JP2024506153A - 1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物およびその精製方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は、1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM)組成物およびその精製方法に関する。より詳しくは、副産物の含有量が低いため純度が高く、トランス異性体の比率が高い1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を提供することができる1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物およびその精製方法に関する。
Description
関連出願の相互引用
本出願は、2021年2月3日付韓国特許出願第10-2021-0015384号および2021年2月3日付韓国特許出願第10-2021-0015385号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本出願は、2021年2月3日付韓国特許出願第10-2021-0015384号および2021年2月3日付韓国特許出願第10-2021-0015385号に基づいた優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に開示された全ての内容は本明細書の一部として含まれる。
本発明は、1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM)組成物の精製方法に関する。より詳しくは、副産物の含有量が低いため純度が高く、トランス異性体の比率が高い1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物およびその精製方法に関する。
1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM)は、医薬品、合成樹脂、合成繊維または染料などの原料として広く使用されており、特に環境にやさしいポリエステルであるポリエチレンテレフタレートの原料として利用されている。
1,4-シクロヘキサンジメタノールは、シス(cis)とトランス(trans)形態の立体異性体(stereoisomer)として存在するが、より高品質の製品のためにはシスよりトランス1,4-シクロヘキサンジメタノール(trans CHDM)の比率が高いことが要求される。
1,4-シクロヘキサンジメタノールを製造する方法のうち、ジメチルテレフタレート(dimethyl terephthalate、DMT)の水素化反応による方法が商業的に多く利用されている。この方法は、フタレートをメタノールと反応してDMTを製造し、以降、2段階の水素化反応により1,4-シクロヘキサンジメタノールを生成する方法である。第1の水素化反応は、DMTをDMCD(diester dimethyl 1,4-cyclohexanedicarboxylate)に変換する反応であり、第2の水素化反応でDMCDをCHDMに変換するようになる。この時、触媒の種類によりシスCHDMとトランスCHDMの比率が決定される。商業的に主に使用される銅クロム酸化物であるcopper chromite触媒を使用する場合、シスCHDMとトランスCHDMの比率が約3:7で製造される。このような方法は、DMTを利用し、メタノールを利用したトランスエステル化(trans esterification)反応を利用するため、反応および分離工程が複雑であり、異性化のために添加物を使用しなければならないため、最終製品の品質に影響を与えることがある。
本発明の目的は、前記のような問題点を解決するためのものであり、1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物を精製して副産物と水の含有量が低いため純度が高く、トランス異性体の比率が高い1,4-シクロヘキサンジメタノールを提供することにある。
前記課題を解決するために、
本発明の一側面は、
ガスクロマトグラフィー(GC)分析により測定した純度が99.7重量%以上であり、シス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM);および
分子量が144.21g/mol未満である低分子量(light)副産物を0.15重量%以下含む、1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を提供する。
本発明の一側面は、
ガスクロマトグラフィー(GC)分析により測定した純度が99.7重量%以上であり、シス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM);および
分子量が144.21g/mol未満である低分子量(light)副産物を0.15重量%以下含む、1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を提供する。
本発明の他の一側面は、
1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物に対して水を除去する水除去段階;
前記水除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも低い沸点を有する副産物を除去する1次副産物除去段階;および
1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物に対して水を除去する水除去段階;
前記水除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも低い沸点を有する副産物を除去する1次副産物除去段階;および
前記1次副産物除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも高い沸点を有する副産物を除去して精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を回収する2次副産物除去段階;
を含む、
1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法を提供する。
を含む、
1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法を提供する。
本発明の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物およびその精製方法によれば、副産物と水の含有量が非常に低いため純度が高い1,4-シクロヘキサンジメタノールを提供することができ、高分子原料として使用時に物性の向上を期待することができる。
