KR101773588B1 - o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔의 제조 방법 - Google Patents

o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제조 방법은, 톨루엔과 염소의 반응 생성물에서 먼저 미반응 톨루엔을 분리 및 회수한 다음, 나머지 생성물을 염기성 용액과 접촉시켜 촉매를 제거함으로써, 미반응 톨루엔과 염기성 용액의 접촉을 근본적으로 차단하여, 회수되는 미반응 톨루엔의 수분 함량을 최소화할 수 있다.

Description

o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔의 제조 방법{Method for preparing o-chlorotoluene and p-chlorotoluene}
본 발명은 톨루엔과 염소를 촉매 존재 하에 반응시켜 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔을 제조하는 방법에 관한 것으로, 생성물에서 미반응 톨루엔을 제거한 후 수산화나트륨 수용액으로 촉매를 제거함으로써, 회수된 미반응 톨루엔의 수분 제거 공정이 최소화되는 것을 특징으로 한다.
o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔과 같은 모노클로로톨루엔은 다양한 산업 분야에서 사용되는 물질이다. 이러한 모노클로로톨루엔의 제조 방법 중 산업적으로 가장 많이 이용되는 방법은 톨루엔과 염소를 FeCl3와 같은 촉매의 존재 하에 반응시키는 방법이다.
톨루엔과 염소를 촉매 존재 하에 반응시키면 염소 원자가 치환되어, o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔과 같은 모노클로로톨루엔이 생성되며, 이외에도 부산물로 디클로로톨루엔이 생성될 수 있다. 이러한 부산물의 생성을 최대한 억제하기 위하여, 톨루엔을 염소 대비 과량으로 사용하고 있다. 이에 따라, 상업적인 생산 방법에서는, 상기 반응의 생성물에 포함된 다량의 미반응 톨루엔을 회수하여 다시 반응물로 사용하고 있다.
또한, 상기 반응에서 사용되는 촉매의 경우, 생성물로부터 촉매를 회수하여 상기 반응에 재사용하거나 또는 생성물에서 촉매를 제거하고 있다. 상기 촉매의 농도는 o-클로로톨루엔, p-클로로톨루엔 및 디클로로톨루엔의 비율에 큰 영향을 주기 때문에, 일반적으로 톨루엔을 회수하기 전에 촉매를 제거하여 사용하고 있으며, 상기 촉매의 제거 방법은 NaOH와 같은 염기성 용액으로 제거하고 있다.
한편, 상기 미반응 톨루엔의 회수와 촉매의 제거에 있어, 몇 가지 고려하여야 하는 사항이 있다. 먼저, 툴루엔과 염소의 반응에 있어, 반응계에 수분이 포함되어 있을 경우 촉매가 이온화되어 상기 반응의 촉매 역할을 할 수 없게 된다. 일반적으로, 반응계에 수분이 10 ppm 이상이 포함될 경우 반응이 진행되지 않는 것으로 알려져 있으며, 따라서 상기 반응 전에 톨루엔으로부터 수분을 제거하는 공정이 필요하다.
그런데, 미반응 톨루엔을 회수하기 전에 촉매의 제거를 위하여 상기 반응의 생성물을 염기성 용액과 접촉시키는데, 이 과정에서 미반응 톨루엔과 수분이 접촉하게 되어 공비 혼합물을 형성하게 되므로 회수된 톨루엔에는 상당량의 수분이 포함된다. 이에 따라, 상기 회수된 톨루엔을 다시 반응에 사용하기 위해서는 수분 제거를 위한 공비 증류(azeotropic distillation)가 필요하게 되고, 상기 공비 증류는 에너지가 많이 사용되는 공정이어서, 모노클로로톨루엔의 제조 단가를 높이는 대표적인 요인이 된다.
따라서, 상기와 같은 모노클로로톨루엔의 제조에 있어, 회수되는 미반응 톨루엔에 포함된 수분이 최소화될 수 있는 공정이 필요하다.
