KR101550765B1 - 프탈레이트 화합물의 수소화 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에 관한 것이다. 본 발명의 수소화 방법에 따르면, 다관 형태의 반응기 등에서 액상의 프탈레이트 계열의 원료만의 점도를 낮춘 상태에서 수소화 첨가 반응이 일어나게 함으로써, 수소화 반응공정의 수율 향상 및 hot spot 제어를 통한 운전 안정성과 상업규모의 경제성을 높일 수가 있다. 따라서, 본 발명은 반응에 요구되는 촉매 사용량의 총량을 저감할 수 있고 교체 주기를 연장시키게 되어, 공정의 운전 안정성 및 상업적 규모에서의 공정 운행시 경제성을 향상시킬 수가 있다.

Description

프탈레이트 화합물의 수소화 방법{METHOD FOR HYDROGENATION OF PHTHALATE COMPOUND}

본 발명은 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수소화 방법에서 일정 온도, 압력에서 특정 반응기에 의해 높은 수율을 얻을 수 있는 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에 관한 것이다.

프탈레이트(phthalate)계 화합물은 플라스틱, 특히 폴리염화비닐(PVC)의 가소제로 널리 사용되는 물질이다. 예를 들면 전기전자제품, 의약품, 페인트 안료, 윤활제, 바인더, 계면활성제, 접착제, 타일, 식품용기, 포장재 등 실로 그 사용 용도가 매우 다양하다.

그러나 몇몇 프탈레이트계 화합물이 환경오염 및 인간의 내분비계 장애 문제를 초래할 수 있는 물질로 알려지면서 그 사용을 줄이기 위한 노력이 유럽, 미국 등 선진국을 중심으로 사용 규제가 강화되고 있다. 특히 프탈레이트계 가소제 중 디(2-에틸헥실)프탈레이트 (di(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)), 부틸 벤질 프탈레이트(butyl benzyl phthalate, BBP), 디-n-부틸 프탈레이트 (di-n-butyl phthalate, DBP)와 같은 일부 제품은 사회적으로 사람의 호르몬 작용을 방해하거나 혼란시키는 내분비계 교란물질(endocrine disrupter)로서 환경 호르몬으로 의심받고 있어 이를 규제하는 움직임이 있다.

이에, 종래의 가소제와 동등한 성능을 나타내면서 환경 호르몬 논쟁에서 자유로운 친환경 가소제를 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있는데, 이 중 하나로 프탈레이트계 화합물에 포함되어 있는 벤젠 고리를 수소화한(hydrogenation) 화합물을 이용하는 방안이 있다.

벤젠 고리와 같은 방향족 화합물의 수소화 반응은, 루테늄과 같은 전이 금속을 활성 성분으로 지지체에 포함한 촉매를 이용하는 방법이 알려져 있다.

그러나, 상기 촉매 반응에 사용되는 프탈레이트 화합물 중 상온(20℃)에서 점도가 20cP 이상의 화합물은 고정층 촉매 반응기 내 촉매 표면의 필름 막을 형성함에 있어서 수소의 침투성을 낮아지게 하여, 그로 인해 상기 화합물의 수소 첨가 반응이 잘 일어나지 않게 된다.

또한 상기 화합물의 점도를 낮추기 위해 반응 온도를 일정 수준 이상으로 증가시키게 될 경우에는 반응기 내에서 부반응이 증가해서 원료의 수율을 저하시키게 된다.

따라서, 친환경 가소제로 사용 가능한 물질을 상업적인 규모로 생산하기 위해서는 점도가 20cP 이상의 프탈레이트 화합물의 경우에는 일정 수준의 반응 조건의 범위가 요구되고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 목적은 프탈레이트계 화합물의 수소화 반응 성능을 향상시키고, 반응 수율을 증가시켜, 공정 운전성, 수율 향상을 통하여, 상업 공정의 경제성을 높일 수 있는 프탈레이트 화합물의 수소화 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 반응기 내에서, 수소화 촉매 존재 하에,

상온에서 점도 20cP 이상인 프탈레이트 화합물에 대하여, 반응기 내에서의 점도를 10cP 이하로 낮춘 후 수소를 반응시키는 단계;

를 포함하는 프탈레이트 화합물의 수소화 방법을 제공한다.