また、本発明の1,4-シクロヘキサンジメタノールの精製方法は、エネルギー消費が少なく、工程段階が単純であり、副産物除去効率が高いため、高品質の1,4-シクロヘキサンジメタノールを低費用で生産することができる。
本明細書で使用される用語は、単に例示的な実施例を説明するために使用されたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なって意味しない限り、複数の表現を含む。本明細書で、「含む」、「備える」または「有する」などの用語は、実施された特徴、段階、構成要素またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や段階、構成要素、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されなければならない。
本発明は、多様な変更を加えることができ、多様な形態を有することができるところ、特定の実施例を例示して以下で詳細に説明する。しかし、これは本発明を特定の開示形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想および技術範囲に含まれる全ての変更、均等物乃至代替物を含むものと理解されなければならない。
以下、発明の具体的な実施形態により1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法についてより詳しく説明する。
本発明の1,4-シクロヘキサンジメタノールの精製方法は、1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM)の粗(crude)組成物に対して水を除去する水除去段階;前記水除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも低い沸点を有する副産物を除去する1次副産物除去段階;および前記1次副産物除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも高い沸点を有する副産物を除去して精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を回収する2次副産物除去段階を含む。
以下、各段階別に本発明の一実施形態による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物およびその精製方法を詳しく説明する。
本発明の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、ガスクロマトグラフィー(GC)分析により測定した純度が99.7重量%以上であり、シス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM);および分子量が144.21g/mol未満である低分子量(light)副産物を0.15重量%以下含む。
より具体的に、本発明の一実施形態による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物で、1,4-シクロヘキサンジメタノールの分子量(Mw)である144.21g/mol未満の分子量を有する低分子量(light)副産物を、1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の全体重量に対して0.15重量%以下、または、0.14重量%以下、または、0.12重量%以下、または、0.10重量%以下、または、0.09重量%以下含むことができる。前記低分子量副産物の含有量は低いほど好ましいため、下限値は0重量%であるが、一例として0.001重量%であり得る。
前記低分子量副産物を0.15重量%超過(0.15重量%より多く)で含む1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を利用して他の高分子を製造する場合、高分子の重合を妨害して高分子量、高品質の製品製造が難しいこともある。
前記低分子量副産物の例としては、シクロヘキシルメタノール(cyclohexylmethanol)、4-メチル-1-シクロヘキサンメタノール(4-methyl-1-cyclohexanemethanol)、シクロヘキサンカルボン酸(cyclohexane carboxylic acid)、4-メチル-3-シクロヘキセン-1-メタノール(4-methyl-3-cyclohexene-1-methanol)、4-メチル-1-シクロヘキサンカルボン酸(4-methyl cyclohexane carboxylic acid)、4-ヒドロキシメチルシクロヘキサンカルボン酸(4-hydroxymethyl cyclohexane carboxylic acid)、4-ヒドロキシメチル-4-シクロヘキサンメタノール(4-hydroxymethyl-4-cyclohexanemethanol)、3-ヒドロキシメチル-4-シクロヘキサンメタノール(3-hydroxymethyl-4-cyclohexanemethanol)などが挙げられる。
前記低分子量副産物の中でも、シクロヘキシルメタノール(cyclohexylmethanol、CHM)が最終製品に多量含有されている場合、高分子製造時に低分子量重合物の分布が高くなり、これは分子量分布、固有粘度(Intrinsic Viscosity)のような高分子の固有物性に影響を与える。したがって、シクロヘキシルメタノールはできる限り除去して実質的に含まないことが好ましい。
本発明の一実施形態による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物には、前記シクロヘキシルメタノールを0.01重量%以下、または、0.005重量%以下と非常に少ない含有量のみが含まれるか、検出不可な水準のみで含まれて高品質の高分子製品の原料として使用することができる。
また、本発明の一実施形態による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物で、1,4-シクロヘキサンジメタノールの分子量(Mw)である144.21g/mol超過(より多い)の分子量を有する高分子量(heavy)副産物を、精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の全体重量に対して0.15重量%以下、または、0.14重量%以下、または、0.12重量%以下、または、0.10重量%以下、または、0.09重量%以下含むことができる。前記高分子量副産物の含有量は低いほど好ましいため、下限値は0重量%であるが、一例として0.01重量%であり得る。
前記高分子量副産物を0.15重量%超過で含む場合、1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を利用して他の高分子を製造する場合、高分子量副産物末端のカルボキシル基が高分子の重合を妨害して所望する分子量の高分子製造が難しく、黄変が発生して、高品質の製品製造が難しいこともある。
