KR101434462B1 - 락타이드의 회분식 증류정제장치 및 이를 이용한 락타이드의 증류정제방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 락타이드의 회분식 증류정제장치 및 이를 이용한 락타이드의 증류정제방법에 관한 것으로, 상세하게는 락타이드를 포함하는 혼합물을 원료로서 공급하는 원료공급부; 상기 원료공급부로부터 락타이드를 포함하는 혼합물이 공급되며, 하부에 상기 혼합물이 저장되는 탑저부 저장조를 포함하는 증류탑; 상기 증류탑의 탑저부 저장조와 연결되어 상기 탑저부 저장조의 액상 혼합물이 공급되는 재비기(reboiler); 및 상기 증류탑의 탑상부와 연결되며, 상기 탑상부로부터 공급되는 기체상이 흐름 상태를 유지하도록 응축시켜 외부환류와 회수를 가능하게 하는 탑상응축기;를 포함하며, 상기 재비기는 박막 형태로 확장된 전열 표면적을 가지는 액막형 증발기인 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치를 제공한다.

Description

락타이드의 회분식 증류정제장치 및 이를 이용한 락타이드의 증류정제방법{Batch type distillation apparatus for the purification of lactide, and the distillation method for the purification of lactide using the same}

본 발명은 락타이드의 회분식 증류정제장치 및 이를 이용한 락타이드의 증류정제방법에 관한 것으로, 상세하게는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 고도로 정제된 락타이드를 정제해낼 수 있는 회분식 증류정제장치 및 이를 이용한 증류정제방법에 관한 것이다.

젖산은 바이오매스를 원료로 활용하여 발효하여 제조할 때 고수율로 양산 가능한 화학 물질이다. 이러한 장점 때문에 젖산은 최근 바이오리파이너리 플랫폼 상의 기본 물질로 간주되고 있다. 또한, 젖산을 활용하여 이차적인 화학 물질을 제조하고, 이로부터 실생활에 응용할 수 있는 기간 소재를 생산하고자 하는 많은 시도들이 수행되고 있다.

한편, 젖산을 이용하여 생분해성 고분자를 중합하여 활용하려는 시도는 지난 수십년간 비교적 활발하게 연구되어 왔고, 관련 기술이 개발되어 왔으나, 이를 공업적으로 실현하기 위한 상세하고 구체적인 실용화 기술은 거의 알려져 있지 않은 실정이다. 그러나, PLA(Polylactic acid)로 대표되는 젖산 고분자는 생분해성이 좋으며, 물리화학적으로 특별한 물성을 가지는 것으로 알려져 있어 이를 이용하여 의료용 소재, 범용성 소재, 산업용 소재로 활용하기 위하여 소재 응용 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

이때, 상기 PLA는 출발 물질인 젖산이 광학활성탄소를 가지기 때문에 광학이성체 형태로 제조될 수 있으며, D형 젖산을 원료로 이용하면 D형 PLA(이하, PDLA라 칭함)을 제조할 수 있고, L형 젖산을 출발 물질로 이용하면 L형 PLA(이하, PLLA라 칭함)을 제조할 수 있다.

락타이드는 젖산 이분자가 탈수·축합된 분자 형태로서, 하나의 분자당 광학활성탄소 2개가 포함되어 있다. 락타이드 분자 안에 존재하는 각 광학활성탄소를 기준으로, 2개의 L형 탄소원자들을 갖는 L형 이성체와, 2개의 D형 탄소원자들을 갖는 D형 이성체, 및 1개의 L형 탄소원자와 1개의 D형 탄소원자를 갖는 형태의 이성체로 존재할 수 있다. 이때, 일반적으로 D형-락타이드와 L형-락타이드는 그 물성이 동일하여 통상적으로 락타이드라 총칭하며, 상기 D형-락타이드 단량체를 중합하여 PDLA를 제조할 수 있고, L형-락타이드 단량체를 중합하여 PLLA를 제조할 수 있다.

반면, 1개의 L형 탄소원자와 1개의 D형 탄소원자를 가진 제3의 락타이드 이성체는 락타이드라 부르지 않고 메조형 락타이드, 또는 메조락타이드라 칭하며, 락타이드와 메조락타이드는 물리화학적 특성에서 미세한 차이가 있기 때문에 이를 이용하여 락타이드와 메조락타이드를 서로 분리해낼 수 있다. 그러나, 락타이드와 메조락타이드의 물성 차이가 크지 않기 때문에, 이들의 분리를 수행하는 것은 공정상 어려움이 있으며, 이를 해결하기 위하여 락타이드와 메조락타이드가 수분을 만나면 젖산으로 분해되는 것을 이용하여 상기 가수분해 반응의 속도론적 차이를 활용하여 메조락타이드를 분해시키고 잔류하는 락타이드를 회수하는 방법이 연구된 바 있다.

공업적으로 제조된 락타이드에는 수분, 젖산, 락토일락테이트, 락타이드, 메조락타이드, 올리고머류 등이 포함되어 있다. 이때, 락타이드를 젖산 고분자의 단량체로 사용하기 위해서는 중합 과정에 영향을 주는 불순물들을 분리정제공정을 통해 제거하는 것이 바람직하며, 락타이드 단량체 중에 존재하는 불순물들은 실제로 매우 엄격하게 그 함량이 통제되고 있다.

한편, 불순물 중 수분의 경우, 미량이 존재하더라도 이후의 중합 공정 조건에서 락타이드와 메조락타이드를 가수분해시켜 젖산을 생성하고 락토일락테이트를 만들 수 있으며,

젖산은 락타이드의 중합 과정에서 적정한 물성을 발현하도록 중합도를 높이는 과정에 부정적으로 작용하는 것으로 알려져 있어 가장 엄격하게 통제되는 불순물이고,

올리고머류는 중합도와 중합 이후의 물성에 부정적 영향을 미치므로 락타이드의 정제 공정에서 함께 제거되어야하는 불순물이다.

이와 같이, 불순물들을 제거하기 위한 락타이드의 정제 방법으로는 가수분해 방법, 증류 방법, 결정화 방법 등이 있다. 이때, 상기 가수분해 방법은 가수분해 속도의 차이를 이용하는 분리 방법이고, 증류 방법은 미세한 증기압의 차이 또는 비점의 차이를 이용하는 분리방법이다. 또한, 결정화 방법은 용해도의 차이 또는 융점의 차이를 이용하여 결정화를 통해 순도를 높이는 방법이다.