상기 프탈레이트 화합물은 1종 이상의 열 교환기를 사용하여 승압 및 승온하는 단계를 통해 점도를 10cP이하로 낮추어 반응에 사용한다.

상기 승압 및 승온하는 단계는, 50 내지 500 bar의 압력, 및 50 내지 500℃의 온도에서 1종 이상의 열교환기를 사용하여 수행될 수 있다.

또한 본 발명의 방법에서 반응기 내 투입되는 액상 원료인 프탈레이트 화합물의 점도가 0.2 내지 10cP인 상태에서 수소화 반응에 사용되는 특징이 있다.

상기 프탈레이트 화합물은 프탈레이트, 테레프탈레이트, 이소프탈레이트 및 이의 카르복실산 화합물 중 선택되는 1종 이상일 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 프탈레이트 화합물은 디옥틸 테레프탈레이트(dioctyl terephthalate, DOTP)일 수 있다.

상기 수소화 촉매는 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 백금(Pt) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

본 발명의 방법은, 반응기로 유입되는 상기 프탈레이트 화합물의 점도를 10cP 이하로 낮추기 위해, 프탈레이트 화합물을 승압 및 승온하는 단계;

상기 점도 10cP 이하의 프탈레이트 화합물 및 기상의 수소를 촉매가 채워져 있는 반응기 내에 공급하는 단계; 및

상기 점도 10cP 이하의 프탈레이트 화합물과 수소를 반응시키는 단계;를 포함할 수 있다.

또한 상기 프탈레이트 화합물은 액상 상태에서 반응하고, 수소는 기상 상태에서 반응한다.

또한 상기 반응은 50 내지 500 bar의 압력, 및 50 내지 500℃의 온도에서 수행될 수 있다.

본 발명의 수소화 방법에 따르면, 고정층 촉매 반응기 내에서의 수소화 반응이 일어나는 반응 조건을 조절함으로써, 일정 수준 범위 내에서 수첨 반응 성능이 향상되고, 반응 수율을 높일 수 있다.

또한 본 발명의 방법에 따라, 일정 수준의 반응 조건에 도달하여 프탈레이트 화합물의 점도가 일정 수준 이하가 됨으로써, 촉매 표면의 얇은 막을 형성할 뿐만 아니라, 그로 인해 프탈레이트 화합물의 확산 및 촉매의 젖음성을 증가시키게 되어, 촉매의 효율을 증가시킬 수가 있다. 이와 더불어, 수소 원료의 촉매 침투성이 증가하여 보다 반응 효율이 증가된다.

또한, 본 발명의 방법은 반응에서 부반응이 크게 발생하지 않게 되어, 반응기 내 높은 수율을 얻을 수 있으며, 그로 인해 상업 공정 운전 시 경제성을 향상시킬 수가 있다.

또한, 수소화 반응이 진행되는 반응기 내에서 반응열에 의한 고온 발생을 억제할 수 있고, 반응 원료의 점도를 낮게 하여 액상의 흐름이 정체되는 것을 억제할 뿐만 아니라, 촉매 표면에 막을 보다 얇게 형성함으로써, 반응성을 향상시킬 수가 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 반응기의 경우 반응기 내 다관의 튜브로 구성되어 있어서, 기상/액상 반응에서 발생하는 반응열 제어 측면에서도 유리하며, 액상 원료의 낮은 점도로 인해서 튜브 내 열전달 성능이 향상됨으로써, 반응온도 제어에도 유리한 측면을 가질 수가 있다. 그로 인해 반응기 내 촉매 표면에서 hot spot 발생이 억제됨에 따라, 촉매 수명 및 반응 수율 증대 효과를 가져 올 수 있다.

