KR101352832B1 - 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법 - Google Patents

공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 물을 함유하는 과산화수소에서 공비제를 이용하여 물을 제거함으로서 고농도의 과산화수소를 제조하기 위한 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법은, 재비기, 칼럼 및 응축기로 이루어지는 계통 내에 진공을 생성하는 단계; 상기 재비기에 내장되고 물을 함유하는 과산화수소에 열을 가하여 기화시키는 단계; 비점의 차이에 의해 상기 칼럼의 하단에 과산화수소가 응축되고 상기 칼럼의 상단에 물이 응축된 상태에서 상기 물에 공비제를 혼합하여 상기 물과 공비제의 혼합물을 증발시키는 단계; 및 상기 물과 공비제의 혼합물을 상기 응축기에서 응축하여 공비제를 회수하는 단계;를 포함하고, 상기 진공은 상기 물과 공비제의 혼합에 의한 온도에서 공비점에 도달할 수 있는 압력으로 설정된다.

Description

공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법{METHOD OF CONCENTRATIING HYDROGEN PEROXIDE USING AZEOTROPIC AGENT}
본 발명은 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 물을 함유하는 과산화수소에서 공비제를 이용하여 물을 제거함으로서 고농도의 과산화수소를 제조하기 위한 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법에 관한 것이다.
과산화수소를 농축하고 정제하는 방법에 대한 종래기술은 주로 증류공정을 적용하는 것이다. 예를 들면, 미국등록특허 제3,073,755호에는, 과산화수소 합성용 반응기에서 배출되는 용액에 잔류하는 유기물을 증발시키고 증류공정의 탑정에서 물을 제거함으로서 탑저로 과산화수소를 농축하는 방법을 개시하고 있다.
또한 한국등록특허 제0132528호에는, 증발기에서 조과산화수소 수용액을 안개형상의 수반액과 함께 증기로 증발시키고 기액분리기에서 증기를 수반액과 분리하며 잔류 수반액을 분별 증류하여 과산화수소를 농축하는 방법이 개시되어 있다.
그러나 과산화수소는 공정의 운전 온도가 높을 경우 쉽게 분해되는 성질이 있으므로, 공정의 운전 온도를 낮게 유지하는 것이 과산화수소의 농축에 보다 유리하지만, 종래기술에서는 이에 대한 고려가 전혀 이루어지지 않았다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술을 개선하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 공비제를 활용하여 공정의 운전 온도를 낮게 유지하면서도 과산화수소의 농축 효율을 증대시킬 수 있는 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 과산화수소의 농축을 위해 사용된 공비제를 재활용할 수 있는 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법을 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법에 관한 것으로, 재비기, 칼럼 및 응축기로 이루어지는 계통 내에 진공을 생성하는 단계; 상기 재비기에 내장되고 물을 함유하는 과산화수소에 열을 가하여 기화시키는 단계; 비점의 차이에 의해 상기 칼럼의 하단에 과산화수소가 응축되고 상기 칼럼의 상단에 물이 응축된 상태에서 상기 물에 공비제를 혼합하여 상기 물과 공비제의 혼합물을 증발시키는 단계; 및 상기 물과 공비제의 혼합물을 상기 응축기에서 응축하여 공비제를 회수하는 단계;를 포함하고, 상기 진공은 상기 물과 공비제의 혼합에 의한 온도에서 공비점에 도달할 수 있는 압력으로 설정된다.
그리고 물을 함유하는 과산화수소에 상기 회수된 공비제를 재공급하는 단계가 더 포함될 수 있다..
이때 상기 공비제는 노말헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 중에 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한 상기 공비점은 물과 공비제의 비점보다 낮은 것이 바람직하다.
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본 발명에 따른 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법에 의하면, 공비제를 활용하여 공정의 운전 온도를 낮게 유지할 수 있어 과산화수소의 농축 공정을 안정적이고 경제적으로 운용할 수 있을 뿐만 아니라, 과산화수소의 농축 효율을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