다만, 락타이드의 제조 공정이 경제성을 갖기 위해서는 연간 수천에서 수만 톤에 해당하는 대량 생산의 기반을 갖추어야 하며, 이에 따라 락타이드의 정제 공정에는 높은 생산성 요구를 만족하는 대량 분리 기술이 적용되어야 하나, 대량 생산적 측면에서 상기 가수분해 방법이나 결정화 방법은 증류 방법에 비하여 효율이 좋지않은 문제가 있다. 즉, 가수분해 반응기 및 이에 따른 후 분리 시설의 경우 시설 용량이 증가할수록 장치 비용이 급증하는 문제가 있으며, 결정화 방법의 경우에도 대규모 결정화 분리 장치의 제작에 한계가 있기 때문에 생산성 측면에서 상대적으로 효율이 떨어지는 문제가 있다.

반면, 증류 방법은 증류 칼럼의 직경을 대형화하는 방법으로 대량 생산의 요구 조건을 쉽게 만족시킬 수 있으며, 대용량이 될수록, 공정의 운전 안정성이 더 개선되는 장점이 있기 때문에 생산적 측면에서 유리한 효과가 있다.

한편, 증류 방법에 의한 락타이드의 정제 방법은 락타이드와 불순물로 존재하는 메조락타이드의 증기압 차이가 매우 작기 때문에(또는, 비등점의 차이가 매우 작기 때문에) 많은 단수의 분리컬럼을 가진 증류탑이 포함되어야 하며, 일례로서 락타이드를 증류하여 정제하기 위한 일반적인 방법은 연속되는 세 개의 증류탑을 거쳐 저비점 물질을 제거한 후 고비점인 올리고머류를 제거하고, 마지막으로 광학이성체 관계인 락타이드와 메조락타이드를 분리하는 단계를 포함한다. 또한, 최근에는 3개의 증류탑을 통합한 분리격벽형 증류 칼럼(dividing wall distillation column)으로 이루어진 증류 시스템을 설계하여 운용함으로써 증류탑에서의 에너지 효율을 높이고자 하는 기술이 개시된 바 있다. 그러나, 상기 분리격벽형 증류 칼럼은 내부 리플럭스(reflux) 비율을 제어하기 어렵고, 전체 증류 시스템의 분리 성능을 최적화하기 어려우며, 원료의 조성 변화에 대한 대처 능력이 부족한 문제가 있는 것으로 알려져 있다.

또한, 락타이드를 증류하여 정제함에 있어서, 상기 증류 공정은 운전 및 제어 측면에서 연속식 운전이 가장 바람직하나, 증류 규모(또는 생산 규모)와 공정 내외부의 여러가지 제약 조건들에 따라 회분식으로도 증류 공정을 운전할 수 있다. 상기 회분식 증류 공정의 장점은 한가지 칼럼을 가지고도 시간에 따라 다양한 분리 결과물을 얻을 수 있다는 것으로, 회분식 증류 공정은 가장 분리가 어려운 핵심 성분쌍(key compound pair)을 중심으로 분리 단수와 외부 환류비율을 결정하여 시설을 설치 및 운전할 수 있다. 또한, 필요시 회분식 증류 공정 시간에 따라 분리정제 조건을 가변시켜 운전할 수 있는 효과가 있다.

그러나, 상기 회분식 증류 공정의 경우에는 탑상 유출물의 온도가 시간에 따라 낮은 온도 영역에서 높은 온도 영역으로 점차 변화하는 대표적인 특성이 있으며, 절대로 정상 상태에 도달하지 못하는 특징 때문에 시간에 따른 변화를 수용할 수 있도록 증류 설비가 설계, 제작되어야만 하는 문제가 있다.

한편, 상기 락타이드와 메조락타이드는 모두 융점이 95 ℃ 이상인 고융점 화합물로서, 특히 락타이드 올리고머류는 그 중합 정도에 따라 130 ℃ 이상에서 융해되는 물질이다. 따라서, 상기 고융점인 락타이드, 메조락타이드 및 락타이드 올리고머류는 연속식 또는 회분식 증류 공정에서 흐름 폐쇄(plugging) 현상을 일으킬 수 있으며, 이에 따라 증류 공정을 제어하는 것이 매우 어려운 문제가 있기 때문에, 이들 고융점 화합물이 포함된 혼합물의 증류 공정은 매우 복잡한 설계가 요구되는 특별한 증류 영역으로 분류되고 있는 실정이다.

아울러, 락타이드는 140 ℃ 또는 150 ℃ 이상의 고온에서 열적 화학 반응을 통하여 올리고머를 점차 생성하는 것으로 알려져 있다. 이때, 락타이드가 올리고머로 변형되는 정도는 해당 온도에 얼마나 오랫동안 노출되었는지에 따라 결정되며, 상기 온도 범위에서는 통상적인 증류 공정의 체류시간에 해당하는 시간 범위에서도 올리고머가 형성되는 변화가 감지될 수준으로 진행된다고 알려져 있다. 그러나, 락타이드가 올리고머류로 변형되면 상기 흐름 폐쇄 현상이 더욱 심각해지는 문제가 있으며, 이에 따라 이를 대처하기 위한 증류 설비 역시 더욱 복잡해지는 문제가 있다.

즉, 상기한 바와 같이 락타이드 혼합물을 회분식으로 증류하는 방법은 락타이드의 고유한 물리화학적 특성 때문에 공정이 매우 복잡한 기술적 난제를 가지고 있으며, 이에 따라 락타이드를 회분식으로 고도 정제·분리할 수 있는 구체적인 실현 방법은 알려진 바가 없다.

이에, 본 발명자는 락타이드 혼합물을 회분식으로 증류하여 락타이드를 고도 정제·분리할 수 있는 방법을 연구하던 중, 락타이드의 열변성을 최소화할 수 있도록 낮은 온도 차이에 의해서도 열원으로부터 공정원료인 탑저부 혼합물에 열전달을 촉진시킬 수 있으며, 탑저부 혼합물의 증발량을 높일 수 있는 박막 형태로 확장된 전열 표면적을 이용하는 증발기를 재비기로 이용하고, 탑상부 응축기에서 외부 환류 조작 및 증류물의 외부 인출이 가능하도록 흐름 상태를 유지할 수 있는 특별한 유형의 응축기를 이용함으로써, 락타이드의 고도 정제·분리를 수행할 수 있는 회분식 증류정제장치를 개발하고, 본 발명을 완성하였다.