따라서, 반응기 내 액상 원료의 점도 범위를 일정 수준 이하로 운전하게 됨으로써, 공정 생산성 향상, 수율 증대 및 상업적 규모에서의 공정 운전 시 경제성을 향상시킬 수가 있다.

도 1은 본 발명의 수소화 방법에 사용되는 수소화 반응 공정을 간략히 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 수소화 방법에 사용되는 연속 다관의 수소화 반응 장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 수소화 방법에 사용되는 연속 순환식 수소화 반응 장치를 간략히 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 이하에서 사용될 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 프탈레이트 화합물의 수소화 방법을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 반응기 내에서, 수소화 촉매 존재 하에, 상온에서 점도 20cP 이상인 프탈레이트 화합물에 대하여, 반응기 내에서의 점도를 10cP 이하로 낮춘 후 수소를 반응시키는 단계;를 포함하는 프탈레이트 화합물의 수소화 방법이 제공된다.

또한, 본 발명의 방법은, 반응기로 유입되는 상기 프탈레이트 화합물의 점도를 10cP 이하로 낮추기 위해, 프탈레이트 화합물을 승압 및 승온하는 단계; 상기 점도 10cP 이하의 프탈레이트 화합물 및 기상의 수소를 촉매가 채워져 있는 반응기 내에 공급하는 단계; 및 상기 점도 10cP 이하의 프탈레이트 화합물과 수소를 반응시키는 단계;를 포함할 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 수소화 방법은 수소화 촉매 및 반응기 존재 하에, 프탈레이트 화합물과 수소를 반응시키는 단계를 포함한다. 특히, 본 발명은 상기 프탈레이트 화합물을 수소화 반응에 그대로 이용하는 것이 아니라, 상온(20℃)에서 점도 20cP 이상인 프탈레이트 화합물의 점도를 10 cP 이하로 낮춘 상태에서 프탈레이트 화합물만을 기상의 수소와 반응시킴으로써, 수소화 반응공정의 수율 향상 및 hot spot 제어를 통한 운전 안정성과 상업규모의 경제성을 높일 수가 있다.

또한, 본 발명의 방법은 촉매에 흡착된 불순물을 억제하는 개념이 아니라, 촉매와의 물질전달의 효과를 증대하는 효과를 제공할 수 있다. 즉, 본 발명의 방법에서는 액상 원료의 점도가 낮아져 수소화 반응에서 부반응이 크게 발생하지 않게 되어, 반응기 내 높은 수율을 얻을 수 있으며, 그로 인해 상업 공정 운전 시 경제성을 향상시킬 수가 있다.

상기 프탈레이트 화합물은 1종 이상의 열 교환기를 사용하여 승압 및 승온하는 단계를 통해 점도를 10cP이하로 낮추어 반응에 사용될 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 승압 및 승온하는 단계는, 50 내지 500 bar의 압력, 및 50 내지 500℃의 온도에서 1종 이상의 열교환기를 사용하여 수행할 수 있다. 또한 상기 열교환기는 그 수가 한정되지는 않으며, 액상원료에 대한 열교환 방법에 따라 변경될 수 있다. 본 발명에서 상기 열교환 방법은 다관 원통형 구조의 형태를 통해 반응 후 반응생성물 혹은 반응기 자켓을 통해 회수한 반응열을 통한 방법을 사용할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.

또한, 본 발명에서 사용하는 반응기는 본 발명이 속하는 기술분야에서 사용될 수 있는 것이면 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 다관의 연속식 반응기가 사용될 수 있다. 상기 반응기는 반응 중 발생하는 열을 제열하는 제열 장치를 포함할 수 있다. 또한, 상기 반응기가 다관의 형태에 한정하는 것은 아니며, 순환식 또는 회분식 등 다양한 형태의 반응기가 적용될 수 있다.

이러한 본 발명에서 수소화 반응에 있어서, 바람직한 일 구현예에 사용하는 반응기는 반응기 내부에 다관을 가지는 원통형 다관 반응기일 수 있다. 또한, 상기 다관의 반응기는 점도가 낮아진 프탈레이트 화합물(liquid phase) 및 수소(gas phase)가 투입되는 공급라인과 연결 설치되고, 수소화 반응에서 발생되는 반응열을 회수하기 위한 냉각수 유입 라인 및 배출라인이 설치될 수 있다.

