JP2023515375A - フタロニトリル系化合物の製造システム及びこれを用いたフタロニトリル系化合物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、連続式工程を用いたフタロニトリル系化合物の製造システムにおいて、フタル酸系化合物及びニトリル系化合物を含む混合物が充填された第１反応部；前記第１反応部と連結された第２反応部；及び前記第２反応部と連結された吐出部を含み、前記第２反応部で、前記第１反応部方向から前記吐出部方向に流体の流れが存在し、前記第２反応部は、流体の流れ方向の長さが流体の流れ方向に垂直な平均断面積の平方根の１０倍以上である、フタロニトリル系化合物の製造システムとそれを用いたフタロニトリル系化合物の製造方法が開示される。
Description
本発明は、フタロニトリル系化合物の製造システム及びこれを用いたフタロニトリル系化合物の製造方法に関する。
フタロニトリル系化合物は、繊維－形成線形重合体の製造において中間体として用いられる重要な化合物である。また、フタロニトリル系化合物は、アミン、酸－アミド及び複合窒素染料など多様な精密化学製品の有機合成中間体として用いられ、それ以外にも可塑剤、アルキド樹脂改質剤、殺虫剤などに用いられる高付加価値原料である。
従来では、酸化触媒の存在下でキシレン化合物をアンモニア及び酸素含有気体と接触及び脱水反応させてフタロニトリル系化合物を製造した。しかし、このような方法は、有害な化学物質であるアンモニア気体を用い、高温、高圧で触媒の存在下で行われるアンモ酸化（ａｍｍｏｘｉｄａｔｉｏｎ）反応であるため、工程が複雑であり、高沸点不純物を蒸溜を通じて精製、分離しなければならないので、副産物の除去が難しいという問題点がある。また、このような従来のフタロニトリル系化合物の製造方法は、アンモ酸化反応に用いられる触媒の種類、酸素含有気体の割合によって生成物の収率が変わり、反応温度によって前駆物質であるキシレン化合物の転換率が変動し工程の制御が難しい。
したがって、経済的で且つ環境にやさしい方法で高純度のフタロニトリル系化合物を製造する工程に対する要求が増大している。
本発明の目的は、環境にやさしくフタル酸系化合物からフタロニトリル系化合物を直接製造する方法とそれに適合する製造システムを提供することである。
一側面によると、連続式工程を用いたフタロニトリル系化合物の製造システムにおいて、フタル酸系化合物及びニトリル系化合物を含む混合物が充填された第１反応部；前記第１反応部と連結された第２反応部；及び前記第２反応部と連結された吐出部を含み、前記第２反応部で、前記第１反応部方向から前記吐出部方向に流体の流れが存在し、前記第２反応部は、流体の流れ方向の長さが流体の流れ方向に垂直な平均断面積の平方根の１０倍以上である、フタロニトリル系化合物の製造システムが提供される。
一実施例において、前記第１反応部と第２反応部の間に圧力調節部をさらに含むことができる。
一実施例において、前記第１反応部、第２反応部及び吐出部のうち少なくとも一つは温度調節部をさらに具備することができる。
一実施例において、前記第２反応部の容量は、前記第１反応部の容量１００体積部を基準として１～５０体積部であてもよい。
一実施例において、前記流体の流れの流速は、前記第１反応部の容量の０．０１～１．００体積部／分の速度で調節され得る。
他の一側面によると、上述した製造システムを用いる方法において、（ａ）前記第１反応部にフタル酸系化合物及びニトリル系化合物を含む混合物を投入する段階；（ｂ）前記混合物を反応させて前記第２反応部に移送する段階；及び（ｃ）前記吐出部でフタロニトリル系化合物を収得する段階を含み、前記（ｂ）段階は、前記ニトリル系化合物の超臨界条件下で行われる、フタロニトリル系化合物の製造方法が提供される。
一実施例において、前記フタル酸系化合物は、イソフタル酸、テレフタル酸又はこれらの混合物であってもよい。
一実施例において、前記ニトリル系化合物は、シアン化水素、アセトニトリル、アクリロニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、ピバロニトリル、スクシノニトリル、フマロニトリル、クロトニトリル及びベンゾニトリルからなる群より選択された一つ以上であってもよい。
一実施例において、前記（ａ）段階の混合物は、フタル酸系化合物及びニトリル系化合物で構成され得る。
一実施例において、前記（ａ）段階で、前記ニトリル系化合物の含量は、前記フタル酸系化合物１重量部を基準として１～５００重量部であってもよい。
一実施例において、前記（ａ）段階で、前記混合物の水分含量は、６，０００ｐｐｍ未満であってもよい。
一実施例において、前記（ｂ）段階は、２６０～３５０℃、４０～２００ｂａｒの条件で行われ得る。
一実施例において、前記（ｂ）段階は、１～５００分間行われ得る。
一実施例において、前記（ｃ）段階は、前記吐出部で収得した生成物からフタロニトリル系化合物を分離精製する段階であってもよい。
一実施例において、前記（ｃ）段階で分離された残部化合物を前記（ａ）段階で再使用することができる。
一側面によると、環境にやさしくフタル酸系化合物からフタロニトリル系化合物を直接製造することができる。
