KR101735110B1 - Method for Preparing Pyromellitic Acid - Google Patents
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Abstract
본 발명의 구체예에서는 출발물질인 듀렌을 액상에서 온도를 달리하는 2 단계 반응으로 산화시켜 파이로멜리트산을 제조하는 방법이 개시된다. A specific example of the present invention discloses a method for producing pyromellitic acid by oxidizing durene, which is a starting material, in a two-step reaction in a liquid phase with different temperatures.
Description
본 발명은 듀렌(Durene; 1,2,4,5-tetramethyl benzene)을 분자상 산소를 함유하는 가스로 산화하여 파이로멜리트산(Pyromellitic Acid; 1,2,4,5-tetracarboxylic acid)을 제조하는 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 출발물질인 듀렌을 액상에서 온도를 달리하는 2 단계 반응으로 산화시켜 파이로멜리트산을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing pyromellitic acid (1,2,4,5-tetracarboxylic acid) by oxidizing Durene (1,2,4,5-tetramethyl benzene) with a gas containing molecular oxygen . More specifically, the present invention relates to a method for producing pyromellitic acid by oxidizing durene, which is a starting material, in a two-step reaction at different temperatures in a liquid phase.
파이로멜리트산은 폼 에폭시용 가교제, 가소제, 전자 재료용 폴리이미드, 및 파우터 코팅제의 원료 물질로서 널리 사용되고 있으며, 백색에서 밝은 황색 결정 파우더의 특성을 나타낸다. 전형적으로, 약 276 ℃(무수물)의 융점, 약 1.79의 밀도, 그리고 알코올에 대한 용해성을 나타내는 것으로 알려져 있다.Pyromellitic acid is widely used as a raw material for a crosslinking agent for foam epoxy, a plasticizer, a polyimide for electronic materials, and a powder coating agent, and exhibits the characteristics of a light yellow crystalline powder in white. Typically, it is known to exhibit a melting point of about 276 DEG C (anhydrous), a density of about 1.79, and solubility in alcohol.
파이로멜리트산의 상업적 제조 방법으로서, 듀렌의 액상 산화 방식이 널리 알려져 있다. 이때, 출발물질로 사용되는 듀렌은 통상적으로 접촉개질유 또는 열분해유 중의 C10 유분에 존재하며, 증류를 통하여 정제된 형태로 입수 가능하다. 상기 액상 산화 방법은 초산 용매를 사용하여 중금속 촉매의 존재 하에서 하기의 반응식 1에서와 같이 산화시키는 방식이다. As a commercial production method of pyromellitic acid, the liquid phase oxidation method of duren is widely known. At this time, the duren used as the starting material is usually present in the C10 oil fraction in the contact reformed oil or pyrolysis oil, and is available in a purified form through distillation. The above-mentioned liquid phase oxidation method is a method in which an acetic acid solvent is oxidized in the presence of a heavy metal catalyst as shown in the following reaction formula (1).
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
최근에는, 초산 용매를 반응 매질로 사용하고, 1 또는 2 이상의 금속화합물 및 1 또는 2 이상의 브롬 화합물로 이루어진 촉매의 존재 하에서 분자상 산소 함유 가스(molecular oxygen-containing gas)로 듀렌을 산화시켜 파이로멜리트산을 제조하는 다양한 방법들이 제안되었는 바, 예를 들면 브롬(Br) 화합물을 연속적으로 주입하거나 반응생성물을 분리하여 추가 산화반응시키는 방법들이 알려져 있다. Recently, durene is oxidized with a molecular oxygen-containing gas in the presence of a catalyst comprising acetic acid as a reaction medium and one or more metal compounds and one or more bromine compounds, Various methods for producing lactic acid have been proposed. For example, there have been known methods in which a bromine (Br) compound is continuously injected or a reaction product is separated to perform an additional oxidation reaction.
Br 화합물을 반응 단계별로 순차적으로 주입하는 방법(예를 들면, 미국특허번호 제4,755,622호)의 경우, 촉매의 비활성화 및 파이로멜리트산의 선택도를 높일 수 있는 방법이기는 하나, 70몰% 이상의 파이로멜리트산의 수율을 얻지는 못하는 것으로 알려져 있다. In the case of a method of sequentially injecting Br compounds by the reaction step (for example, U.S. Patent No. 4,755,622), although it is a method for increasing the selectivity of pyromellitic acid and deactivation of the catalyst, It is known that the yield of rosemary acid can not be obtained.
한편, 1차 산화반응의 생성물(트리메틸아세트산, 트리메틸벤질알코올 및 트리메틸벤즈 알데하이드)을 분리한 다음, 이중 트리메틸아세트산 및/또는 트리메틸벤즈알데하이드의 추가적인 산화 반응을 통하여 파이로멜리트산을 제조하는 방법의 경우(예를 들면, 일본 특허공개번호 제2005-145954호), 선택도 및 수율을 높일 수 있는 것으로 알려져 있으나, 공정 운전이 어렵고, 파이로멜리트산의 수율이 여전히 최대 80몰% 수준에 머물고 있다.On the other hand, in the case of separating the products of the first oxidation reaction (trimethyl acetic acid, trimethyl benzyl alcohol and trimethyl benzaldehyde) and then producing pyromellitic acid through additional oxidation reaction of double trimethyl acetic acid and / or trimethyl benzaldehyde (For example, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-145954), it is known that it is possible to increase the selectivity and the yield, but the process operation is difficult and the yield of pyromellitic acid still remains at the maximum of 80 mol%.