또한, 상기 다관의 반응기는 반응 혼합물을 회수하기 위한 기-액 분리기, 및 미반응 물질을 순환시켜 재활용하기 위한 회수 시스템에 연결될 수 있다. 본 발명에 따르면 프탈레이트 화합물의 수소화 반응 후, 반응 장치에서 얻어진 반응물 중 일부를 반응기 하부를 통해 펌프로 순환시키고, 열교환기를 통해 반응열을 제거한 후에, 회수 시스템에서 촉매를 제외한 반응물을 회수한 후, 반응기에 잔여 반응물과 촉매를 다시 유입시킬 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 수소화 반응 장치는, 반응기 내 다관의 튜브로 구성되어 있어서, 기상/액상 반응에서 발생하는 반응열 제어 측면에서도 유리하며, 액상 원료의 낮은 점도로 인해서 튜브 내 열전달 성능이 향상됨으로써, 반응온도 제어에도 유리한 측면을 가질 수가 있다. 그로 인해 반응기 내 촉매 표면에서 hot spot 발생이 억제됨에 따라, 촉매 수명 및 반응 수율 증대 효과를 가져 올 수 있다.

한편, 본 발명의 수소화 방법의 반응 대상물은 프탈레이트 화합물이며, 수소화 반응(hydrogenation)에 의해 상기 프탈레이트 화합물의 벤젠 고리에 수소가 첨가되어 이에 상응하는 사이클로헥산 디카르복실레이트 화합물로 전환되는 반응이다.

상기 프탈레이트 화합물은 프탈레이트(phthalate), 테레프탈레이트(terephthalate), 이소프탈레이트(isophthalate) 및 이에 상응하는 카르복실산 화합물(carboxylic acid) 중 선택되는 1종 이상일 수 있다.

먼저, 상기 프탈레이트 화합물은 하기와 같은 화학식 1로 표시될 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, R1 및 R1'는 각각 독립적으로 상이하거나 동일하며, 수소, 탄소수 1 내지 20, 바람직하게는 탄소수 4 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 5 내지 20, 더욱 바람직하게는 탄소수 5 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이다.

상기 프탈레이트 화합물의 구체적인 예로는 디부틸 프탈레이트(DBP; dibutyl phthalate), 디헥실 프탈레이트(DHP; dihexyl phthalate), 디옥틸 프탈레이트(DOP; dioctyl phthalate), 디-n-옥틸 프탈레이트(DnOP; di-n-octyl phthalate), 디이소노닐 프탈레이트(diisononyl phthalate), 또는 디이소데실 프탈레이트(DIDP; diisodecyl phthalate) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 화합물은 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 테레프탈레이트 화합물은 하기와 같은 화학식 2로 표시될 수 있다.

[화학식 2]

상기 화학식 2에서, R2 및 R2'는 각각 독립적으로 상이하거나 동일하며, 수소, 탄소수 1 내지 20, 바람직하게는 탄소수 4 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 5 내지 20, 더욱 바람직하게는 탄소수 5 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이다.

상기 테레프탈레이트 화합물의 구체적인 예로는 디부틸 테레프탈레이트(DBTP; dibutyl terephthalate), 디옥틸 테레프탈레이트(DOTP; dioctyl terephthalate), 디이소노닐 테레프탈레이트(DINTP; diisononyl terephthalate), 또는 디이소데실 테레프탈레이트(DIDTP; diisodecyl terephthalate) 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 화합물은 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 이소프탈레이트 화합물은 하기와 같은 화학식 3로 표시될 수 있다.

[화학식 3]

상기 화학식 3에서, R3 및 R3'는 각각 독립적으로 상이하거나 동일하며, 수소, 탄소수 1 내지 20, 바람직하게는 탄소수 4 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 5 내지 20, 더욱 바람직하게는 탄소수 5 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이다.