본 발명의 목적은 락타이드의 고도 정제·분리를 수행할 수 있는 락타이드의 회분식 증류정제장치 및 이를 이용한 락타이드의 증류정제방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은

락타이드를 포함하는 혼합물을 원료로서 공급하는 원료공급부;

상기 원료공급부로부터 락타이드를 포함하는 혼합물이 공급되며, 하부에 상기 혼합물이 저장되는 탑저부 저장조를 포함하는 증류탑;

상기 증류탑의 탑저부 저장조와 연결되어 상기 탑저부 저장조의 액상 혼합물이 공급되는 재비기(reboiler); 및

상기 증류탑의 탑상부와 연결되며, 상기 탑상부로부터 공급되는 기체상이 흐름 상태를 유지하도록 응축시켜 외부환류와 회수를 가능하게 하는 탑상응축기;를 포함하며,

상기 재비기는 박막 형태로 확장된 전열 표면적을 가지는 액막형 증발기인 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치를 제공한다.

또한, 본 발명은

락타이드를 포함하는 혼합물을 증류탑으로 공급하는 단계(단계 1);

공급된 혼합물의 비점차이를 이용하여 상기 증류탑 내에서 증류를 수행하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 2의 증류가 수행되어 형성된 기체상을 응축하여 흐름 상태를 유지하도록 함으로써 환류 또는 회수하고,

증류되지 않은 증류탑 하부의 혼합물은 재비기를 이용하여 탑저부 저장조로 순환시키는 단계(단계 3)을 포함하는 상기 회분식 증류정제장치를 이용하여 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제하는 증류정제방법을 제공한다.

나아가, 본 발명은

증류정제방법에 의해 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 정제된 락타이드 단량체를 제공한다.

본 발명에 따른 증류정제장치 및 이를 이용한 증류정제방법은 박막 형태로 확장된 전열 면적을 제공하는 증발기인 액막형 증발기를 재비기로 이용함으로써, 재비기에서의 고온 노출을 최소화함과 동시에, 증발 효율을 높일 수 있어 락타이드의 열변성을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 탑상 응축기로써 드럼 응축기를 사용하는 경우, 탑상 응축기에서의 흐름 폐쇄 현상을 방지할 수 있어 탑상 응축물의 일부를 증류탑의 상부로 외부 환류를 시킬 수 있으며, 이에 따라 증류탑내 분리칼럼에서의 기-액 향류 접촉(counter-current contact)이 활발하게 수행되어 증류탑의 분리 효율을 향상시킬 수 있다.

나아가, 상기한 바와 같이 탑상 응축기에서의 흐름 폐쇄 현상을 제거함으로써, 외부 환류 비율(reflux ration)과 같은 공정의 성능에 크게 영향을 미치는 변수를 정밀 제어할 수 있어 분리 정제 조건을 최적화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치의 일례를 개략적으로 나타낸 그림이고;
도 2는 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치에 있어서, 탑상 응축기로 사용되는 드럼 응축기를 개략적으로 나타낸 그림이고;
도 3은 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치의 또 따른 예를 개략적으로 나타낸 그림이다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은

락타이드를 포함하는 혼합물을 원료로서 공급하는 원료공급부;

상기 원료공급부로부터 락타이드를 포함하는 혼합물이 공급되며, 하부에 상기 혼합물이 저장되는 탑저부 저장조를 포함하는 증류탑;

상기 증류탑의 탑저부 저장조와 연결되어 상기 탑저부 저장조의 액상 혼합물이 공급되는 재비기(reboiler); 및

상기 증류탑의 탑상부와 연결되며, 상기 탑상부로부터 공급되는 기체상이 흐름 상태를 유지하도록 응축시켜 외부환류와 회수를 가능하게 하는 탑상응축기;를 포함하며,

상기 재비기는 박막 형태로 확장된 전열 표면적을 가지는 액막형 증발기인 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치를 제공한다.

이때, 도 1에 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치의 일례를 개략적으로 나타낸 그림을 도시하였으며, 이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치의 일례를 개략적으로 나타낸 그림으로, 도 1을 참고하면 본 발명에 따른 회분식 증류 정제장치는 락타이드를 포함하는 혼합물을 원료로서 공급하는 원료공급부(100), 상기 원료공급부(100)로부터 락타이드를 포함하는 혼합물이 공급되며, 하부에 상기 혼합물이 저장되는 탑저부(201) 저장조를 포함하는 증류탑(200), 상기 증류탑의 탑저부 저장조(201)와 연결되어 상기 탑저부 저장조(201)의 액상 혼합물이 공급되는 재비기(reboiler, 300), 및 상기 증류탑의 탑상부(202)와 연결되며, 상기 탑상부로부터 공급되는 기체상을 응축시키는 탑상응축기(400)를 포함하며,

특히, 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치는 상기 재비기(300)로써 박막 형태로 확장된 전열 표면적을 제공하는 액막형 증발기를 포함한다.

본 발명에 따른 회분식 증류정제장치가 재비기(300)로써 액막형 증발기를 포함하는 것은 분리정제하고자하는 락타이드의 열변성을 최소화하기 위한 것으로, 상기 액막형 증발기를 재비기(300)로서 포함함에 따라 낮은 온도 차이에 의해서도 열원로부터 공정원료인 탑저부 혼합물에 열전달이 촉진되어 탑저부 혼합물의 증발량을 높일 수 있다.

일반적인 증류장치에 있어서, 탑저부(201)에 위치하여 탑상 방향으로의 기상 흐름을 제공하는 재비기(300)로는 통상적으로 열유동식 재비기(thermosyphon reboiler)가 사용된다. 그러나, 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치는 원료물질의 증발을 위한 고온의 열원과 접촉을 최소화하면서, 우수한 증발 효율을 얻을 수 있도록 종래의 열유동식 재비기가 아닌 액막형 증발기를 재비기로서 사용하며, 상기 액막형 증발기는 박막 또는 유막 형태로 확장된 막 면적을 확보할 수 있어, 확장된 해당 막 면적을 통하여 열전달이 이루어짐으로써, 열원과 탑저부 혼합물 사이에 존재하는 작은 온도 차이에도 불구하고 충분한 양의 증기를 발생시킬 수 있게 한다.

이때, 상기 액막형 증발기로는 박막증발기(Thin Film Evaporator)와 강하막증발기(Falling Film Evaporator) 등을 사용할 수 있다.