他の一側面によると、フタル酸系化合物からフタロニトリル系化合物を製造する工程をより効率的に行うことができる。
本明細書の一側面の効果は、上述した効果に限定されるものではなく、本明細書の詳細な説明又は請求の範囲に記載された構成から推論可能な全ての効果を含むものと理解しなければならない。
以下では、添付した図面を参照して本明細書の一側面を説明する。しかしながら、本明細書の記載事項は種々の異なる形態で具現することができる。したがって、ここで説明する実施例に限定されるものではない。また、図面において明細書の一側面を明確に説明するために説明と関係ない部分は省略し、明細書全体を通じて類似する部分に対しては類似する図面符号を付与した。
明細書全体において、ある部分が他の部分と「連結」されているとの用語は、「直接的に連結」されている場合だけでなく、それらの間に他の部材を介在して「間接的に連結」されている場合も含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」との用語は、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく他の構成要素をさらに具備できることを意味する。
本明細書で数値的値の範囲が記載されたとき、これの具体的な範囲が異に記述されない限り、その値は有効数字に対する化学での標準規則によって提供された有効数字の精密度を有する。例えば、１０は、５．０～１４．９の範囲を含み、数字１０．０は、９．５０～１０．４９の範囲を含む。
以下、添付した図面を参考して本明細書の一実施例を詳しく説明する。
フタロニトリル系化合物の製造システム
一側面によるフタロニトリル系化合物の製造システムは、連続式工程を用いたフタロニトリル系化合物の製造システムにおいて、フタル酸系化合物及びニトリル系化合物を含む混合物が充填された第１反応部１００；前記第１反応部と連結された第２反応部２００；及び前記第２反応部と連結された吐出部３００を含み、前記第２反応部で、前記第１反応部１００方向から前記吐出部３００方向に流体の流れが存在し、前記第２反応部２００は、流体の流れ方向の長さが流体の流れ方向に垂直な平均断面積の平方根の１０倍以上であってもよい。
一側面によるフタロニトリル系化合物の製造システムは、連続式工程を用いたフタロニトリル系化合物の製造システムにおいて、フタル酸系化合物及びニトリル系化合物を含む混合物が充填された第１反応部１００；前記第１反応部と連結された第２反応部２００；及び前記第２反応部と連結された吐出部３００を含み、前記第２反応部で、前記第１反応部１００方向から前記吐出部３００方向に流体の流れが存在し、前記第２反応部２００は、流体の流れ方向の長さが流体の流れ方向に垂直な平均断面積の平方根の１０倍以上であってもよい。
前記第１反応部１００は、タンク型反応器であってもよく、撹拌手段（図示せず）を具備することができる。前記第１反応部１００でフタル酸系化合物及びニトリル系化合物の反応が一次的に開始及び行われ得る。
前記フタル酸系化合物は、芳香族環と２以上のカルボキシ基を有する化合物であってもよい。一実施例で、前記フタル酸系化合物は、イソフタル酸、テレフタル酸又はこれらの混合物であってもよい。
前記ニトリル系化合物は、シアン化水素、アセトニトリル、アクリロニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、ピバロニトリル、スクシノニトリル、フマロニトリル、クロトニトリル及びベンゾニトリルからなる群より選択された一つ以上であってもよいが、これに限定されるものではない。例えば、前記ニトリル系化合物がシアン化水素であると、前記第１反応部１００及び／又は第２反応部２００で反応は、１８３．５℃以上、５０ｂａｒ以上の条件で行われ得る。前記ニトリル系化合物がアセトニトリルであると、前記第１反応部１００及び／又は第２反応部２００で反応は、２７２℃以上、４８．７ｂａｒ以上の条件で行われ得る。前記ニトリル系化合物がアクリロニトリルであると、前記第１反応部１００及び／又は第２反応部２００で反応は、２６７℃以上、４６ｂａｒ以上の条件で行われ得る。前記ニトリル系化合物がブチロニトリルであると、前記第１反応部１００及び／又は第２反応部２００で反応は、３０９℃以上、３７．８ｂａｒ以上で行われ得る。前記ニトリル系化合物がイソブチロニトリルであると、前記第１反応部１００及び／又は第２反応部２００で反応は、３３６℃以上、４０ｂａｒ以上で行われ得る。前記ニトリル系化合物がピバロニトリルであると、前記第１反応部１００及び／又は第２反応部２００で反応は、３４３℃以上、３４．４ｂａｒ以上の条件で行われ得る。それ以外に、前記ニトリル系化合物の種類によって前記第１反応部１００及び／又は第２反応部２００で反応条件は変動され得る。したがって、前記条件は、全て例示的なものであり、本明細書の記載事項の範囲を制限するものではない。前記ニトリル系化合物は、溶媒であると同時に反応物であってもよい。