따라서, 보다 높은 수율로 파이로멜리트산을 제조할 수 있는 방법이 요구되고 있다. Accordingly, a method for producing pyromellitic acid at a higher yield is required.
본 발명의 구체예에서는 종래 기술에 비하여 높은 수율로 파이로멜리트산을 제조하는 방법을 제공하고자 한다. The present invention provides a method for producing pyromellitic acid at a higher yield than the prior art.
본 발명의 구체예에 따르면, According to embodiments of the present invention,
a) 반응 매질로서 초산 용매를 사용하고, 코발트(Co) 화합물 및 브롬(Br) 화합물을 포함하는 산화 촉매 성분의 존재 하에서 분자상 산소-함유 가스를 공급하여 듀렌을 1차 액상 산화시키는 단계;a) subjecting duren to primary liquid phase oxidation by supplying a molecular oxygen-containing gas in the presence of an oxidation catalyst component comprising a cobalt (Co) compound and a bromine (Br) compound, using an acetic acid solvent as a reaction medium;
b) 상기 단계 a)의 생성물에 망간(Mn) 화합물을 수용액 형태로 첨가하여 2차 액상 산화시키는 단계;b) adding a manganese (Mn) compound to the product of step a) in the form of an aqueous solution to form a second liquid phase oxidation;
를 포함하며,/ RTI >
상기 단계 b)는 상기 단계 a)보다 높은 온도에서 수행되는 파이로멜리트산을 제조하는 방법이 제공된다. The step b) provides a process for preparing pyromellitic acid which is carried out at a temperature higher than the step a).
일 구체예에 따르면, 상기 코발트 화합물은 초산 용매를 기준으로 약 0.01 내지 1.5 중량%로 사용할 수 있으며, 이때 상기 코발트 화합물 내의 코발트 금속에 대한 상기 브롬 화합물 내의 브롬 이온(Br-)의 중량비는 약 0.5 내지 약 15의 범위일 수 있고, 그리고 상기 코발트 화합물 내의 코발트 금속에 대한 상기 망간 화합물 내의 망간 금속의 중량비는 약 0.1 내지 약 0.8의 범위일 수 있다. According to one embodiment, the cobalt compound may be used in an amount of about 0.01 to 1.5 wt.%, Based on the acetic acid solvent, wherein the weight ratio of bromine ion (Br - ) to cobalt metal in the cobalt compound is about 0.5 To about 15, and the weight ratio of manganese metal in the manganese compound to cobalt metal in the cobalt compound may range from about 0.1 to about 0.8.
또한, 코발트 금속과 망간 금속에 대한 브롬의 원자비(Br/(Co+Mn))는 약 0.3 내지 약 14의 범위일 수 있다.In addition, the atomic ratio (Br / (Co + Mn)) of bromine to cobalt metal and manganese metal may range from about 0.3 to about 14.
본 발명의 구체예에 따른 파이로멜리트산의 제조방법은 초산 용매를 반응 매질로 이용하고, 액상 산화 반응을 각각 온도를 달리하는 2 단계로 구성하고, 각 단계에서의 산화 촉매 성분을 특정 형태로 적용함으로써 종래에 알려진 방법에 비하여 높은 수율을 달성할 수 있다. The method for producing pyromellitic acid according to an embodiment of the present invention is characterized in that acetic acid solvent is used as a reaction medium and the liquid phase oxidation reaction is carried out at two different temperatures, A high yield can be achieved as compared with a conventionally known method.
본 발명에 따라 제공되는 구체예는 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아님을 이해해야 한다. The embodiments provided in accordance with the present invention can be all achieved by the following description. It is to be understood that the following description is of a preferred embodiment of the present invention and that the present invention is not necessarily limited thereto.
본 발명의 구체예에 따르면, 출발물질인 듀렌은 반응 매질로서 초산 용매를 이용하고 분자성 산소를 함유하는 가스를 공급하여 액상 산화되어 파이로멜리트산으로 전환된다. 이때, 전체적인 산화 촉매 성분으로서, 코발트 화합물(코발트 소스), 브롬 화합물(브롬 소스) 및 망간 화합물(망간 소스)의 조합을 채택한다. 상기 구체예에 있어서, 수율 향상을 위하여 상기 액상 산화 단계를 2 단계로 구성하되, 상기 제1 단계와 제2 단계에서의 온도는 다르게 설정된다. 바람직하게는 제2 단계의 온도를 제1 단계보다 높게 설정할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, durene as a starting material is converted into pyromellitic acid by liquid-phase oxidation by supplying a gas containing molecular oxygen by using an acetic acid solvent as a reaction medium. At this time, a combination of a cobalt compound (cobalt source), a bromine compound (bromine source) and a manganese compound (manganese source) is adopted as an overall oxidation catalyst component. In the above embodiment, in order to improve the yield, the liquid phase oxidation step is constituted by two steps, and the temperatures in the first step and the second step are set differently. Preferably, the temperature of the second step can be set higher than that of the first step.