前記高分子量副産物の例として、1,4-シクロヘキサン-ヒドロキシメチル-カルボン酸(1,4-cyclohexane-hydroxylmethyl-carboxylic acid)、モノエステル系化合物、または、モノエーテル系化合物などが挙げられる。
また、本発明の一実施形態による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、ASTM D1209により測定したAPHA値が10以下、または、8以下、または、6以下、または、4以下、または、2以下で、優れた色を示すことができる。
また、本発明の一実施形態による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物で、1,4-シクロヘキサンジメタノール中、トランス異性体、つまり、トランス1,4-シクロヘキサンジメタノールの含有量が63重量%以上、または、65重量%以上、または、67重量%以上、または、69重量%以上、または、70重量%以上で、非常に高いトランス異性体含有量を有することができる。また、トランス異性体の比率の上限はないが、一例として99重量%以下、または、95重量%以下、または、90重量%以下、または、85重量%以下であり得る。
また、本発明の一実施形態による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物で、1,4-シクロヘキサンジメタノールの含有量、つまり、純度は99.5重量%以上、または、99.6重量%以上、または、99.7重量%以上、または、99.75重量%以上であり得る。前記純度は高いほど好ましいため、理論的純度は100重量%であるが、実質的に99.9重量%以下であり得る。
前記のように、本発明の一実施形態による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、1,4-シクロヘキサンジメタノールの純度が高く、トランス含有量が高く、残留する副産物の含有量が非常に低いため、医薬品、合成樹脂、合成繊維または染料など高品質の製品を製造するための原料として有用に使用することができる。
前述の特徴を有する本発明の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、一例として1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM)の粗(crude)組成物に対して水を除去する水除去段階;前記水除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも低い沸点を有する副産物を除去する1次副産物除去段階;および前記1次副産物除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも高い沸点を有する副産物を除去して精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を回収する2次副産物除去段階を含む精製方法により得られる。
以下、各段階別に本発明の一実施形態による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法を詳しく説明する。
まず、1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM)、水、および副産物を含む1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物に対して水を除去する段階を行う。
本発明の精製方法の精製対象である1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物は、これに限定されるのではないが、テレフタル酸(terephthalic acid)に対する2段階の水素化反応により得られるものであり、最初の反応物質であるテレフタル酸は水に溶解された状態で水素化反応を行うため、前記1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物は多量の水を含有している。
一例として、前記1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物には、総重量に対して10乃至40重量%の1,4-シクロヘキサンジメタノールと、60乃至90重量%の水、および副産物が含まれている。前記10乃至40重量%の1,4-シクロヘキサンジメタノールを除いた残り成分の相当部分は水が占める。
そこで、高純度に精製された1,4-シクロヘキサンジメタノールを回収するためにまず水を除去する必要がある。しかし、1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物は、前述のように多量の水を含んでいるため、副産物除去段階で水を共に除去する場合、多くのエネルギーが消費される。
そこで、本発明の一実施形態ではまず、低温、および高真空状態で多量の水を除去する水除去段階を行う。
一例として、前記水除去段階は、前記1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物に対して、50乃至110℃の温度、および-0.1乃至0.1bargの圧力下で行われ得る。より好ましくは、55乃至105℃の温度、および0乃至0.01bargの圧力下で行われ得る。
前述の温度および圧力条件から外れる場合、水が十分に除去されず、後工程で水の追加除去が必要となり、精製に必要なエネルギー消費が高くなり得る。
前記水除去段階は、蒸発器、多段蒸発器、または、蒸留塔のような装置を利用して行われ得るが、本発明がこれに限定されるのではない。
前記のような水除去段階により、最初の1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物に含まれていた水の全体重量に対して80重量%以上、好ましくは90重量%以上、より好ましくは97重量%以上の水が除去され得る。
次に、1次副産物除去段階を行う。
前記1次副産物除去段階は、前記水除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも低い沸点を有する副産物(以下、低沸点副産物という。)を除去する段階である。