상기 이소프탈레이트 화합물의 구체적인 예로는 디부틸 이소프탈레이트(DBIP; dibutyl isophthalalate), 디옥틸 이소프탈레이트(DOIP; dioctyl isophthalate), 디이소노닐 이소프탈레이트(DINIP; diisononyl isophthalate), 또는 디이소데실 이소프탈레이트(DIDIP; diisodecyl isophthalate) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 화합물은 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

바람직하게는, 상기 프탈레이트 화합물로 디옥틸 테레프탈레이트(dioctyl terephthalate, DOTP)를 사용할 수 있다.

상기 프탈레이트 화합물의 순도는 약 99% 이상, 바람직하게는 약 99.5% 이상, 보다 바람직하게는 약 98% 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상업적으로 이용 가능한 모든 품질 및 순도의 프탈레이트 화합물을 사용할 수 있다.

또한 상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 상기 프탈레이트 화합물을 반응기에 공급되기 전 액상 상태에서 일련의 공정을 통해 점도를 낮추어 액상 상태의 흐름을 좋게 한다. 또한, 반응기에 주입되어 상기 프탈레이트 화합물의 수소화 반응이 진행되는 동안에 각 촉매 표면의 액상원료의 막 두께가 얇아짐으로 인해 반응기 내 전체적으로 균일한 반응이 발생하게 되며, 프탈레이트 화합물의 낮은 점도로 인해 반응기 내 반응열이 냉각 매체를 통해 빠르게 제거 될 수 있다. 또한, 상기 효과에 의해 반응기 내 hot spot 발생이 억제 뿐만 아니라, 촉매가 균일하게 반응에 참여하게 됨으로써, 반응기 효율이 증가하고, 촉매 성능 저하 억제 및 반응 수율을 향상시킬 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 프탈레이트 화합물을 승압 및 승온하는 단계는 동시에 또는 순서대로 수행될 수 있으며, 한번에 또는 복수의 단계로 여러 번에 걸쳐 승압 및 승온함으로써 원하는 압력과 온도에 도달할 수도 있다. 예를 들어, 먼저 프탈레이트 화합물의 압력을 높이고, 승압된 혼합물을 열교환기를 통해 승온시켜 적절한 점도를 갖는 액상 상태로 반응기에 유입할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프탈레이트 화합물의 점도는 반응기에 투입되기 전에는 일반적으로 상온에서 20cP 이상의 점도를 가진다. 그런데, 본 발명의 방법에 따라, 프탈레이트 화합물은 승압 및 승온하는 단계를 수행함으로써, 상기 반응기로 유입될 때의 압력 및 온도 조건 범위에서 약 0.2 내지 약 10.0 cP, 보다 바람직하게 약 2 내지 5 cP일 수 있다. 상기 프탈레이트 화합물의 점도가 상기 범위 내에 있을 때, 반응기 내에서 일정 시간 경과 후에도 우수한 흐름성을 나타내고 수소와의 반응성을 증가시킬 수 있다.

상기 반응기 내로 유입되기 위해 승압하는 목표 압력은 약 50 내지 약 500 bar, 바람직하게는 약 100 내지 약 300 bar일 수 있다. 압력이 50 bar 미만이면 반응성이 떨어지게 되어 원하는 수준의 전환율을 얻기 어려우며, 500 bar를 초과하여 너무 높을 경우 반응기 제작이 어렵거나, 제작 비용이 크게 증가 할 수 있다.

또한, 반응기 내로 유입되기 위해 승온하는 목표 온도는 약 50 내지 약 500℃, 바람직하게는 약 100 내지 약 300℃의 범위일 수 있다. 온도가 50℃ 미만이면, 낮은 온도로 인해 촉매가 미활성화 되고, 혼합물의 점도가 높아 반응기 내 흐름이 나빠지고, 액상 상태에 있는 프탈레이트 화합물에 대한 수소의 침투성이 낮아져서 반응기 내에서도 반응이 제대로 일어나지 않게 되며, 온도가 500℃를 초과하여 너무 높을 경우 반응물의 분해가 많이 발생하고, 반응기 제작에 어려움이 있으며, 급격한 반응으로 제열 등이 어려워질 수 있다.