前記第２反応部２００は、流体の流れ方向の長さが流体の流れ方向に垂直な方向に比べて大きい値を有する、一種の管型反応器であってもよい。図３～図６には、前記第２反応部２００と細い実線矢印で表記した前記流体の流れ方向が直線で図示されたが、これに限定されるものではなく、前記第２反応部２００と流体の流れ方向は、直線以外にもコイル形態などの曲線であってもよい。
本明細書で「第２反応部２００の長さ」とは、前記第１反応部１００と連結された一端から前記吐出部３００と連結された他端まで流体が流れる距離を意味する。
本明細書で「第２反応部２００の断面積」とは、前記流体の流れ方向に垂直な面積を意味する。
本明細書で「平均断面積の平方根」は、第２反応部２００の断面積が位置によって不変であれば、断面積の平方根を意味することができ、前記第２反応部２００の断面積が位置によって変化すれば、下の数学式によって計算されたＳｓｑｒｔ値であってもよい。
前記式で、Ｌは、第２反応部２００の長さであり、Ａ（ｘ）は、前記第１反応部１００と連結された一端（Ｏ）から前記吐出部３００と連結された他端（Ｌ）までの地点（ｘ）による断面積値であり、Ｓｓｑｒｔは、前記平均断面積の平方根を意味する。
前記第２反応部２００の長さは、平均断面積の平方根の１０倍以上、例えば、１０倍、１５倍、２０倍、２５倍、３０倍、３５倍、４０倍、４５倍、５０倍、５５倍、６０倍、６５倍、７０倍、７５倍、８０倍、８５倍、９０倍、９５倍、１００倍、１０５倍、１１０倍、１１５倍、１２０倍、１２５倍、１３０倍、１３５倍、１４０倍、１４５倍、１５０倍、１５５倍、１６０倍、１６５倍、１７０倍、１７５倍、１８０倍、１８５倍、１９０倍、１９５倍、２００倍、２０５倍、２１０倍、２１５倍、２２０倍、２２５倍、２３０倍、２３５倍、２４０倍、２４５倍、２５０倍、２５５倍、２６０倍、２６５倍、２７０倍、２７５倍、２８０倍、２８５倍、２９０倍、２９５倍、３００倍、３０５倍、３１０倍、３１５倍、３２０倍、３２５倍、３３０倍、３３５倍、３４０倍、３４５倍、３５０倍、３５５倍、３６０倍、３６５倍、３７０倍、３７５倍、３８０倍、３８５倍、３９０倍、３９５倍、４００倍、４０５倍、４１０倍、４１５倍、４２０倍、４２５倍、４３０倍、４３５倍、４４０倍、４４５倍、４５０倍、４５５倍、４６０倍、４６５倍、４７０倍、４７５倍、４８０倍、４８５倍、４９０倍、４９５倍、５００倍、５０５倍、５１０倍、５１５倍、５２０倍、５２５倍、５３０倍、５３５倍、５４０倍、５４５倍、５５０倍、５５５倍、５６０倍、５６５倍、５７０倍、５７５倍、５８０倍、５８５倍、５９０倍、５９５倍、６００倍、６０５倍、６１０倍、６１５倍、６２０倍、６２５倍、６３０倍、６３５倍、６４０倍、６４５倍、６５０倍、６５５倍、６６０倍、６６５倍、６７０倍、６７５倍、６８０倍、６８５倍、６９０倍、６９５倍、７００倍、７１５倍、７２０倍、７２５倍、７３０倍、７３５倍、７４０倍、７４５倍、７５０倍、７５５倍、７６０倍、７６５倍、７７０倍、７７５倍、７８０倍、７８５倍、７９０倍、７９５倍、８００倍、８０５倍、８１０倍、８１５倍、８２０倍、８２５倍、８３０倍、８３５倍、８４０倍、８４５倍、８５０倍、８５５倍、８６０倍、８６５倍、８７０倍、８７５倍、８８０倍、８８５倍、８９０倍、８９５倍、９００倍、９０５倍、９１０倍、９１５倍、９２０倍、９２５倍、９３０倍、９３５倍、９４０倍、９４５倍、９５０倍、９５５倍、９６０倍、９６５倍、９７０倍、９７５倍、９８０倍、９８５倍、９９０倍、９９５倍、１，０００倍、これらのうち二つの値の間の範囲又は１，０００倍以上であってもよく、一例として、１０～１，０００倍であってもよいが、これに限定されるものではない。
前記第２反応部２００の長さが前記範囲を脱すると、反応温度及び／又は反応圧力の変動制御が不十分となって生成物の純度が低下するか、工程に過度な時間が所要されて生産性が低下し得る。
図３は、このようなフタロニトリル系化合物の製造システムを簡略に示したものであって、タンク型反応器の第１反応部１００に管型反応器である第２反応部２００を連結して反応を行い、生成物を吐出部３００で収得することによって反応温度及び／又は反応圧力の変動によって生成物の純度が低下する問題点を改善し得る。前記第１反応部１００と第２反応部２００は、流量計などのバルブ（図示せず）を用いて前記第２反応部２００に対する前記混合物の投入量（流量）を調節することができる。
前記フタロニトリル系化合物の製造システムに対する他の一例である図４を参考すると、前記第１反応部１００と第２反応部２００の間及び／又は前記第２反応部２００と吐出部３００の間に圧力調節部４００をさらに含むことができる。前記圧力調節部４００をさらに含むと、反応圧力をより精緻に制御することができる。
前記フタロニトリル系化合物の製造システムに対する他の一例である図５を参考すると、前記第１反応部１００、第２反応部２００及び吐出部３００のうち少なくとも一つは温度調節部１２０、２２０、３２０をさらに具備することができる。前記第１反応部１００又は第２反応部２００の温度調節部１２０、２２０は、各反応部１００、２００を取り囲む形態であって、高温の反応温度を維持することに役に立ち、前記吐出部３００の温度調節部３２０は、前記吐出部３００の前端に位置して生成物の冷却に用いられ得るが、これに限定されるものではない。