또한, 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 코발트 화합물 및 상기 브롬 화합물은 제1 단계 반응에서 전량 초산 용매에 용해시켜 반응계 내로 도입하는 한편, 망간 화합물은 수용액 형태로 제2 단계 반응 단계에서 반응계 내로 도입할 수 있다. According to the embodiment of the present invention, the cobalt compound and the bromine compound are dissolved in an acetic acid solvent in the first stage reaction and introduced into the reaction system, while the manganese compound is introduced into the reaction system in the form of an aqueous solution in the second- can do.
상기 코발트 화합물 및 망간 화합물의 경우, 한편, 반응 매질인 초산 용매에 용해될 수 있는 형태이면 특별히 제한되지 않는 바, 예를 들면 이들 금속의 초산염, 프로피온산염, 나프텐산염, 옥텐산염 등의 유기산염; 수산화물; 염화물 또는 브롬화물들의 할로겐화물; 붕산염, 질산염, 탄산염 등의 무기산염 등을 들 수 있다. 바람직하게는 초산염, 인산염, 수산화물, 브롬화물 등을 예시할 수 있고, 보다 바람직하게는 초산염이 사용 가능하다. The cobalt compound and the manganese compound are not particularly limited as long as they are soluble in acetic acid solvent as a reaction medium. Examples of the cobalt compound and manganese compound include organic acid salts such as acetate, propionate, naphthenate and octanoate ; hydroxide; Halides of chlorides or bromides; And inorganic acid salts such as borates, nitrates and carbonates. Preferable examples include nitrates, phosphates, hydroxides, bromides and the like, more preferably nitrates.
한편, 브롬 화합물의 경우, 반응 조건 하에서 브롬 이온을 생성시킬 수 있는 물질(소스)이면 특별한 제한 없이 사용될 수 있다. 상기 브롬 소스로서 브롬화수소; 암모늄 브로마이드; 브롬화 나트륨, 브롬화 리튬, 브롬화 칼륨 등의 알칼리 금속 브롬화물; 브롬화 코발트, 브롬화 망간, 브롬화 철 등의 무기 브롬화물; 및 사브롬화 메탄, 사브롬화 에탄, 아세틸 브로마이드, 벤질 브로마이드 등의 유기브롬 화합물을 예시할 수 있다. 바람직하게는 브롬화 나트륨, 브롬화 코발트, 브롬화 망간, 브롬화 암모늄 등을 사용할 수 있고, 브롬화 나트륨이 가장 바람직할 수 있다. On the other hand, in the case of a bromine compound, a substance (source) capable of generating bromine ions under the reaction conditions can be used without particular limitation. Hydrogen bromide as the bromine source; Ammonium bromide; Alkali metal bromides such as sodium bromide, lithium bromide and potassium bromide; Inorganic bromides such as cobalt bromide, manganese bromide, and iron bromide; And organic bromine compounds such as tetrabromomethane, tetrabromethane, acetyl bromide, and benzyl bromide. Preferably, sodium bromide, cobalt bromide, manganese bromide, ammonium bromide and the like can be used, and sodium bromide is most preferable.
본 구체예에 따르면, 상술한 코발트 화합물, 망간 화합물 및 브롬 화합물 각각에 대하여 예시적으로 나열된 화합물을 단독으로 사용할 수도 있고, 2 이상 조합하여 사용할 수도 있다. According to this specific example, the compounds exemplarily listed for each of the above-described cobalt compound, manganese compound and bromine compound may be used alone or in combination of two or more.
산화제로 사용되는 분자상 산소-함유 가스의 경우, 가스 내 산소 농도는 약 5 내지 100%, 보다 구체적으로는 약 10 내지 50% 범위일 수 있는 바, 통상적으로는 공기가 사용 가능하다. 일 구체예에 따르면, 분자상 산소-함유 가스는 반응 매질 내에서 구비되는 적어도 하나의 취입구로부터 연속적으로 공급될 수 있다. 예를 들면, 다단 반응기를 사용하여 산화 반응을 수행하는 경우, 각각의 반응기마다 설치된 1 또는 2 이상의 취입구를 통하여 공급량을 제어하면서 연속적으로 공급될 수 있다. 또한, 상기 반응기는 교반 반응기 형태가 바람직할 수 있다. In the case of a molecular oxygen-containing gas used as an oxidizing agent, the oxygen concentration in the gas may range from about 5 to 100%, more particularly about 10 to 50%, typically air is available. According to one embodiment, the molecular oxygen-containing gas may be continuously supplied from at least one inlet port provided in the reaction medium. For example, when an oxidation reaction is carried out using a multi-stage reactor, it can be continuously supplied while controlling the supply amount through one or more inlet ports provided for each reactor. In addition, the reactor may be preferably in the form of a stirred reactor.
