KR101091738B1 - 정제된 (메트)아크릴산의 생성 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수성 (메트)아크릴산의 총 중량에 대하여 0.1 중량% 이하의 포름알데히드를 갖는 수성 (메트)아크릴산을 공급함으로써 용해된 구리의 존재하에서 (메트)아크릴산의 공비 증류중에 증류 장비의 부식을 감소시키는 것에 관한 것이다. 구리의 공급원은 예를 들어, 수성 (메트)아크릴산 및/또는 증류 장비에 첨가된 구리계 중합 억제제일 수 있다.
수성 (메트)아크릴산, 부식 감소, 구리계 중합 억제제
Description
본 발명은 미가공 또는 수성 (메트)아크릴산으로부터 (메트)아크릴산의 공비 증류에 의한 정제에 관한 것이다.
모노머, 예를 들어, 불포화 카복실산 및 불포화 니트릴은 다양한 합성 수지, 코팅 물질, 섬유, 가소제, 합성 수지 등을 생성하기 위한 출발 및 중간체 물질로서 공업적으로 중요하다. 상업적으로, 불포화 카복실산 (예: 아크릴산 및 메타크릴산) 및 불포화 니트릴 (예: 아크릴로니트릴 및 메타크릴로니트릴)을 생성하기 위한 다양한 공정이 있으나, 대체로 이들 모든 공정은 하나 이상의 탄화수소의 촉매적 반응을 통해 원하는 모노머를 포함하는 불순한 가스 물질을 생성하는 것과 같이 본질적으로 같은 방식으로 시작한다. 이는 그 후, 불순한 가스 물질로부터 원하는 모노머를 회수한 후, 회수된 모노머 스트림에 존재하는 다른 물질, 부산물 및 불순물의 양을 최소화하기 위해 추가로 정제할 필요가 있다.
예를 들어, 아크릴산 생성을 위한 하나의 잘 공지되고, 상업적으로 성공적인 공정은 프로필렌이 우선 제1 공정 단계에서 아크롤레인으로 변환된 후, 아크롤레인 이 제2 공정 단계에서 아크릴산으로 변환되는 2-단계 증기상 촉매적 산화 반응을 포함한다. 얻어진 가스상 물질 스트림은 아크릴산 및 물, 반응되지 않은 프로필렌 및 아크롤레인 및 하기 화합물의 하나 이상을 포함하나 이에 제한되지 않는 몇몇 부산물을 포함한다: 포름알데히드, 아세트산, 프로피온산, 벤즈알데히드, 푸르푸랄 및 말레산. 현재 연구중이고 개발중인 다른 공지된 공정은 적절한 촉매의 존재하에서 프로판의 단일 단계 증기상 촉매적 산화이고, 이는 또한, 아크릴산, 물, 탄소 산화물, 반응되지 않은 프로판, 프로필렌, 아크롤레인 및 하기 화합물의 하나 이상을 포함하나 이에 제한되지 않는 몇몇 부산물을 포함하는 가스상 물질 스트림을 생성한다: 포름알데히드, 아세트산, 프로피온산, 벤즈알데히드, 푸르푸랄 및 말레산.
수성 아크릴산은 이를 생성하는 반응 공정에 관계없이, 그 후, 흡수 타워에서 미가공 가스상 생성물 스트림으로부터 대부분 일반적으로 회수되고, 여기에서, 냉각된 흡수제, 예를 들어, 물 또는 유기 화합물 (예: 페닐 에테르)은 가스상 물질 스트림과 직접적으로 접촉하고, 동시에, 가스상 물질 스트림으로부터 아크릴산 및 물을 포함하는 다양한 성분을 응축시키고, 흡수하여 수성 아크릴산 스트림을 형성한다. 이 수성 혼합물은 일반적으로 상당한 양의 부산물 및 불순물, 예를 들어, 아크롤레인, 포름알데히드 및 물을 함유한다. 이는, 적어도 부분적으로, 직접-접촉 흡수 공정이 또한, 가스상 (메트)아크릴산-함유 물질로부터 원하는 (메트)아크릴산 생성물뿐 아니라 부산물 및 불순물을 (메트)아크릴산과 함께 획득하기 때문이다. 이러한 이유로, 얻어진 수성 아크릴산 스트림은 하나 이상의 정제 단계를 거치는 것이 일반적이다. 아크릴산에 대한 의도된 사용은 종종 물질 스트림이 정제되어야 하는 정도 및 아크릴산으로부터 다른 물질이 제거되거나 분리되는 정도를 결정한다.
수성 아크릴산 스트림중에 다른 물질로부터 원하는 아크릴산 생성물을 정제 또는 분리하는 것은 증류, 추출 및/또는 결정화를 포함하는, 하나 이상의 공지되고, 익숙한 공정에 의해 성취될 수 있다. 이들 정제 단계의 가장 흔한 것중 하나는 공비 증류를 이용하여 수성 아크릴산 스트림으로부터 물을 제거하는 것이다. 공비 증류를 통해 수성 아크릴산 스트림을 정제하는 것은 아크릴산 생성 분야에서 잘 공지되었다. 다양한 공비 증류 공정이 다른 공비제 (azeotropic agent)에 기초하여 수년간에 걸쳐 개발되었고, 예를 들어, 미국 특허 제 3,798,264호는 공비제로 이소부틸 아세테이트 (IBAc)를 사용하는 것을 개시하고, 영국 특허 제 2146636호는 공비제로 메틸 이소부틸 케톤 (MIBK)을 사용하는 것을 교시하며, 미국 특허 제 6,399,817호는 공비제로 톨루엔을 사용하는 것을 교시한다.
추가의 정제 공정, 예를 들어, 직렬 다중 증류 단계 또는 결정화 공정은 종종 최종 생성물 품질 요건을 만족시킬 필요가 있다. 물론, 각각의 부가적인 정제 단계는 부가적인 초기 자본 투자 및 더욱 높은 작동 비용을 요구한다.
예를 들어, 미국 특허 제 6,482,981호에 개시된 공정은 물질 스트림을 물과 직접 접촉시켜 (메트)아크릴산을 흡수하고, 이어서 공비 증류시킨 후, 얻어진 수성 아크릴산을 결정화하여 부가적인 불순물을 제거하는 것을 포함하고, 이렇게 하여 다른 고체의 중합 및 형성을 최소화한다. 따라서, 이러한 복잡한 공정은 설비 및 작동에 경제적으로 별 매력이 없다.
아크릴산 생성에서 폴리머 형성 방지가 또한 중요한 관심의 대상이었고, 많은 억제제가 공비 증류 단계를 포함하는 생성 공정 내에서 다양한 시점에서 사용하기 위해 확인되었다. 많은 종래 기술은 하나 이상의 억제제가 사용될 수 있고, 이러한 억제제는 수용해성 또는 알콜 용해성 중합 억제제를 포함할 수 있음을 교시한다. 중합 억제제는 일반적으로 100 중량 ppm (ppm by weight) 내지 4,000 중량 ppm 수준으로 사용된다. 특히 우수한 폴리머 억제 결과는 구리계 억제제를 사용하여 달성될 수 있고, 예를 들어, 하나 이상의 구리 디부틸디티오카바메이트 (CB), 구리 디메틸디티오카바메이트, 구리 디에틸디티오카바메이트, 구리 살리실레이트, 구리 나프테네이트 및 구리 아세테이트가 공비 증류 컬럼에 첨가된다. 이러한 구리계 억제제가 페놀계 억제제, 예를 들어, 하이드로퀴논 (HQ) 또는 4-메톡시페놀 (MEHQ)와 함께 사용될 때, 억제는 더욱 개선된다.