前記フタロニトリル系化合物の製造システムに対する他の一例である図６を参考すると、上述した温度調節部１２０、２２０、３２０のうち少なくとも一つと圧力調節部４００のうち少なくとも一つを含むことができる。前記温度調節部３２０と圧力調節部４００の位置は、相互変更され得る。
前記第２反応部２００の容量は、前記第１反応部１００の容量１００体積部を基準として１～５０体積部、例えば、１体積部、５体積部、１０体積部、１５体積部、２０体積部、２５体積部、３０体積部、３５体積部、４０体積部、４５体積部、５０体積部又はこれらのうち二つの値の間の範囲であってもよいが、これに限定されるものではない。前記第２反応部２００の容量が前記第１反応部１００に比べて過度に大きいと、工程効率が低下し得、過度に小さいと、反応条件制御による生成物の純度向上効果が不十分であり得る。
前記流体の流れの流速は、前記第１反応部１００容量の０．０１～１．００体積部／分、例えば、０．０１体積部／分、０．０５体積部／分、０．１０体積部／分、０．１５体積部／分、０．２０体積部／分、０．２５体積部／分、０．３０体積部／分、０．３５体積部／分、０．４０体積部／分、０．４５体積部／分、０．５０体積部／分、０．５５体積部／分、０．６０体積部／分、０．６５体積部／分、０．７０体積部／分、０．７５体積部／分、０．８０体積部／分、０．８５体積部／分、０．９０体積部／分、０．９５体積部／分、１．００体積部／分又はこれらのうち二つの値の間の範囲の速度で調節され得る。前記流体の流れの流速が前記範囲を脱すると、反応時間が過度に長くなって工程効率が低下するか、反応時間が過度に短くなって生成物の純度が低下し得る。
フタロニトリル系化合物の製造方法
他の一側面によるフタロニトリル系化合物の製造方法は、上述した製造システムを用いる方法において、（ａ）前記第１反応部１００にフタル酸系化合物及びニトリル系化合物を含む混合物を投入する段階；（ｂ）前記混合物を反応させて前記第２反応部２００に移送する段階；及び（ｃ）前記吐出部３００からフタロニトリル系化合物を収得する段階を含み、前記（ｂ）段階は、前記ニトリル系化合物の超臨界条件下で行われ得る。
他の一側面によるフタロニトリル系化合物の製造方法は、上述した製造システムを用いる方法において、（ａ）前記第１反応部１００にフタル酸系化合物及びニトリル系化合物を含む混合物を投入する段階；（ｂ）前記混合物を反応させて前記第２反応部２００に移送する段階；及び（ｃ）前記吐出部３００からフタロニトリル系化合物を収得する段階を含み、前記（ｂ）段階は、前記ニトリル系化合物の超臨界条件下で行われ得る。
前記製造方法は、例えば、第１反応部１００に混合物を投入した後に２７５～２８５℃に昇温し、９０～９５ｂａｒの反応圧力に到逹すると、一定時間の間撹拌して反応させ、これを第２反応部２００に移送しながら追加で反応させて吐出部３００でフタロニトリル系化合物を収得することであってもよいが、これに限定されるものではない。
前記フタル酸系化合物及び前記ニトリル系化合物に対しては、上述した通りであり、前記ニトリル系化合物の種類によって前記（ｂ）段階の反応温度が調節され得る。例えば、前記ニトリル系化合物がシアン化水素であると、前記（ｂ）段階は、１８３．５℃以上、５０ｂａｒ以上の条件で行われ得る。前記ニトリル系化合物がアセトニトリルであると、前記（ｂ）段階は、２７２℃以上、４８．７ｂａｒ以上の条件で行われ得る。前記ニトリル系化合物がアクリロニトリルであると、前記（ｂ）段階は、２６７℃以上、４６ｂａｒ以上の条件で行われ得る。前記ニトリル系化合物がブチロニトリルであると、前記（ｂ）段階は、３０９℃以上、３７．８ｂａｒ以上で行われ得る。前記ニトリル系化合物がイソブチロニトリルであると、前記（ｂ）段階は、３３６℃以上、４０ｂａｒ以上で行われ得る。前記ニトリル系化合物がピバロニトリルであると、前記（ｂ）段階は、３４３℃以上、３４．４ｂａｒ以上の条件で行われ得る。それ以外に、前記ニトリル系化合物の種類によって前記（ｂ）段階の条件は変動され得る。したがって、前記条件は、全て例示的なものであり、本明細書の記載事項の範囲を制限するものではない。前記ニトリル系化合物は、溶媒であると同時に反応物であってもよい。
前記（ａ）段階で、前記ニトリル系化合物の含量は、前記フタル酸系化合物１重量部を基準として１～５００重量部であってもよい。例えば、前記ニトリル系化合物の含量は、前記フタル酸系化合物１重量部を基準として１重量部、５重量部、１０重量部、１５重量部、２０重量部、２５重量部、３０重量部、３５重量部、４０重量部、４５重量部、５０重量部、５５重量部、６０重量部、６５重量部、７０重量部、７５重量部、８０重量部、８５重量部、９０重量部、９５重量部、１００重量部、１０５重量部、１１０重量部、１１５重量部、１２０重量部、１２５重量部、１３０重量部、１３５重量部、１４０重量部、１４５重量部、１５０重量部、１５５重量部、１６０重量部、１６５重量部、１７０重量部、１７５重量部、１８０重量部、１８５重量部、１９０重量部、１９５重量部、２００重量部、２０５重量部、２１０重量部、２１５重量部、２２０重量部、２２５重量部、２３０重量部、２３５重量部、２４０重量部、２４５重量部、２５０重量部、２５５重量部、２６０重量部、２６