본 발명은 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔의 모노클로로톨루엔의 제조에 있어, 에너지 사용량을 절감할 수 있는 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 하기의 단계를 포함하는 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔의 제조 방법을 제공한다:
1) 톨루엔 공급기로부터 물 제거탑으로 공급된 톨루엔을 흡착제와 접촉시켜 툴루엔으로부터 수분을 제거하는 단계;
2) 상기 물 제거탑으로부터 반응기로 공급된 톨루엔을 촉매의 존재 하에 염소와 반응시키는 단계;
3) 상기 반응기로부터 제1 증류탑으로 공급된 생성물을 증류하여 톨루엔과 나머지 생성물로 분리하는 단계;
4) 상기 제1 증류탑으로부터 촉매 제거기로 공급된 나머지 생성물을 수산화나트륨 수용액과 접촉시켜 촉매를 제거하는 단계; 및
5) 상기 촉매 제거기로부터 제2 증류탑으로 공급된 촉매가 제거된 나머지 생성물을 증류하여 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔을 분리 및 회수하는 단계를 포함하는,
o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔의 제조 방법.
본 발명은, 상기와 같이 톨루엔과 염소를 촉매의 존재 하에 반응시킨 후, 반응 생성물에서 먼저 미반응 톨루엔을 증류하여 분리 및 회수한 다음, 나머지 생성물을 염기성 용액과 접촉시켜 촉매를 제거함으로써, 미반응 톨루엔과 염기성 용액의 접촉을 근본적으로 차단하여, 회수되는 미반응 톨루엔에 수분 함량이 최소화된다는 특징이 있다.
이하, 도 1과 함께 본 발명을 각 단계 별로 상세히 설명한다.
톨루엔의 수분 제거 단계(단계 1)
본 발명의 주요 반응은 후술할 단계 2와 같이, 톨루엔과 염소를 촉매의 존재 하에 반응시키는 단계이며, 상기 단계 1은 상기 반응에 사용되는 톨루엔에 포함된 수분을 제거하는 단계이다.
종래에는 톨루엔과 염소를 촉매의 존재 하에 반응시킨 후, 반응 생성물을 염기성 용액과 접촉시켜 촉매를 제거한 후, 미반응 톨루엔을 회수하는 방법을 사용하였기 때문에, 회수된 톨루엔에 수분 함량이 높았다. 이에 따라 공비 증류의 방법으로 수분을 제거하여야 하므로 에너지 사용량이 높다는 문제가 있었다.
그러나, 본 발명에서는 후술할 단계 3과 같이 톨루엔과 염소의 반응 생성물에서 먼저 톨루엔을 증류하여 분리 및 회수한 후, 후술할 단계 4와 같이 나머지 생성물을 염기성 용액과 접촉시켜 촉매를 제거함으로써, 톨루엔과 염기성 용액을 접촉시키지 않아 회수되는 톨루엔에 수분 함량이 적다는 특징이 있다.
따라서, 본 발명의 톨루엔의 수분 제거 단계(단계 1)는 공비 증류가 필요하지 않으며, 흡착제와 접촉시키는 방법으로 툴루엔으로부터 수분을 제거한다.
상기 톨루엔 공급기(100)에는 반응물인 톨루엔을 포함하고 있으며, 후술할 바와 같이 단계 3에서 회수된 미반응 톨루엔이 공급될 수 있다. 상기 톨루엔 공급기(100)에 포함된 톨루엔의 수분 함량은 0 ppm 이상 200 ppm 이하, 또는 10 ppm 이상 200 ppm 이하이다. 상기 톨루엔 공급기(100)로부터 물 제거탑(200)으로 톨루엔을 공급하며, 물 제거탑(200)에서 공급된 톨루엔을 흡착제와 접촉시켜 툴루엔으로부터 수분을 제거한다.
상기 사용할 수 있는 흡착제로 제올라이트를 사용할 수 있으며, 구체적으로 A type의 제올라이트(3A, 4A, 또는 5A)를 사용할 수 있다. 또한, 수분 제거의 효율을 높이기 위하여 물 제거탑(200)의 하부로 질소 가스를 공급할 수 있다. 이때 질소 가스는 질소 공급기(201)로부터 공급될 수 있으며, 상기 질소 가스의 온도는 250℃ 내지 350℃이 바람직하다. 또한 상기 질소 가스의 공급량은 1 ㎥/hr 내지 1000 ㎥/hr가 바람직하고, 1 ㎥/hr 내지 100 ㎥/hr가 보다 바람직하고, 1 ㎥/hr 내지 10 ㎥/hr가 가장 바람직하다. 또한 필요에 따라 상기 물 제거탑(200)은 2개 이상을 사용할 수 있으며, 이 경우 상기 톨루엔 공급기(100)로부터 2개 이상의 물 제거탑(200)에 톨루엔을 나누어 공급할 수 있다.