이와 관련하여, 제1 액산 산화 단계에 있어서 분자상 산소-함유 가스를 통하여 공급되는 산소의 량은, 예를 들면 듀렌 1 몰 당 약 2.5 내지 약 4 몰이 적당할 수 있으며, 보다 구체적으로는 듀렌 1 몰 당 약 2.8 내지 3.6 몰 범위일 수 있다. 이에 따라, 제1 단계에서는 듀렌의 벤젠 고리에 결합되어 있는 1 내지 3개의 메틸기에 대하여만 산화시켜 촉매가 비활성화되거나 부반응이 야기되는 현상을 억제하고, 제2 단계에서는 상기 제1 단계에서 전환되지 않은 벤젠 고리에 결합된 메틸기를 산화시켜 목적물인 파이로멜리트산으로 최종 전환시키게 된다. In this regard, the amount of oxygen supplied through the molecular oxygen-containing gas in the first liquid oxidation step may be, for example, from about 2.5 to about 4 moles per mole of duren, and more specifically, And may range from about 2.8 to 3.6 moles per mole. Accordingly, in the first step, only the 1 to 3 methyl groups bonded to the benzene ring of the duren are oxidized to suppress the deactivation of the catalyst or the side reaction, and in the second step, The methyl group bonded to the benzene ring is oxidized to be finally converted to the target pyromellitic acid.
한편, 상기 제1 산화 단계 및 제2 산화 단계에 걸쳐, 압력은 반응 매질인 초산 용매가 액상을 유지할 수 있도록 설정되는 것이 바람직할 수 있는 바, 본 구체예가 특정 압력 범위로 한정되는 것은 아니지만, 예를 들면 약 250 내지 500 psig, 보다 구체적으로는 약 300 내지 450 psig 범위로 설정할 수 있다. On the other hand, during the first oxidation step and the second oxidation step, it may be preferable that the pressure is set so that the acetic acid solvent as the reaction medium can maintain the liquid phase, and this example is not limited to the specific pressure range, For example, in the range of about 250 to 500 psig, more specifically about 300 to 450 psig.
이때, 반응계의 산소 분압의 경우, 반응기로부터 배출되는 오프 가스(off-gas) 중 산소 농도가 약 8 체적% 이하, 보다 구체적으로는 약 1 내지 약 5 체적%가 되도록 반응기 내로 도입되는 분자상 산소-함유 가스의 량을 조절하는 것이 바람직할 수 있다. At this time, in the case of the oxygen partial pressure of the reaction system, the molecular oxygen introduced into the reactor such that the oxygen concentration in the off-gas discharged from the reactor is about 8 vol% or less, more specifically about 1 to about 5 vol% - < / RTI > containing gas.
바람직한 구체예에 따르면, 선택적으로 상기 반응기에 환류 콘덴서가 구비되어 오프 가스(배가스) 내에 함유된 용매 및 산화 반응에 의하여 생성되는 물을 응축시키고, 이를 전부 또는 부분적으로 반응기로 리사이클할 수도 있다.According to a preferred embodiment, a reflux condenser may be optionally provided in the reactor to condense the solvent contained in the offgas (exhaust gas) and the water produced by the oxidation reaction, and recycle it to the reactor in whole or in part.
본 발명에 따른 구체예에 따르면, 제1 단계 반응에 이어 제2 단계 반응을 연속으로 실시하여 의도하는 액상 산화 반응을 실질적으로 완결시킬 수 있다. 이때, 회분식(batch) 다단반응 방식 또는 연속 유동 다단계 반응 방식 중 어느 하나를 채택할 수 있다. 다른 구체예에 따르면, 제1 단계를 연속 모드로 수행하고 제2 단계를 회분식 모드로 수행할 수도 있다. According to embodiments in accordance with the present invention, the first stage reaction followed by the second stage reaction may be carried out continuously to substantially complete the intended liquid phase oxidation reaction. At this time, either a batch multi-stage reaction system or a continuous multi-stage reaction system can be adopted. According to another embodiment, the first step may be performed in a continuous mode and the second step may be performed in a batch mode.
한편, 2단계 액상 산화 반응이 종료되면, 선택적으로 반응생성물을 당업계에서 알려진 정제 처리를 수행할 수도 있는 바, 예를 들면 여과(filtration) 공정 또는 증류(distillation) 공정을 예시할 수도 있다. 경우에 따라서는 파이로멜리트산의 추가 정제 과정을 더 포함할 수 있는 바, 예를 들면 생성물을 물에 용해시킨 수용액을 소정 조건 하에서 냉각시켜 결정화한 다음, 여과, 원심분리 등을 거쳐 수득하는 방법을 예시할 수 있다.On the other hand, when the two-step liquid phase oxidation reaction is completed, the reaction product may be subjected to a purification treatment known in the art, for example, a filtration process or a distillation process may be exemplified. In some cases, it may further include a further refining step of pyromellitic acid, for example, a method in which an aqueous solution in which a product is dissolved in water is cooled under a predetermined condition to crystallize, followed by filtration and centrifugal separation Can be exemplified.