前記低沸点副産物は、1,4-シクロヘキサンジメタノールの沸点(boiling point)である286℃よりも低い化合物であり、例えば、シクロヘキシルメタノール(cyclohexylmethanol、沸点約181℃)、4-メチル-1-シクロヘキサンメタノール(4-methyl-1-cyclohexanemethanol、沸点約197℃)、4-メチル-1-シクロヘキサンカルボン酸(4-methyl cyclohexane carboxylic acid、沸点約134℃)、4-メチル-3-シクロヘキセン-1-メタノール(4-methyl-3-cyclohexene-1-methanol、沸点約197℃)、4-ヒドロキシメチルシクロヘキサンカルボン酸(4-hydroxymethyl cyclohexane carboxylic acid、沸点約278~282℃)、4-ヒドロキシメチル-4-シクロヘキサンメタノール(4-hydroxymethyl-4-cyclohexanemethanol、沸点約278~282℃)、3-ヒドロキシメチル-4-シクロヘキサンメタノール(3-hydroxymethyl-4-cyclohexanemethanol、沸点約278~282℃)などが挙げられる。
一例として、前記1次副産物除去段階は、前記水除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を低沸点蒸留塔で蒸留して下部に低沸点副産物を分離し、上部に1,4-シクロヘキサンジメタノールを分離する段階である。
この時、前記1次副産物除去段階は、低沸点蒸留塔の塔頂での温度が40乃至55℃、圧力が-1乃至1bargになり、塔低での温度が200乃至220℃、圧力が-1乃至1bargになるようにして行うことができる。
前述の温度および圧力条件から外れる場合、低沸点副産物の除去率が低くなり得る。
前述のような1次副産物除去段階により、最初の1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物に含まれていた低沸点副産物の全体重量に対して99重量%以上、好ましくは99.5重量%以上が除去され得る。
次に、2次副産物除去段階を行う。
前記2次副産物除去段階は、前記1次副産物除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも高い沸点を有する副産物(以下、高沸点副産物という。)を除去して精製された1,4-シクロヘキサンジメタノールを回収する段階である。
前記高沸点副産物は、1,4-シクロヘキサンジメタノールの沸点(boiling point)である286℃よりも高い化合物であり、1,4-シクロヘキサン-ヒドロキシメチル-カルボン酸(1,4-cyclohexane-hydroxylmethyl-carboxylic acid、沸点約316℃)、モノエステル系化合物、または、モノエーテル系化合物などが挙げられる。
一例として、前記2次副産物除去段階は、前記1次副産物除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を高沸点蒸留塔で蒸留して上部に高沸点副産物を分離し、下部に1,4-シクロヘキサンジメタノールを分離する段階である。
この時、前記2次副産物除去段階は、前記高沸点蒸留塔の塔頂での温度が200乃至220℃、圧力が-1乃至1bargになり、塔低での温度が240乃至260℃、圧力が-1乃至1bargになるようにして行うことができる。
前述の温度および圧力条件から外れる場合、高沸点副産物の除去率が低くなり得る。
前述のような2次副産物除去段階により、最初の1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物に含まれていた高沸点副産物の全体重量に対して99重量%以上、好ましくは99.5重量%以上が除去され得る。
前述のような水除去段階、1次副産物除去段階、および2次副産物除去段階を含む本発明の精製方法により得られる1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、ガスクロマトグラフィー(GC)分析により測定した1,4-シクロヘキサンジメタノールの含有量で計算される1,4-シクロヘキサンジメタノールの純度が99.5重量%以上であり得る。
より具体的に、前記精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物で、1,4-シクロヘキサンジメタノールの含有量、つまり、純度は99.5重量%以上、または、99.7重量%以上、または、99.75重量%以上、または、99.8重量%以上、または、99.9重量%以上であり得る。
また、前記精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に残留する水の含有量は、精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の全体重量に対して0.15重量%以下、または、0.13重量%以下、または、0.12重量%以下、または、0.10重量%以下、または、0.09重量%以下、または、0.08重量%以下、または、0.07重量%以下で、水の含有量が非常に低くてもよい。
水を0.15重量%超過で含む場合、低沸点成分も十分に除去されず、最終1,4-シクロヘキサンジメタノールの純度が低くなることがある。
また、本発明の精製方法により得られる1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、1,4-シクロヘキサンジメタノールの分子量(Mw)である144.21g/mol未満の分子量を有する低分子量(light)副産物を、精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の全体重量に対して0.15重量%以下、または、0.14重量%以下、または、0.12重量%以下、または、0.10重量%以下、または、0.09重量%以下含むことができる。前記低分子量副産物の含有量は低いほど好ましいため、下限値は0重量%であるが、一例として0.01重量%であり得る。
前記低分子量副産物を0.15重量%超過で含む1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を利用して他の高分子を製造する場合、高分子の重合を妨害して高分子量、および高品質の製品製造が難しいこともある。
前記低分子量副産物の例としては、シクロヘキシルメタノール(cyclohexylmethanol)、4-メチル-1-シクロヘキサンメタノール(4-methyl-1-cyclohexanemethanol)、シクロヘキサンカルボン酸(cyclohexane carboxylic acid)、4-メチル-3-シクロヘキセン-1-メタノール(4-methyl-3-cyclohexene-1-methanol)、4-メチル-1-シクロヘキサンカルボン酸(4-methyl cyclohexane carboxylic acid)、4-ヒドロキシメチルシクロヘキサンカルボン酸(4-hydroxymethyl cyclohexane carboxylic acid)、4-ヒドロキシメチル-4-シクロヘキサンメタノール(4-hydroxymethyl-4-cyclohexanemethanol)、3-ヒドロキシメチル-4-シクロヘキサンメタノール(3-hydroxymethyl-4-cyclohexanemethanol)などが挙げられる。