한편, 상기 박막증발기(Thin Film Evaporator, 이하 TFE라 약칭함)는 통상적으로 분자 증류 장치라고도 표현되는 것처럼, 고온의 열원으로부터 야기된 열전달에 의하여 증발 현상이 일어나는 지점으로부터 매우 짧은 거리에 냉각 매체에 의하여 저온이 유지되는 응축 지점을 위치시킴으로써 고비점의 물질을 열 손상이 거의 없이 증발·응축 사이클을 통하여 회수할 수 있는 장치이다. 이때, 상기 박막증발기는 증발 면적에 해당하는 영역을 회전하는 축에 부착된 여러 개의 블레이드(blade)로 회전 주기에 따라서 주기적으로 긁는 방법을 통해 박막을 인위적으로 형성시키며, 증발 목적으로 공급되는 원료의 공급 속도가 일정할 때, 블레이드의 회전 속도가 증가함에 따라 박막의 두께는 반비례하여 감소하며, 점도와 블레이드의 설계 방식에 따라 그 민감도가 달라지는 특징이 있다.

반면, 본 발명에서는 상기한 바와 같은 TFE에 응축을 유도하는 냉각 매체를 공급하지 않고 TFE의 박막 증발기만을 활용하여 탑저부 혼합물을 순환 공급하여 증발시킴으로써, 확장 표면 증발의 기능만을 사용한다. 이와 같이, TFE를 이용하여 확장된 표면을 형성하여 탑저부 혼합물을 증발시킴으로써 증발 효율을 제고할 수 있고, 사용되는 가열원의 온도를 필요 이상으로 높일 필요가 없어 고온 표면 접촉에 따른 열변성을 최소화할 수 있다.

한편, 상기 박막증발기(TFE)로부터 증발된 증기는 증류탑에서 상향 흐름을 형성하도록 증류탑 저부의 노즐을 통하여 증류탑으로 공급되고, 증류탑내의 증발되지 않은 탑저부 액상 혼합물은 증류탑 저부에 위치한 저장조(storage)에 중력에 의하여 공급되며, 탑저부 저장조의 액상 혼합물은 순환 공급 장치에 의하여 재비기인 TFE의 상단으로 공급된다. 이때, 상기 순환 공급 장치는 기어(gear), 스크류(screw), 다이아프램(diaphragm), 피스톤(piston), 플런저(plunger), 블레이드(blade) 등에 의하여 유동되는 각종 펌프류를 사용할 수 있으나, 상기 순환 공급 장치가 이에 제한되는 것은 아니며, 그 종류 및 유형에 상관없이 적절한 장치를 선택하여 사용할 수 있다.

한편, 상기 재비기로는 액막형 증발기의 일종으로, 저렴한 공정 설비 및 작은 온도차이의 구동력에도 불구하고 증발에 필요한 충분한 막 면적을 확보할 수 있는 강하막 증발기(Falling Film Evaporator, 이하 FFE라 약칭함)를 사용할 수 있으며, 특히 상기 강하막 증발기는 수직으로 설치하여 사용할 수 있다. 상기 강하막 증발기는 내부의 블레이드 회전 운동을 배제한 쉘앤튜브(shell-and-tube) 구조의 열교환기 형태로 제조된 것으로, 내부 튜브 구조 중 튜브 내면의 벽면을 타고 흘러 내리는 유막, 즉 강하막을 형성시킴으로써 작은 온도차이의 구동력에도 불구하고 증발에 필요한 충분한 막 면적을 확보할 수 있다.

상기 강하막 증발기는 증발에 필요한 충분한 확장된 표면을 확보하기 위하여 튜브의 개수와 튜브의 길이를 조절할 수 있으며, 상대적으로 매우 저렴한 비용으로 확장된 전열 증발 표면적을 확보할 수 있다. 이는 일반적인 수직형 쉘앤튜브 열교환기의 구조를 응용한 것으로, 열교환 효율이 우수한 장점이 있다. 또한, 상기 강하막 증발기가 재비기로 사용되는 경우, 상기 FFE로부터 증발된 증기는 FFE의 하부에 설치된 액상과 증기상의 혼합상 흐름 배출 노즐을 통하여 증류탑 하부에 위치한 저장조(storage)에 공급되고, 증기상과 액상으로 상분리되어 증기상은 탑저부의 증기 인입 노즐을 통하여 증류탑에 상향 흐름을 형성한다. 나아가, 탑저부 저장조에 있는 액상 혼합물은 순환 공급 장치에 의하여 다시 FFE 장치의 상단으로 공급되며,이때, 상기 순환 공급 장치는 기어(gear), 스크류(screw), 다이아프램(diaphragm), 피스톤(piston), 플런저(plunger), 블레이드(blade) 등에 의하여 유동되는 각종 펌프류를 사용할 수 있으나, 상기 순환 공급 장치가 이에 제한되는 것은 아니며, 그 종류 및 유형에 상관없이 적절한 장치를 선택하여 사용할 수 있다.

상기 강하막 증발기(FFE)는 일반적인 박막 증발기(TFE)와 비교하여 내부의 구조가 간단하고, 회전부품 등을 포함하지 않는 면에서 유리하고, 또한 대용량으로 제작하기가 매우 용이하며, 제작 비용도 규모에 따라 급격히 상승하지 않기 때문에 대규모 공정에서 사용하기 바람직하다. 그러나, 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치에 있어서, 재비기가 강하막 증발기로 제한되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치는, 흐름 폐쇄 현상을 방지하기 위하여, 도 2의 도면에 나타낸 바와 같이 탑상 응축기(400)로서 드럼 응축기(drum condenser, 700)를 포함할 수 있으며, 상기 드럼 응축기는 표면에 응축된 응축물들을 긁어낼 수 있는 하나 또는 그 이상인 복수개의 칼(knife)을 포함한다. 상기 드럼 응축기는 탑상에서 상승한 증기를 회전하는 드럼의 차가운 외부 표면에 응축시켜 고상 결정을 석출시키고, 표면에 석출된 고상 결정을 회전하는 드럼 주위에 구비되어 석출물인 결정을 긁어내는 칼(knife)을 이용하여 드럼 표면에서 이탈 및 탈각시킨다. 이후, 탈각된 고체는 고체 형태 또는 액체 형태로 증류탑으로 환류되거나 회수 또는 제거될 수 있다.

종래의 증류공정에 따르면, 고융점인 락타이드, 메조락타이드 및 락타이드 올리고머류가 포함된 혼합물을 증류시 흐름 폐쇄(plugging) 현상을 일으킬 수 있으며, 이에 따라 증류 공정을 제어하는 것이 매우 어려운 문제가 있었다. 또한, 락타이드는 140 ℃ 또는 150 ℃ 이상의 고온에서 열적 화학 반응을 통하여 올리고머를 점차 생성하는 것으로 알려져 있으며, 락타이드가 올리고머류로 변형되면 상기 흐름 폐쇄 현상이 더욱 심각해지는 문제가 있기 때문에 이를 대비하기 위한 증류 설비 역시 더욱 복잡해지는 문제가 있었다.