수성 아크릴산 스트림에서 일부 부산물 및 불순물은 다운스트림 공정, 예를 들어, 추가의 정제, 저장 또는 다른 물질 (예: (메트)아크릴산의 에스테르)을 생성하는 반응의 작동 및 효율을 방해할 수 있다는 것을 유념하는 것이 중요하다. 예를 들어, 미국 특허 공개 제 2007/0167650호에서 설명된 바와 같이, 아크릴산 스트림에서 높은 수준의 포름알데히드는 일부 중합 억제제 (예: 페노티아진 ("PTZ"), 하이드로퀴논 ("HQ") 및 하이드로퀴논의 모노메틸 에테르 ("MeHQ"))와 불리하게 상호작용하여, 아크릴산 생성물에서 고체 침전물의 형성을 야기한다. 이 반응은 또한 일부 억제제가 고체 침전물을 형성하는데 소모되기 때문에, 아크릴산 모노머의 중합 방지에서 억제제 분자의 유효성을 감소시킨다. 또한, 이들은 공비 증류 컬럼에 서 종종 사용되는 바와 같이 온도 증가에 따라 더욱 나쁜 영향을 미친다. 따라서, 이들 불순물을 가능한 많이 수성 아크릴산의 다운스트림 정제 이전에 회수 단계에서 제거하는 것이 유리할 것이다. 미국 특허 공개 제 2007/0167650호의 개시는 이러한 불순물을 제거하기 위한 지침을 제공하지 않았다. 그 대신, 이 특허는 하나의 제한, 즉, 공정에서 억제제의 농도를 감소시켜 침전물 형성을 피하는 것만을 제안한다. 이러한 접근은 불충분한 공정 억제를 위해 감소된 침전물 형성을 얻기 때문에, 신뢰성 있는 공정 작동과 조화하지 못하는 것이 분명하다.
특히, 구리계 억제제는 공정 장비, 예를 들어, 공비 증류 컬럼 및 그의 관련 장비 (예: 콘덴서, 파이핑 (piping), 펌프, 리보일러 (reboiler))의 야금에 부식성인 경향을 갖는 것으로 증명되었다. 이러한 부식 효과는 공정 액체내의 용해된 구리가 덜 부식하는 금속 (noble metal), 예를 들어, 철, 알루미늄 또는 아연의 피팅 (pitting)을 유도하는 갈바니 부식 전지의 형성에 기여하였다.
구리계 억제제의 부식 효과를 최소화하기 위한 다양한 시도가 종래 기술에서 제시되었다. 특히, 종래 기술은 구리 디부틸 디티오카바메이트 (CB) 억제제의 부식 효과를 완화시키기 위한 방법을 확인하는 것에 집중하였다. 예를 들어, 미국 특허 제 5,371,280호는 망간이 CB 억제제와 배합되어 공정에 첨가되어 부식을 완화시킬 수 있음을 교시한다. 유사하게, 미국 특허 제 5,856,568호는 CB의 부식 효과를 완화시키기 위해 유기산을 포함하는 다양한 첨가제를 사용하는 것을 교시한다. 또한, 미국 특허 공개 제 2004/0011638호는 부식을 완화시키기 위해 CB와 배합된 금속 봉쇄제 (metal sequestering agent)를 사용하는 것을 교시한다. 그러나, 부식이 완전 히 제거되지 않고, 또한 이러한 첨가제를 구입하는데 포함되는 부가적인 비용 및 이들 부가적인 "불순물"을 생성물 아크릴산으로부터 제거할 필요성 때문에 이들 해법의 어떤 것도 완전히 만족스럽지 않다.
상기 언급된 첨가제의 용도에 대한 대안은 공비 증류 컬럼 및 그의 관련된 장비를 위한 구성 물질로 부식에 매우 내성이 높은 금속을 이용하는 것이다. 부식 공학의 분야의 숙련된 기술자는 갈바니 계열 (Galvanic Series)에서 구리보다 더욱 부식성이 없는 금속 [Army Command Report RS-TR-67-11 (1967)의 "Galvanic Series of Metals in Sea Water"를 참조하기 바란다]은 공정 액체내의 용해된 구리에 의한 갈바니 공격 (galvanic attack)을 경험할 수 없다는 것을 쉽게 인식할 것이다. 예를 들어, 부식하지 않는 금속, 예를 들어, 지르코늄, 티탄, 탄탈 또는 몰리브덴은 공비 증류 컬럼 및 그의 관련 장비를 위한 구성 물질로 사용하기 위한 우수한 후보이다. 그러나, 이러한 부식하지 않는 금속으로 공정 장비를 구성하는 것은 매우 비싸며, 공업에서는 공비 증류 컬럼 및 관련 장비를 위한 구성 물질로 저비용 합금, 예를 들어, 그의 내부식성이 잘 공지된 몰리브덴을 추가로 포함하는 니켈-크롬-철 합금을 이용하는 것을 선호할 것이다. 이러한 합금의 두 잘 공지된 예는 316L 스테인레스 스틸 (UNS S31603 - 2 내지 3 질량% 몰리브덴 포함) 및 317L+ 스테인레스 스틸 (UNS S31725 - 4 내지 5 질량% 몰리브덴 포함)을 포함한다.
낮은 비용외에, 미국 특허 제 6,441,228호에서는 또한 3 질량% 내지 약 20 질량% 이상의 몰리브덴 함량을 가진 니켈-크롬-철 합금의 사용이 (메트)아크릴산 생성 장비에서 폴리머 형성을 방지하는 부가적인 이점을 제공할 수 있을 것이라고 교시하였다.
불행히도, 이들 합금중에 부식하지 않는 원소, 예를 들어, 몰리브덴의 존재에도 불구하고 이러한 경제적인 구성 물질은 공비 증류 시스템에서 내부식성에 대하여 일관되게 수행되지 않았다. 또한, 미국 특허 제 6,441,228호의 교시에도 불구하고, 본 출원인들은 합금의 총 질량에 대해 3 내지 약 20 질량% 이상의 몰리브덴 함량을 가진 니켈-크롬-철 합금이 공비 증류 컬럼 및 그의 관련 장비를 위한 구성 물질로 사용될 때 여전히 상당한 폴리머 형성이 여전히 발생한다는 것을 발견하였다.
물 또는 유기 흡수제를 통상적으로 흡수하는 대안으로, 미국 특허 제 6,646,161호는 (메트)아크릴산 및 높은 비율의 비응축성 성분을 함유하는 뜨거운 가스로부터 뜨거운 가스의 "분별 응축 (fractional condensation)"에 의해 (메트)아크릴산을 회수하기 위한 공정을 기술하였다. 원하는 수성 아크릴산 생성물 (아크릴산을 95 중량% 이상으로 가진)은 분별 콘덴서의 측면에서 나가고, 경단부 (light end) (비응축성 성분)은 상부에서 나가며, 더 무거운 불순물 및 부산물은 바닥에서 응축된 액체 스트림으로 나간다. 따라서, 미국 특허 제 6,646,161호의 공정은 수성 아크릴산 생성물 및 별도로 취급되어야 하는 적어도 두 부산물 스트림을 생성한다. 임의로, 폐수 스트림은 분별 콘덴서의 측면으로부터 회수되어, 추가로 수성 아크릴산 측면 스트림의 아크릴산 함량을 증가시킬 수 있고, 처리되어야 하는 제3 부산물 스트림을 형성할 수도 있다. 이 공정에서 사용된 분별 콘덴서는 "부분 (section)" 으로 나뉘어 다양한 공학적 문제 (즉, 25℃ 이상 다른 끓는점의 다중 성분의 분리)를 해결하고, 뜨거운 가스의 냉각 및 그의 더욱 높은 끓는 분획의 응축을 동시에 달성한다. 따라서, 이 공정은 통상적인 공정에서 단계를 분리하는데 종종 이루어지는 정류 및 흡수의 조합으로 간주될 수 있다. 그러나, 이러한 공정으로부터 정제된 아크릴산 스트림을 얻는 이점은 공정에 다중 스트림을 갖는 실질적인 복잡함 및 이러한 작동 접근을 위해 요구되는 부가적인 공정 장비의 증가하는 자본 비용보다 중요하지 않다.