５重量部、２７０重量部、２７５重量部、２８０重量部、２８５重量部、２９０重量部、２９５重量部、３００重量部、３０５重量部、３１０重量部、３１５重量部、３２０重量部、３２５重量部、３３０重量部、３３５重量部、３４０重量部、３４５重量部、３５０重量部、３５５重量部、３６０重量部、３６５重量部、３７０重量部、３７５重量部、３８０重量部、３８５重量部、３９０重量部、３９５重量部、４００重量部、４０５重量部、４１０重量部、４１５重量部、４２０重量部、４２５重量部、４３０重量部、４３５重量部、４４０重量部、４４５重量部、４５０重量部、４５５重量部、４６０重量部、４６５重量部、４７０重量部、４７５重量部、４８０重量部、４８５重量部、４９０重量部、４９５重量部、５００重量部又はこれらのうち二つの値の間の範囲であってもよい。前記ニトリル系化合物の含量が前記フタル酸系化合物の含量に比べて多いほど生成物の純度が上昇し得るが、前記ニトリル系化合物が過度に多いと、経済的な側面で不利であり得る。
前記（ａ）段階で、前記混合物の水分含量は、６，０００ｐｐｍ未満であってもよい。例えば、前記混合物の水分含量は、６，０００ｐｐｍ未満、５，０００ｐｐｍ未満、４，０００ｐｐｍ未満、３，０００ｐｐｍ未満、２，０００ｐｐｍ未満、１，０００ｐｐｍ未満、７５０ｐｐｍ未満、５００ｐｐｍ未満又は２５０ｐｐｍ未満であってもよい。前記混合物の水分含量が低いほど生成物の純度が向上され得る。
前記（ｂ）段階の反応は、カルボキシ基とニトリル基の直接置換反応を通じたジニトリル化（ｄｉ－ｎｉｔｒｉｌａｔｉｏｎ）であってよく、その一つの例示は、下の反応式のように表現され得る。
前記反応式で、Ｒは、フェニレンなど芳香族環であり、Ｒ’は、炭素数が１～２０であるアルキル基であってもよく、例えば、メチル基、エチル基、イソプロピル基、ｔ－ブチル基などであってもよい。
前記（ｂ）段階で、反応温度を上述した範囲によって昇温し、前記第１反応部１００、第２反応部２００及び吐出部３００の圧力を上述した反応圧力の範囲に調節して反応及び移送を行うことができる。
前記（ｂ）段階で、前記混合物がアンモニア、高濃度の酸素又は触媒などの別途の添加剤を含まずに反応が行われ得る。前記（ｂ）段階の反応が別途の添加剤なしに行われ得るので、前記（ａ）段階の混合物がフタル酸系化合物及びニトリル系化合物で構成され得るが、これに限定されるものではない。例えば、前記混合物は、ニトリル系化合物溶媒に固体相であるフタル酸系化合物を溶解させたものであってもよいが、これに限定されるものではない。
前記（ｂ）段階の温度及び圧力条件が前記ニトリル系化合物の臨界点以上であると、反応が行われ得る。前記（ｂ）段階は、２６０～３５０℃、４０～２００ｂａｒの条件で行われ得る。例えば、前記（ｂ）段階は、反応温度２６０℃、２６５℃、２７０℃、２７５℃、２８０℃、２８５℃、２９０℃、２９５℃、３００℃、３０５℃、３１０℃、３１５℃、３２０℃、３２５℃、３３０℃、３３５℃、３４０℃、３４５℃、３５０℃又はこれらのうち二つの値の間の範囲で行われ得る。例えば、前記（ｂ）段階は、反応圧力４０ｂａｒ、４５ｂａｒ、５０ｂａｒ、５５ｂａｒ、６０ｂａｒ、６５ｂａｒ、７０ｂａｒ、７５ｂａｒ、８０ｂａｒ、８５ｂａｒ、９０ｂａｒ、９５ｂａｒ、１００ｂａｒ、１０５ｂａｒ、１１０ｂａｒ、１１５ｂａｒ、１２０ｂａｒ、１２５ｂａｒ、１３０ｂａｒ、１３５ｂａｒ、１４０ｂａｒ、１４５ｂａｒ、１５０ｂａｒ、１５５ｂａｒ、１６０ｂａｒ、１６５ｂａｒ、１７０ｂａｒ、１７５ｂａｒ、１８０ｂａｒ、１８５ｂａｒ、１９０ｂａｒ、１９５ｂａｒ、２００ｂａｒ又はこれらのうち二つの値の間の範囲で行われ得る。前記（ｂ）段階の反応温度が過度に低いと、生成物の純度が下落するか、反応が行われず、反応温度が過度に高いと、副産物の生成が増加して純度が下落し得る。前記（ｂ）段階の反応圧力が過度に低いと、反応が行われず、反応圧力が過度に高いと、安定性が悪くなり得る。
前記フタロニトリル系化合物の製造システムを用いると、反応温度及び圧力をより精密に制御し最終製品の純度が高く、総反応時間を低め生産性が優秀であり得る。
前記（ｂ）段階は、１～５００分間行われ得る。例えば、前記（ｂ）段階は、１分、５分、１０分、１５分、２０分、２５分、３０分、３５分、４０分、４５分、５０分、５５分、６０分、６５分、７０分、７５分、８０分、８５分、９０分、９５分、１００分、１０５分、１１０分、１１５分、１２０分、１２５分、１３０分、１３５分、１４０分、１４５分、１５０分、１５５分、１６０分、１６５分、１７０分、１７５分、１８０分、１８５分、１９０分、１９５分、２００分、２０５分、２１０分、２１５分、２２０分、２２５分、２３０分、２３５分、２４０分、２４５分、２５０分、２５５分、２６０分、２６５分、２７０分、２７５分、２８０分、２８５分、２９０分、２９５分、３００分、３０５分、３１０分、３１５分、３２０分、３２５分、３３０分、３３５分、３４０分、３４５分、３５０分、３５５分、３６０分、３６５分、３７０分、３７５分、３８０分、３８５分、３９０分、３９５分、４００分、４０５分、４１０分、４１５分、４２０分、４２５分、４３０分、４３５分、４４０分、４４５分、４５０分、４５５分、４６０分、４６５分、４７０分、４７５分、４８０分、４８５分、４９０分、４９５分又は５００分間行われ得、これらの中間範囲を含むことができる。前記（ｂ）段階の反応時間が増加するほど生成物の純度が上昇し得るが、反応時間が過度に長いと、生産性が低下し得る。
