 930호, 제2, 418, 931호 및 제4, 119, 705호, 일본공개특허 제53-125,989호 등의 방법이 제안되어 있다. 그러나 구리계 촉매는 400℃ 이상의 고온에서 반응이 진행되므로 촉매의 수명이 짧다는 문제점을 가지고 있다.
철계 촉매로서는 미국특허 제2, 577, 808호 등이 제안되어 있으나 이것 역시 400℃ 이상의 높은 온도에서 반응이 진행되므로 촉매의 수명이 짧다는 문제점을 안고 있다.
이러한 구리계 및 철계 촉매를 대신할 촉매로서 산화크롬을 사용하는 크롬계 촉매가 제안되었다. 영국특허 제676, 667호에서는 삼산화크롬을 물에 녹여 건조한 다음 수소 분위기하에서 200℃로 4시간 반응시켜 삼산화이크롬을 제조하거나 또는 삼산화크롬을 알루미나에 담지시킨 후 소성 건조하여 촉매로 사용하는 방법이 제안되었으며 반응온도 400-425℃ 범위에서 염화수소의 전환율은 60-75%이다. 그러나, 이 특허의 촉매 역시 400℃ 이상의 고온에서 반응이 진행되므로 촉매의 수명이 짧다.
대한민국 특허공고 제86-4802호, 제90-79호 및 90-2545호, 일본공개 특허공보 제62-153, 103호, 제62-191, 403호, 제62-241, 805호, 제62-275, 001호에서는 질산크롬을 탈이온화수에 용해하여 암모니아수 등 염기성 화합물과 반응시켜 생성된 침전물을 건조 소성시킨 삼산화이크롬을 촉매로 사용하고 있다. 상기 특허에서 언급된 삼산화이크롬 촉매는 일본의 미쯔이도아쯔(주)에서 개발한 MT-Chloro 촉매로서, 질산크롬(Cr(NO3)39H2O) 또는 삼산화크롬(CrO3)을 탈이온수에 용해시켜 25%의 암모니아수를 적하 주입하고 생성된 침전물을 여과 세척 건조 후 소성하여 제조된 삼산화이크롬(Cr2O3)을 실리카(SiO2)에 담지시켜 제조하였다. 반응온도 350-400℃에서 MT-Chloro 촉매에 의한 염화수소의 전환율은 63-79% 정도이다.
지금까지 발표된 크롬계 촉매를 사용하는 염소의 제조방법에서는, 수용성 크롬염을 알칼리 수산화물 또는 알칼리 탄산염 수용액으로 처리하여 생성된 침전물을 여과, 세척, 건조 후 소성하여 제조된 촉매를 사용하고 있으며, 촉매의 활성이 낮고 반응온도가 높아 촉매의 수명이 짧아지는 문제가 있었다.
본 발명은 삼산화크롬(CrO3)과 염화세륨(CeCl3)이 혼합된 수용액과 에탄올의 반응생성물을 건조 소성하여 얻어지거나, 또는 삼산화크롬(CrO3)을 에탄올과 반응시켜 얻어진 삼산화이크롬(Cr2O3)에 염화세륨을 담지시켜 얻어진 염화세륨-삼산화이크롬 촉매 및 이를 사용하여 염화수소를 산화시켜 염소를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 촉매는 반응온도 360-380℃에서 염화수소의 전환율 75-85%로 종래의 촉매보다 더 낮은 온도에서 더 높은 활성을 나타냄으로써 공정의 효율을 높일 수 있다. 본 발명의 촉매는 삼산화크롬(CrO3)과 염화세륨(CeCl3)이 혼합된 수용액과 에탄올을 첨가하여 반응온도 90℃ 이상에서 환류 반응시켜 수화된 염화세륨-삼산화이크롬(CeCl3-Cr2O3)을 얻은 후 100-140℃에서 건조하고 350-500℃, 바람직하게는 360-380℃에서 1-10시간, 더욱 바람직하게는 3 내지 6시간 소성하여 얻거나, 또는 삼산화크롬(CrO3)을 에탄올과 반응시켜 얻어진 삼산화이크롬(Cr2O3) 침전물을 건조, 소성시킨 후, 염화세륨을 담지하여 얻어진다. 이때 염화세륨의 양은 삼산화이크롬 중량의 5% 이내, 더욱 바람직하게는 2% 이내로 사용된다. 환류시간과 소성 온도 및 시간은 제조할 촉매의 양에 따라서 변동될 수 있다. 본 발명에 의해 제조된 촉매를 사용하면 촉매의 활성이 향상되어 비교적 낮은 반응온도에서도 염화수소의 전환율을 높일 수 있다. 이는 첨가된 세륨이 Ce4+와 Ce3+의 가역적 산화환원계를 형성하면서 산화크롬 촉매에 산소를 공급하여, 염화수소의 산화 반응의 중간체로 알려진 Cr2O3·O의 형성을 촉진하기 때문인 것으로 생각된다.
