KR101728905B1

KR101728905B1 - 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법

Info

Publication number: KR101728905B1
Application number: KR1020140129368A
Authority: KR
Inventors: 장남진; 이문용; 김지연; 이선옥; 조재억
Original assignee: 한화케미칼 주식회사
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2017-05-02
Also published as: KR20160036965A; WO2016047960A1

Abstract

본 발명은 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 고순도로 정제할 수 있는 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 관한 것이다. 본 발명의 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 따르면, 네오펜틸글리콜의 함량이 낮고, 고비점 성분이 다량 포함된 조 생성물을 고순도로 정제할 수 있으며, 에너지 소비량도 종래에 비하여 절감할 수 있다.

Description

분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법{Dividing wall column and method of purificaiton for neopentyl glycol using the same}

본 발명은 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 고순도로 정제할 수 있는 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 관한 것이다.

네오펜틸글리콜(neopentyl glycol, NPG)은 염기 조건하에서의 이소부틸알데하이드(isobutylaldehyde)와 포름알데하이드(formaldehyde)의 알돌(aldol) 반응에 의해 생성된 하이드록시피브알데하이드(hydroxypivaldehyde)의 수소화 반응에 의해서 생성된다. 이 과정에서 NPG-이소부티레이트(NPG-isobutyrate: 3-hydroxy-2,2-dimethylpropyl isobutyrate), HPNE(hydroxypivalyl hydroxypivalate), TMPD (2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol)와 같은 모노에스테르(monoester)류의 화합물 등이 부반응 생성물로 생성된다. 이들은 네오펜틸글리콜이 적용되는 제품의 적용에 문제점을 유발시키기 때문에 최종 네오펜틸글리콜 제품(product) 내에 수백 ppm이하로 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

따라서, 이러한 고비점 화합물들을 제거하기 위한 여러 가지 방법들이 제안되고 있다.

한국등록특허 제0231643호에서는 다단증류분리탑을 적용하여 비누화 이후에 금속염을 포함한 조 네오펜틸글리콜에 물을 비말 동반제로 사용하고, 소량의 물을 탑 상부로 투입하여 무기염을 제거하는 방법을 개시하였다. 하지만, 상기 공정은 분리 공정 단계가 복잡하고, 다량의 에너지를 필요로 하는 단점이 있다. 따라서, 간단하고 에너지 절감효과가 큰 방법이 근래에 많이 시도되고 있는데 예를 들어, 한국등록특허 제0676304호에서는 비누화를 거치지 않고, 두 개의 증류탑을 이용하여 고순도의 네오펜틸글리콜을 수득하는 방법을 기재하고 있다.

종래의 증류탑을 이용한 분리 기술에서는 n개의 다성분계의 혼합물을 분리하기 위해서는 n-1개의 증류탑이 필요하다. 특히, 3성분계 이상의 경우 첫 번째 증류탑에서의 중비점 성분의 탑저 구역에서의 재혼합 효과가 발생하는 것이 일반적이고, 이는 증류탑에서 열역학적 효율을 떨어뜨리는 주요 원인으로 에너지 소모가 많아지는 단점을 가지고 있다.

또 다른 대안으로, 열통합 구조를 갖는 패트류크(Petlyuk) 증류탑을 사용하는 공정이 있다. 페트류크 증류탑은 예비 분리기에서 저비점 성분과 고비점 성분을 분리한 후 주분리기에서 각각 탑정에서 저비점 성분, 중간단에서 중비점 성분, 그리고 탑저에서 고비점 성분을 분리하게 된다. 이는 일반 증류탑 2기를 사용하였을 때 발생할 수 있는 중간비점 성분의 재혼합에 의한 에너지 효율성 저하 문제를 근본적으로 제거한다는 장점이 있다. 하지만 운전이 어렵고 압력 균형을 맞추기 어렵다.

한편, 한국공개특허 제 2012-0076196호에서는 분리벽형 증류탑(Dividing Wall Column, DWC)을 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 공정을 개시하고 있다. 분리벽형 증류탑은 페트류크 증류탑과 열역학적 관점에서는 유사하나, 구조적인 관점에서 탑 내에 분리벽을 설치함으로써 예비분리기를 주분리기 내부에 통합시킨 형태로써, 예비분리기와 주분리기 간의 압력 균형의 어려움과 이로 인한 운전 상의 어려움이 해소되어 운전이 용이하고, 또한 2기의 증류탑이 하나로 통합되어 투자 비용도 절감될 수 있다는 장점을 가지고 있다.

그러나, 상기 분리벽형 증류탑은 정제하고자 하는 혼합물 내의 물질의 특성 및 함량에 따라 분리벽의 설계, 탑정, 탑저, 유출 구역의 온도 및 압력 조건 등을 정교하게 조절하지 않으면 충분한 분리 효율 및 에너지 절감 효과를 달성하기 어렵다. 상기 한국공개특허 제 2012-0076196호에서는 고순도의 정제를 위해 탑정 구역, 탑저 구역 및 유출 구역의 온도를 일정 범위로 설정하고 있으며, 특히 탑정 구역과 탑저 구역의 온도를 압력에 따라 변화하는 수식으로 정의하고 있다.

그러나, 상기 한국공개특허에 개시된 방법은, 유입되는 혼합물 중 네오펜틸글리콜의 함량이 적어도 55 중량% 이상으로 고함량인 경우 적용가능하지만, 네오펜틸글리콜의 함량이 55 중량% 미만이며, 혼합물 내에 고비점 성분(heavies)이 1.5 중량% 이상으로 다량 포함된 경우 효과적인 정제가 어렵거나, 에너지 소비가 크다는 단점이 있다.