前記低分子量副産物の中でも、シクロヘキシルメタノール(cyclohexylmethanol、CHM)が最終製品に多量含まれている場合、高分子製造時に低分子量重合物の分布が高くなり、これは分子量分布、固有粘度(Intrinsic Viscosity)のような高分子の固有物性に影響を与える。したがって、シクロヘキシルメタノールはできる限り除去して実質的に含まないことが好ましい。
本発明の精製方法により得られる1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物には、前記シクロヘキシルメタノールを0.01重量%以下、または、0.005重量%以下と非常に少ない含有量のみが含まれるか、検出不可な水準のみで含まれて高品質の高分子製品の原料として使用することができる。
また、本発明の精製方法により得られる1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、1,4-シクロヘキサンジメタノールの分子量(Mw)である144.21g/mol超過の分子量を有する高分子量(heavy)副産物を、精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の全体重量に対して0.15重量%以下、または、0.14重量%以下、または、0.12重量%以下、または、0.10重量%以下、または、0.09重量%以下含むことができる。前記高分子量副産物の含有量は低いほど好ましいため、下限値は0重量%であるが、一例として0.01重量%であり得る。
前記高分子量副産物を0.15重量%超過で含む1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を利用して他の高分子を製造する場合、高分子の重合を妨害して色、粘度などに影響を与えて高品質の製品製造が難しいこともある。
前記高分子量副産物の例として、1,4-シクロヘキサン-ヒドロキシメチル-カルボン酸(1,4-cyclohexane-hydroxylmethyl-carboxylic acid)、モノエステル系化合物、または、モノエーテル系化合物などが挙げられる。
また、本発明の精製方法により得られる1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、ASTM D1209により測定したAPHA値が10以下、または、8以下、または、6以下、または、4以下、または、2以下で、優れた色を示すことができる。
また、本発明の精製方法により得られる1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物で、1,4-シクロヘキサンジメタノール中、トランス異性体、つまり、トランス1,4-シクロヘキサンジメタノールの含有量が63重量%以上、または、65重量%以上、または、67重量%以上、または、69重量%以上、または、70重量%以上と非常に高いトランス異性体含有量を有することができる。また、トランス異性体の比率の上限はないが、一例として99重量%以下、または、95重量%以下、または、90重量%以下、または、85重量%以下であり得る。
前記のように、本発明の精製方法により得られる1,4-シクロヘキサンジメタノールは、純度が高く、残留する水および副産物の含有量が非常に低いため、医薬品、合成樹脂、合成繊維または染料など高品質の製品を製造するための原料として有用に使用することができる。
前述した本発明の精製方法の対象である1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物は、テレフタル酸(terephthalic acid)を出発物質として1,4-シクロヘキサンジカルボン酸(1,4-cyclohexane dicarboxylic acid、CHDA)への1段階の水素化反応、および1,4-シクロヘキサンジカルボン酸から1,4-シクロヘキサンジメタノールへの2段階の水素化反応により製造されたものであり得る。
一例として、攪拌機が備えられた第1反応器にテレフタル酸(terephthalic acid)、第1水素化触媒、および水を含む反応溶液、および水素気体を供給して水素化反応を行い、シス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジカルボン酸(1,4-cyclohexane dicarboxylic acid、CHDA)を製造する第1段階;および攪拌機が備えられた第2反応器に前記第1段階の反応生成物、第2水素化触媒、および水を含む反応溶液、および水素気体を供給して水素化反応を行い、シス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM)を製造する第2段階を含む製造方法により製造されたものであり得る。
前記第1段階は、攪拌機が備えられた第1反応器にテレフタル酸(terephthalic acid)、第1水素化触媒、および水を含む反応溶液、および水素気体を供給して水素化反応を行い、シス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジカルボン酸を製造する段階である。
より具体的に、攪拌機が備えられた第1反応器にテレフタル酸(terephthalic acid)、第1水素化触媒、および水を含む反応溶液を供給する。
前記テレフタル酸は、テレフタル酸および水の総量に対して5乃至25重量%である。より具体的に、前記テレフタル酸は、テレフタル酸および水の総量に対して5重量%以上、または、10重量%以上、または、15重量%以上、または、18重量%以上であり、25重量%以下、または、24重量%以下、または、22重量%以下であり得る。
前記テレフタル酸がテレフタル酸および水の総量に対して5重量%未満である場合、トランス/シス異性体の比率が平衡に到達する時間が非常に長くかかり、生成されるCHDA中のトランス異性体の比率が低いという問題があり、25重量%を超える場合、テレフタル酸の低い溶解度により溶解が難しく、反応温度を高く設定しなければならないという問題がある。反応温度が高くなる場合、低沸点副産物が多量発生して収率が低くなり、熱的疲労により触媒活性が低くなる。
本発明の一実施例によれば、前記第1水素化触媒としては、テレフタル酸の水素化反応に使用することができると知られた触媒を使用することができる。
本発明の一実施例によれば、前記第1水素化触媒は、活性成分としてパラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、ルテニウム(Ru)、および白金(Pt)からなる群より選択される1種以上の金属を含むことができる。好ましくは、前記第1水素化触媒は、活性成分としてパラジウム(Pd)を含むことができる。