공업은 다운스트림 공정 장비의 부식, 예를 들어, 구리-포름알데히드 상호작용의 생성물인 화합물에 의한 증류 장비의 부식이 감소되는 수성 아크릴산 생성 공정을 환영할 것이다. 본 발명의 방법은 스트림중에 존재하고, 구리계 중합 억제제로부터 유발된 구리와의 상호작용을 위한 포름알데히드를 더 적게 포함하는 다운스트림 정제 공정용 수성 (메트)아크릴산 공급 스트림을 제공함으로써 이들 요구를 다루는 것으로 생각된다.
본 발명은 공정 장비의 부식을 감소시키는 수성 아크릴산 생성 공정을 제공한다.
발명의 요약
본 발명은 용해된 구리의 존재하에서 수성 (메트)아크릴산의 증류중에 장치의 부식을 최소화하기 위한 방법을 제공한다. 용해된 구리는 포름알데히드와 상호작용하여 포름산을 형성하고, 이는 증류 장치 및 관련 장비를 크게 부식시킨다. 본 방법은 a) 아크릴산, 물 및 수성 아크릴산 스트림의 총 중량에 대해 0.1 중량%이하의 양으로 존재하는 포름알데히드를 포함하는 수성 아크릴산 공급 스트림을 제공하고; b) 용해된 구리의 존재하에서 공비 증류로 수성 아크릴산 공급 스트림을 정제하는 것을 포함한다. 아크릴산을 포함하는 가스상 물질 스트림은 촉매적 증기상 원통형 다관식 반응기 (shell-and-tube reactor)에서 프로필렌 및 프로판으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 탄화수소를 산화시키는 것으로부터 유발될 수 있다. 용해된 구리는 적어도 부분적으로, 구리-함유 억제제를 수성 아크릴산 스트림에 공비 증류중에 첨가하여 유발될 수 있고, 구리 함유 억제제는 구리 디부틸디티오카바메이트 (CB), 구리 디메틸디티오카바메이트, 구리 디에틸디티오카바메이트, 구리 살리실레이트, 구리 나프테네이트 및 구리 아세테이트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 화합물을 포함한다.
또한, 수성 아크릴산을 공급하는 단계는 1) 적어도 아크릴산, 물, 아크롤레인, 포름알데히드를 포함하는 가스상 물질 스트림을 콘덴서에 공급하고; 2) 콘덴서를 작동시키고, 응축되지 않은 성분을 포함하는 가스상 벤트 스트림 및 아크릴산을 포함하는 응축된 수성 아크릴산 스트림을 생성하는 것에 의해 달성될 수 있다.
다른 구체예에서, 본 발명은 추가로, 정제 단계 b)를 수행하기 전에, 아크롤레인 함량이 감소된 수성 아크릴산 스트림 및 아크롤레인을 포함하는 응축물 스트림을 얻도록 아크롤레인 제거 컬럼에서 수성 아크릴산 스트림을 스트리핑 (stripping)하는 것을 포함할 수 있고, 여기에서, 응축물 스트림은 재순환되고, 콘덴서에 공급되며, 감소된 아크롤레인 함량의 수성 아크릴산 스트림은 공비 증류 컬럼에 공급되는 수성 아크릴산 공급 스트림이다.
(메트)아크릴산의 공비 증류중에 증류 장비의 부식을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 상세한 설명
하기 정의 및 의미가 명확성을 위해 제공되며, 이후 사용될 것이다.
본원에서 사용된 용어 "C2 내지 C4 알칸"은 알칸 분자당 2 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알칸, 예를 들어, 에탄, 프로판 및 부탄을 의미하고, 이는 일반적으로 상온 및 압력 (예: 적어도 10℃ 및 1 기압)에서 증기상이다. 유사하게, 용어 "C2 내지 C4 알켄"은 알켄 분자당 2 내지 4개의 탄소 원자를 갖는 직쇄 또는 분지쇄 알켄, 예를 들어, 에텐, 프로펜 및 부텐을 의미한다.
범위의 종점은 한정된 것으로 간주되며, 그들의 허용 오차 (tolerance)내에서 해당 분야의 숙련자의 지식내에서 다른 값을 포함하는 것으로 인식되고, 본 발명과 관련된 각 종점으로부터 미미하게 다른 것들을 포함하나 이에 제한되지 않는다 (즉, 종점은 각각의 종점에 대한 "약" 또는 "가까이" 또는 "부근" 값을 포함하는 것으로 해석된다). 본원에서 기술된 범위 및 비율 한계는 조합 가능하다. 예를 들어, 1 내지 20 및 5 내지 15의 범위가 특정 파라미터용으로 기술되면, 이는 1 내지 5, 1 내지 15, 5 내지 20 또는 15 내지 20의 범위가 또한 예상되고, 그에 의해 포함된다.
본 발명의 방법은 컬럼에서 가스상 스트림과 응축물간에 외부 열 교환기 및/또는 접촉으로 직접 또는 간접적으로 냉각시키는 것을 이용하여, (메트)아크릴산을 포함하는 가스상 물질 스트림을 하나 이상의 응축 단계의 조합에 주입함으로써 통상적인 공정보다 감소된 양의 불순물 및 부산물, 특히, 더욱 적은 포름알데히드를 갖는 수성 (메트)아크릴 생성물을 생성한다. 냉각은 직접 수계 흡수법에서 시행되는 바와 같은 물이 첨가될 필요성을 제거하며, 이는 차례로 가스상에서 수성 (메트)아크릴산으로 이동하는 포름알데히드의 양을 최소화한다. 추가의 정제 단계, 예를 들어, 공비 증류, 비-공비 증류 또는 결정화가 응축 후에 수행되어 필요에 따라 부가적인 물, 부산물 및 불순물을 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명은 수성 (메트)아크릴산의 다운스트림 공정 도중, 예를 들어, 수성 (메트)아크릴산의 정제 공정 (예: 증류 컬럼, 트레이/패킹, 리보일러 및 파이핑내에서), 운반 및 저장 도중 고 체 형성 (폴리머 및 오손 물질)을 감소시키기 위한 방법을 제공한다.
이하 도면을 참고하여, 본 발명의 방법을 개략적으로 제공하고, 여기에서, 수성 (메트)아크릴산 (10)은 정제 장치, 예를 들어, 증류 컬럼 (12)로 공급되며, 여기에서 공비 증류된다. 증류 컬럼 (12)로 공급되는 수성 (메트)아크릴산 (10)은 수성 (메트)아크릴산 (10)의 총 중량에 대해 75 중량% 내지 95 중량%의 (메트)아크릴산 및 0.1 중량% 이하의 포름알데히드를 포함한다. 예를 들어, 증류 컬럼 (12)로 공급되는 수성 (메트)아크릴산 (10)은 물질 스트림 수성 (메트)아크릴산 (10)의 총 중량에 대해 0.05 중량% 이하, 심지어 0.01 중량% 이하의 포름알데히드를 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
수성 (메트)아크릴산 (10)은 추가로, 반응되지 않은 반응물 및 중간체 생성물, 물, 아크롤레인, 아세트산, 프로피온산, 말레산, 말레산 무수물, 다른 알데히드 및 유기물을 포함하나 이에 제한되지 않는 부가적인 부산물 및 불순물을 포함할 수 있다.