그러나, 상업적인 알돌 반응 및 수소화 반응에 의한 네오펜틸글리콜의 제조 공정으로부터 수득되는 생성물에서, 부산물로 발생하는 고비점 성분이 평균 1.5 중량% 이상으로 포함되어 있는 것을 감안할 때, 상기 한국공개특허에 개시된 정제 방법에 의하면 에너지 소비가 증가하거나, 정제 방법을 적용하기 전 단계로 고비점 성분의 함량을 감소시키기 위한 전처리 공정을 추가로 필요로 할 수 있다.

이에, 본 발명의 목적은 네오펜틸글리콜의 함량이 비교적 낮고 고비점 성분과 같은 불순물이 많이 함유된, 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 효율적으로 정제할 수 있는 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면,

분리벽을 구비하는 주탑, 응축기, 및 재비기를 포함하고,

상기 주탑은 상기 분리벽에 의해 탑정 구역, 공급 구역, 유출 구역, 및 탑저 구역으로 구분되고, 상기 분리벽은 상기 주탑의 전체 컬럼 단수에 대하여, 상단으로부터 25 내지 95% 사이에 위치하며,

네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물은 공급단을 통하여 상기 공급 구역으로 유입되고, 상기 공급단은 상기 공급 구역의 전체 컬럼 단수에 대하여 상단으로부터 50% 이후의 후단에 위치하며,

상기 조 생성물 중 저비점 성분은 상기 탑정 구역에서 유출되고, 고비점 성분은 상기 탑저 구역에서 유출되고, 중비점 성분은 유출 구역에서 유출되며, 상기 중비점 성분은 네오펜틸글리콜을 주성분으로 포함하는 분리벽형 증류탑을 제공한다.

또한 본 발명의 다른 일 측면에 따르면,

상기 분리벽형 증류탑을 이용하여 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 분별 증류하는 단계를 포함하는 네오펜틸글리콜의 정제 방법을 제공한다.

본 발명의 분리벽형 증류탑에 따르면, 네오펜틸글리콜의 정제에 적합한 증류탑 구조를 제공하여 높은 에너지 효율로 상업적 규모의 네오펜틸글리콜의 정제에 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 분리벽형 증류탑을 이용하는 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 따르면, 네오펜틸글리콜의 함량이 낮고, 고비점 성분이 다량 포함된 네오펜틸글리콜의 조 생성물을 고순도로 정제할 수 있다. 또한, 종래의 연속 2기 증류탑을 이용하는 경우에 비하여 에너지를 절감할 수 있다. 이에 전체 네오펜틸글리콜 정제 공정에서의 생산성 향상에 기여할 수 있다.

도 1은 종래의 연속 2기 증류탑을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 분리벽형 증류탑을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리벽형 증류탑 중 주탑을 도시한 도면이다.

본 발명에서, 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용되며, 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한 본 발명에 있어서, 각 층 또는 요소가 각 층들 또는 요소들의 "상에" 또는 "위에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 층 또는 요소가 직접 각 층들 또는 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 층 또는 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하 본 발명의 분리벽형 증류탑 및 이를 이용한 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 일 구현예에 따르면,

분리벽을 구비하는 주탑, 응축기, 및 재비기를 포함하고,

본 발명의 명세서에서, "조 생성물(crude product)"이라 함은, 본 발명의 정제 공정의 대상물이 되는 것으로, 최종 생성물(product)로 네오펜틸글리콜을 제조하기 위한 다양한 유기 합성 반응에 의해 수득되며, 정제되지 않은 상태의 생성물을 지칭한다. 본 발명의 분리벽형 증류탑은 상기 조 생성물로부터 네오펜틸글리콜을 고순도로 정제하는 데에 사용된다.

또한 본 발명의 명세서에서, "저비점 성분"이라 함은 상기 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물에 포함된 성분 중 네오펜틸글리콜의 비점인 208℃ 보다 20℃ 미만으로 낮은 비점을 갖는 물질들을 의미하고, 상기 "중비점 성분"은 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물에 포함된 성분 중 네오펜틸글리콜 및 네오펜틸글리콜의 비점을 기준으로 ±20℃ 범위의 비점을 갖는 물질들을 의미하며, "고비점 성분"은 상기 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물에 포함된 성분 중 네오펜틸글리콜의 비점보다 20℃를 초과하는 높은 비점을 갖는 물질들을 의미한다.

상기 저비점 성분의 예로는 이소부틸알데하이드(isobutyl aldehyde), 물(water) 하이드록시 피브알데하이드(hydroxy pivaldehyde), 이소부틸알코올(isobutyl alcohol), 옥탄올(octanol) 등을 들 수 있고, 상기 중비점 성분의 예로는 네오펜틸글리콜(neopentyl glycol, NPG), NPG-이소부티레이트(NPG-isobutyrate: 3-hydroxy-2,2-dimethylpropyl isobutyrate) 등을 들 수 있으며, 상기 고비점 성분의 예로는 HPNE(hydroxypivalyl hydroxypivalate), TMPD(2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol) 등을 들 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 조 생성물은, 하기 반응식 1과 같이 이소부틸알데하이드(isobutylaldehyde)와 포름 알데하이드(formaldehyde)의 알돌(aldol) 반응에 의해 생성된 하이드록시피브알데하이드(hydroxypivaldehyde)의 수소화 반응 생성물일 수 있다.