그리고 본 발명에 의하면, 과산화수소의 농축을 위해 사용된 공비제를 재활용할 수 있어 공비제에 의한 환경오염을 방지함과 아울러 자원 재활용에 기여하고 생산단가를 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법의 순서도,
도 2는 본 발명에 따른 공비제를 이용한 과산화수소의 농축 공정을 구현하는 회분식 증류장치를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 공비제를 이용한 과산화수소의 농축 공정을 구현하는 연속식 증류장치를 도시한 도면이다.
이하에서는 본 발명에 따른 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법의 순서도이고, 도 2는 본 발명에 따른 공비제를 이용한 과산화수소의 농축 공정을 구현하는 회분식 증류장치를 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 공비제를 이용한 과산화수소의 농축 공정을 구현하는 연속식 증류장치를 도시한 도면이다.
본 발명에서는, 과산화수소의 온도가 높을 경우 과산화수소가 분해되는 성질이 있으므로, 탑저의 온도를 낮게 유지하기 위하여 진공을 가하였고 물을 쉽게 제거하기 위하여 공비제를 적용하였다. 상기 공비제로는 노말헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 중에서 선택된 어느 하나를 사용한다.
이와 같은 공비제는 물과 불균일성 공비점을 형성한다. 즉, 공비제와 물이 공존할 경우, 그 비점은 물의 비점이나 공비제의 비점보다 낮고, 증발된 기상을 응축시키면 물층과 공비제층으로 층 분리되므로, 물을 제거함과 동시에 공비제를 효과적으로 회수할 수 있다.
예를 들면, 톨루엔을 공비제로 사용할 경우, 물과 톨루엔의 상압 비점은 각각 100℃ 및 110.7℃이나 이들 두 물질이 공존하는 경우, 상압 비점은 84.5℃로 두 물질의 비점보다 낮아진다. 따라서 물을 함유하는 과산화수소를 직접 증류하는 것에 비하여 공비제를 적용하면 낮은 온도에서 증류가 가능하고, 과산화수소의 분해를 방지할 수 있다. 또한 기화된 물질을 응축시키면 물층과 톨루엔층으로 층 분리되므로, 쉽게 물을 제거하고 톨루엔을 회수하여 재사용할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 본 발명은, 물을 함유하는 과산화수소에 물과 불균일성 공비점을 형성하는 공비제를 공급하는 단계로부터 개시된다. 이때 상기 공비제로는 노말헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 중에서 선택되는 어느 하나가 사용된다. 그리고 상기 공비점은 물과 공비제의 비점보다 낮아야 한다(단계 S10).
다음으로, 상기 공비점으로 가열하여 물과 공비제를 증발시킨다. 물과 공비제가 공존할 경우 공비점은 각각의 비점보다 낮아지므로 낮은 온도에서도 물과 공비제가 증발될 수 있다(단계 S20).
증발된 물과 공비제는 응축되고, 응축된 물과 공비제는 물층과 공비제층으로 층 분리가 되므로, 물은 제거하고 공비제는 회수한다(단계 S30). 회수된 공비제는 다시 물을 함유하는 과산화수소를 농축하는데 활용될 수 있도록 공급된다(단계 S40).
이러한 본 발명에 따른 방법을 도 2 및 도 3을 토대로 보다 상세히 설명한다.
도 2에는 회분식 공정 개념도가 도시되어 있고, 이를 이용하여 본 발명의 회분식 장치의 구성 및 작용을 설명한다.
도시된 바와 같이, 물을 함유하는 과산화수소를 재비기(1)에 장입하고, 환류드럼(6)에 공비제를 장입한다. 그리고 응축기(3)에 냉각수를 공급함과 동시에 진공펌프(5)를 가동하고 압력제어기(4)를 통하여 재비기(1)와 칼럼(2)의 압력을 원하는 값으로 제어한다.
이 상태에서 재비기(1)에 열을 가하여 일부를 기화시킴과 동시에 환류펌프(7)를 가동하여 공비제를 칼럼(2)으로 공급한다. 그러면 공비제는 칼럼 내에 존재하는 물과 같이 증발하고 비점이 물보다 높은 과산화수소는 재비기(1)로 농축된다.
한편, 칼럼(2) 내에서 기화된 물과 공비제는 응축기(3)에서 응축되어 환류드럼(6)으로 배출된다. 환류드럼 내에서 물과 공비제는 각각 층을 이루어 분리되므로, 물층은 배출시키고 공비제층은 환류펌프(7)를 통하여 칼럼으로 환류시킨다.
이때 경우에 따라 공비제가 소모되어 보충해 주어야 할 경우에 환류드럼(6)으로 일부를 보충해 준다.
이와 같은 과정을 반복하면 재비기 내에는 농축된 과산화수소가 얻어지므므로, 이를 제품화할 수 있다.