수성 (메트)아크릴산 (10)은 증류 컬럼 (12)로 공급되기 전에 이미 하나 이상의 중합 억제제를 함유할 수 있다. 해당 분야에 잘 공지된 바와 같이, 이러한 억제제는 수용해성 또는 알콜 용해성 중합 억제제를 포함할 수 있고, 일반적으로 100 중량ppm 내지 4,000 중량ppm 범위의 수준에서 사용된다. 공비 증류 단계를 포함하는 아크릴산의 생성에서 사용하기 위해 적합한 억제제의 예는 하이드로퀴논 (HQ); 4-메톡시페놀 (MEHQ); 4-에톡시페놀; 4-프로폭시페놀; 4-부톡시페놀; 4-헵톡시페놀; 하이드로퀴논 모노벤질에테르; 1,2-디하이드록시벤젠; 2-메톡시페놀; 2,5-디클 로로하이드로퀴논; 2,5-디-tert-부틸하이드로퀴논; 2-아세틸하이드로퀴논; 하이드로퀴논 모노벤조에이트; 1,4-디머캅토벤젠; 1,2-디머캅토벤젠; 2,3,5-트리메틸하이드로퀴논; 4-아미노페놀; 2-아미노페놀; 2-N,N-디메틸아미노페놀; 2-머캅토페놀; 4-머캅토페놀; 카테콜 모노부틸에테르; 4-에틸아미노페놀; 2,3-디하이드록시아세토페논; 피로갈롤-1,2-디메틸에테르; 2-메틸티오페놀; t-부틸 카테콜; 디-tert-부틸니트록시드; 디-tert-아밀니트록시드; 2,2,6,6-테트라메틸-피페리디닐옥시; 4-하이드록시-2,2,6,6-테트라메틸피페리디닐옥시; 4-옥소-2,2,6,6-테트라메틸-피페리디닐옥시; 4-디메틸아미노-2,2,6,6-테트라메틸-피페리디닐옥시; 4-아미노-2,2,6,6-테트라메틸-피페리디닐옥시; 4-에탄올옥시-2,2,6,6-테트라메틸-피페리디닐옥시; 2,2,5,5-테트라메틸-피롤리디닐옥시; 3-아미노-2,2,5,5-테트라메틸-피롤리디닐옥시; 2,2,5,5-테트라메틸-1-옥사-3-아자사이클로펜틸-3-옥시; 2,2,5,5-테트라메틸-3-피롤리닐-1-옥시-3-카복실산; 2,2,3,3,5,5,6,6-옥타메틸-1,4-디아자사이클로헥실-1,4-디옥시; 4-니트로소페놀레이트의 염; 2-니트로소페놀; 4-니트로소페놀; 구리 디메틸디티오카바메이트; 구리 디에틸디티오카바메이트; 구리 디부틸디티오카바메이트 (CB); 구리 살리실레이트; 메틸렌 블루 및 그의 염; 철; 페노티아진 (PTZ); 3-옥소페노티아진; 5-옥소페노티아진; 페노티아진 다이머; 1,4-벤젠디아민; N-(1,4-디메틸펜틸)-N'-페닐-1,4-벤젠디아민; N-(1,3-디메틸부틸)-N'-페닐-1,4-벤젠디아민; N-니트로소페닐 하이드록실아민 및 그의 염; 산화질소; 니트로소벤젠; p-벤조퀴논; 구리 나프테네이트; 구리 아세테이트; 망간 디메틸디티오카바메이트; 망간 디에틸디티오카바메이트; 망간 디부틸디티오카바메이트; 망간 나프테네이트; 망 간 아세테이트; 망간 아세틸아세토네이트; 코발트 아세테이트; 코발트 카보네이트; 코발트 아세테이트; 이산화질소; 니트로벤젠; 니트로소부탄; N-니트로소디페닐아민; 디페닐페닐렌디아민; 니트로소카바졸; 1-니트로소-2-나프톨; 2,4 디니트로벤젠; 트리페닐 포스핀; 트리에틸 포스핀; 트리부틸 포스핀; 트리페닐 포스파이트; 트리에틸 포스파이트; 트리-i-프로필포스파이트; 트리부틸 포스파이트; 트리사이클로헥실 포스파이트; 소듐 바이설파이트; 부틸 머캅탄; 도데실 머캅탄; N,N-디에틸하이드록실아민; 또는 그의 이성질체; 그의 둘 이상의 혼합물; 상기의 하나 이상과 분자 산소의 혼합물을 포함하나, 이에 제한되지 않는다. 억제제(들)는 단독으로, 또는 적절한 희석제 또는 담체, 예를 들어, 물, 알콜 또는 (메트)아크릴산과 결합되어 사용될 수 있다.
이들 억제제중에서, 증류중에 수성 (메트)아크릴산에서 중합을 방지하는데 사용될 때 구리계 억제제가 특히 우수한 결과를 제공하는 것으로 확인되었다. 예를 들어, 하나 이상의 구리 디부틸디티오카바메이트 (CB); 구리 디메틸디티오카바메이트; 구리 디에틸디티오카바메이트; 구리 살리실레이트; 구리 나프테네이트; 및 구리 아세테이트가 증류 컬럼 (12)에 첨가될 수 있다. 예를 들어, 구리억제제 및 페놀계 억제제, 예를 들어, 하이드로퀴논 (HQ) 또는 4-메톡시페놀 (MEHQ)의 배합물이 특히 유익한 것으로 공지되었다. 그러나, 구리계 억제제는 공정 장비, 예를 들어, 증류 컬럼 (12) 및 그의 관련 장비 (예: 콘덴서, 파이핑, 펌프, 리보일러 (그 자체는 나타내지 않음))의 야금을 부식시키는 경향을 갖는 것으로도 또한 공지되었다.
이러한 유형의 부식을 완화시키고 제어하려는 시도는 다양하게 성공하였다. 본 출원인들은 현재 놀랍게도, 용해된 구리의 존재하에서 부식과 관련한 구성 물질의 성능에서 다른, 이전에 확인되지 않은 요인이 있음을 발견하였다. 이론에 얽매이지 않고, 이는 포름알데히드가 구리계 억제제와 상호작용하여 아크릴산 생성 공정의 공비 증류 컬럼 (12)에서 형성되고 농축할 수 있는 포름산을 생성하는 것으로 생각된다. 또한, 포름산이 물질, 예를 들어, 스테인레스 스틸의 패시베이션층 (passivation layer)을 공격하고 손상시켜 구리 피팅 및 갈바니 공격에 민감하게 하는 것으로 생각된다.
이 부식 논쟁의 이러한 지금까지 확인되지 않은 근본 원인의 관점에서, 본 발명의 방법은 공비 증류 컬럼 (10) 및 그의 관련 장비내에서 포름산을 최소화하는 것을 제공하고, 그렇게 하여 갑작스러운 심각한 부식, 예를 들어, 구리-유발 피팅에 대한 염려가 없는 공비 증류 시스템의 구성에 이용되는 경제적인 야금을 허용한다. 본 발명의 방법은 이러한 컬럼이 316 스테인레스 스틸 (UNS31600), 316L 스테인레스 스틸 (UNS S31603), 317 스테인레스 스틸 (UNS S31700), 317L+ 스테인레스 스틸 (UNS S31725 및 S31726), AI6XN (UNS N08367), 인코넬 (Inconel) 625 (UNS N06625), 904L (UNS N08904), 듀플렉스 (DUPLEX) 2205 (UNS S31803), 듀플렉스 2507 (UNS S32750), 듀플렉스 2304 (UNS S32304), 듀플렉스 합금 329 (UNS S32900), 합금 20 CB-3 (UNS N08020), 하스텔로이 (HASTELLOY) C22 (UNS N06022), 하스텔로이 C276 (UNS N10276) 및 하스텔로이 B2 (UNS N10665)를 포함하는 목록으로부터 선택되는 하나 이상의 금속으로 구성되도록 허용한다.
다시 도면을 참고하여, 수성 (메트)아크릴산 (10)은 통상적인 내부 장치 (예: 트레이, 배플 (baffle), 패킹 등) 및 그의 관련 장비 (예: 콘덴서, 파이핑, 펌프, 리보일러 등)를 포함하는 증류 컬럼 (12)로 공급된다. 적어도 하나의 구리계 억제제를 포함하는 하나 이상의 억제제 (20)이 또한 증류 컬럼 (12)로 직접적으로 (20) 또는 정제될 수성 (메트)아크릴산 (10) (도 참조, 스트림 (22))과 같이 존재하는 공급 스트림에 첨가되어 간접적으로 컬럼 (12)에 진입하기 전에 공급된다. 억제제 (20), (22)는 적절하다면 해당 분야에 공지되고, 이해되는 바와 같이 희석제 또는 담체, 예를 들어, 물 또는 알콜과 혼합될 수 있다. 임의로, 산소-함유 가스 (28)이 또한 컬럼의 하부에 첨가될 수 있다. 공비제, 예를 들어, 제한하는 것은 아니지만 MIBK 또는 톨루엔이 공비 증류를 수행하기 위해 증류 컬럼 (12)로 직접적 또는 간접적으로 (24), (26) 공급될 수 있다.