[반응식 1]

상기 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물은, 네오펜틸글리콜 외에, 부반응 생성물인 NPG-이소부티레이트, HPNE, TMPD와 같은 모노에스테르(monoester)류 화합물 및 2-에틸헥산올(2-ethyl hexanol)과 같은 1가 알코올 화합물을 불순물로 포함하고 있어 네오펜틸글리콜을 최종 제품으로 이용하기 위해서는 상기 불순물들을 제거하는 정제 과정을 거칠 필요가 있다. 그러나, 상기 불순물들 중 TMPD는 229.95℃, HPNE는 292℃으로 고비점에 속하고, NPG-이소부티레이트의 경우 198.75℃로 네오펜틸글리콜의 비점인 208℃와 유사하여 단순 증류에 의해서는 분리가 쉽지 않다.

이와 같이 고비점의 화합물 및 정제 대상 물질과 비점이 유사한 화합물들을 포함하고 있어 증류하기가 쉽지 않은 혼합물을 분리 정제하는 방법으로, 증류탑 공정을 연속으로 2회 이상 수행하는 연속 2기 증류탑 공정이 있다.

도 1은 종래의 연속 2기 증류탑을 도시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 각각 응축기(7a, 8a), 재비기(7b, 8b) 및 주탑(7c, 8c)을 포함하는 증류탑(7, 8)을 2개 포함하며, 첫 번째 증류탑(7)으로 공급된 혼합물 흐름(1)은 일차적으로 저비점 성분(2)과 고비점 성분(3)으로 분리된다. 상기 첫 번째 증류탑(7)의 하부로 배출된 고비점 성분(3)은 이차적으로 두 번째 증류탑(8)으로 연속하여 유입된다. 두 번째 증류탑(8)으로 공급된 고비점 성분(4)은 다시 저비점 성분(5)과 고비점 성분(6)으로 최종 분리하여 배출하게 된다.

하지만, 연속 2기 증류탑을 사용할 경우 첫 번째 증류탑에서 중간 비점 물질의 재혼합으로 인해 열역학적 효율이 떨어지는 문제가 발생하여 에너지 효율을 개선하기 위한 방안이 연구되고 있다. 예를 들어 제어 시스템 개선, 외부 열 통합, 공정 개선, 내부 단 개선 등에 의한 새로운 증류 구조에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나, 기본적으로 증류탑 공정을 2번 수행하며, 각각의 증류탑이 열 교환기를 2개씩, 총 4개를 구비하고 있어, 에너지 효율을 개선시키는 데에 한계가 있다.

그러나 본 발명의 분리벽형 증류탑 및 이를 이용하는 네오펜틸글리콜의 정제 방법은 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 분리하는 데에 최적화되어 설계된 분리벽형 증류탑에 투입하여 분별 증류하는 단계를 포함하여, 높은 에너지 효율을 나타낼 수 있다.

알돌 반응 및 수소화 반응에 의한 네오펜틸글리콜의 합성 반응 후 회수되는 조 생성물은, 네오펜틸글리콜을 포함하는 혼합물 형태로, 비점이 약 64℃부터 약 292℃에 이르는 범위의 불순물들이 포함되어 있으며, 이중 네오펜틸글리콜은 비점이 208℃로 중비점 성분에 속한다. 이처럼, 혼합물 중 정제하고자 하는 대상물이 중비점 성분에 속하는 경우, 한 단계의 증류 공정만으로는 분리하기가 쉽지 않으며, 최소 2단계의 증류 공정을 필요로 한다.

그러나, 본 발명의 분리벽형 증류탑 및 이를 이용하는 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 따르면, 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 분리벽형 증류탑에 투입하여 분별 증류함으로써 증류탑 공정을 1회만 수행하여도 높은 순도로 네오펜틸글리콜을 정제하는 것이 가능하다.

상기와 같은 네오펜틸글리콜 정제 공정을 수행하기 위한 본 발명의 분리벽형 증류탑은,

분리벽을 구비하는 주탑, 응축기, 및 재비기를 포함하고,

상기 조 생성물 중 저비점 성분은 상기 탑정 구역에서 유출되고, 고비점 성분은 상기 탑저 구역에서 유출되고, 중비점 성분은 유출 구역에서 유출되며, 상기 중비점 성분은 네오펜틸글리콜을 주성분으로 포함한다.

본 발명의 분리벽형 증류탑을 통해 유출 구역으로부터 유출되는 중비점 성분은 상기 중비점 성분의 총 중량에 대하여 네오펜틸글리콜을 주성분으로 포함하며, 예를 들어 약 99 중량% 이상, 바람직하게는 약 99.5 중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 99.9 중량% 이상으로 포함할 수 있다. 즉, 본 발명의 분리벽형 증류탑을 이용하는 경우 순도 약 99 중량% 이상, 바람직하게는 약 99.5 중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 99.9 중량%의 네오펜틸글리콜을 수득할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 분리벽형 증류탑의 구조를 도 2에 도시하였다.

도 2를 참고하면, 본 발명의 분리벽형 증류탑은 분리벽(10)을 구비하는 주탑(100), 응축기(200), 및 재비기(300)를 포함하고, 주탑(100)은 탑정 구역(20), 탑저 구역(30), 공급 구역(40), 및 유출 구역(50)으로 크게 구분된다.

공급 구역(40)은 다시 상부 공급 구역(40a) 및 하부 공급 구역(40b)으로 구분될 수 있고, 유출 구역(50)은 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)으로 구분될 수 있다. 상부 공급 구역(40a) 및 하부 공급 구역(40b)이 접하는 부분이 공급단(40c)이고, 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)이 접하는 부분이 유출단(50c)이다.

먼저, 본 발명의 분리벽형 증류탑은 응축기(200) 및 재비기(300)를 포함한다.

응축기(200)는 가스 상태의 혼합물의 기화열을 빼앗아 응축시키는 장치로서, 종래 화학공학 장치에 사용되는 응축기를 비제한적으로 사용할 수 있다.