前記（ｃ）段階は、前記吐出部３００で収得した生成物からフタロニトリル系化合物を分離精製する段階であってもよい。前記分離精製は、フタロニトリル系化合物と残部化合物に分離するものであってもよく、蒸溜分離など公知の多様な方法によって行われ得る。前記残部化合物は、例えば、未反応フタル酸系化合物、未反応ニトリル系化合物及びフタル酸系化合物のカルボキシ基のうち一部のみ反応したフタル酸ニトリル系化合物からなる群より選択された一つ以上を含むことができるが、これに限定されるものではない。
前記（ｃ）段階で分離されたフタロニトリル系化合物を除いた残部化合物を前記（ａ）段階に再使用することができる。本明細書の一実施例によるフタロニトリル系化合物の製造方法は、触媒など別途の添加剤の使用なしに実行が可能なので、前記残部化合物を別途の精製なしに再使用することができる。
前記フタロニトリル系化合物の製造システムを用いる前記フタロニトリル系化合物の製造方法は、生成物の純度が６０％以上、６５％以上、７０％以上、７５％以上、８０％以上、８５％以上、９０％以上又は９５％以上であってもよい。
以下、本明細書の実施例に関してより詳しく説明する。ただし、以下の実験結果は、前記実施例のうち代表的な実験結果のみを記載したものであり、実施例などによって本明細書の範囲と内容を縮小又は制限して解釈してはならない。下で明示的に提示しない本明細書の多くの具現例のそれぞれの効果は、該当部分で具体的に記載する。
反応器
第１反応器：撹拌機が具備された容量１００体積部のタンク型反応器
第２反応器：長さが断面積の平方根の６７０倍である容量６体積部の管型反応器
比較例１
撹拌機が具備された第１反応器にイソフタル酸（ｉｓｏｐｈｔｈａｌｉｃ ａｃｉｄ；ＩＰＡ）５重量部、アセトニトリル（ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ；ＡＣＮ）１００重量部を投入して反応計を形成した。前記第１反応器の内部に２～３ｂａｒの圧力で窒素を３回置換した。常圧で前記第１反応器を４００ｒｐｍで撹拌しながら内部温度を２９０℃に昇温した。反応温度を維持しながら１～４時間の間反応させた。反応圧力は、９０～９５ｂａｒであった。反応が終わった後、反応計を室温まで冷却した。その後、反応計を減圧蒸溜してアセトニトリルとイソフタロニトリル（ｉｓｏｐｈｔｈａｌｏｎｉｔｒｉｌｅ；ＩＰＮ）を分離した。アセトニトリルは再使用し、イソフタロニトリルは気体クロマトグラフィー（ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）で分析して生成物の純度を確認した。
第１反応器：撹拌機が具備された容量１００体積部のタンク型反応器
第２反応器：長さが断面積の平方根の６７０倍である容量６体積部の管型反応器
比較例１
撹拌機が具備された第１反応器にイソフタル酸（ｉｓｏｐｈｔｈａｌｉｃ ａｃｉｄ；ＩＰＡ）５重量部、アセトニトリル（ａｃｅｔｏｎｉｔｒｉｌｅ；ＡＣＮ）１００重量部を投入して反応計を形成した。前記第１反応器の内部に２～３ｂａｒの圧力で窒素を３回置換した。常圧で前記第１反応器を４００ｒｐｍで撹拌しながら内部温度を２９０℃に昇温した。反応温度を維持しながら１～４時間の間反応させた。反応圧力は、９０～９５ｂａｒであった。反応が終わった後、反応計を室温まで冷却した。その後、反応計を減圧蒸溜してアセトニトリルとイソフタロニトリル（ｉｓｏｐｈｔｈａｌｏｎｉｔｒｉｌｅ；ＩＰＮ）を分離した。アセトニトリルは再使用し、イソフタロニトリルは気体クロマトグラフィー（ｇａｓ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）で分析して生成物の純度を確認した。
比較例２
撹拌機が具備された第１反応器にテレフタル酸（ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｉｃ ａｃｉｄ；ＴＰＡ）５重量部、アセトニトリル１００重量部を投入して反応計を形成した。前記第１反応器の内部に２～３ｂａｒの圧力で窒素を３回置換した。常圧で前記第１反応器を４００ｒｐｍで撹拌しながら内部温度を２９０℃に昇温した。反応温度を維持しながら１～４時間の間反応させた。反応圧力は、９０～９５ｂａｒであった。反応が終わった後、反応計を室温まで冷却した。その後、反応計を減圧蒸溜してアセトニトリルとテレフタロニトリル（ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｏｎｉｔｒｉｌｅ、ＴＰＮ）を分離した。アセトニトリルは再使用し、テレフタロニトリルは気体クロマトグラフィーで分析して生成物の純度を確認した。