한편, 도 3에는 연속식 공정 개념도가 도시되어 있고, 이를 이용하여 본 발명의 연속식 장치의 구성 및 작용을 설명한다.
도시된 바와 같이, 물을 함유하는 과산화수소를 재비기(11)로 공급함과 동시에 탑정 압력을 압력제어기(15)와 진공펌프(16)를 이용하여 원하는 압력으로 제어하고, 재비기(11)에 열을 가하여 증류한다. 그리고 이와 동시에 환류드럼(17)에 공비제를 공급하고, 환류펌프(19)를 이용하여 탑정으로 공비제를 공급한다.
그러면 재비기(11) 내에는 농축된 과산화수소가 존재하고 증류부(12)의 하부에서 회수부(13)의 상부까지 농도구배 또는 온도구배가 형성되며 탑정으로 물과 공비제의 공비 조성에 해당하는 증기가 배출된다.
배출된 증기는 응축기(14) 내에서 응축되어 환류드럼(17)으로 배출된다. 환류드럼(17)에서는 물층과 공비제층으로 분리되므로, 물층은 버리고 공비제층은 환류펌프(19)를 이용하여 탑정으로 환류시킨다.
한편, 재비기(11) 내에서 농축된 과산화수소는 펌프(21)를 이용하여 배출하고, 이를 제품화한다.
이러한 과정에서 소모되는 공비제는 환류드럼(17)을 통해 공급해 준다.
다음으로 도 3에 도시된 연속식 공정에 대해 구체적인 실시예를 설명한다.
증류탑은 10단(응축기 및 재비기가 각 1단 포함)으로 구성되어 있고, 원료 공급단의 위치는 증류탑의 높이방향 중앙 지점이다. 원료의 농도는 30wt%의 과산화수소이고 공비제로는 톨루엔이 사용되었다.
탑정의 공비제 공급유량을 원료공급유량과 동일하게 하고(몰 유량 기준) 탑정으로 배출되는 증기의 유량을 원료 유량의 1.8배(몰 유량 기준)로 하였을 때 탑저로 95.9wt%(92.5mol%)로 농축된 과산화수소가 생산되었다.
이 경우 각 스트림의 유량(원료 유량을 100mol/hr로 하였을 때), 조성, 온도, 그리고 압력 등의 조건은 [표 1]에 기재되어 있다.
원료 탑저제품 공비제 공급 공비제층 물층
Mol Flow( kmol / hr )
H2O2 18.499 18.499 0 1.60E-06 0
H2O 81.501 1.5006 0 0.1851 79.815
C7H8 0 - 100 100 0
Total 100 20 100 100.19 79.815
Mass Folw(㎏/ hr )
H2O2 629.25 629.25 0 5.43E-05 0
H2O 1468.3 27.033 0 3.3354 1437.9
C7H8 0 - 9214.1 9214.1 0
Total 2097.5 656.29 9214.1 9217.4 1437.9
Mass Frac
H2O2 0.3 0.9588 0 5.90E-09 0
H2O 0.7 0.0412 0 0.000362 1
C7H8 0 - 1 0.999638 0
온도 및 압력
온도(℃) 30 72.8 20 19.1 19.1
압력(bar) 0.1 0.054 0.1 0.05 0.05
[표 1]에 기재된 바와 같이, 탑정의 압력을 0.05bar로 하였을 때 탑저의 온도는 72.8℃이고, 탑정의 온도는 19.1℃이다. 여기서 19.1℃는 0.05bar에서 물과 톨루엔의 공비온도에 해당한다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
1, 11 : 재비기 2 : 칼럼
3, 14 : 응축기 4, 15 : 압력제어기
5, 16 : 진공펌프 6, 17 : 환류드럼
7, 19 : 환류펌프 12 : 증류부
13 : 회수부 21 : 펌프

Claims (8)

  1. 재비기, 칼럼 및 응축기로 이루어지는 계통 내에 진공을 생성하는 단계;
    상기 재비기에 내장되고 물을 함유하는 과산화수소에 열을 가하여 기화시키는 단계;
    비점의 차이에 의해 상기 칼럼의 하단에 과산화수소가 응축되고 상기 칼럼의 상단에 물이 응축된 상태에서 상기 물에 공비제를 혼합하여 상기 물과 공비제의 혼합물을 증발시키는 단계; 및
    상기 물과 공비제의 혼합물을 상기 응축기에서 응축하여 공비제를 회수하는 단계;를 포함하고,
    상기 진공은 상기 물과 공비제의 혼합에 의한 온도에서 공비점에 도달할 수 있는 압력으로 설정되는 것을 특징으로 하는 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    물을 함유하는 과산화수소에 상기 회수된 공비제를 재공급하는 단계가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 공비제는 노말헥산, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 자일렌 중에 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공비점은 물과 공비제의 비점보다 낮은 것을 특징으로 하는 공비제를 이용한 과산화수소 농축 방법.
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