재비기(300)는 액체 상태의 혼합물에 기화열을 제공하여 기화시키는 장치로서, 종래 화학공학 장치에 사용되는 재비기를 비제한적으로 사용할 수 있다.

분리벽형 증류탑에서는 주탑의 길이, 위치, 증류탑의 구체적인 운전 조건, 및 유입되는 흐름의 조성 등을 포함하는 다양한 조건에 따라 응축기(200) 및 재비기(300)의 에너지 소비량이 달라지며, 응축기(200) 및 재비기(300)의 에너지 소비량의 합계로 전체 에너지 소비량을 평가할 수 있다. 본 발명의 분리벽형 증류탑 및 이를 이용하는 정제 방법에 따르면, 동일한 조 생성물을 정제하는 경우 종래의 연속 2기 증류탑에 비하여, 에너지 절감율이 약 10 내지 약 40%로 에너지 소비량을 현저히 절감할 수 있다.

주탑(100)은 분리벽(10)에 의해 크게 탑정 구역(20), 공급 구역(40), 유출 구역(50), 및 탑저 구역(30)의 4부분의 구역으로 나뉠 수 있고, 공급 구역(40)은 다시 상부 공급 구역(40a) 및 하부 공급 구역(40b)로, 유출 구역(50)은 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)으로 나뉠 수 있다.

탑정 구역(20)은 분리벽(10) 상부 구역으로, 분리벽(10)이 없는 주탑(100)의 상부 영역을 말한다.

공급 구역(40)은 분리벽(10)에 의해 일면이 구획되는 영역으로, 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물(A)의 흐름이 유입되는 구역이다. 상부 공급 구역(40a)은 공급 구역(40)의 상부 영역으로, 주탑(100)으로 공급되는 조 생성물(A)의 흐름보다 상부에 위치하는 서브 영역이다. 또한, 하부 공급 구역(40b)은 공급 구역(40)의 하부 영역으로, 주탑(100)으로 공급되는 조 생성물(A)의 흐름보다 하부에 위치하는 서브 영역이다.

유출 구역(50)은 분리벽(10)에 의해 일면이 구획되는 영역으로, 정제된 고순도의 네오펜틸글리콜을 포함하는 중비점 성분(B)의 흐름이 유출되는 구역이다. 상부 유출 구역(50a)은 유출 구역(50)의 상부 영역으로, 주탑(100)으로부터 배출되는 중비점 성분(B)의 흐름보다 상부에 위치하는 서브 영역이다. 또한, 하부 유출 구역(50b)은 유출 구역(50)의 하부 영역으로, 주탑(100)으로부터 배출되는 중비점 성분(B)의 흐름보다 하부에 위치하는 서브 영역이다.

탑저 구역(30)은 분리벽(10) 하부 구역으로, 분리벽(10)이 없는 주탑(100)의 하부 영역을 말한다.

분리벽형 증류탑에서는 분리벽(10)에 의해 나누어진 공간이 예비분리기의 역할을 하므로 고비점 성분과 저비점 성분의 분리로 인해 액체 조성이 평형 증류 곡선과 거의 일치하게 되고 재혼합(remixing) 효과가 억제되게 되어 분리를 위한 열역학적 효율이 좋아지게 된다.

상부 공급 구역(40a) 및 하부 공급 구역(40b)은 종래 공정의 예비 분리기와 유사한 역할을 한다. 즉, 상부 공급 구역(40a) 및 하부 공급 구역(40b)을 포함하는 공급 구역(40)은 일종의 예비 분리 영역이라고 할 수 있다. 예비 분리 영역으로 유입되는 혼합물은 크게 저비점 성분과 고비점 성분으로 분리된다. 상기 예비 분리 영역에서 분리된 저비점 성분과 고비점 성분의 일부는 탑정 구역(20) 및 탑저 구역(30)으로 유입되고, 일부는 다시 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)으로 유입되어 재증류되어진다.

상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)은 종래 공정의 주 분리기 역할을 한다. 즉, 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)을 포함하는 유출 구역(50)은 주 분리 영역이라고 할 수 있다. 상기 주 분리 영역의 분리벽(10) 상부 부분에서는 주로 저비점 성분과 중비점 성분으로 분리되고, 하부 부분에서는 주로 중비점 성분과 고비점 성분이 분리된다.

저비점 성분은 주탑(100)의 탑정 구역(20)과 응축기(200)를 거친 후 일부는 저비점 성분(C)로 분리되고, 일부는 액상 유량(LD)으로 다시 주탑(100)의 탑정 구역(20)으로 환류된다.

고비점 성분은 주탑(100)의 탑저 구역(30)과 재비기(300)를 거친 후 일부는 고비점 성분(D)으로 분리되고, 나머지는 기상 유량(VB)으로 다시 주탑(100)의 탑저 구역(30)으로 환류된다.

본 발명의 분리벽형 증류탑은 응축기 드럼(400)을 더 포함할 수 있다. 응축기 드럼(400)은 안정적인 환류공급을 위해 버퍼를 주기 위한 장치이다.

본 발명의 분리벽형 증류탑에 따르면, 분리벽(10)이 주탑(100)의 전체 컬럼 단수에 대하여, 상단으로부터 길이 방향으로 약 25 내지 약 95% 사이에 위치한다.

도 3은 본 발명의 분리벽형 증류탑에서 주탑의 구조를 보다 상세하게 도시한 도면이다. 편의상 주탑 내의 컬럼은 도시하지 않았으며, 하기에서 길이라 함은 컬럼 단수에 의해 정해지는 길이를 지칭하는 것으로 한다. 또한, 하나의 독립적인 구역 내 예를 들어, 탑정 구역(20), 탑저 구역(30), 상부 공급 구역(40a), 하부 공급 구역(40b), 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b) 내에서는 컬럼의 단이 등간격으로 위치하며, 서로 구별되는 구역에서의 컬럼 단의 간격은 각각 독립적으로 동일하거나 상이할 수 있다.