이때, 수소의 압력 및 온도 조건은 상기 프탈레이트 화합물의 온도 및 압력 조건과 동일하게, 약 50 내지 약 500 bar, 바람직하게는 약 100 내지 약 300 bar의 압력 및 약 50 내지 약 500℃, 바람직하게는 약 80 내지 약 300℃의 범위가 되도록 조절할 수 있다.

상기 수소화 촉매는 활성 성분으로써 8족의 전이금속을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 루테늄(Ru), 니켈(Ni), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 백금(Pt) 등에서 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

이러한 수소화 반응에 의해, 상기 프탈레이트 화합물의 방향족 고리가 수소화되어 이에 상응하는 사이클로헥산 디카르복실레이트 화합물로 전환된다.

반응이 종료된 후, 생성된 액상의 수소화 반응 생성물과, 미반응된 기상의 원료를 분리한다. 상기 분리된 기상의 원료는 수소화 공정으로 재순환할 수 있다. 회수된 수소화 반응 생성물은 감압 및 냉각 과정을 거쳐 최종적으로 분리할 수 있다.

도 1은 본 발명의 수소화 방법에 사용되는 수소화 반응 장치를 예시적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 수소화 반응 장치는 액상 원료를 승온하는 열교환기(1), 액상 원료를 추가로 승온하는 열교환기(2), 다관형 반응기(3), 기-액 분리기(4) 등으로 이루어질 수 있다. 또한 상기 액상원료를 승온하는 열교환기는 개수에 한정하는 것이 아니며, 1종 이상 사용될 수 있고, 열교환 방법에 따라 개수가 달라질 수 있다. 상술한 바대로, 반응기(3)의 경우, 다관의 형태에 한정하는 것은 아니며, 순환식 또는 회분식 등 다양한 형태의 반응기가 적용될 수 있다. 또한 다관형 반응기(3) 내 반응열을 회수하는 시스템도 반응기 외부의 별도 열교환기 등을 통해서도 제거할 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따라 상기 수소화 반응 장치를 이용한 공정에 대해 상세히 설명하면, 먼저 프탈레이트 화합물(10)을 1, 2차로 열교환기(1, 2)를 통해 승온 한 후에, 다관의 반응기로 투입된다. 이때, 상기 열교환기(1, 2)를 통해 점도가 높은 프탈레이트 화합물(10)은 점도가 낮아진 1차 프탈레이트 화합물(30) 및 점도가 0.2 내지 10 cP인 2차 프탈레이트 화합물(40) 상태로 되며, 상기 2차 프탈레이트 화합물이 반응기(3)로 투입된다. 또한, 수소 원료(20)는 승온해서 반응기(3)로 투입 될 수도 있고, 추가 열교환기를 통해 승온 없이 바로 반응기로 투입될 수 있다. 이렇게 반응기(3)로 투입된 기상과 액상원료는 촉매 하에서 반응이 일어나게 되며, 최종 반응 후에 반응 생성물과 잉여 수소가 같이 존재하는 혼합물(50)은 기-액 분리기(4)를 통해 재순환 수소(70)와 반응 생성물(60)을 분리한다.

또한, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 구현예에 따른 수소화 반응에 사용되는 다관형 반응기의 구성을 간략히 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 상기 승압 및 승온을 통해 보다 낮은 점도를 갖는 액상원료(10)와 기상의 수소(20)가 촉매가 충진된 반응기(1)로 유입되고, 다상의 유체가 촉매 상에서 반응이 일어나게 된다. 이 과정에서 발생하는 반응열은 유입 냉각수(40)를 통해 반응열을 제거한 후, 배출 냉각수(50)를 회수하게 된다. 회수된 열은 타 공정에 재사용되거나 냉각탑을 통해 열을 제거할 수 있으며, 제거된 반응열을 처리하는 방법에 대해서는 위와 같은 방법으로 한정하는 것은 아니다. 또한, 반응기(1)에서 반응 완료후 얻어진 반응 혼합물(30)은 반응기의 하단을 통해 얻을 수 있다.