90 중량% 내지 99.8 중량%의 (메트)아크릴산을 포함하는 정제된 수성 (메트)아크릴산 (18)은 증류 컬럼 (12)의 바닥을 떠난다. 낮은 끓는점 성분 (예: 부산물 및 불순물)은 "경단부" (30)인 컬럼 (12)의 상단으로 나간다.
수성 (메트)아크릴산 (10)의 공급원은 (메트)아크릴산 함량이 약 60 중량% 내지 약 95 중량%인 한, 중요하지 않으며, 포름알데히드 함량은 수성 (메트)아크릴산 (10)의 총 중량에 대해 0.1 중량% 이하, 예를 들어, 0.05 중량% 또는 심지어 0.01 중량%이다. 예를 들어, 제한없이, 수성 (메트)아크릴산 (10)은 탄화수소가 C2 내지 C4 알칸 또는 알켄 (즉, 각각 에탄, 프로판 또는 부탄 또는 에틸렌, 프로필렌 또는 이소-부틸렌)인 탄화수소 산화 반응기 (나타내지 않음)의 가스상 생성물 스트림 (16)으로부터 (메트)아크릴산 생성물을 분리하는 분리 장치 (14), 예를 들어, 제한없이, 흡수체 (absorber), 콘덴서 또는 스트리퍼 (그 자체는 나타내지 않음)로부터의 미정제 수성 (메트)아크릴산 생성물일 수 있다.
예를 들어, 분리 장치 (14)가 콘덴서인 경우, 이는 직접 냉각 (예: 열 교환기)이던지 또는 간접 냉각 (예: 루프를 둘러싼 액체 펌프)이던지 하나 이상의 냉각 단계를 수행하도록 사용될 수 있고, 또한 트레이, 패킹 등 (나타내지 않음)과 같은 내장이 있는 통상적인 컬럼에서 응축물 및 가스 스트림의 접촉을 허용한다. 더욱이, 콘덴서 (분리 장치 (14))는 해당 분야의 숙련자에게 잘 공지된 다중 외부 루프를 가진 다양한 구성일 수 있고, 예를 들면 여기에서는 냉각이 콘덴서의 상단에서만, 또는 바닥에서만, 또는 콘덴서 컬럼을 통해서 발생한다. 더욱이, 콘덴서 또는 다른 분리 장치 (14)는 316 스테인레스 스틸 (UNS31600), 316L 스테인레스 스틸 (UNS S31603), 317 스테인레스 스틸 (UNS31700), 317L+ 스테인레스 스틸 (UNS S31725 및 831726), AI6XN (UNS N08367), 인코넬 625 (UNS N06625), 904L (UNS N08904), 듀플렉스 2205 (UNS S31803), 듀플렉스 2507 (UNS S32750), 듀플렉스 2304 (UNS S32304), 듀플렉스 합금 329 (UNS S32900), 합금 20 CB-3 (UNS N08020) 및 하스텔로이 B2 (UNS N10665)를 포함하는 임의의 적절한 물질로 생성될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일반적으로, 콘덴서 컬럼은 내부 성분, 예를 들어 분배기, 배플, 고체 패킹 물질, 트레이 등을 해당 분야의 숙련자에 의해 필요하고, 결 정할 수 있는 만큼 포함한다.
업스트림 분리 장치 (14)에 의해 생성된 수성 (메트)아크릴산 (10)은 수성 (메트)아크릴산의 총 중량에 대해 60 중량% 내지 95 중량%의 (메트)아크릴산, 0.1 중량% 이하, 예를 들어, 0.05% 이하, 심지어 0.01 중량% 이하의 포름알데히드를 갖는다. 수성 (메트)아크릴산 (10)중에 이들 낮은 포름알데히드 수준은 다운스트림 공정 장비, 예를 들어, 공비 증류 컬럼 (12) 및 스트리퍼, 부가적인 증류 컬럼 및 결정화기 (crystallizer)에서 폴리머 및 다른 오손 고체 (예: 포름알데히드 및 페놀계 억제제의 반응 생성물)의 형성을 감소시키고, 이는 추가로 더욱 높은 자산 이용 및 더욱 낮은 작동 비용을 산출한다. 비응축성 물질의 증기 스트림 (32)는 콘덴서 (14)의 상단에서 나간다.
본 발명의 공정 및 방법은 하기 실시예에 의해 명백해질 것이다.
실시예
실시예
1
정제된 아크릴산의 생성을 위해 GB2146636호에 기술된 유형의 공정에서 상업적 규모의 MIBK계 공비 증류 컬럼을 사용하였다.
구체적으로, 공비 증류 컬럼은 직경이 141 인치 (358 cm)였고, 다운코머 (downcomer)가 없는 50개의 천공된 플레이트 트레이를 포함한다. 해당 분야에서 흔히 볼 수 있듯이, 설치 및 제거를 위한 표준 컬럼 맨웨이 (manway)를 통해 쉽게 통과하도록 각 트레이를 충분히 좁은 폭 (약 21 인치 / 53.34 센티미터)을 갖는 16개 의 개별적인 "패널" 또는 스트립 (strip)으로 구성하였다. 제작 비용을 최소화하기 위해, 공비 증류 컬럼은 317L+ 스테인레스 스틸 (트레이 1 내지 21)의 하단 부분 및 316L 스테인레스 스틸 (트레이 22 내지 50)의 상단 부분을 포함하는 바이메탈성 (bi-metallic)이다.
표준 부식-시험 조각을 컬럼 내부 트레이 23에 두어 316L 스테인레스 스틸 대 317L+ 스테인레스 스틸에 대한 비교 성능 데이터를 얻었다.
하이드로퀴논 (HQ) 및 구리 디부틸디티오카바메이트 (CB) 억제제의 혼합물을 수성 아크릴산 공급 스트림에 중합을 억제하기 위해 이를 공비 증류 컬럼에 운반하기 직전에 첨가하였다. 산소를 또한 컬럼의 바닥에 첨가하였다. 부가적으로, HQ 및 CB 억제제의 혼합물을 환류 스트림에 이를 컬럼의 트레이 50에 되돌리기 전에 첨가하였다.
컬럼 바닥에서의 온도를 약 94℃ (201℉)로 유지하였고, 컬럼의 상부를 약 43℃ (109℉)의 온도 및 약 100 mmHg (13,332 Pa)의 압력에서 작동시켰다.
컬럼을 약 65% 아크릴산을 포함하는 수성 아크릴산 공급 스트림을 컬럼의 트레이 28에 공급하여 장기간 작동시켰고, 컬럼은 바닥 생성물의 총 중량에 대해 약 93 중량%의 아크릴산을 포함하는 정제된 바닥 생성물을 생성하였다.
검사 A (6개월 작동)
컬럼을 잠시 폐쇄하였다가, 조사를 위한 부식 조각을 회수하기 위해 열었다. 이때, 트레이 14-21 (317L+ 야금) 및 트레이 22-24 (316L 야금)의 표면 마감이 거칠다는 것을 알았고, 이들 트레이용의 마운팅 하드웨어 (mounting hardware)는 부식의 명백한 신호를 보여주었다. 컬럼내에 둔 표준 부식-시험 조각을 조사한 것으로부터, 1년당 밀 (mil)인 표준 부식 단위로 보고한 부식률이 하기와 같음을 확인하였다:
316L = 3.5 mpy
317L+ = 0.6 mpy
검사 B (27개월 작동)
컬럼을 폐쇄하였다가, 316L 부분의 검사를 위해 열었다. 트레이 22 - 25 ("컬럼의 중심")가 얇아지는 것을 확인하였고, 이는 부식이 진행하고 있음을 나타낸다.