撹拌機が具備された第１反応器にテレフタル酸（ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｉｃ ａｃｉｄ；ＴＰＡ）５重量部、アセトニトリル１００重量部を投入して反応計を形成した。前記第１反応器の内部に２～３ｂａｒの圧力で窒素を３回置換した。常圧で前記第１反応器を４００ｒｐｍで撹拌しながら内部温度を２９０℃に昇温した。反応温度を維持しながら１～４時間の間反応させた。反応圧力は、９０～９５ｂａｒであった。反応が終わった後、反応計を室温まで冷却した。その後、反応計を減圧蒸溜してアセトニトリルとテレフタロニトリル（ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌｏｎｉｔｒｉｌｅ、ＴＰＮ）を分離した。アセトニトリルは再使用し、テレフタロニトリルは気体クロマトグラフィーで分析して生成物の純度を確認した。
実施例１
撹拌機が具備された第１反応器にイソフタル酸５重量部、アセトニトリル１００重量部を投入した。前記第１反応器の内部に２～３ｂａｒの圧力で窒素を３回置換した。前記第１反応器を１５０ｒｐｍで撹拌しながら第１反応器及び第２反応器の内部温度を２７５～２８５℃に昇温した。反応温度２７５～２８５℃及び反応圧力９０～９５ｂａｒを維持しながら１時間の間反応させた後、第２反応器に圧力及び流量を制御しながら反応物を移送させた。前記第２反応器の末端から収得した生成物を３０分おきに気体クロマトグラフィーで分析して純度を確認した。
撹拌機が具備された第１反応器にイソフタル酸５重量部、アセトニトリル１００重量部を投入した。前記第１反応器の内部に２～３ｂａｒの圧力で窒素を３回置換した。前記第１反応器を１５０ｒｐｍで撹拌しながら第１反応器及び第２反応器の内部温度を２７５～２８５℃に昇温した。反応温度２７５～２８５℃及び反応圧力９０～９５ｂａｒを維持しながら１時間の間反応させた後、第２反応器に圧力及び流量を制御しながら反応物を移送させた。前記第２反応器の末端から収得した生成物を３０分おきに気体クロマトグラフィーで分析して純度を確認した。
実施例２
撹拌機が具備された第１反応器にテレフタル酸５重量部、アセトニトリル１００重量部を投入した。前記第１反応器の内部に２～３ｂａｒの圧力で窒素を３回置換した。前記第１反応器を１５０ｒｐｍで撹拌しながら第１反応器及び第２反応器の内部温度を２８０～３００℃に昇温した。反応温度２８０～３００℃及び反応圧力７０～１００ｂａｒを維持しながら１時間の間反応させた後、第２反応器に圧力及び流量を制御しながら反応物を移送させた。前記第２反応器の末端から収得した生成物を３０分おきに気体クロマトグラフィーで分析して純度を確認した。
撹拌機が具備された第１反応器にテレフタル酸５重量部、アセトニトリル１００重量部を投入した。前記第１反応器の内部に２～３ｂａｒの圧力で窒素を３回置換した。前記第１反応器を１５０ｒｐｍで撹拌しながら第１反応器及び第２反応器の内部温度を２８０～３００℃に昇温した。反応温度２８０～３００℃及び反応圧力７０～１００ｂａｒを維持しながら１時間の間反応させた後、第２反応器に圧力及び流量を制御しながら反応物を移送させた。前記第２反応器の末端から収得した生成物を３０分おきに気体クロマトグラフィーで分析して純度を確認した。
前記比較例及び実施例の反応条件と生成物の純度を下の表１に整理して示した。また、比較例１－２によって製造された生成物の気体クロマトグラフィー結果を図１に示し、実施例１－２によって製造された生成物の気体クロマトグラフィー結果を図２に示した。
第１反応器を用いた回分式工程である比較例１と第１反応器及び第２反応器を用いた連続式工程である実施例１を比較すると、同一の反応物と反応温度で実施例１の反応時間が比較例１に比べて半分に過ぎなかったにもかかわらず純度が一層高いことが確認できる。
また、連続式工程でテレフタロニトリルを製造した実施例２と回分式工程でテレフタロニトリルを製造した比較例２を比較すると、半分乃至６３％の反応時間だけでも一層高い純度のテレフタロニトリルの製造が可能であることが確認できる。
実施例１－１、実施例１－２及び実施例１－６を参考にすると、反応温度が高いほど生成物の純度が増加し、反応温度２７５℃では未反応イソフタル酸が一部検出された。
実施例１－３～実施例１－７を参考にすると、反応時間が増加するほど生成物の純度が増加し、回分式反応に比べて短い反応時間でも高い純度の製品を製造することができた。
実施例１－２及び実施例１－８を参考にすると、ニトリル系化合物に比べてフタル酸系化合物の含量が高いほど生成物の純度が高くなる傾向を確認することができる。
前記実施例１及び実施例２を参照すると、アンモニア、酸触媒など有害化合物質を用いる従来のアンモ酸化反応を用いた製造工程とは異なり、本発明の一実施例は、別途の触媒や付加物の投入なしにフタル酸系化合物からフタロニトリル系化合物を高い収率で製造することができる。また、連続式工程を用いて回分式反応を行う比較例に比べて短い反応時間で一層高い純度の生成物を製造することができる。
また、図１及び図２を参考にすると、中間体３－ＣＢＡが１５～２０重量％残留する比較例とは異なり、実施例では、残留する中間体３－ＣＢＡが半分以下に減少した。