도 3은 본 발명의 수소화 방법에 사용되는 연속 순환식 수소화 반응 장치를 간략히 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 수소원료(110)가 압력밸브(1a)를 통해 일정량 공급되며, 수소 재순환(120)과 혼합된 후, 프탈레이트 액상원료(180)와 반응기 내 순환물(170)이 모두 혼합되어 반응기(2a)로 투입되면서 반응이 일어난다. 반응물 중 일부는 반응기 하부를 통해 펌프(3a)를 통해 순환되는데, 이때 순환되는 물질(140)은 열교환기(4a)를 통해 반응열을 제거하게 된다. 반응열이 제거된 물질(150)은 이후, 반응물 회수시스템(5a)를 통해 촉매를 제외한 반응물(160)을 회수하고, 잔여 반응물과 촉매는 다시 반응기(2a)로 유입되게 된다.

이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.

< 실시예 >

실시예 1

도 1 및 2의 반응 장치를 이용하여 프탈레이트 화합물의 수소화를 진행하였다.

먼저, 순도 99 %인 디옥틸 테레프탈레이트(dioctyl terephthalate, DOTP) 100 중량부에 대하여, 150bar로 승압한 후에 열교환기를 통해 반응기로 유입되는 DOTP 점도를 4.62cP로 낮춘 후에 루테늄(Ru) 촉매가 채워져 있는 반응기로 수소와 함께 주입하였다.

투입된 DOTP 유량은 9.6kg/hr, 수소양은 수소/DOTP 몰 비가 5 몰 비로 투입되었다.

반응기는 다관 반응기에 사용되는 튜브와 동일한 사이즈의 단일 튜브를 사용하였으며, 튜브 내 촉매가 채워져 있는 부분의 길이는 총 1.5m이며, 외부 자켓에서는 핫 오일(hot oil)을 통해 반응기 내에서 발생하는 열을 제열하여 온도를 유지하면서 수소화 반응을 수행하였다.

반응기에 사용된 촉매는 루테늄(Ru) 촉매이며, 실린더형으로 직경 3.2 mm, 높이 3 mm의 사이즈를 사용하였다.

실시예 2

실시예 1에서, 반응기 내 유입되는 DOTP 점도가 3.55 cP인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수소화 반응을 수행하였다.

실시예 3

실시예 1에서, 반응기 내 유입되는 DOTP 점도가 2.82 cP인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수소화 반응을 수행하였다.

비교예 1

실시예 1에서, 반응기 내 유입되는 DOTP 점도가 32.6 cP인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수소화 반응을 수행하였다.

비교예 2

실시예 1에서, 반응기 내 유입되는 DOTP 점도가 14.9 cP인 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 수소화 반응을 수행하였다.

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 2의 반응 조건은 하기 표 1과 같이 정리하였다.

	반응기 타입	반응기 내 DOTP 점도(cP)
실시예 1	연속식	4.62
실시예 2	연속식	3.55
실시예 3	연속식	2.82
비교예 1	연속식	32.6
비교예 2	연속식	14.9

< 실험예 >

촉매 성능의 평가

상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 2의 촉매 성능을 하기와 같은 방법으로 평가하였다.

초기 성능: 한번도 사용되지 않은 촉매를 이용하여 수소화 반응을 수행한 후, 투입된 디옥틸 테레프탈레이트 100 중량부에 대해 디(2-에틸헥실)사이클로헥산-1,4-디카르복실레이트(di(2-ethylhexyl)cyclohexane-1,4-dicarboxylate, DEHCH)로 전환된 중량부의 비율(%)을 계산하였다.

동일 촉매와 동일 반응기 길이에 대해 각 실험을 통해 발생한 초기 반응 전환율과 20시간 연속 운전 후 전환율을 계산하였다.