다음의 제조에 및 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명할 것이나 본 발명이 이들로 한정되는 것은 아니다.
다음의 제조예 및 실시예에서는 가스의 유량은 0℃, 1기압으로 환산한 값이며, 접촉시간은 반응기 입구에서의 유량기준이다. 염화수소의 산화반응에 사용한 반응기는 길이 35cm, 외경 2.54cm의 니켈 튜브를 사용하였다. 반응기에서 기체상태로 유출되는 반응 혼합물을 10% 요오드화 칼륨 수용액에 통과시켜 생성된 염소와 미반응 염화수소를 흡수시킨 후, 티오 황산나트륨 수용액으로 적정하여 생성된 염소를 정량하고, 수산화나트륨 수용액으로 적정하여 미반응 염화수소를 정량하여 염화수소의 전환율을 구하였다.
촉매의 제조
제조예 1
삼산화크롬(CrO3) 300g과 염화세륨(CeCl3) 1.97g을 증류수 2L에 용해시킨 후, 교반하면서 에탄올 150ml를 8ml/분의 속도로 첨가하였다. 이 용액을 약 4시간 방치한 후, 에탄올 150ml를 위와 같은 방법으로 더 첨가하였다. 반응 혼합물을 15시간 동안 환류시키면서 90℃ 이상으로 가열하였으며, 이때, 심한 비등현상을 막기위해 강하게 교반하였다. 반응 후 생성된 암갈색의 침전물을 여과 분리하여 세척하지 않고 110℃에서 건조시켜 270g의 염화세륨-삼산화이크롬 223g을 얻었다. 촉매성형 첨가제로서 산화크롬-세륨 촉매의 5중량%에 해당하는 스테아린산을 클로로포롬(CHCl3)에 용해시켜 미립 분말 상태의 촉매와 혼합, 건조한 후 직경 4mm×높이 4mm로 성형하고, 350℃ 질소 분위기하에서 소성시켜 스테아린산이 제거된 220g의 염화세륨-삼산화이크롬(CeCl3-Cr2O3) 촉매를 얻었다.
제조예 2
염화세륨(CeCl3)을 3.94g 사용한 것을 제외하고 제조예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하여 미립분말 상태의 염화세륨-삼산화이크롬 225g을 얻었다. 제조예 1과 동일한 방법으로 촉매를 성형, 소성하여 222g의 염화세륨-삼산화이크롬(CeCl3-Cr2O3) 촉매를 얻었다.
제조예 3
삼산화크롬(CrO3) 300g을 증류수 2L에 용해시킨 후, 에탄올 150ml를 8ml/분의 속도로 첨가하였다. 이 용액을 약 4시간 방치한 후, 에탄올 150ml를 위와 같은 방법으로 더 첨가한다. 반응 혼합물을 15시간 동안 환류시키면서 90℃ 이상으로 가열하며, 이때 심한 비등 현상을 막기 위하여 강하게 교반을 행하였다. 제조예 1에서와 동일한 방법으로 여과, 분리, 건조, 소성하여 미립분말 상태의 삼산화이크롬(Cr2O3) 225g을 얻었다. 산화크롬(Cr2O3) 촉매 220g에 물에 녹인 염화세륨(CeCl3) 1.97g을 담지시킨 후 건조, 소성하여 미립분말 상태의 염화세륨-삼산화이크롬(CeCl3-Cr2O3)을 얻었다. 제조예 1과 동일한 방법으로 촉매를 성형, 소성하여 220g의 염화세륨-삼산화이크롬(CeCl3-Cr2O3) 촉매를 얻었다.
본 발명의 촉매를 이용한 염소 제조예
실시예 1
제조예 1에서 얻은 촉매 45g을 고정상 촉매 반응기에 넣고, 촉매층 중앙의 반응온도를 360℃로 유지하면서 염화수소(300cc/min)와 산소(150cc/min)를 공급하여 염소를 제조하였다. 이때, 염화수소의 전환율은 81.9%였다.
실시예 2
실시예 1과 동일한 조건에서 제조예 1의 촉매의 존재하에 촉매층 중앙의 반응온도를 380℃로 하여 반응시켰을 때 염화수소의 전환율은 85.0%였다.
실시예 3
실시예 1과 동일한 조건에서 제조예 1의 촉매의 존재하에 촉매층 중앙의 반응온도를 380℃로 유지하면서 염화수소(300cc/min)와 산소(225cc/min)를 반응기로 공급하여 반응시켰을 때 염화수소의 전환율은 85.2%였다.
실시예 4
실시예 1과 동일한 조건에서 고정상 촉매 반응기에 제조예 1의 촉매 24g을 넣고, 촉매층 중앙의 반응온도를 380℃로 하여 반응 시켰을 때 염화수소의 전환율은 79.3%였다.
실시예 5
제조예 2에서 얻은 촉매 45g을 고정상 촉매반응기에 넣고, 촉매층 중앙의 반응온도를 360℃로 유지하면서 염화수소(300cc/min)와 산소(150cc/min)를 반응기로 공급하여 반응시켰을 때 염화수소의 전환율은 77.5%였다.