具体的に、前記実施例は、フタル酸系化合物であるイソフタル酸又はテレフタル酸を反応物として、有機ニトリルであるアセトニトリルを溶媒であると同時に反応物として用いた。これらの混合物に別途の触媒や付加物の投入なしに直接加熱して高温、高圧の超臨界状態（Ｔｃ：２７５℃以上、Ｐｃ：４８ｂａｒ以上）を形成し、酸とニトリルの交換反応を誘導してフタロニトリル系化合物を直接生成した。それと同時に、このような反応をタンク型反応器及び管型反応器に分けて行うことによって、より短い時間に高い純度の生成物を製造した。その結果、最終生成物の精製と分離がより容易であった。
前述した本明細書の説明は例示のためのものに過ぎず、本明細書の一側面が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本明細書に記載された技術的思想や必須的な特徴を変更することなく他の具体的な形態に容易に変更が可能である。したがって、上述した実施例は全ての面で例示的なものであり、限定的でないものと理解しなければならない。例えば、単一型として説明されている各構成要素は分散して実施することもでき、同様に、分散されたものとして説明されている構成要素を結合された形態で実施することもできる。
本明細書の範囲は、後述する特許請求の範囲により示されるが、特許請求の範囲の意味及び範囲、そしてその均等概念から導出される全ての変更又は変形された形態は、本発明の範囲に含まれるものと解釈しなければならない。
１００：第１反応部
２００：第２反応部
３００：吐出部
１２０、２２０、３２０：温度調節部
４００：圧力調節部
２００：第２反応部
３００：吐出部
１２０、２２０、３２０：温度調節部
４００：圧力調節部
Claims (15)
- 連続式工程を用いたフタロニトリル系化合物の製造システムにおいて、
フタル酸系化合物及びニトリル系化合物を含む混合物が充填された第１反応部；
前記第１反応部と連結された第２反応部；及び
前記第２反応部と連結された吐出部を含み、
前記第２反応部で、前記第１反応部方向から前記吐出部方向に流体の流れが存在し、
前記第２反応部は、流体の流れ方向の長さが流体の流れ方向に垂直な平均断面積の平方根の１０倍以上であることを特徴とする、フタロニトリル系化合物の製造システム。 - 前記第１反応部と第２反応部の間に圧力調節部をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載のフタロニトリル系化合物の製造システム。
- 前記第１反応部、第２反応部及び吐出部のうち少なくとも一つは、温度調節部をさらに具備することを特徴とする、請求項１に記載のフタロニトリル系化合物の製造システム。
- 前記第２反応部の容量は、前記第１反応部の容量１００体積部を基準として１～５０体積部であることを特徴とする、請求項１に記載のフタロニトリル系化合物の製造システム。
- 前記流体の流れの流速は、前記第１反応部容量の０．０１～１．００体積部／分の速度で調節されることを特徴とする、請求項１に記載のフタロニトリル系化合物の製造システム。
- 請求項１～請求項５のうちいずれか一項に記載の製造システムを用いる方法において、
（ａ）前記第１反応部にフタル酸系化合物及びニトリル系化合物を含む混合物を投入する段階；
（ｂ）前記混合物を反応させて前記第２反応部に移送する段階；及び
（ｃ）前記吐出部でフタロニトリル系化合物を収得する段階を含み、
前記（ｂ）段階は、前記ニトリル系化合物の超臨界条件下で行われることを特徴とする、フタロニトリル系化合物の製造方法。 - 前記フタル酸系化合物は、イソフタル酸、テレフタル酸又はこれらの混合物であることを特徴とする、請求項６に記載のフタロニトリル系化合物の製造方法。
- 前記ニトリル系化合物は、シアン化水素、アセトニトリル、アクリロニトリル、ブチロニトリル、イソブチロニトリル、ピバロニトリル、スクシノニトリル、フマロニトリル、クロトニトリル及びベンゾニトリルからなる群より選択された一つ以上であることを特徴とする、請求項６に記載のフタロニトリル系化合物の製造方法。
- 前記（ａ）段階の混合物は、フタル酸系化合物及びニトリル系化合物で構成されたことを特徴とする、請求項６に記載のフタロニトリル系化合物の製造方法。
- 前記（ａ）段階で、前記ニトリル系化合物の含量は、前記フタル酸系化合物１重量部を基準として１～５００重量部であることを特徴とする、請求項６に記載のフタロニトリル系化合物の製造方法。
- 前記（ａ）段階で、前記混合物の水分含量は、６，０００ｐｐｍ未満であることを特徴とする、請求項６に記載のフタロニトリル系化合物の製造方法。
- 前記（ｂ）段階は、２６０～３５０℃、４０～２００ｂａｒの条件で行われることを特徴とする、請求項６に記載のフタロニトリル系化合物の製造方法。
- 前記（ｂ）段階は、１～５００分間行われることを特徴とする、請求項６に記載のフタロニトリル系化合物の製造方法。
- 前記（ｃ）段階は、前記吐出部で収得した生成物からフタロニトリル系化合物を分離精製する段階であることを特徴とする、請求項６に記載のフタロニトリル系化合物の製造方法。
- 前記（ｃ）段階で分離された残部化合物を前記（ａ）段階に再使用することを特徴とする、請求項１４に記載のフタロニトリル系化合物の製造方法。
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