	반응기에 투입되는 DOTP 점도(cP)	반응기 초기 전환율(%)	반응20hr 이후 전환율(%)
실시예 1	4.62	56.5	51.1
실시예 2	3.55	68.4	63.5
실시예 3	2.82	77.2	73.2
비교예 1	32.6	5.3	1.5
비교예 2	14.9	7.4	2.2

위 표 2의 결과를 참조하면, 비교예 1 내지 2와 같이 반응원료의 점도가 높은 경우, 동일한 반응시스템 내에서도 전환율이 크게 달라지며, 운전 시간에 따른 촉매의 성능 또한 급격히 감소하는 것을 확인할 수가 있었다. 이와 같이 고 비점의 액상원료의 경우에는 촉매 표면의 두꺼운 막을 형성하여 촉매에 의한 수소의 첨가 반응이 잘 이루어지지 않으며, 또한 높은 점성물질 자체가 촉매표면에 물리적 흡착 혹은 정체된 영역으로 인해 촉매의 효율이 급격히 감소하는 것을 알 수 있다.

반면, 본 발명의 실시예 1 내지 3은 반응기에 투입되는 반응 원료의 점도가 낮아 반응 20시간이 이후에도 전환율이 우수하였다. 즉, 촉매 상에서 액상원료에 다관 원통형 반응기를 통해 수첨 반응을 함에 있어서, 액상 원료의 점도가 상온에서 20cP 이상인 물질에 대해서는 반응온도 및 압력을 조절하여 반응기 내에서의 점도를 10cP 이하 상태에서 반응이 진행되어야 함을 알 수 있다.

1: 액상 원료 제1 열교환기(승온용)
2: 액상 원료 제2 열교환기(승온용)
3: 다관형 반응기
4: 기-액 분리기

Claims (10)

1. 반응기 내에서 수소화 촉매 존재 하에, 테레프탈레이트를 수소화 하는 방법으로서,
   상온에서 점도 20cP 이상인 테레프탈레이트 화합물에 대하여 반응기 내에서의 점도를 10cP 이하로 낮춘 후 수소를 반응시키는 단계;
   를 포함하며,
   상기 테레프탈레이트 화합물은 1종 이상의 열 교환기를 사용하여 승압 및 승온하는 단계를 통해 점도를 10cP 이하로 낮추어 반응에 사용하는 테레프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 승압 및 승온하는 단계는, 50 내지 500 bar의 압력, 및 50 내지 500℃의 온도에서 1종 이상의 열교환기를 사용하여 수행되는 테레프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
   
4. 제1항에 있어서, 반응기 내 투입되는 액상 원료인 테레프탈레이트 화합물의 점도가 0.2 내지 10cP인 상태에서 수소화 반응에 사용되는 테레프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 반응기는 고정층 반응기이고, 상기 테레프탈레이트 화합물은 반응기의 상부로 투입되는 테레프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 테레프탈레이트 화합물은 디옥틸 테레프탈레이트(dioctyl terephthalate, DOTP)인 테레프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
   
7. 제1항에 있어서, 상기 수소화 촉매는 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh), 백금(Pt) 및 니켈(Ni)로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함하는 테레프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
   
8. 제1항에 있어서,
   반응기로 유입되는 상기 테레프탈레이트 화합물의 점도를 10cP 이하로 낮추기 위해, 프탈레이트 화합물을 승압 및 승온하는 단계;
   상기 점도 10cP 이하의 테레프탈레이트 화합물 및 기상의 수소를 촉매가 채워져 있는 반응기 내에 공급하는 단계; 및
   상기 점도 10cP 이하의 테레프탈레이트 화합물과 수소를 반응시키는 단계;
   를 포함하는 테레프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
   
9. 제8항에 있어서, 상기 테레프탈레이트 화합물은 액상 상태에서 반응하고, 수소는 기상 상태에서 반응하는 테레프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
   
10. 제1항 또는 제8항에 있어서, 상기 반응은 50 내지 500 bar의 압력, 및 50 내지 500℃의 온도에서 수행되는 테레프탈레이트 화합물의 수소화 방법.

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