このような第1水素化触媒は、担体に担持させて使用することができ、この時、担体としては当業界に知られている担体を制限なしに使用することができる。具体的に炭素、ジルコニア(ZrO2)、チタニア(TiO2)、アルミナ(Al2O3)、または、シリカ(SiO2)などの担体を使用することができる。
次に、前記反応溶液が投入された第1反応器に水素気体を供給する。
前記水素化反応は、液体状または、気体状で行われ得る。本発明の一実施例によれば、前記テレフタル酸は、水などの溶媒に溶解された液状で、水素は気体状態で水素化反応が行われ得る。
次に、前記第1反応器の攪拌機を攪拌して水素化反応を行うことによって1,4-シクロヘキサンジカルボン酸を製造する。
前記第1段階反応後に得られる反応生成物には、シス異性体およびトランス異性体を含むCHDA、溶媒である水、触媒などが含まれており、これを後続する第2段階の水素化反応(CHDAからCHDMへの水素化反応)の反応物として利用するようになる。必要に応じて、前記反応生成物に含まれている触媒は、触媒フィルターなどにより除去した後、第2段階の水素化反応の反応物に移送され得る。
本発明の一実施形態によれば、前記第1段階の反応生成物でのシス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジカルボン酸全体は、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸および水の総量に対して5乃至30重量%であり得る。より具体的に、5重量%以上、または、7重量%以上、または、10重量%以上であり、30重量%以下、または、25重量%以下、または、23重量%以下であり得る。
本発明の一実施形態によれば、テレフタル酸、第1水素化触媒および水を含む混合溶液中のテレフタル酸は、テレフタル酸および水の総量に対して5乃至25重量%、好ましくは10乃至25重量%、より好ましくは、12乃至22重量%含まれている混合溶液を水素化反応して1,4-シクロヘキサンジカルボン酸を製造する場合、製造された1,4-シクロヘキサンジカルボン酸全体の中のトランス異性体の比率が60重量%以上、または、62重量%以上、または、65重量%以上、または、67重量%以上、または、70重量%以上であり得、トランス異性体の比率の上限はないが、一例として80重量%以下、または、78重量%以下、または、75重量%以下であり得る。
第2段階は、攪拌機が備えられた第2反応器に前記第1段階の反応生成物、第2水素化触媒、および水を含む反応溶液、および水素気体を供給して水素化反応を行い、シス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM)を製造する段階である。
より具体的に、攪拌機が備えられた第2反応器に第1段階の反応生成物、第2水素化触媒、および水を含む反応溶液を供給する。
第1段階反応の反応生成物には、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸、第1水素化触媒、および溶媒である水が含まれており、これを第2段階の水素化反応の反応物として利用することができる。この時、第2段階を行う前に、前記第1段階反応の反応生成物に含まれている第1水素化触媒はフィルターなどで除去することが好ましい。
また、前記第1段階の反応生成物には、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸以外に水である溶媒が含まれているため、追加的な水の投入なしにそのまま第2段階の反応に利用することができる。または、反応溶液の濃度を調節するために、必要な場合、水を一部除去したり追加的にさらに投入することもできる。
前記1,4-シクロヘキサンジカルボン酸は、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸および水の総量に対して5乃至30重量%で含まれる。より具体的に、5重量%以上、または、7重量%以上、または、10重量%以上であり、30重量%以下、または、25重量%以下、または、23重量%以下であり得る。
前記1,4-シクロヘキサンジカルボン酸が1,4-シクロヘキサンジカルボン酸および水の総量に対して5重量%未満である場合、反応物と触媒の接触が減少して反応速度が遅くなったり、生成されるCHDM中のトランス異性体の比率が減少するという問題があり、30重量%を超える場合、1,4-シクロヘキサンジカルボン酸の溶解度が低くなって生産性が減少し、それによって反応物の結晶および触媒量が増加してスラリーをフィーディング(Feeding)する工程に困難があり得る。
この時、反応原料である1,4-シクロヘキサンジカルボン酸のシス異性体およびトランス異性体の比率は、前記第1段階の水素化反応で得られた1,4-シクロヘキサンジカルボン酸のシス異性体およびトランス異性体の比率と同一である。したがって、前記1,4-シクロヘキサンジカルボン酸は、トランス異性体の比率が60重量%以上、または、62重量%以上、または、65重量%以上、または、67重量%以上、または、70重量%以上であり得、トランス異性体の比率の上限はないが、一例として80重量%以下、または、78重量%以下、または、75重量%以下であり得る。
本発明の一実施例によれば、前記第2水素化触媒は、活性成分としてパラジウム(Pd)、ロジウム(Rh)、およびルテニウム(Ru)からなる群より選択される1種以上の金属と、スズ(Sn)、鉄(Fe)、レニウム(Re)、およびガリウム(Ga)からなる群より選択される1種以上の金属をそれぞれ含むことができる。
好ましくは、前記第2水素化触媒の活性成分としてルテニウム(Ru)およびスズ(Sn)を含むことができる。より好ましくは、前記水素化触媒の活性成分は、ルテニウム(Ru)およびスズ(Sn)のみからなり、他の活性成分を含まなくてもよい。
このような第2水素化触媒は、担体に担持させて使用することができ、この時、担体としては当業界に知られている担体を制限なしに使用することができる。具体的に炭素、ジルコニア(ZrO2)、チタニア(TiO2)、アルミナ(Al2O3)、または、シリカ(SiO2)などの担体を使用することができる。
次に、前記反応溶液が投入された反応器に水素気体を供給する。
前記水素化反応は、液体状または、気体状で行われ得る。本発明の一実施例によれば、前記1,4-シクロヘキサンジカルボン酸は、水などの溶媒に溶解された液状で、水素は気体状態で水素化反応が行われ得る。
次に、前記第2反応器の攪拌機を攪拌して水素化反応を行うことによって1,4-シクロヘキサンジメタノールを製造する。
前記第2段階反応後に得られる反応生成物である1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物には、シス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジメタノール、溶媒である水、および反応副産物などが含まれており、これを本願の精製方法により精製して、高純度の1,4-シクロヘキサンジメタノールを得ることができる。