도 3을 참조하면, 분리벽(10)의 위치는 주탑(100)의 전체 컬럼 단수가 차지하는 길이에 대하여, 상단으로부터 하부방향으로 약 25 내지 약 95% 사이, 또는 약 25 내지 약 90% 사이, 또는 약 25 내지 약 85% 사이에 위치하도록 할 수 있다. 즉, 분리벽(10)이 시작되는 위치(T)는 주탑(100)의 전체 컬럼 단수가 차지하는 길이에 대하여, 상단으로부터 약 25% 지점 이상으로 하고, 분리벽(100)이 끝나는 위치(T )는 주탑(100)의 상단으로부터 약 95% 이내, 또는 약 90%, 또는 약 85% 지점 이내로 할 수 있다.

또한, 주탑(100)의 전체 컬럼 단수가 차지하는 길이를 L이라 하고, 분리벽(10)의 길이를 L＇라 할 때, L＇는 L의 약 50 내지 약 70%, 바람직하게는 약 55 내지 약 65%일 수 있다.

본 발명의 분리벽형 증류탑 및 이를 이용하는 정제 방법에 따르면, 상기와 같이 분리벽의 위치 및 길이를 만족하도록 설정할 때, 에너지 절감 효율이 극대화되며, 고비점 성분이 효과적으로 분리될 수 있다.

본 발명의 분리벽형 증류탑에서, 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물 (A)은 공급 구역(40)으로 유입된다. 보다 구체적으로, 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물(A)은 공급 구역(40)의 중간 영역, 즉, 상부 공급 구역(40a) 및 하부 공급 구역(40b)이 접하는 공급단(40c)으로 유입된다.

다시 도 3을 참조하면, 공급단(40c)의 위치는 상부 공급 구역(40a) 및 하부 공급 구역(40b)을 포함하는 전체 공급 구역(40)의 컬럼의 단수에 대하여, 상단으로부터 약 50% 이후의 후단의 위치, 예를 들어 약 50 내지 약 80% 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다. 즉, 공급단(40c)의 위치는 상부 공급 구역(40a) 및 하부 공급 구역(40b)의 각각의 컬럼 단수에 따라 결정되는 것으로, 공급 구역(40)의 컬럼 단수를 100으로 할 때, 상부 공급 구역(40a) 및 하부 공급 구역(40b)의 컬럼 단수의 비는 약 50 : 50 내지 약 80 : 20의 비율일 수 있다.

분리벽(10) 상부에서는 저비점 성분(C)이 분리되고, 분리벽(10) 하부에서는 고비점 성분(D)이 분리되며 중비점 성분(B)은 유출 구역(50)으로 분리, 배출된다. 보다 구체적으로, 중비점 성분(B)은 유출 구역(50)의 중간 영역, 즉, 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)이 접하는 유출단(50c)으로부터 유출된다. 보다 구체적으로, 중비점 성분(B)은 유출 구역(50)의 중간 영역, 즉, 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)이 접하는 유출단(50c)으로부터 유출된다. 본 발명의 분리벽형 증류탑에서, 유출단(50c)의 위치는 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)을 포함하는 전체 유출 구역(50)의 컬럼 단수에 대하여, 상단으로부터 약 약 50% 이내의 전단의 위치, 예를 들어 약 20 내지 약 50% 사이에 위치하는 것을 특징으로 한다. 즉, 유출단(50c)의 위치는 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)의 각각의 컬럼 단수에 따라 결정되는 것으로, 유출 구역(50)의 컬럼 단수를 100으로 할 때, 상부 유출 구역(50a) 및 하부 유출 구역(50b)의 컬럼 단수의 비는 20 : 80 내지 50 : 50일 수 있다.

중비점 성분(B)은 고순도의 네오펜틸글리콜인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기와 같은 주탑의 위치, 주탑의 길이, 공급단의 위치 및 유출단의 위치를 조절하여 최적화함으로써, 정제 대상물인 조 생성물이 고비점 성분을 고함량으로 포함하는 경우에도, 낮은 에너지 소비율에서 99 중량% 이상의 높은 순도로 네오펜틸글리콜을 정제할 수 있다.

상술한 조건을 만족하는 범위 내에서, 주탑, 탑정 구역, 탑저 구역, 상부 공급 구역, 하부 공급 구역, 상부 유출 구역, 하부 유출 구역의 단수는 필요에 따라 조절할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 주탑의 전체 컬럼 단수는 60 내지 90 단, 바람직하게는 70 내지 80 단일 수 있으며, 보다 바람직하게는 73 내지 77 단일 수 있다.

상기 탑정 구역의 단수는 16 내지 26 단, 바람직하게는 18 내지 24 단일 수 있으며, 보다 바람직하게는 19 내지 22 단 일 수 있다. 또한, 상기 탑저 구역의 단수는 10 내지 25 단, 바람직하게는 10 내지 20 단 일 수 있으며, 보다 바람직하게는 12 내지 17 단 일 수 있다.

상부 공급 구역, 하부 공급 구역, 상부 유출 구역, 하부 유출 구역의 단수는 각각 독립적으로 동일하거나 상이하게 15 내지 65 단, 바람직하게는 18 내지 63 단일 수 있으며, 보다 바람직하게는 20 내지 61 단 일 수 있다.

본 발명의 다른 일 구현예에 따르면, 상기 분리벽형 증류탑을 이용하여 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 분별 증류하는 단계를 포함하는 네오펜틸글리콜의 정제 방법을 제공한다.