본 발명의 구체예에 따른 파이로멜리트산의 제조방법을 통하여 수율은 적어도 약 80 몰%, 보다 구체적으로는 적어도 약 84 몰%를 달성할 수 있으며, 반응 후 생성물의 분리 정제도 용이할 수 있다. The yield of the pyromellitic acid according to the embodiment of the present invention can be at least about 80 mol%, more specifically at least about 84 mol%, and the product can be easily separated and purified after the reaction .
이하에서 제1 액상 산화 단계 및 제2 액상 산화 단계의 공정 조건을 보다 상세히 기술한다.
The process conditions of the first liquid phase oxidation step and the second liquid phase oxidation step will be described in more detail below.
제1 단계 액상 산화 반응Phase 1 liquid phase oxidation
제1 단계 산화 반응은 초산 용매를 반응 매질로 하고, 촉매 성분으로서 코발트 화합물 및 브롬 화합물의 조합을 사용하는 바, 분자상 산소-함유 가스를 공급하여 액상에서 산화 반응이 일어날 수 있도록 한다. 이때, 코발트 화합물, 브롬 화합물 및 초산 용매를 전량 사용하여 산화 반응을 수행할 수 있다. 바람직한 구체예에 따르면, 상기 제1 단계에서의 산화 반응은 출발물질인 듀렌의 전환율이 적어도 약 90%, 보다 구체적으로는 약 90 내지 98% 범위가 될 때까지 진행시킬 수 있는 바, 이는 반응수율 증대 및 촉매 비활성화 방지를 고려한 것이다. In the first stage oxidation reaction, an acetic acid solvent is used as a reaction medium, and a combination of a cobalt compound and a bromine compound is used as a catalyst component, a molecular oxygen-containing gas is supplied so that an oxidation reaction can take place in a liquid phase. At this time, the oxidation reaction may be performed using the entire amount of the cobalt compound, bromine compound and acetic acid solvent. According to a preferred embodiment, the oxidation reaction in the first stage can be carried out until the conversion of the starting durene is at least about 90%, more specifically about 90 to 98% And to prevent catalyst deactivation.
일 구체예에 있어서, 반응 매질인 초산 용매는 중량 기준으로 적어도 듀렌의 약 2배, 보다 구체적으로는 약 4 내지 15배 범위로 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 순수한 초산 형태(glacial acetic acid)를 사용할 수도 있으며, 수용액 형태의 초산을 사용할 수도 있다. 다만, 수용액 형태의 초산을 사용할 경우, 물을 지나치게 많이 사용하면 반응 속도에 영향을 미쳐 수율을 저하시킬 가능성이 있다. 이점을 고려하여, 약 40 중량% 이하의 물을 함유하는 것이 적당할 수 있다. 또한, 물로서 바람직하게는 이온교환수 또는 증류수를 사용할 수 있다. In one embodiment, it may be desirable to use acetic acid solvent as the reaction medium at least about twice the weight of duren, more specifically about 4 to 15 times, by weight. A pure acetic acid may be used, or an acetic acid in the form of an aqueous solution may be used. However, when acetic acid in the form of an aqueous solution is used, excessive use of water may affect the reaction rate and reduce the yield. Taking this into consideration, it may be appropriate to contain not more than about 40% by weight of water. As the water, ion-exchanged water or distilled water can be preferably used.
예시적인 구체예에 있어서, 촉매 성분인 코발트 화합물의 사용량이 증가함에 따라 산화 반응 속도가 증가하는데, 지나치게 많이 사용할 경우에는 목적물인 파이로멜리트산 이외의 다른 부반응 생성물이 증가하여 순도 및 수율에 바람직하지 않은 영향을 미칠 수 있다. 상기의 점을 고려하여 코발트 화합물 내의 코발트 금속을 기준으로 초산 용매에 대하여 약 0.01 내지 약 1.5 중량% 범위로 사용할 수 있다. In an exemplary embodiment, the oxidation reaction rate increases as the amount of the cobalt compound used as the catalyst component increases. When the amount of the cobalt compound is excessively used, side reaction products other than the target pyromellitic acid are increased, It can have an unfavorable effect. In consideration of the above, the cobalt metal in the cobalt compound may be used in an amount of about 0.01 to about 1.5 wt% based on the acetic acid solvent.
한편, 브롬 화합물의 사용량은, 상기 코발트 화합물 내의 코발트 금속에 대한 브롬 이온의 중량비(Br/Co)가 약 0.5 내지 약 15, 바람직하게는 약 1 내지 14의 범위가 되도록 조절할 수 있다. 브롬 화합물의 사용량이 증가함에 따라 활성이 증가하는 경향을 나타내나, 일정 수준 이상에서는 오히려 목적물 내에 브롬 성분이 혼입된 결과, 순도를 저하시키기 때문에 정제 비용 및 촉매 원가가 증가하며, 촉매 회수 효율성이 저하될 수 있다. 따라서, 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직할 수 있다.On the other hand, the amount of the bromine compound to be used can be adjusted so that the weight ratio (Br / Co) of the bromine ion to the cobalt metal in the cobalt compound is about 0.5 to about 15, preferably about 1 to 14. [ The activity tends to increase as the amount of the bromine compound used increases. However, since the bromine component is incorporated into the object at a certain level or higher, the purification cost and the catalyst cost are increased because the purity is lowered. . Therefore, it may be desirable to adjust to the aforementioned range.