그러나, 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치가 탑상 응축기로서 드럼 응축기를 포함하는 경우, 드럼 응축기 표면의 온도를 낮추기만 하여도 고융점 화합물인 락타이드 또는 락타이드가 포함된 혼합물을 쉽게 고화시켜 드럼 표면에 석출시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 드럼 응축기를 이용하여 락타이드 또는 락타이드가 포함된 혼합물을 쉽게 공정 흐름의 연속성을 유지하면서 응축하고 외부환류를 실현할 수 있다.

한편, 상기 드럼 응축기를 탑상 응축기로서 사용할 때, 상기 외부 환류 방식은 액상 분할(liquid-dividing) 방식과 기상 분할(vapor-dividing) 방식 모두 사용할 수 있다.

액상 분할 방식은 증류탑의 탑상에서 상승한 증기상 전부를 고상 응축시킨 후, 이를 다시 액화시켜 칼럼 환류(column reflux) 부분과 인출(withdrawal) 부분으로 나누어 외부 환류를 실현하는 방식으로, 이를 수행하기 위해 본 발명에 따른 증류정제장치가 드럼 응축기 표면으로부터 탈각된 고체를 다시 용해하는 용해조와, 용해조로부터 칼럼과 외부 인출 부분으로의 흐름 제어를 위한 제어 밸브 등을 포함할 수 있다. 이를 통해 락타이드의 회분식 증류 공정에서 고질적인 문제점으로 지적되는 탑상부와 응축기를 포함한 증류 시스템 상부에 위치한 부위에서의 흐름 폐쇄 현상을 기술적으로 방지할 수 있다.

반면, 기상 분할 방법은 증류탑의 탑상에서 상승한 증기상의 일부를 인출하고, 일부는 증류탑의 칼럼으로 다시 환류시키는 방법이다. 이때, 상기 기상 분할 방법은 두 개의 별개인 드럼 응축기를 사용하여 수행될 수 있으며, 각각의 드럼 응축기에서 증기상을 고화시킨 후 드럼으로부터 탈각시켜 얻은 고체를 칼럼에 환류시키거나 인출시킬 수 있다. 또한, 인출되는 증기에 해당하는 유로는 증류탑의 칼럼 상단부 측면에 배치될 수 있고, 환류되는 증기에 해당하는 유로는 증류탑의 칼럼 상단부에 직결될 수 있다.

상기 외부환류는 3 내지 15인 외부환류 비율(L/D)인 것이 바람직하다. 상기 외부환류 비율이 3 미만인 경우에는 증류탑의 분리 효율이 불량해져 목표로하는 순도의 락타이드 단량체를 정제하지 못하게 되는 문제가 있으며, 상기 외부환류 비율이 15를 초과하는 경우에는 지나치게 증류 시간이 길어져 증류 과정에 사용되는 에너지 비용이 증가하고 증류 생산성이 저하되는 문제가 있다.

한편, 상기 드럼 응축기로부터 탈각된 고체는 직접 증기에 해당하는 유로를 통하여 증류탑의 칼럼 내부로 환류될 수 있다. 이때, 탈각된 고체는 고체 상태로 증류탑의 탑상으로 중력에 의하여 하강하게 되며, 증류탑의 탑상에 도착하기 전까지 고체 상태를 유지할 수도 있고, 경우에 따라 액체 상태로 변환되거나, 또는 고체상과 액체상이 혼합된 형태로 존재할 수 있다. 그러나, 이와 같은 하강 흐름 상의 형태와 무관하게 외부 환류 효과를 통하여 향상된 분리 정제 효과를 얻을 수 있는 바, 하강 흐름상의 형태가 이들 중 어느 하나로 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 있어서, 전술한 바와 같이 두 개의 드럼 응축기(702, 703)가 개별적으로 사용할 수도 있으나, 도 2에 나타낸 바와 같이 동축(coaxial)에 연결되되 격막으로 서로 분리된 2개의 드럼이 장착된 한 개의 동축 격막 분리 형태의 드럼 응축기를 사용하여도 상기한 바와 같은 외부 환류 효과를 통하여 향상된 분리 정제 효과를 동일하게 나타낼 수 있다.

본 발명에 따른 회분식 증류정제장치에 있어서, 외부 환류비는 타이머(timer)와 연동되는 밸브, 예를 들어 솔레노이드 밸브의 개폐를 통하여 제어할 수 있다. 또한, 이와 별도로 분리탑의 칼럼으로 외부 환류되는 흐름, 및 인출되는 흐름 사이의 유량은 제어 밸브의 개구부 오리피스에서의 흐름 저항을 달리하여 액상 흐름의 비율을 제어할 수 있고, 제어 밸브의 개구부 단면적을 달리하여 기상 흐름 비율을 제어할 수 있다. 이때, 흐름 저항을 달리하여 제어하는 경우는 액상 분할 방식에 적용되는 것이 바람직하며, 개구부 단면적을 달리하는 경우는 기상 분할 방식에 적용되는 것이 바람직하다.

한편, 더욱 정교한 제어를 위해서는 액상 분할 방식과 기상 분할 방식 모두에 대하여 질량 유량을 능동적으로 제어하는 질량유량제어기(mass flow controller)를 사용하여 외부 환류되는 흐름 및 인출되는 흐름 사이의 유량을 제어할 수 있다. 그러나, 일반적인 질량유량제어기는 내부 구조가 복잡하고, 내부를 가열하는 것이 어렵기 때문에, 락타이드를 증류하는 데 적용할 수 있도록 그 내부 구조가 단순하고, 내부를 가열할 수 있는 보온 유지 자켓과 같은 열원이 설치된 질량유량제어기를 사용하는 것이 바람직하며, 이를 통해 질량유량제어기를 사용하더라도 흐름 폐쇄 현상을 방지할 수 있다.

본 발명에 따른 회분식 증류정제장치에 있어서, 탑상 응축기로 사용되는 드럼 응축기는 내부에서 회전하는 드럼의 회전수와 드럼 표면의 온도를 적절히 제어하는 것이 바람직하다. 이에 본 발명에서는 상기 드럼 응축기의 회전수를 5 내지 240 rpm, 바람직하게는 10 내지 60 rpm, 가장 바람직하게는 15 내지 30 rpm의 속도로 한정한다.