본 발명의 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 사용되는 분리벽형 증류탑은 상술한 바와 같다.

한편, 상기 분리벽형 증류탑을 이용하는 네오펜틸글리콜의 정제 방법에서, 네오펜틸글리콜의 함량은 상기 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물의 총 중량에 대하여, 약 35 중량% 이상, 예를 들어 약 35 내지 약 70 중량%, 또는 약 35 내지 약 54 중량%, 또는 약 40 내지 약 54 중량%일 수 있다. 상기 네오펜틸글리콜의 함량 범위는 알돌 반응 및 수소화 반응에 의한 산업적 네오펜틸글리콜의 제조 공정에서의 전형적인 수율(yield)에 해당하는 것으로, 높은 정제 효율을 위해 네오펜틸글리콜의 제조 공정에 대해 추가적인 개선이나 전처리를 수행할 필요없이 조 생성물에 대해 바로 적용 가능하며, 높은 순도로 네오펜틸글리콜을 정제할 수 있어 산업적, 경제적으로 매우 유용하다.

또한, 상기 고비점 성분은 상기 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물의 총 중량에 대하여, 약 1.5 중량% 이상, 예를 들어 약 1.5 내지 약 10 중량%, 또는 약 1.5 내지 약 8 중량%, 또는 약 2 내지 약 6 중량%일 수 있다. 본 발명의 분리벽형 증류탑을 이용하는 네오펜틸글리콜의 정제 방법에 따르면, 상기와 같이 고비점 성분의 함량이 1.5 중량% 이상으로 높은 경우에 특히 유용하며, 저에너지를 사용하여 효과적으로 고비점 성분의 분리가 가능하다.

상기 분리벽형 증류탑을 이용하여 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 정제하는 경우 약 99 중량% 이상, 바람직하게는 약 99.5 중량% 이상, 보다 바람직하게는 약 99.9 중량%의 순도로 네오펜틸글리콜을 정제할 수 있다.

상기 주탑의 탑정 구역의 온도는 약 -0.938 내지 약 -0.875 kg/cm²·g 압력에서 약 112 내지 약 134℃ 범위인 것이 바람직하다. 112℃ 미만인 경우에는 저비점 성분이 예비 분리영역 하부로 처질 수 있어 제품 순도에 영향을 끼치고, 134℃를 초과하는 경우 고비점 성분이 예비 분리영역 상부로 올라가 네오펜틸글리콜의 순도에 영향을 미칠 우려가 있다.

상기 주탑의 탑저 구역의 온도는 약 -0.75 내지 약 -0.70 kg/cm²·g 압력에서 약 167 내지 약 183℃ 범위인 것이 바람직하다. 167℃ 미만인 경우에는 중비점 성분이 하부로 떨어져 제품 생산량이 감소하고, 183℃를 초과할 경우 고비점 성분이 중비점 성분과 함께 측류 유출될 염려가 있다.

또한, 상기 주탑의 탑정 구역과 탑저 구역의 온도의 차이는 약 71℃ 이하, 예를 들어 약 33 내지 약 71℃, 또는 약 40 내지 약 71℃, 또는 약 50 내지 약 71℃의 범위일 수 있다. 상기와 같이 주탑의 탑정 구역과 탑저 구역의 온도의 차이를 일정 범위 이내로 하여도 최적화된 증류탑의 설계에 의하여 네오펜틸글리콜의 순도 및 고비점 성분의 분리 효율을 높게 유지하면서 응축기 및 재비기의 에너지 소비량을 더욱 감소할 수 있다.

상기 공급단으로 유입되는 네오펜틸글리콜의 조 생성물의 온도는 약 50 내지 약 70℃일 수 있다.

상기와 같은 유입 조건으로 본 발명의 분리벽형 증류탑으로 조 생성물을 유입하여 네오펜틸글리콜의 정제 공정을 수행할 때, 재비기에서의 에너지 소비량은 약 3.2 Mkcal/h 이하, 예를 들어 약 2.5 내지 약 3.2 Mkcal/h 정도로, 종래의 연속 2기 증류탑 또는 공지된 구조의 분리벽형 증류탑을 이용하는 경우보다 훨씬 더 낮은 에너지 소비량으로 정제가 가능하다.

또한 상기 상부 유출 구역 및 상기 하부 유출 구역이 접하는 위치에 구비되고 중비점 성분이 유출되는 상기 유출단의 온도는 약 -0.845 내지 약 -0.835 kg/cm²·g 압력 하에서 약 155 내지 약 158.5℃ 범위인 것이 바람직하다. 155℃ 미만인 경우에는 저비점 성분 제거가 용이하지 않고, 158.5℃를 초과할 경우 고비점 성분 제거가 용이하지 않아 제품 순도에 큰 영향을 끼칠 수 있다.

이하 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 발명의 상세한 설명을 위한 것일 뿐, 이에 의해 권리범위를 제한하려는 것은 아니다.

< 실시예 >

실시예 1 내지 3

본 발명의 분리벽형 증류탑을 설계하고 ASPEN을 이용하여 모사하였다. 비교예로는 도 1에 도시된 바와 같은 분리벽 없는 2개의 연속 증류탑을 사용하고, 실시예로는 도 2에 도시된 바와 같은 분리벽형 증류탑을 사용하였다.

이때 투입되는 조 생성물의 조성(이하, 제 1 조성)은 네오펜틸글리콜 50 wt%, 저비점 성분으로 2-에틸헥산올(2-ethyl hexanol) 44 wt%, 및 물 2 wt%, 고비점 성분으로 TMPD(2,2,4-trimethyl-1,3-pentanediol) 2 wt%, 및 HPNE(hydroxypivalyl hydroxypivalate) 2 wt%로 하였다.