상기 제1 단계에 있어서, 액산 산화 반응은, 예를 들면 약 120 내지 약 200 ℃, 바람직하게는 약 130 내지 약 180 ℃ 범위로 설정할 수 있다. 이는 반응 온도가 증가할수록 반응 속도가 증가하는 경향을 나타내기는 하나, 지나치게 높은 온도로 설정할 경우에는 완전 산화반응 등의 부반응의 증가 및 열분해에 의한 듀렌의 탈알킬화 반응이 일어나 수율 감소 및 촉매의 비활성화를 촉진시킬 수 있음을 고려한 것이다. 상기 반응 온도 범위는 예시적인 것으로서 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
In the first step, the liquid phase oxidation reaction may be set at a temperature in the range of, for example, about 120 ° C to about 200 ° C, preferably about 130 ° C to about 180 ° C. However, when the reaction temperature is set to an excessively high temperature, an increase in side reaction such as complete oxidation reaction and a dealkylation reaction of duren due to pyrolysis may occur, thereby decreasing the yield and deactivation of the catalyst And that it can be facilitated. The reaction temperature range is illustrative and the present invention is not necessarily limited thereto.
제2 단계 액상 산화 반응Second stage liquid phase oxidation reaction
제2 단계 반응에서는 촉매 성분으로서의 망간 화합물을 반응계 내로 도입하여 제1 단계 산화 반응에서 전환되지 않은 잔여 메틸기를 산화하여 파이로멜리트산으로 전환시킨다.In the second-step reaction, a manganese compound as a catalyst component is introduced into the reaction system to convert the remaining methyl groups not converted in the first-step oxidation reaction to pyromellitic acid.
이때, 상기 망간 화합물은 수용액 형태로 도입되는 바, 산화반응이 진행되어 생성되는 파이로멜리트산의 농도를 묽게 하여 파이로멜리트산의 수율 증대 및 비활성화를 방지할 수 있기 때문이다. 상기 망간 화합물의 수용액은 초산 용매를 기준으로, 약 30 중량% 이내, 구체적으로는 약 15 내지 약 30 중량%가 바람직할 수 있다.At this time, since the manganese compound is introduced in the form of an aqueous solution, the concentration of pyromellitic acid generated by the oxidation reaction proceeds, and the yield and inactivation of pyromellitic acid can be prevented. The aqueous solution of the manganese compound may be preferably about 30% by weight or less, more preferably about 15 to about 30% by weight based on the acetic acid solvent.
본 발명의 구체예에 있어서, 상기 제2 액상 산화 단계에서 도입되는 망간 화합물의 사용량은 전 단계인 제1 액상 산화 반응 단계에 사용된 코발트 화합물 내 코발트 금속에 대한 망간 화합물 내의 망간 금속의 중량비(Mn/Co)가 약 0.1 내지 약 0.8, 바람직하게는 약 0.2 내지 약 0.6 범위가 되도록 조절할 수 있다. 본 발명이 이에 반드시 한정되는 것은 아니지만, 상술한 범위로 망간 화합물의 사용량을 설정할 경우, 전체 촉매 성분의 활성, 선택성 및 촉매의 회수 조작이 용이할 수 있다. In the embodiment of the present invention, the amount of the manganese compound to be introduced in the second liquid phase oxidation step is set so that the weight ratio of manganese metal in the manganese compound to the cobalt metal in the cobalt compound used in the first liquid phase oxidation step / Co) is in the range of about 0.1 to about 0.8, preferably about 0.2 to about 0.6. The present invention is not necessarily limited to this, but when the amount of the manganese compound to be used is set within the above-mentioned range, the activity, selectivity, and catalyst recovery operation of the entire catalyst component can be facilitated.
또한, 2 단계 액상 산화 공정 전체에 걸쳐 코발트 금속과 망간 금속에 대한 브롬의 원자비(Br/(Co+Mn))는 약 0.3 내지 약 14의 범위일 수 있다. 그 이유는 촉매 성분 중 금속 화합물에 비하여 브롬 화합물의 량이 지나치게 적은 경우에는 의도하는 활성을 달성하지 못할 수 있는 반면, 지나치게 많은 경우에는 브롬 화합물로 인한 제품의 순도 저하 및 촉매회수 비용 증가 등이 야기될 수 있음을 고려한 것이다. 다만, 상기 범위는 예시적으로 제시된 것인 만큼, 본 발명의 구체예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.Also, the atomic ratio (Br / (Co + Mn)) of bromine to cobalt metal and manganese metal throughout the two step liquid oxidation process may range from about 0.3 to about 14. The reason is that when the amount of the bromine compound is too small as compared with the amount of the metal compound in the catalyst component, the intended activity may not be attained, while in an excessive amount, the purity of the product due to the bromine compound is lowered and the catalyst recovery cost is increased . However, the scope of the present invention is not limited thereto.