本発明の一実施形態によれば、前記段階反応生成物の全体重量中のシス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジメタノール全体の含有量は、10乃至40重量%、または、15乃至30重量%であり得る。
好ましくは、前記第2段階の反応生成物である1,4-シクロヘキサンジメタノール中、トランス異性体の含有量が63重量%以上、または、65重量%以上、または、67重量%以上、または、69重量%以上、または、70重量%以上と非常に高いトランス異性体含有量を有することができる。また、トランス異性体の比率の上限はないが、一例として99重量%以下、または、95重量%以下、または、90重量%以下、または、85重量%以下であり得る。
前記のように、第2段階の水素化反応後に得られる1,4-シクロヘキサンジメタノールは、トランス異性体の含有量が高いため、追加的な異性化工程なしでもより高品質の製品を製造するための原料として有用に使用することができ、本発明の一実施形態による精製方法により精製して高純度の1,4-シクロヘキサンジメタノールを回収することができる。
以下、本発明の理解のためにより詳しく説明する。ただし、下記の実施例は、本発明を例示するものに過ぎず、本発明の内容が下記の実施例により限定されるのではない。
<実施例>
製造例1
第1段階
ガス誘導式(gas-induced type)攪拌機を含む第1反応器を準備した。
製造例1
第1段階
ガス誘導式(gas-induced type)攪拌機を含む第1反応器を準備した。
前記反応器に反応物であるテレフタル酸(TPA)550g、5重量%水素化触媒Pd/C(担体炭素に対してPdを5重量%含む)92g、および溶媒である蒸溜水2,100gを入れ、反応機内部大気を窒素に代替した後、50rpmで攪拌しながら250℃まで混合溶液の温度を昇温させた。
混合溶液の温度が250℃に到達した後、TPAの溶解のために温度を維持しながら30分間攪拌した。その後、攪拌速度を上げて反応機内部が120bar、水素気体の単位体積当たりの表面積が300乃至500m2/m3を維持するように水素気体を反応溶液内に供給しながら1時間にかけて水素化反応させた。
反応完了後、1,4-シクロヘキサンジメタノール(CHDA)569g(CHDA中のトランスCHDA比率:68重量%)、水2,100gを含む生成物が得られ、金属フィルターで水素化触媒のみを除去した後、そのまま第2段階の水素化反応段階の反応物として利用した。
第2段階
ガス誘導式(gas-induced type)攪拌機を含む第2反応器を準備した。
ガス誘導式(gas-induced type)攪拌機を含む第2反応器を準備した。
前記第2反応器に第1段階反応の生成物であるCHDA(CHDA中のトランスCHDA比率:68重量%)569g、溶媒である蒸溜水2,100gに触媒(ルテニウム-スズ/カーボン触媒、カーボン担体100重量部に対してルテニウム5重量部、スズ5.8重量部を含む)152gを入れ、5barの窒素で2回パージ、5barの水素で2回パージ実施後、水素雰囲気(約14~15bar)で50rpmで攪拌を実施しながら温度を230℃まで上げた。
反応温度に到達すれば、水素を反応圧力である100barまで注入後、攪拌速度を上げて水素気体気泡の単位体積当たりの表面積が300乃至450m2/m3を維持するようにして6時間反応を実施した。
前記第2段階反応の生成物から金属フィルターで水素化触媒を除去した後、実施例の精製段階に移送した。
実施例1
製造例1の1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物に対して次のような段階を行った。
製造例1の1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物に対して次のような段階を行った。
まず、粗生成物に対して蒸発器で、運転温度103℃、圧力0barg条件で水を蒸発させて最初の水含有量に対して97.5重量%まで除去した。
前記水除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して蒸留塔装置で、塔頂での運転圧力-0.91barg、運転温度45℃、塔低での運転圧力-0.9barg、運転温度213℃の条件で蒸留して低沸点副産物を分離する1次副産物除去段階を行った。
前記1次副産物除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して蒸留塔装置で、塔頂での運転圧力-0.91barg、運転温度210℃、塔低での運転圧力-0.9barg、運転温度250℃の条件で蒸留して、高沸点副産物を分離し、精製された1,4-シクロヘキサンジメタノールを得た。
実施例2
実施例1の高沸点副産物分離段階で、塔頂での運転温度を205℃にしたことを除き、実施例1と同様な方法で1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物を精製した。
実施例1の高沸点副産物分離段階で、塔頂での運転温度を205℃にしたことを除き、実施例1と同様な方法で1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物を精製した。
比較例1
実施例1で、水除去段階のみを行った1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を比較例1とした。
実施例1で、水除去段階のみを行った1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を比較例1とした。
比較例2
製造例1の1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物を比較例2とした。
製造例1の1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物を比較例2とした。
比較例3
商品化された1,4-シクロヘキサンジメタノール(製品名:SKY CHDM、製造会社:株式会社SKケミカル)を比較例3とした。
商品化された1,4-シクロヘキサンジメタノール(製品名:SKY CHDM、製造会社:株式会社SKケミカル)を比較例3とした。
比較例4
商品化された1,4-シクロヘキサンジメタノール(製品名:CHDM-D、製造会社:Eastman Chemical Company)を比較例4とした。
商品化された1,4-シクロヘキサンジメタノール(製品名:CHDM-D、製造会社:Eastman Chemical Company)を比較例4とした。
<実験例>