실시예 6
실시예 5와 동일한 조건에서 제조예 2의 촉매의 존재하에 반응온도를 380℃로 하여 반응시켰을 때 염화수소의 전환율은 82.5%였다.
실시예 7
실시예 1과 동일한 조건에서 제조예 3에서 얻은 촉매 45g을 고정상 촉매반응기에 넣고, 촉매층 중앙의 반응온도를 360℃로 하여 반응시켰을 때 염화수소의 전환율은 78.2%였다.
실시예 8
실시예 7과 동일한 조건에서 제조예 3에서 얻은 촉매 존재하에 촉매층 중앙의 온도를 380℃로 하여 반응시켰을 때 염화수소의 전환율은 84.0%였다.
다음의 표 1에 상기 실시예의 실험결과를 요약하였다.
* : 반응기 입구기준
비교예 1
삼산화크롬(CrO) 300g을 증류수 2L에 용해시킨 후, 에탄올 150ml를 8ml/min의 질량속도로 삼산화크롬(CrO) 수용액에 첨가하였다. 이 용액을 약 4시간 방치한 후, 에탄올 150ml를 위의 방법과 같이 더 첨가한다. 반응 혼합물을 15시간 동안 환류시키면서 90℃ 이상으로 가열하였으며, 이때 심한 비등형상을 막기 위해 강하게 교반하였다. 실시예 1에서와 동일한 방법으로 여과, 분리, 건조, 소성하여 미립분말 상태의 삼산화이크롬(CrO) 223g을 얻었다. 제조예 1과 동일한 방법으로 촉매를 성형, 소성하여 220g의 삼산화이크롬(CrO) 촉매를 얻었다.
이 촉매 45g을 실시예 1과 동일한 조건하에서 고정상 촉매 반응기에 넣고, 촉매층 중앙의 반응온도를 360℃로 하여 반응시켰을 때 염화수소의 전환율은 72.3%였다.
비교예 2
비교예 1과 동일한 조건에서 촉매층 중앙의 반응온도를 380℃로 하였을 때 염화수소의 전환율은 82.3%였다.
비교예 3
질산크롬(Cr(NO)9HO) 500g을 증류수 4L에 용해시킨 후 10% 암모니아수를 pH 9.0이 될 때까지 약 2시간에 걸쳐 투입하여 생성된 침전물을 여과, 세척하였다. 이를 110℃에서 15시간 건조한 다음 소성로에 넣고 500℃까지 2시간에 걸쳐 승온시킨 후 500℃에서 5시간 소성시켜 92g의 삼산화이크롬 촉매를 제조하였다. 제조예 1과 동일한 방법으로 촉매를 성형, 소성하여 68g의 삼산화이크롬(CrO) 촉매를 얻었다.
이 촉매 45g을 실시예 1과 동일한 조건에서 고정상 촉매 반응기에 넣고, 촉매층 중앙의 반응온도를 380℃로 하여 반응시켰을 때 염화수소의 전환율은 62.5%였다.
비교예 4
비교예 3과 동일한 조건에서 촉매층 중앙의 반응온도를 400℃로 하여 반응시켰을 때 염화수소의 전환율은 75.0%였다.
다음의 표 2에 상기 비교예의 실험결과를 요약하였다.
* : 반응기 입구기준
이상의 실시예와 비교예에서 보는 바와 같이 본 발명에 의한 촉매가 기존의 촉매보다 비교적 낮은 반응온도에서도 높은 반응활성을 나타내었다.
Claims (8)
- 염화세륨과 삼산화이크롬으로 이루어짐을 특징으로 하는 염화수소의 산화에 의한 염소제조용 촉매.
- 제1항에 있어서, 염화세륨 5중량% 이하와 삼산화이크롬 95중량% 이상으로 이루어진 것이 특징인 촉매.
- 삼산화크롬 및 염화세륨의 혼합 수용액에 에탄올과 반응시킨 다음 얻어진 반응생성물을 소성하는 것으로 됨을 특징으로 하는 제1항에 따른 염화세륨-삼산화이크롬 촉매의 제조방법.
- 삼산화크롬과 에탄올과의 반응생성물을 소성하여 이로부터 얻어진 삼산화이크롬에 염화세륨 수용액을 담지시키는 것으로 됨을 특징으로 하는 제1항에 따른 염화세륨-삼산화이크롬 촉매의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 에탄올과의 반응온도를 90℃ 이상으로 하는 것이 특징인 제조방법.
- 제3항에 있어서, 350℃ 내지 500℃에서 3 내지 6시간 동안 공기중에서 소성하는 것이 특징인 방법.
- 제4항에 있어서, 에탄올과 반응온도를 90℃ 이상으로 하는 것이 특징인 제조방법.
- 제4항에 있어서, 350℃ 내지 500℃에서 3 내지 6시간 동안 공기중에서 소성하는 것이 특징인 방법.
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