검사 C (48개월 작동)
컬럼을 폐쇄하였다가, 컬럼 중심의 검사를 위해 열었다. 트레이 22 - 26이 얇아지고 있음을 확인하였고, 이들 트레이용의 일부 마운팅 하드웨어는 즉시 대체가 필요할 만큼 부식하였다. 부가적으로, 트레이 24내 일부 패널이 상당히 부식하였음을 확인하였고, 대체하였다. 생성 요건 때문에, 컬럼을 재빨리 다시 사용하도록 하였으나, 컬럼의 더욱 엄격한 검사를 위한 계획을 개시하였다.
검사 D (52개월 작동)
컬럼을 폐쇄하였다가, 완전한 검사를 위해 열었다. 상당한 폴리머 축적 (깊이 3 - 5 인치)을 트레이 1-10 (317L+ 야금)에서 발견하였다. 이때 트레이 24내 부가적인 패널 (이전에 대체하지 않음)이 상당히 부식하였음을 확인하였고, 대체하였다. 컬럼 쉘의 내부 표면의 심각한 피팅을 컬럼의 중심에서 발견하였고, 칼럼 쉘 및 트레이 20 및 30간의 트레이를 그들의 악화된 상태 때문에 대체하는 것을 권고하였다.
검사 E (54개월 작동)
컬럼을 다시 폐쇄하였다가, 검사를 위해 열었다. 상당한 폴리머 축적을 트레이 1-7 및 또한 트레이 19-21 (모두 317L+ 야금)에서 발견하였다.
컬럼의 중심에서 부식이 진행하고 있음이 분명하였다.
검사 F (62개월 작동)
수리를 위해 컬럼을 폐쇄하였다. 손상이 심하기 때문에, 제자리에서 수리하는 것이 비경제적인 것으로 결정되어, 대신에 317L+ 스테인레스 스틸로 컬럼의 새 17-트레이 부분을 제작하고, 트레이 21-39간의 컬럼 부분을 잘라내어 제거하고, 새 317L+ SS 부분을 그 자리에 용접하여 컬럼을 사용가능한 상태로 되돌렸다. 컬럼을 다시 사용하기 전에 컬럼의 낮은 (317L+) 부분을 검사하여 트레이 15 내지 21의 컬럼 쉘, 트레이 및 트레이 하드웨어가 부식성 공격을 받고 있음을 발견하였고, 계속적인 관찰을 필요로 하였다.
검사 G (67개월 작동)
컬럼을 잠시 동안 폐쇄하였다가, 트레이 1 내지 10 (317L+ 야금)에서 폴리머를 제거하기 위해 열었다.
검사 H (77개월 작동)
컬럼을 다시 폐쇄하였다가, 검사를 위해 열었다. 트레이 5 내지 16 (317L+ 야금)에서 상당한 폴리머 축적을 발견하였다. 컬럼의 중심에서 야금이 향상되었음에도 불구하고, 새로운 317L+ 트레이 21 내지 30의 에칭형 (etching-type) 부식을 검출하였다.
검사 I (86개월 작동)
컬럼을 폐쇄하였다가, 완전한 검사를 위해 열었다. 트레이 1-4에서는 상당한 폴리머 축적을, 트레이 5-10 (317L+ 야금)에서는 약간 적은 축적을 발견하였다. 컬럼 중심에서 컬럼 쉘의 초음파 두께 (UT) 측정은 1년당 0.032 인치 (32 mpy)의 최 대 손실률을 나타내었다. 야금학적 검사 결과는 하기와 같았다:
트레이 28-50 = 부식없음
트레이 22-27 = 상당한 부식; 이 영역에서 각 트레이의 4분의 1 (약 4개의 패널)을 하스텔로이 C276으로 제조한 새 패널로 대체하였고; 이들 트레이용의 마운팅 하드웨어도 역시 명백하게 부식하였다.
트레이 20 및 21 = 극심한 부식; 이들 트레이에 직경이 최대 12 인치인 구멍이 형성되었고; 이 영역에서 각 트레이의 절반 (약 8개의 패널)을 하스텔로이 C276으로 제조한 새 패널로 대체하였고; 이들 트레이용의 마운팅 하드웨어도 역시 명백하게 부식하였다.
이 검사 도중 발견된 부식은 특히, 이 검사를 하기 바로 24개월 전에 한 수리 도중에 원래의 트레이 20-27을 모두 새 317L+ 트레이로 대체하였다는 것에서 놀라웠다.
트레이 16-19 = 온건한 금속 손실; 이들 트레이용의 마운팅 하드웨어도 역시 명백하게 부식하였다.
트레이 13-15 = 트레이 악화가 검출되지 않았음; 이들 트레이용의 마운팅 하드웨어도 역시 명백하게 부식하였다.
트레이 1-12 = 부식 없음.
검사 J (96개월 작동)
컬럼을 폐쇄하였다가, 완전한 검사를 위해 열었다. 트레이 1 내지 트레이 24 (317L+ 및 일부 하스텔로이 C276 야금)의 모든 트레이에서 폴리머 축적을 확인하였다. 야금학적 검사 결과는 하기와 같았다:
트레이 41-50 = 부식없음 (모두 316L 야금)
트레이 38-40 = 트레이 및 컬럼 쉘에서 에칭 (모두 316L 야금)
트레이 31-37 = 최소한의 부식 흔적 (모두 317L+ 야금)
트레이 29 및 30 = 트레이 바닥 표면에 에칭 (317L+ 야금)
트레이 14-28 = 트레이의 317L+ 부분에 심각한 에칭 및 온건한 금속 손실 / 트레이 20-27중에 하스텔로이 C276 트레이 패널에서는 부식이 없음; 트레이 16-20사이에 있는 가장 큰 쉘 손상 영역과 함께 마운팅 하드웨어 및 컬럼 쉘 (317L+ 야금)의 가시적인 부식,
트레이 1-13 = 검출된 부식없음 (모두 317L+ 야금)
실시예
2
이 시설을 위한 적절한 구성 물질을 확인하기 위한 시도로 실제 공정 조건하에서 부식-시험 조각을 사용하여 부가적인 조사를 수행하였다. 이들 조사에서, 두 세트의 부식 조각을 실시예 1의 공비 증류 컬럼내의 트레이 15에 연속적으로 둔 후, 제거하고, 각 물질의 부식률을 결정하였다. 각 세트의 부식-시험 조각으로부터 의 결과를 1년당 밀인 표준 부식 단위 (MPV 또는 1년당 밀리인치)로 보고한 부식률로 하기에 나타내었다.
실시예 2a - 제1 세트
실시예 2b - 제2 세트
상기 언급된 실시예로부터의 부식 성분에 대한 야금학적 조사는 손상된 316L 스테인레스 스틸 및 317L+ 스테인레스 스틸 성분의 피팅된 표면내에 구리가 존재하는 것을 확인시켰다. 316L SS 합금 및 317L+ SS 합금 둘다 구리보다 전기화학적으로 더욱 부식하지 않고, 따라서 특히 증류 컬럼의 상단 부분내의 낮은 작동 온도에서 구리에 의한 갈바니 공격에 대한 영향을 받지 않을 것으로 예상했기 때문에 이는 그 자체로 놀라웠다. 그러나, 시스템을 상당히 조사한 후, 이전에 확인되지 않은 복잡한 부식 공정, 즉, 이 부식 공정이 컬럼 야금학의 농축된 포름산 공격에 의해 개시됨을 발견하였다. 이는 공정내에서 비록 낮은 수준이지만 포름산이 존재하는 것이 예상 밖이었기 때문에 특히 놀라웠다.
이론에 얽매이지 않고, 본 발명자들은 이 복잡한 부식 공정이 하기 단계를 포함하는 것으로 이해하였다:
1) 수성 아크릴산 공급 스트림에 존재하는 포름알데히드를 증류 컬럼내에서 포름산으로 변환시키고 (이 변환을 증류 컬럼 공정액 (process fluid)내에서 용해된 구리로 촉매화함);
2) 포름산 농축물은 증류 컬럼의 상단 부분에서 일단 형성되고, 여기에서 컬럼의 316L 및 317L+ 스테인레스 스틸 성분을 공격하여, 이들 성분상의 패시베이션층을 손상시키며;
3) 일단 패시베이션층이 손상되면, 공정액내 용해된 구리 및 316L 및 317L+ 스테인레스 스틸사이에 갈바니 부식 전지가 확립되어 이들 스테인레스 스틸 성분의 광범위한 구리-유발 피팅을 유도하고;
4) 실시예 시스템의 증류 컬럼에서 제거된 일부의 물이 다시 흡수체로 재순환되기 때문에, 포름산이 흡수체중에 축적되기 시작하고, 결국 수성 아크릴산 공급 스트림중에 낮은 수준의 정상 상태 농도에 도달한다.
