As a link in a chain of utilizing $C_4$ fractions used now as fuels in Korea for chemical feedstock, a reaction producing maleic anhydride from n-butane was studied experimentally. A fixed bed reactor immersed in salt bath was used to investigate the reaction mechanism, reaction rate and the effects of reaction temperature and space velocity on the yield of maleic anhydride.
A catalyst composed of $V_2O_5$ and $P_2O_5$ was prepared, and the catalyst was characterized by determining the oxidation state of the vanadium and surface area of the catalyst and by inspecting the X-ray diffraction pattern.
An assumed reaction mechanism with first order kinetics was tested to yield good agreements.
◁그림 삽입▷(원문을 참조하세요)
The values of reaction rate constants $K_1$, $K_2$ and $K_3$ have the range from 0.42 to 1.1 1/sec, 0.17 to 0.7 1/sec and 0.32 to 2.3 1/sec, respectively at reaction temperatures ranging from 426 to 512 ℃. The yield of maleic anhydride was observed to increase as the reaction temperature lowered, and the space velocity became slower. In a series of experiments, the maximum yield of maleic anhydride was 40 per cent, which was in the range of the values reported in patents but somewhat lower value for commercial purpose.
Hot spot formation was observed during the experiments, and maximum temperature difference in the reactor bed reached to 38 ℃. This suggests that a hot spot formation may raise serious problems when commercialized.
현재 국내에서 연료로만 사용되고 있는 $C_4$ 유분을 화학 원료로 전용하기 위한 방안의 하나로 노르말 부탄에서 무수말레인산을 제조하는 반응에 관한 연구를 실험적으로 행하였다. 고정층 반응기를 이용하여 반응온도와 공간속도가 무수말레인산 수율에 미치는 영향을 관찰함과 아울러 반응 기구, 반응속도를 규명하고자 하였다.
먼저 $V_2O_5$ 와 $P_2O_5$ 를 기본성분으로 하는 촉매를 제조하였고, 바나듐의 산화가 측정, X선회절 시험, 표면적 측정을 이용하여 제조된 촉매의 물리적, 화학적 상태를 확인하였다.
일차 반응식을 갖는 아래 그림과 같은 반응기구를 가정하였으며, 실험결과에 잘 부합함을 알 수 있었다.
◁그림 삽입▷(원문을 참조하세요)
이때 반응속도 $k_1, k_2, k_3$ 는 반응온도 $426 ~ 512 ℃의 범위 내에서 각각 $0.42 ~ 1.1 \frac{1}{sec}, 0.17 ~ 0.7 \frac{1}{sec}, 0.32 ~ 2.3 \frac{1}{sec}$ 의 값을 가졌고, 무수말레인산의 수율이 반응온도가 낮을수록 또 공간속도가 늦어질수록 높아지는 것으로 나타났다. 실험을 통해 얻을 수 있었던 최대 수율은 40퍼센트이었으며, 이것은 특허에 나타나 있는 값의 범위에 드는 것이었다.
반응을 진행하는 동안 열점의 관찰을 계속하였으며, 28Cm 의 촉매층에서 열점과 촉매층 입구의 온도차가 최대 38 ℃ 까지 나타 났다. 이것은 이 공정이 상업화 되는 경우 열점의 형성이 심각한 문제점으로 발전될 수 있다는 것을 제시하는 것이다.