만약 드럼 응축기의 회전수가 5 rpm 미만인 경우에는 회전이 너무 느려 증류탑의 칼럼으로 외부 환류되는 흐름의 조성이 칼럼 상부에서 상승하는 증기상과 접촉할 때 평형 조성에서 벗어날 가능성이 커져 분리 효율이 낮아지는 문제가 있고, 또한 드럼에서 탈각되는 고체의 입경이 증가하여 증류 칼럼으로 환류될 때 용해 시간이 오래걸려 역시 분리 효율이 낮아지는 문제가 발생한다. 반면, 드럼 응축기의 회전수가 240 rpm을 초과하는 경우에는 회전수가 너무 빠르기 때문에 탈각될 고체가 드럼 표면에 부착되지도 않는 상태로 회전할 수 있으며, 동력 에너지의 손실이 과다해지는 문제가 있다.

아울러, 상기 드럼 응축기의 표면 온도는 상온(ambient temperature, 본 발명에서는 20 ℃로 정의) 내지 90 ℃, 바람직하게는 상온 내지 70 ℃, 가장 바람직하게는 상온 내지 50 ℃의 온도 범위로 한정한다. 드럼 응축기의 표면온도가 90 ℃ 이상이 되면 증기의 응축 응결 속도가 느려져 증기의 손실이 발생하거나, 고체 형태로 드럼에 부착되지 않고 약간의 유동성을 가지고 드럼 표면에서 흐를 가능성이 있다. 반면에 드럼 표면을 상온 이하로 냉각하는 경우에는 추가적인 냉동 부하가 발생하여 공정 에너지 비용을 증가시키게 된다.

나아가, 상기 드럼 응축기의 표면 온도는 저온에서 점차 고온으로 변경될 수 있으나, 이 경우 드럼 응축기의 구성이 복잡해질 수 있는바, 상기 드럼 응축기의 구성이 이에 제한되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치에 있어서, 탑상 응축기로 사용되는 드럼 응축기는 제조비용이 비싸고, 회전 동력을 별도로 공급해야 하기 때문에, 장치 투자비용과 운전비용 측면에서 검토할 때, 도 3에 나타낸 바와 같이 탑상 응축기(400)가 오븐(402) 내부에 구비되는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 상기 오븐은 예를 들어 가변 온도 제어형 오븐이 사용될 수 있으며, 이를 통해 락타이드의 회분식 증류 시스템에 적용하는 입장에서 더 바람직할 수 있다.

도 3을 참조하면, 탑상 응축기를 내부에 구비한 오븐은 증류탑의 특정 부위에서 읽은 온도 신호와 연동하여 계산된 온도 값을 실시간으로 오븐의 온도 설정치(set-point)로 활용하기 위하여, 서보 제어계(serve system)를 구축하여 활용될 수 있다. 이때, 증류탑으로부터 수신하는 온도 신호는 탑상 응축기 직전의 탑상 온도, 또는 증류탑의 온도변화가 가장 민감한 증류탑 중간의 특정 구간에서의 온도 신호일 수 있으나, 공정의 간편화를 위해서 증류탑 상부의 온도신호를 읽어 이를 오븐 온도의 설정치로 사용하는 것이 바람직하다.

한편, 상기한 바와 같은 온도신호를 읽어 오븐의 온도를 제어하기 위해서 본 발명의 증류정제장치는 오븐 온도 제어부(500)를 더 포함할 수 있으며, 상기 오븐 온도 제어부는 마스터-슬레이브(master-slave) 형태의 온도제어계, 제어용 컴퓨터, 또는 이와 동등한 제어 기능을 갖는 온도제어장치(600)를 포함할 수 있다. 상기 오븐 온도 제어부는 증류탑의 온도 신호를 아날로그-디지털 신호 전환기를 통하여 수신하여 수신된 값을 오븐의 온도로 외부 입력하여 오븐의 온도를 제어할 수 있다.

다만, 오븐 온도 제어부(600)를 통해 오븐의 온도를 제어함에 있어서, 오븐의 온도가 설정치보다 높아지는 오버슈트(overshoot) 현상을 방지하는 것이 중요하다. 따라서, 이를 방지할 수 있는 소프트웨어적인 장치를 구비하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 오버슈트 현상이 일어날 경우, 칼럼에서의 온도보다 응축기에서의 온도가 더 높아지는 온도 역전 현상이 발생하여, 증류 칼럼에 형성된 분리에 필요한 온도 구배가 손상될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 회분식 증류정제장치는 오븐의 온도를 증류탑의 탑상 온도보다 3 내지 10 ℃ 낮게 제어하되, 락타이드가 완전히 녹아 액상을 유지할 수 있도록 95 ℃ 이상의 온도를 유지하는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 100 ℃ 이상으로 온도를 유지한다.

나아가, 상기 오븐의 온도는 제어 논리에 의하여 계산되어 명령되는 온도 설정치에 대하여 실시간으로 그 온도 변화가 이루어지도록 빠른 응답(fast response) 특성을 갖추어야 한다. 이를 실현하기 위하여, 상기 오버슈트 현상을 배제함과 동시에 빠른 응답을 구현해낼 수 있는 위한 해석 기법을 활용할 수 있으며, 이 경우 제어 모드별 게인(gain) 값들을 파라미터들로 설정하여 파라미터 공간상에서 제어 특성을 분석함으로써 적합한 각 모드에서의 게인 값들을 설정할 수 있다. 예를 들어, PID 제어의 경우 P mode, I mode, D mode의 게인 값들이 존재하며, 각 게인 값들을 파라미터로 하는 3차원 파라미터 공간에서 제어 특성을 분석하여 빠른 응답을 구현해낼 수 있으며, 이와 동시에 오버슈트를 배제하는 로버스트(robust) 제어를 실현할 수 있다.

또한, 적응 제어(adaptive control) 개념을 적용하여 제어 논리를 구성하여 목적으로 하는 오븐의 온도를 제어할 수 있다. 이때, 오븐 내부를 균일한 온도로 유지하기 위하여, 강제 대류(forced convection) 오븐을 사용할 수 있으며, 또는 오븐 내부의 전열 매체인 기체와 가열 매체인 열원 또는 히터(403) 사이에 열전달을 촉진하기 위하여 히터의 표면을 확장시킨 확장 표면형 열교환기(extended surface heat exchanger)를 사용할 수 있다.