그 후 정상 상태의 수성 아크릴산 공급 스트림을 분석하여 하기와 같은 포름알데히드 및 포름산 둘다의 존재를 확인하였다:
따라서, 사용한 중합 억제제가 구리계 억제제, 예를 들어 CB를 포함할 때, 공비 증류 컬럼에 진입하는 수성 (메트)아크릴산내 포름알데히드 양의 최소화가 상술한 유형의 장치 부식을 감소시키고, 최소화시킨다.
실시예
3 - 수성 (
메트
)아크릴산 공급원
다음은 본 발명의 방법과 관련하여 사용하기에 적합한 수성 (메트)아크릴산의 예이고, 이는 탄화수소 (프로필렌) 산화 반응기의 가스상 생성물 스트림의 응축에 의해 생성된다. 하기 기술은 실제 상업적-공정 데이터 및 공지된 장비 설명 및 공지된 작동 데이터에 기초하여 공정 결과를 예측할 수 있는 컴퓨터 모델의 조합에 기초한다. 본 출원인들에 의해 사용된 컴퓨터 모델은 Aspen plus 2004.1 Simulation Engine으로 상업적으로 공지되었고, 미국 메사추세츠주 벌링턴에 소재한 Aspen Technology사로부터 입수할 수 있다.
장치 설명 및 일반적 작동
장비는 102-피트 3-인치 (31.166 미터) 길이의 10-피트 6-인치 (3.200 미터) 직경 상부, 4-피트 4-인치 (1.321 미터)의 긴 원뿔 변이부 및 15-피트 6-인치 (4.724 미터) 직경 × 30-피트 4-인치 (9.246 미터) 길이의 바닥 부분을 구비한 316L 스테인레스 스틸 컬럼인 콘덴서로 구성된다. 콘덴서 컬럼의 상단은 11,832 평방피트 (1099 평방미터)의 관식 교환기, 31℃ (88℉) 냉각수를 사용하여 최대 33 MM BTU/시간 (9.66 MW) 냉각을 제공하여 컬럼의 상단을 떠나는 가스를 냉각시키는 상단 냉각기를 갖추었고, 분리 용기는 증기 및 액체를 분리하고, 응축물을 수집하여 펌프에 의해 컬럼의 상단으로 되돌아가도록 설계되었다. 컬럼의 바닥 부분은 루프 주변에 반응기 배기 가스를 냉각시키기 위해 제공되는 외부 액체 펌프를 가지며, 컬럼의 바닥으로부터 액체를 끌어내는 1100 gpm (250 m3/시간) 펌프, 31℃ (88℉) 냉각타워수를 사용하여 최대 30 MM BTU/시간 (8.78 MW) 냉각을 제공하는 2807 평방피트 (261 평방미터), 316L 스테인레스 스틸 관식 열 교환기 및 하기에 기술된 패킹된 베드 (packed bed)위의 바닥 부분으로의 액체 스트림 주변 왕복 펌프로 구성되었다.
반응기 배기 가스를 바닥 부분의 낮은 부분에서 콘덴서 컬럼에 도입한 후, V-격자 증기 분배기에 이어서, 316 스테인레스 스틸 #4 캐스케이드 미니 링의 10-피트 (3.048 미터) 깊이 베드를 통과시켰고, 모두 큰 직경의 바닥 부분에 포함되었다. 그 후, 가스를 변이부를 통해 컬럼 위로 이동시키고, 316 스테인레스 스틸 #3 캐스케이드 미니 링의 두 23-피트 (7.010 미터) 깊이 베드에 이어서, 316 스테인레스 스틸 슐처 BX 구조 패킹의 두 14-피트 4-인치 (4.369 미터) 깊이 베드를 직렬로 통과시켰다. 가스는 상단 베드를 떠나, 컬럼의 상단을 빠져나간 후 상단 냉각기로 파이프를 통해 이동한다. 냉각 후, 가스 스트림은 그 후 분리기를 통과하여 '오프 가스'로서 시스템을 떠나기 전 액체 응축물을 제거하고, 일부는 나머지가 열 산화기로 보내지는 동안 반응기의 공급물로 재순환된다. 분리기 용기로 수집한 응축물을 컬럼의 상단에 공급하고, 316 스테인레스 스틸 넛터 (Nutter) MTS-109 액체 분배기를 사용하여 상단 베드로 분배하였다. 액체가 상단 부분의 각 베드를 통과한 후, 액체를 316 스테인레스 스틸 넛터 CFT-1206 침니 (chimney) 트레이로 수집하고, 316 스테인레스 스틸 MTS-109 액체 분배기로 바로 옆 베드로 재분배하였다. 상단 부분을 떠나는 액체를 순환 루프 주변 펌프로부터의 액체에 첨가하였고, 316 스테인레스 스틸 넛터 HLT-538 액체 분배기로 바닥 베드에 분배하였다. 컬럼의 바닥, 구멍 (sump)에 액체가 축적함에 따라 수준 조절에 의해 시스템으로부터 펌프를 통해 뽑아내었다. 콘덴서 컬럼의 바닥을 떠나는 액체를 수성 아크릴산이라고 하였다. 수성 아크릴산을 추가의 정제를 위한 다운스트림 공정으로 보낼 수 있거나, 또는 임의로, 아크롤레인의 효율적인 제거를 위해 통합된 아크롤레인 제거 컬럼으로 보낼 수 있다.
이 예의 구체예에서, 임의의 통합된 아크롤레인 제거 컬럼을 이용하였다. 통합된 아크롤레인 제거 컬럼은 4-피트 9-인치 (1.448 미터) 직경으로, 304 스테인레스 스틸 #2 캐스캐이드 미니 링의 21-피트 8-인치 (6.604 미터) 패킹 베드를 가진 304L 스테인레스 스틸 컬럼이고, 411 평방피트 (38.2 평방미터) 304L 스테인레스 스틸 열싸이폰 (thermosyphon) 리보일러, 949 평방피트 (88.2 평방미터) 304L 스테 인레스 스틸 메인 콘덴서 및 293 평방피트 (27.2 평방미터), 304L 스테인레스 스틸 벤트 콘덴서를 갖추었다. 콘덴서 컬럼 바닥 물질은 약 200 mmHg (26,664 Pa) 절대 압력에서 작동하는 아크롤레인 제거 컬럼의 상단에서의 공급물이고, 패킹을 통과한 후, 리보일러에 의해 컬럼의 바닥에서 가열되어 스트림의 약 5 내지 10 중량%가 증발한다. 리보일러에 존재하는 증기는 패킹된 베드를 통과하여 스트리핑을 제공한 후, 메인 및 벤트 콘덴서에 의해 응축된다. 아크롤레인을 포함하는 응축물은 스트림 주변 펌프에 귀환선을 첨가함으로써 콘덴서 컬럼의 바닥 부분으로 되돌아온다. 응축물을 이 방식으로 도입함으로써 아크롤레인을 콘덴서 컬럼내에서 재증발시켰다. 아크롤레인 제거 컬럼의 바닥에 존재하는 액체를 감소된 아크롤레인 함량의 수성 아크릴산이라고 하며, 추가의 정제를 위해 다운스트림 공정으로 보냈다.
실시예
3A - 실제
모델링된
작동 및 성능 ("중간 수성 강도")
상술한 콘덴서 장비에 기초하여, 본 발명의 콘덴서 시스템의 작동을 하기 반응기 배기 가스 조성물을 사용하여 시뮬레이션하였다:
반응기 배기 가스를 콘덴서 컬럼의 바닥에 253,641 lb/시간 (115,050 kg/시간)의 질량유량, 290℃ (554℉)의 온도 및 7.3 psig (151,657 Pa)의 압력으로 진입시켰다.