실시예 1 내지 3의 세부 공정 조건에 대해서는 하기 표 1에 나타내었고, 비교예 1의 세부 공정 조건에 대해서는 하기 표 2에 나타내었다.

	구분	실시예 1	실시예 2	실시예 3
주탑 (100)	컬럼 단수	75단	75단	75단
탑정 구역 (20)	컬럼 단수	20 단	20 단	20 단
탑정 구역 (20)	온도 및 압력	압력: -0.9313 kg/cm²·g, 온도: 112.5℃	압력: -0.9313 kg/cm²·g, 온도: 112.5℃	압력: -0.9313 kg/cm²·g, 온도: 112.5℃
주탑 (100)	전체 컬럼 단수	40 단	40 단	45 단
	상부 공급 구역(40a)	22 단	27 단	27 단
	상부 유출 구역(50a)	10 단	10 단	10 단
	하부 공급 구역(40b)	18 단	13 단	18 단
	하부 유출 구역(50b)	30 단	30 단	35 단
	조 생성물 유입 조건	압력: 3 kg/cm²·g, 온도: 60℃, 유입량: 12,500 kg/h	압력: 3 kg/cm²·g, 온도: 60℃, 유입량: 12,500 kg/h	압력: 3 kg/cm²·g, 온도: 60℃, 유입량: 12,500 kg/h
탑저 구역 (30)	컬럼 단수	15 단	15 단	10 단
탑저 구역 (30)	온도 및 압력	압력: -0.7063 kg/cm²·g, 온도: 183℃	압력: -0.7063 kg/cm²·g, 온도: 183℃	압력: 0.7063 kg/cm²·g, 온도: 183℃

	구분	조건
제 1 증류탑(7)	컬럼 단수	38 단
	조 생성물 유입 위치	29 단
	조 생성물 유입 조건	압력: 3 kg/cm² g, 온도: 60℃, 유입량: 12,500 kg/h
	탑정 구역	압력: 0.1071 kg/cm²·g, 온도: 58.12℃
	탑저 구역	압력: 0.3040 kg/cm²·g, 온도: 171.4℃
	Reflux ratio	1.62
제 2 증류탑(8)	컬럼 단수	26 단
	조 생성물 유입 위치	18 단
	조 생성물 유입 조건	유입량: 6,724 kg/h
	탑정 구역	압력: 0.1071 kg/cm²·g, 온도: 142.4℃
	탑저 구역	압력: 0.242 kg/cm²·g, 온도: 175.5℃
	Reflux ratio	1.58

상기와 같은 조건에서 실시예 1 내지 3 및 비교예 1의 공정에서 소비되는 에너지를 하기 표 3에 비교하여 나타내었다.

			에너지 소비량 (단위: Mkcal/hr)
비교예 1	제1증류탑	재비기	2.922
		응축기	2.465
	제2증류탑	재비기	1.917
		응축기	2.030
	합계	재비기	4.839
		응축기	4.495
실시예 1	재비기		3.157
	응축기		2.763
실시예 2	재비기		2.995
	응축기		2.784
실시예 3	재비기		3.015
	응축기		2.765

상기 표 3을 참조하면, 2개의 증류탑 공정을 수행하는 비교예 1에 대하여, 본 발명의 분리벽형 증류탑이 에너지 소비량의 절감율은 각각 36.6% (실시예 1), 38.1% (실시예 2),38.1% (실시예 3)으로 에너지 효율이 크기 향상되었다.

		실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1
탑정 구역	저비점 성분	99.55 wt%	99.55 wt%	99.55 wt%	99.55 wt%
	중비점 성분	0.45 wt%	0.45 wt%	0.45 wt%	0.46 wt%
	고비점 성분	-	-	-	-
유출 구역	저비점 성분	-	-	-	-
	중비점 성분	99.9 wt%	99.9 wt%	99.9 wt%	99.9 wt%
	고비점 성분	0.1 wt%	0.1 wt%	0.1 wt%	0.1 wt%
탑저 구역	저비점 성분	-	-	-	-
	중비점 성분	36.48 wt%	36.88 wt%	36.91 wt%	38.09 wt%
	고비점 성분	63.52 wt%	63.12 wt%	63.09 wt%	61.91 wt%

상기 표 4에서, 저비점, 중비점, 고비점 성분의 합은 각각의 탑정 구역, 유출 구역, 탑저 구역의 해당 구역 내에서 합이 100 중량%가 되도록 하여 표시하였다.

상기 표 4와 같이, 실시예 1 내지 3에서, 유출 구역에서는 네오펜틸글리콜이 99.9 중량%로, 고순도의 네오펜틸글리콜이 회수되었으며, 탑저 구역에서는 고비점 성분이 63 중량% 이상으로 대부분의 고비점 성분이 탑저 구역으로 분리되었음을 알 수 있다. 반면, 비교예 1에서는 약 61 중량% 정도로, 본 발명의 실시예보다 고비점 성분의 분리 효율이 떨어지는 것으로 나타났다.

실시예 4 내지 10

실시예 1에서, 투입되는 조 생성물의 조성을 다르게 한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일하게 하여 공정을 수행하였다. 제 2 내지 제 8 조성은 각각 실시예 4 내지 10에 해당하며, 구체적인 조성은 하기 표 5에 나타내었다.

비교예 2 내지 8

비교예 1에서, 투입되는 조 생성물의 조성을 다르게 한 것을 제외하고는 상기 비교예 1과 동일하게 하여 공정을 수행하였다. 제 2 내지 제 8 조성은 각각 비교예 2 내지 8에 해당하며, 구체적인 조성은 하기 표 5에 나타내었다.