상기한 바와 같이 내부의 온도를 제어할 수 있는 오븐 내부에 탑상 응축기를 구비시키는 경우, 상대적으로 그 구조가 간단한 액상 분할 방식의 외부 환류를 적용하는 것이 더욱 용이해질 수 있다. 아울러, 공정 흐름이 기본적으로 액체 상태를 유지하도록 융점 이상의 온도가 유지됨에 따라 흐름 폐쇄 현상이 원천 방지될 수 있어 외부 환류 비율 제어를 위한 각종 계기(instrument)를 더욱 용이하게 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 회분식 증류정제장치에 있어서, 상기 증류탑의 단수는 20 내지 60인 것이 바람직하다. 만약,상기 증류탑의 단수가 20 미만인 경우에는 분리 효율이 저하되어 과도한 외부환류 비율을 요구할 수 있고 또 락타이드와 메조락타이드의 분리가 어려워지는 문제가 있으며, 상기 증류탑의 단수가 60을 초과하는 경우에는 증류탑의 제작 비용이 지나치게 증가하고, 재비기에서의 증발부하가 커져야 하는 부담이 추가되며, 락타이드의 회수율을 저하시키는 문제가 있다.

또한, 본 발명은

락타이드를 포함하는 혼합물을 증류탑으로 공급하는 단계(단계 1);

공급된 혼합물의 비점차이를 이용하여 상기 증류탑 내에서 증류를 수행하는 단계(단계 2); 및

상기 단계 2의 증류가 수행되어 형성된 기체상을 응축하여 흐름 상태를 유지하도록 함으로써 환류 또는 회수하고,

증류되지 않은 증류탑 하부의 혼합물은 재비기를 이용하여 탑저부 저장조로 순환시키는 단계(단계 3)을 포함하는 제1항에 따른 회분식 증류정제장치를 이용하여 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제하는 증류정제방법을 제공한다.

이하, 본 발명에 따른 증류정제방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 증류정제방법에 있어서, 단계 1은 락타이드를 포함하는 혼합물을 증류탑으로 공급하는 단계이다. 상기 단계 1에서 원료물질로서 증류탑에 공급되는 혼합물은 본 발명에서 정제해내고자 하는 락타이드를 포함하며, 예를 들어 수분, 젖산, 락토일락테이트, 락타이드, 메조락타이드, 올리고머류 등을 포함할 수 있다.

상기 단계 1에서는 이와 같이 락타이드 외 여러 불순물들을 포함하는 상기 혼합물로부터 락타이드를 정제해내기 위하여, 상기 혼합물을 증류탑으로 공급한다. 이때, 상기 단계 1에서 증류탑으로 공급되는 혼합물의 양은 추후 증류공정조건에 따라 적절히 조절할 수 있으며, 상기 혼합물의 공급량은 특별히 한정하지 않는다.

본 발명에 따른 증류정제방법에 있어서, 단계 2는 상기단계 1에서 증류탑으로 공급된 혼합물의 비점차이를 이용하여 상기 증류탑 내에서 증류를 수행하는 단계이다.

단계 2에서는 예를 들어 수분, 젖산, 락토일락테이트, 락타이드, 메조락타이드, 올리고머류 등을 포함하는 혼합물로부터 락타이드를 정제해내기 위하여 혼합물의 비점차이를 이용하여 증류탑 내에서 증류를 수행하는 단계로서, 상기 증류의 공정조건은 작업자의 적절한 공정설계를 통해 도출될 수 있으며, 상기 단계 2에서는 증류의 공정조건을 특별히 한정하지 않는다.

본 발명에 따른 증류정제방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2의 증류가 수행되어 형성된 기체상을 응축하여 환류 또는 회수하고,

증류되지 않은 증류탑 하부의 혼합물은 재비기를 이용하여 탑저부 저장조로 순환시키는 단계이다.

상기 단계 3을 수행함에 따라, 원료물질로 공급된 혼합물, 즉 수분, 젖산, 락토일락테이트, 락타이드, 메조락타이드, 올리고머류 등을 포함하는 혼합물로부터 락타이드를 정제해낼 수 있으며, 특히 락타이드와 물리화학적 특성이 유사한 메조락타이드를 효과적으로 분리해낼 수 있어 고순도의 락타이드를 정제해낼 수 있다.

나아가, 본 발명은

상기 증류정제방법에 의해 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 정제된 락타이드 단량체를 제공한다.

상기한 바와 같이, 젖산은 락타이드의 중합 과정에서 적정한 물성을 발현하도록 중합도를 높이는 과정에 부정적으로 작용하는 것으로 알려져 있어 가장 엄격하게 통제되는 불순물이고, 올리고머류는 중합도와 중합 이후의 물성에 부정적 영향을 미치므로 락타이드의 정제 공정에서 함께 제거되어야하는 불순물이다.

즉, 락타이드 외 젖산 및 올리고머류를 포함하는 혼합물로부터 상기 불순물들을 제거하는 것이 필수적이다.

한편, 본 발명에 따른 락타이드 단량체는 상기 증류정제방법에 의해 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 정제된 것으로서, 상기 증류정제방법은 젖산 및 올리고머류와 같은 불순물을 분리해낼 수 있을 뿐만 아니라, 락타이드와 물리화학적 특성이 유사한 메조락타이드 역시 효과적으로 분리해낼 수 있는 효과가 있다. 따라서, 상기 증류정제방법에 의해 정제된 본 발명의 락타이드 단량체는 종래기술에 의하여 정제된 락타이드 단량체보다 더욱 고순도를 나타낼 수 있다.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 상세히 설명한다.

단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1> 강하막증발기(FFE)와 드럼 응축기를 이용한 조 락타이드 혼합물의 회분식 증류

도 1에 도시한 그림과 같은 회분식 증류정제장치를 이용하되, 강하막증발기(FFE)를 재비기로 사용하고, 드럼 응축기를 탑상 응축기로 사용하여 조 락타이드 모델 혼합물(crude-lactide model mixture)을 회분식으로 증류하여 정제된 락타이드를 분리해내었다.

이때, 상기 조 락타이드 모델 혼합물로는 젖산 2 중량%, 젖산 올리고머 3 중량%, 메조락타이드 5 중량%, 락타이드 90 중량%의 조성으로 인위적으로 혼합제조된 것을 사용하였다.

또한, 재비기로 사용된 상기 강하막증발기는 수직형 쉘앤튜브 형태로 제작된 것을 사용하였으며, 이때, 쉘 측(shell side)으로 145 ℃의 열매체유를 순환시켜 탑저부 혼합물을 가열·증발시켰다. 탑저부 혼합물은 기어 펌프를 이용하여 탑저부의 저장조로부터 인출되어 강하막 증발기로 공급하였고, 미증발된 액체는 다시 탑저부 저장조로 순환되도록 하였다.