이 모델을 콘덴서 컬럼의 바닥 부분에서 충분히 냉각시켜 컬럼 상단 온도를 68℃ (154℉)로 조절하고, 상단 냉각기를 통해 25.7 MM BTU/시간 (7.53 MW)로 냉각시켜 80.7℃ (177℉)의 바닥 온도를 야기하도록 가동하였다. 상단 냉각기 이후 증기-액체 분리기의 상단에 존재하는 오프가스가 200,421 lb/시간 (90,910 kg/시간)로, 1.5 psig (111,667)의 압력에서 흐르는 것으로 계산하였고, 이 모델은 하기 조성으로 예측되었다:
폴리머 억제의 목적을 위해, 컬럼에 5 중량%의 하이드로퀴논 (HQ) 억제제와 함께 탈이온수의 공급물을 400 lb/시간 (181 kg/시간)으로 제공하였다. 수성 아크릴산은 58,176 lb/시간 (26,388 kg/시간)의 유량 및 하기 조성으로 콘덴서 컬럼의 바닥을 빠져나갔다:
그 후 시뮬레이션마다 이 실시예의 수성 아크릴산 스트림을 아크롤레인을 스트리핑하고 콘덴서 컬럼으로 재순환하는 아크롤레인 제거 컬럼으로 공급하였다. 감소된 아크롤레인 함량의 수성 아크릴산을 아크롤레인 제거 컬럼의 바닥으로부터 53,620 lb/시간 (24,322 kg/시간)의 유량으로 제거하고, 하기 조성을 가질 것이다:
이 실시예의 조건하에서, 본 발명의 방법이 종래 기술의 흡수 공정보다 수성 아크릴산에서 상당히 낮은 수준의 포름알데히드를 제공하고, 이러한 이점을 수성 아크릴산이 아크롤레인 제거 컬럼에서 스트리핑될 때도 유지한다는 것이 명백하다.
실시예
3B - 실제 작동 및 성능 ("높은 수성 강도")
상술한 콘덴서 장비에 기초하여, 본 발명의 콘덴서 시스템의 작동을 비교 실시예 3A에서 사용한 바와 같은 반응기 배기 가스 조성 및 질량유량 (253,641 lb/시간 (115,050 kg/시간))으로 다시 시뮬레이션하였다. 이 실시예에서, 반응기 배기가스를 콘덴서 컬럼의 바닥에 290℃ (554℉)의 온도 및 7.3 psig (151,657 Pa)의 압력으로 진입시켰다.
이 모델을 콘덴서 컬럼의 바닥 부분에서 냉각시키지 않고 가동시켰고, 상단 냉각기를 시뮬레이션하여 60℃ (140℉) 상단 냉각기 배기 온도 및 103℃ (217℉) 컬럼 바닥 온도를 야기하는 43.5 MM BTU/시간 (12.7 MW)를 제공하였다. 상단 냉각기 이후 증기-액체 분리기의 상단에 존재하는 오프가스가 211,611 lb/시간 (95,985 kg/시간)으로, 1.5 psig (111,667 Pa)의 압력에서 흐르는 것으로 계산하였고, 이 모델은 하기 조성으로 예측되었다:
폴리머 억제의 목적을 위해, 컬럼에 5 중량%의 하이드로퀴논 (HQ) 억제제와 함께 탈이온수의 공급물을 400 lb/시간 (181 kg/시간)으로 제공하였다. 수성 아크릴산은 46,856 lb/시간 (21,254 kg/시간)의 유량으로 및 하기 조성으로 콘덴서 컬럼의 바닥을 빠져나갔다:
그 후 시뮬레이션마다 이 실시예의 수성 아크릴산 스트림을 아크롤레인을 스트리핑하고 콘덴서 컬럼으로 재순환하는 아크롤레인 제거 컬럼으로 공급하였다. 감소된 아크롤레인 함량의 수성 아크릴산을 아크롤레인 제거 컬럼의 바닥으로부터 42,430 (19,246 kg/시간) lb/시간의 유량으로 제거하고, 하기 조성을 가질 것이다:
이 실시예의 조건하에서, 본 발명의 방법이 종래 기술의 흡수 공정보다 수성 아크릴산에서 상당히 낮은 수준의 포름알데히드를 제공하고, 이러한 이점을 수성 아크릴산이 아크롤레인 제거 컬럼에서 스트리핑될 때도 유지한다는 것이 명백하다.
본 발명의 보다 완전한 이해는 본 발명의 방법의 도식적인 표시인 수반하는 도면을 참조하면서, 이후 논의되는 구체예로부터 얻어질 것이고, 이어서 도 1은 본 발명의 방법의 응축 단계를 개략적으로 나타낸 도면이다.
Claims (10)
- a) 아크릴산, 물 및 수성 아크릴산 스트림의 총 중량에 대해 0.1 중량% 이하의 양으로 존재하는 포름알데히드를 포함하는 수성 아크릴산 공급 스트림을 제공하고;b) 용해된 구리의 존재하에서 공비 증류로 상기 수성 아크릴산 공급 스트림을 정제하는 것을 포함하는,용해된 구리의 존재하에서 수성 (메트)아크릴산의 증류중에 장치의 부식을 최소화하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 수성 아크릴산 공급 스트림이 0.05 중량% 이하의 포름알데히드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 수성 아크릴산 공급 스트림이 0.01 중량% 이하의 포름알데히드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 단계 a)가1) 적어도 아크릴산, 물, 아크롤레인, 포름알데히드를 포함하는 가스상 물질 스트림을 콘덴서에 공급하고;2) 콘덴서를 작동시키고, 응축되지 않은 성분을 포함하는 가스상 벤트 스트 림 및 아크릴산을 포함하고, 수성 아크릴산 스트림의 총 중량에 대해 0.1 중량% 이하의 포름알데히드를 포함하는 응축된 수성 아크릴산 스트림을 생성하는 것에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 4항에 있어서, 정제 단계 b)를 수행하기 전에, 수성 아크릴산 스트림을 아크롤레인 제거 컬럼에서 스트리핑하여 아크롤레인 함량이 감소된 수성 아크릴산 스트림 및 아크롤레인을 포함하는 응축물 스트림을 얻고, 상기 응축물 스트림은 재순환되고, 콘덴서에 공급되며, 아크롤레인 함량이 감소된 수성 아크릴산 스트림은 공비 증류 컬럼에 공급되는 수성 아크릴산 공급 스트림인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 4항에 있어서, 아크릴산을 포함하는 가스상 물질 스트림을 제공하는 단계 a) 1)이 촉매적 증기상 원통형 다관식 반응기에서 프로필렌 및 프로판으로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 탄화수소를 산화시켜 가스상 물질 스트림을 생성함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 용해된 구리는 적어도 부분적으로 구리 디부틸디티오카바메이트 (CB), 구리 디메틸디티오카바메이트, 구리 디에틸디티오카바메이트, 구리 살리실레이트, 구리 나프테네이트 및 구리 아세테이트로 구성된 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 화합물을 포함하는 구리 함유 억제제를 공비 증류중에 수성 아 크릴산 스트림에 첨가함으로써 유도되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 공비 증류가 316SS, 316LSS, 317SS, 317L+SS, AI6XN, 인코넬 625, 904L, 듀플렉스 2205, 듀플렉스 2507, 듀플렉스 2304, 듀플렉스 합금 329, 합금 20 CB-3, 하스텔로이 C22, 하스텔로이 C276 및 하스텔로이 B2로 구성된 그룹으로부터 선택되는 하나 이상의 유형의 스테인레스 스틸로 구성되는 컬럼에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 수성 아크릴산 스트림이 수성 아크릴산 스트림의 총 중량에 대해 75 중량% 내지 95 중량%의 아크릴산을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 가스상 스트림이 대기압에서 -40℃ 이하의 끓는점을 갖는 비응축성 물질을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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