제2 단계 액상 산화 반응은, 예를 들면 약 180 내지 약 250 ℃, 바람직하게는 약 200 내지 약 240 ℃ 범위에서 수행될 수 있다. 이는 반응 온도가 지나치게 낮은 경우에는 파이로멜리트산으로의 산화를 완결시키기 어려울 수 있는 반면, 지나치게 높은 경우에는 완전 산화 반응의 증가로 인하여 수율이 감소할 수 있음을 고려한 것이다. 상기 반응 온도 범위는 예시적인 것으로서 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. The second stage liquid phase oxidation reaction can be carried out, for example, in the range of about 180 to about 250 캜, preferably about 200 to about 240 캜. It is considered that if the reaction temperature is too low, it may be difficult to complete the oxidation to pyromellitic acid, whereas when the reaction temperature is excessively high, the yield may be reduced due to an increase in complete oxidation reaction. The reaction temperature range is illustrative and the present invention is not necessarily limited thereto.
예시적인 구체예에 있어서, 제2 액상 산화 단계의 반응 온도는 제1 액상 산화 단계와는 상이한 반응 온도 대역에서 수행될 수 있으며, 바람직하게는 제1 산화 단계보다 높은 온도에서 수행될 수 있다. 이때, 제2 산화 단계의 온도는 제1 산화 단계보다 약 20 내지 약 130 ℃, 보다 구체적으로는 약 40 내지 약 110 ℃ 높게 설정하는 것이 바람직할 수 있다. In an exemplary embodiment, the reaction temperature of the second liquid phase oxidation step may be performed at a reaction temperature zone different from the first liquid phase oxidation step, preferably at a higher temperature than the first oxidation step. At this time, it may be preferable that the temperature of the second oxidation step is set at about 20 to about 130 캜, more specifically about 40 to about 110 캜 higher than the first oxidation step.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. However, the present invention is not limited thereto.
실시예Example 1 One
본 실시예에서는 환류 냉각기, 교반기 및 공기 취입 노즐을 구비한 티타늄 재질의 1 갤론(3.785 리터) 오토클레이브(autoclave)를 반응기로 사용하였다. 상기 반응기에 반응물로서 듀렌 90.1 g, 초산 720 g, 코발트 아세테이트 2.85 g 및 브롬화 나트륨 1.23 g을 투입하고 비활성 가스인 헬륨 가스로 퍼지(purge)시킨 후 150 ℃의 온도로 승온시켰다. 압력을 400 psig로 유지하였으며, 압축 공기를 상기 오토클레이브에 서서히 주입하면서 액상 산화 반응을 개시하였다.In this example, a 1 gallon (3.785 liters) titanium autoclave equipped with a reflux condenser, a stirrer and an air blowing nozzle was used as the reactor. 90.1 g of durenne, 720 g of acetic acid, 2.85 g of cobalt acetate and 1.23 g of sodium bromide as a reactant were poured into the reactor, and the mixture was purged with helium gas, which is an inert gas, and heated to a temperature of 150 ° C. The pressure was maintained at 400 psig and the liquid phase oxidation reaction was initiated while the compressed air was slowly injected into the autoclave.
반응 경과 100 분 후에 압축 공기의 주입을 잠시 멈추고 망간 아세테이트 1.53 g을 물 140 g에 용해시켜 주입하면서 220 ℃의 온도로 승온시킨 후, 다시 압축 공기를 반응기 내로 주입하면서 산화반응을 계속 수행하였다. 오프 가스(off-gas) 중의 산소의 농도를 가스크로마토그래피를 이용하여 분석하여, 오프가스 중의 산소농도가 8 체적%를 초과하기 시작할 때 압축 공기의 주입을 중지하고 반응을 종료하였다.After 100 minutes of the reaction, the injection of compressed air was stopped briefly. After 1.53 g of manganese acetate was dissolved in 140 g of water, the temperature was raised to 220 캜, and the oxidation reaction was continued while injecting the compressed air into the reactor. The concentration of oxygen in the off-gas was analyzed by gas chromatography. When the oxygen concentration in the off-gas began to exceed 8 vol%, the injection of compressed air was stopped and the reaction was terminated.
반응을 종료하면, 반응 생성물을 추출하여 반응물을 메틸에스테르화한 후 가스크로마토그래피(HP사의 제품명: 5890)를 이용하여 파이로멜리트산의 수율을 계산하였다. 그 결과, 88.1 몰%의 파이로멜리트산 수율을 얻었다.
Upon completion of the reaction, the reaction product was extracted, the reaction product was methyl-esterified, and the yield of pyromellitic acid was calculated by gas chromatography (product name: 5890, HP). As a result, a yield of pyromellitic acid of 88.1 mol% was obtained.