조성 No.	물	2-에틸헥산올	네오펜틸글리콜	TMPD	HPNE
제2조성	6 wt%	50 wt%	40 wt%	2 wt%	2 wt%
제3조성	6 wt%	50 wt%	42 wt%	1 wt%	1 wt%
제4조성	6 wt%	50 wt%	38 wt%	3 wt%	3 wt%
제5조성	2 wt%	46 wt%	50 wt%	1 wt%	1 wt%
제6조성	2 wt%	52 wt%	44 wt%	1 wt%	1 wt%
제7조성	2 wt%	60 wt%	36 wt%	1 wt%	1 wt%
제8조성	2 wt%	30 wt%	66 wt%	1 wt%	1 wt%

상기와 같은 조건에서 실시예 4 내지 10 및 비교예 2 내지 8의 공정에서 소비되는 에너지 및 비교예에 대한 실시예의 에너지 절감율을 하기 표 6에 비교하여 나타내었다.

조성 No.	비교예 No./실시예 No.	에너지 소비량 (단위: Mkcal/hr)	에너지 소비량 절감율
제2조성	비교예 2	9.834	약 16%
	실시예 4	8.272
제3조성	비교예 3	9.696	약 15%
	실시예 5	8.194
제4조성	비교예 4	9.867	약 14%
	실시예 6	8.499
제5조성	비교예 5	9.244	약 36%
	실시예 7	5.925
제6조성	비교예 6	9.541	약 32%
	실시예 8	6.465
제7조성	비교예 7	10.004	약 27%
	실시예 9	7.262
제8조성	비교예 8	9.145	약 19%
	실시예 10	7.414

상기 표 5 및 6을 참조하면, 투입되는 조 생성물의 조성이 동일할 때, 연속 2기의 증류탑을 사용하는 경우보다 본 발명의 분리벽형 증류탑을 사용하는 경우 에너지를 13% 내지 34%까지 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 특히 이러한 에너지 절감 효과는 정도의 차이가 있으나, 조 생성물에 고비점 성분이 2 중량%에서 6 중량%로 다량 포함된 경우에도 나타나는 것으로 평가되었다.

10: 분리벽
20: 탑정 구역
30: 탑저 구역
40: 공급 구역
40a: 상부 공급 구역
40b: 하부 공급 구역
40c: 공급단
50: 유출 구역
50a: 상부 유출 구역
50b: 하부 유출 구역
50c: 유출단
100: 주탑
200: 응축기
300: 재비기
400: 응축기 드럼

Claims

분리벽을 구비하는 주탑, 응축기, 및 재비기를 포함하고,
상기 주탑은 상기 분리벽에 의해 탑정 구역, 공급 구역, 유출 구역, 및 탑저 구역으로 구분되고, 상기 분리벽은 상기 주탑의 전체 컬럼 단수에 대하여, 상단으로부터 25 내지 95% 사이에 위치하며,
상기 공급 구역은 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역으로 구분되고, 공급단은 상기 상부 공급 구역 및 상기 하부 공급 구역이 접하는 부분이며, 상기 상부 공급 구역 및 하부 공급 구역의 컬럼의 단수의 비는 50 : 50 내지 80 : 20이고,
네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물은 상기 공급단을 통하여 상기 공급 구역으로 유입되고,
상기 조 생성물 중 저비점 성분은 상기 탑정 구역에서 유출되고, 고비점 성분은 상기 탑저 구역에서 유출되고, 중비점 성분은 유출 구역에서 유출되며, 상기 중비점 성분은 네오펜틸글리콜을 주성분으로 포함하는 분리벽형 증류탑.
제1항에 있어서, 상기 분리벽의 길이는 상기 주탑의 전체 컬럼 단수가 차지하는 길이에 대하여 50 내지 70%인, 분리벽형 증류탑.
삭제
제1항에 있어서, 상기 중비점 성분은 유출단을 통하여 상기 유출 구역에서 유출되고, 상기 유출단은 상기 유출 구역의 전체 컬럼 단수에 대하여 상단으로부터 50% 이내의 전단에 위치하는, 분리벽형 증류탑.
제1항에 있어서, 상기 유출 구역은 상부 유출 구역 및 하부 유출 구역으로 구분되고, 유출단은 상기 상부 유출 구역 및 상기 하부 유출 구역이 접하는 부분이며, 상기 상부 유출 구역 및 상기 하부 유출 구역의 컬럼의 단수의 비는 20 : 80 내지 50 : 50인, 분리벽형 증류탑.
제1항의 분리벽형 증류탑을 이용하여 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물을 분별 증류하는 단계를 포함하는 네오펜틸글리콜의 정제 방법.
제6항에 있어서, 상기 네오펜틸글리콜의 함량은 상기 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물의 총 중량에 대하여, 35 내지 54 중량%인, 네오펜틸글리콜의 정제 방법.
제6항에 있어서, 상기 고비점 성분의 함량은 상기 네오펜틸글리콜을 포함하는 조 생성물의 총 중량에 대하여, 1.5 내지 10 중량%인, 네오펜틸글리콜의 정제 방법.
제6항에 있어서, 상기 주탑의 탑정 구역의 온도는 -0.938 내지 -0.875 kg/cm²·g 압력에서 112 내지 134℃인, 네오펜틸글리콜의 정제 방법.
제6항에 있어서, 상기 주탑의 탑저 구역의 온도는 -0.75 내지 -0.70 kg/cm²·g 압력에서 167 내지 183℃ 인, 네오펜틸글리콜의 정제 방법.
제6항에 있어서, 상기 주탑의 탑정 구역과 탑저 구역의 온도의 차이는 71℃ 이하인, 네오펜틸글리콜의 정제 방법.