前記実施例および比較例の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して、次の方法で純度、Light副産物およびHeavy副産物の含有量、水の含有量、CHDM中のトランスCHDM含有量、APHA値を測定して表2に記載した。
前記実施例および比較例の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して、次の方法で純度、Light副産物およびHeavy副産物の含有量、水の含有量、CHDM中のトランスCHDM含有量、APHA値を測定して表2に記載した。
1)純度(CHDMの全体含有量)、低分子量(Light)副産物および高分子量(Heavy)副産物の含有量、CHDM中のトランスCHDM含有量
ガスクロマトグラフィー(Gas Chromatography)により測定し、細部条件は下記表1のとおりである。
ガスクロマトグラフィー(Gas Chromatography)により測定し、細部条件は下記表1のとおりである。
2)水の含有量
ASTM D1364(karl Fischer)により測定した。
ASTM D1364(karl Fischer)により測定した。
3)APHA値
ASTM D1209により測定した。
ASTM D1209により測定した。
前記表2を参照すると、本発明の実施例1および2の精製方法による1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、低分子量(Light)副産物および高分子量(Heavy)副産物の含有量が共に0.15重量%以下と非常に低い副産物の含有量を示した。
また、高分子原料として使用時に悪影響を与える副産物であるCHM(cyclohexylmethanol)の含有量が0.001重量%と非常に低いため、高品質の1,4-シクロヘキサンジメタノールを提供することができる。
Claims (14)
- ガスクロマトグラフィー(GC)分析により測定した純度が99.5重量%以上であり、シス異性体およびトランス異性体を含む1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM);および
分子量が144.21g/mol未満である低分子量(light)副産物を0.15重量%以下含む、
1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物。 - シクロヘキシルメタノール(cyclohexylmethanol)を0.01重量%以下含む、請求項1に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物。
- 分子量が144.21g/mol超過である高分子量(heavy)副産物を0.15重量%以下含む、
請求項1に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物。 - ASTM D1209により測定したAPHA値が10以下である、
請求項1に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物。 - 前記1,4-シクロヘキサンジメタノールは、トランス異性体を63重量%以上含む、
請求項1に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物。 - 1,4-シクロヘキサンジメタノール(1,4-cyclohexanedimethanol、CHDM)の粗(crude)組成物に対して水を除去する水除去段階;
前記水除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも低い沸点を有する副産物を除去する1次副産物除去段階;および
前記1次副産物除去段階を経た1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物に対して1,4-シクロヘキサンジメタノールよりも高い沸点を有する副産物を除去して精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物を回収する2次副産物除去段階;
を含む、
1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法。 - 前記水除去段階は、
50乃至110℃の温度、および-0.1乃至0.1bargの圧力下で行われる、
請求項6に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法。 - 前記1,4-シクロヘキサンジメタノールの粗(crude)組成物は、1,4-シクロヘキサンジメタノール、水、および副産物を含む、
請求項6に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法。 - 前記精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物で、1,4-シクロヘキサンジメタノールの純度は99.5重量%以上である、
請求項6に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法。 - 前記精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、0.15重量%以下の水を含む、
請求項6に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法。 - 前記精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、分子量が144.21g/mol未満である低分子量(light)副産物を0.15重量%以下含む、
請求項6に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法。 - 前記精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、分子量が144.21g/mol超過である高分子量(heavy)副産物を0.15重量%以下含む、
請求項6に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法。 - 前記精製された1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物は、ASTM D1209により測定したAPHA値が10以下である、
請求項6に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法。 - 前記1,4-シクロヘキサンジメタノールは、トランス異性体を63重量%以上含む、
請求項6に記載の1,4-シクロヘキサンジメタノール組成物の精製方法。
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