실시예Example 2 내지 6 2 to 6
하기 표 1에 기재된 바와 같이 반응물의 조성 및 반응 조건을 변경시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 파이로멜리트산을 제조하였다.
Pyromellitic acid was prepared in the same manner as in Example 1 except that the composition of the reactants and the reaction conditions were changed as shown in Table 1 below.
(1) 제1 단계 액상 산화반응(1) Phase I liquid phase oxidation reaction
(2) 제2 단계 액상 산화반응
(2) Second stage liquid phase oxidation reaction
상기 실시예 2 내지 6에 따른 파이로멜리트산의 수율을 하기 표 2에 나타내었다.The yields of pyromellitic acid according to Examples 2 to 6 are shown in Table 2 below.
비교예Comparative Example 1 One
실시예 1에서와 유사한 방법으로 파이로멜리트산을 제조하였다. 다만, 반응기 내에 초산 700 g, 듀렌 88.5 g, 코발트 아세테이트 2.71 g, 및 브롬화 나트륨 7.2 g을 투입하고 150 ℃에서 100 분 동안 반응시킨 후 제2 단계 산화 반응을 실시하였다. Pyromellitic acid was prepared in a manner similar to that in Example 1. However, 700 g of acetic acid, 88.5 g of duren, 2.71 g of cobalt acetate, and 7.2 g of sodium bromide were charged into the reactor and reacted at 150 캜 for 100 minutes, followed by a second stage oxidation reaction.
제2 단계 산화 반응의 온도를 220 ℃로 승온시키는 동안 망간 아세테이트 1.41 g을 초산 90 g에 용해시켜 주입한 다음, 제2 단계 산화 반응을 개시하였다. 그 결과, 82.3 몰%의 파이로멜리트산 수율을 얻었다.
While raising the temperature of the second step oxidation reaction to 220 캜, 1.41 g of manganese acetate was dissolved in 90 g of acetic acid and injected, and the second stage oxidation reaction was initiated. As a result, a pyromellitic acid yield of 82.3 mol% was obtained.
비교예Comparative Example 2 2
실시예 1에서 사용된 반응기에 듀렌 90.2 g, 코발트 아세테이트 2.81 g, 망간 아세테이트 1.48 g, 및 브롬화 나트륨 7.62 g을 투입하고, 반응 온도 220 ℃에서 150 분 동안 반응시켰다. 그 결과, 72.2 몰%의 파이로멜리트산 수율을 얻었다.
90.2 g of durenne, 2.81 g of cobalt acetate, 1.48 g of manganese acetate and 7.62 g of sodium bromide were fed into the reactor used in Example 1, and reacted at a reaction temperature of 220 占 폚 for 150 minutes. As a result, a pyromellitic acid yield of 72.2 mol% was obtained.
상술한 실험 결과로부터 실시예 1 내지 6에 따라 파이로멜리트산을 제조할 경우, 모두 84 몰% 이상의 수율을 얻을 수 있었다. 반면, 망간 화합물을 초산에 용해시킨 형태로 제2 액상 산화 반응을 수행한 비교예 1의 경우, 80 몰% 이상의 수율을 얻을 수 있었으나, 실시예에 비하여는 낮은 수준이었다. From the above-mentioned experimental results, when pyromellitic acid was produced according to Examples 1 to 6, all the yields of 84 mol% or more were obtained. On the other hand, in the case of Comparative Example 1 in which the manganese compound was dissolved in acetic acid and the second liquid phase oxidation reaction was performed, a yield of 80 mol% or more was obtained, but it was lower than in the Examples.
또한, 단일 단계 산화 반응을 수행한 비교예 2의 경우, 실시예에 비하여 현저히 낮은 수율을 나타내었다.In addition, in the case of Comparative Example 2 in which the single stage oxidation reaction was performed, the yield was remarkably lower than in the Examples.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것으로, 특히, 본 발명이 바람직하거나 특히 유리하다고 언급되어 있는 면에 반드시 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 구체적인 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All such modifications and variations are intended to be included within the scope of the present invention, and are not necessarily to be construed as preferred or particularly advantageous aspects of the invention. The specific scope of protection of the present invention will be clarified by the appended claims.
Claims (16)
b) 상기 단계 a)의 생성물에 망간(Mn) 화합물을 수용액 형태로 첨가하여 2차 액상 산화시키는 단계;를 포함하며,
상기 단계 b)는 상기 단계 a)보다 높은 온도에서 수행되고,
상기 코발트(Co) 화합물 및 브롬(Br) 화합물의 전량은 a) 단계에 도입되는 것을 특징으로 하는 파이로멜리트산의 제조방법.a) subjecting duren to primary liquid phase oxidation by supplying a molecular oxygen-containing gas in the presence of an oxidation catalyst component comprising a cobalt (Co) compound and a bromine (Br) compound, using an acetic acid solvent as a reaction medium;
b) adding a manganese (Mn) compound to the product of step a) in the form of an aqueous solution to form a second liquid phase oxidation,
Wherein said step b) is carried out at a temperature higher than said step a)
Wherein the total amount of the cobalt (Co) compound and the bromine (Br) compound is introduced in step a).
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