증류탑은 높이 6m의 고성능 structured packing을 이용하여 충진되었으며, 증류 조작은 탑상부를 기준으로 10 torr의 진공 조건에서 진행되었다. 외부 환류는 기상 분할 방식으로 수행되었으며, 드럼 응축기에서 탈각된 고형 분말이 중력에 의하여 탑상부로 직접 투입되도록 설치하였다. 외부 환류 비율은 칼럼으로 환류되는 질량 유속을 L이라 하고, 칼럼 외부로 인출되는 탑상 물질의 질량 유속을 D라 할 때, L/D 값이 7 이상이 되도록 설정하였다.

한편, 상기 증류를 수행한 결과, 젖산, 락타이드, 메조 락타이드의 순서로 탑상제품이 유출되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 탑상제품으로 유출된 락타이드를 분석한 결과, 락타이드 중의 불순물 함량이 산가를 기준으로 7 ~ 10 meq/kg_Lactide로 분석되었으며, 이를 통해 젖산고분자(PLA)의 중합용 단량체로 활용이 가능할 정도로 락타이드가 분리 정제됨을 확인 확인하였다.

한편, 10 meq/kg_Lactide의 규격을 만족하는 락타이드의 수율은 60% 이상으로 계산되었으나, 20 meq/kg_Lactide의 규격을 만족하는 락타이드의 경우 그 수율은 80% 이상으로 확인되었다.

또한, 증류공정 중 흐름 폐쇄 현상으로 인한 공정 장애는 발생하지 않았으며, 최종 잔류하는 젖산 올리고머의 양을 분석한 결과, 최초 함량에 비교하여 약 50% 가량 증가된 것을 확인할 수 있었다.

<실시예 2> 강하막증발기(FFE)와 가변 온도제어형 오븐 응축기를 이용한 조 락타이드 혼합물의 회분식 증류

가변 온도제어형 오븐 안에 장착된 응축기를 탑상 응축기로 사용하고,

증류 조작은 탑상부를 기준으로 15 torr의 진공 조건에서 진행하고,

외부 환류는 액상 분할 방식으로 수행하되, 탑상 응축기에서 얻은 액상 흐름을 타이머와 연동되는 솔레노이드밸브를 통하여 외부 환류와 외부 인출을 정해진 시간 간격으로 주기적으로 수행한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 증류공정을 수행하였다.

상기 증류를 수행한 결과, 젖산, 락타이드, 메조 락타이드의 순서로 탑상제품이 유출되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 탑상제품으로 유출된 락타이드를 분석한 결과, 락타이드 중의 불순물 함량이 산가를 기준으로 6 ~ 10 meq/kg_Lactide로 분석되었으며, 이를 통해 젖산고분자(PLA)의 중합용 단량체로 활용이 가능할 정도로 락타이드가 분리 정제됨을 확인 확인하였다.

한편, 10 meq/kg_Lactide의 규격을 만족하는 락타이드의 수율은 65% 이상으로 계산되었으나, 20 meq/kg_Lactide의 규격을 만족하는 락타이드의 경우 그 수율은 80% 이상으로 확인되었다.

또한, 증류공정 중 흐름 폐쇄 현상으로 인한 공정 장애는 발생하지 않았으며, 최종 잔류하는 젖산 올리고머의 양을 분석한 결과, 최초 함량에 비교하여 약 60% 가량 증가된 것을 확인할 수 있었다.

이상에서 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 다양한 형태로 변형이 가능하며, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위를 벗어남이 없이 다양한 변형예 및 수정예를 실시할 수 있을 것으로 이해된다.

100 : 원료공급부
200 : 증류탑
201 : 탑저부
202 : 탑상부
300 : 재비기
400 : 탑상응축기
401 : 응축물 저장조
402 : 오븐
403 : 히터
404 : 블로워
405 : 환류 분할기
500 : 오븐 온도 제어부
600 : 온도제어장치
700 : 드럼 응축기
701 : 동축 구동 모터
702 : 제1 드럼 응축기
703 : 제2 드럼 응축기
704 : 냉각매체 배출부
705 : 냉각매체 유입부
706 : 기상 분할기
Tc : 열전대
Vt : 기상관(Vapor tube)
Lt : 액상관(Liquid tube)
Dt : 증류물 유출관(Distillate tube)

Claims (10)

1. 락타이드를 포함하는 혼합물을 원료로서 공급하는 원료공급부;
   상기 원료공급부로부터 락타이드를 포함하는 혼합물이 공급되며, 하부에 상기 혼합물이 저장되는 탑저부 저장조를 포함하는 증류탑;
   상기 증류탑의 탑저부 저장조와 연결되어 상기 탑저부 저장조의 액상 혼합물이 공급되는 재비기(reboiler); 및
   상기 증류탑의 탑상부와 연결되며, 상기 탑상부로부터 공급되는 기체상이 흐름 상태를 유지하도록 응축시켜 외부환류와 회수를 가능하게 하는 탑상응축기;를 포함하며,
   상기 재비기는 박막 형태로 확장된 전열 표면적을 가지는 액막형 증발기이고,
   상기 탑상응축기는 표면에 응축된 응축물들을 긁어낼 수 있는 복수개의 칼(knife)을 포함하는 드럼응축기(drum condenser)인 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 드럼응축기는 5 내지 240 rpm의 속도로 회전하며, 표면 온도가 20 내지 70 ℃인 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 탑상응축기는 온도제어가 가능한 오븐 내에 구비되는 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치.
   
5. 제4항에 있어서, 상기 증류정제장치는 상기 오븐 내부의 온도를 제어할 수 있는 오븐 온도 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 탑상응축기는 기상 분할 또는 액상 분할 방식으로 외부환류(external reflux, L/D) 비율을 제어하는 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 외부환류 비율(L/D)은 3 내지 15인 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 증류탑의 분리 단수는 20 내지 60에 해당하는 것을 특징으로 하는 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제해내기 위한 회분식 증류정제장치.
   
9. 락타이드를 포함하는 혼합물을 증류탑으로 공급하는 단계(단계 1);
   공급된 혼합물의 비점차이를 이용하여 상기 증류탑 내에서 증류를 수행하는 단계(단계 2); 및
   상기 단계 2의 증류가 수행되어 형성된 기체상을 응축하여 흐름 상태를 유지하도록 함으로써 환류 또는 회수하고,
   증류되지 않은 증류탑 하부의 혼합물은 재비기를 이용하여 탑저부 저장조로 순환시키는 단계(단계 3)을 포함하는 제1항에 따른 회분식 증류정제장치를 이용하여 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 락타이드 단량체를 정제하는 증류정제방법.
   
10. 제9항에 따른 증류정제방법에 의해 락타이드를 포함하는 혼합물로부터 정제된 락타이드 단량체.

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