상기 물 제거탑(200)에서 흡착제와 접촉한 후, 톨루엔에 포함된 수분의 함량은 10 ppm 이하이다. 상기와 같이 수분이 제거된 톨루엔은 후술할 단계 2의 반응을 위하여, 상기 물 제거탑(200)으로부터 반응기(300)로 공급된다. 또한 바람직하게는, 상기 톨루엔 공급기(100)로부터 물 제거탑(200)의 하부로 톨루엔이 공급되고, 상기 물 제거탑(200)의 상부로부터 반응기로 톨루엔이 공급된다.
상기와 같은 수분 제거 단계는, 공비 증류와 비교하여 에너지 사용량이 극히 적으며, 따라서 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔의 제조 효율을 높일 수 있다.
톨루엔 반응 단계(단계 2)
상기 단계 2는, 물 제거탑(200)으로부터 반응기(300)로 공급된 톨루엔을 촉매의 존재 하에 염소와 반응시키는 단계이다. 상기 염소 및 촉매를 반응기(300)에 공급하기 위하여 각각 염소 공급기 및 촉매 공급기를 별도로 포함할 수 있다.
상기 톨루엔과 염소의 반응은 디클로로톨루엔과 같은 부산물의 생성을 억제하기 위하여, 톨루엔을 염소 대비 과량으로 사용하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 톨루엔과 염소의 몰 비는 1:1 내지 3:1, 바람직하게는 1.5:1 내지 2.5:1, 보다 바람직하게는 1.9:1 내지 2.1:1이다.
또한, 상기 촉매로는 FeCl3, 페로센(ferrocene), PtO2, SbCl3, 또는 Fe를 사용할 수 있으며, 상기 촉매의 사용량은 150 ppm 내지 300 ppm인 것이 바람직하다. 또한, 상기 촉매 외에 조촉매를 추가로 사용할 수 있으며, 상기 조촉매로는 S2Cl2, 티안트렌(thianthrene), 디페닐셀레니드(diphenylselenide), 페녹사틴 유도체(phenoxathin derivative), 테트라클로로페녹사틴(tetrachlorophenoxathin), 디클로로티안트렌(dichlorothiantrene), 테트라클로로티안트렌(tetrachlorothiantrene), 또는 폴리클로로티안트렌(polychlorothiantrene)를 사용할 수 있다. 상기 조촉매의 사용량은 주촉매 1 몰 대비 0.25 내지 0.75 몰, 바람직하게는 0.4 내지 0.6 몰, 보다 바람직하게는 0.45 내지 0.55 몰이다.
상기 반응의 온도는 50 내지 200℃, 보다 바람직하게는 50 내지 150℃인 것이 바람직하다. 또한 상기 반응의 압력은 1 내지 10 bar, 보다 바람직하게는 1 내지 5 bar인 것이 바람직하다.
한편, 상기 반응에 의하여 HCl이 생성되며, 상기 반응기(300) 상부로 배출될 수 있다. 상기 배출된 HCl은 액화시켜 회수할 수 있다. 또한, 상기 반응기(300)에서 생성된 생성물은 후술할 단계 3의 미반응 톨루엔의 분리를 위하여, 상기 반응기(300)로부터 제1 증류탑(400)으로 공급된다.
미반응 톨루엔 분리 단계(단계 3)
상기 단계 3은, 상기 반응기(300)의 생성물에서 미반응 톨루엔을 분리하기 위한 단계이다. 앞서 설명한 바와 같이, 염기성 용액을 접촉시켜 촉매를 제거하기 전에 미반응 톨루엔을 제거함으로써, 미반응 톨루엔과 수분의 접촉을 차단할 수 있다.
상기 제1 증류탑(400)에 공급된 생성물은, o-클로로톨루엔, p-클로로톨루엔, 부산물인 디클로로톨루엔 및 미반응 톨루엔이 포함되어 있으며, 이중 미반응 톨루엔의 끊는점이 가장 낮기 때문에 증류를 통하여 효과적으로 회수할 수 있다. 상기 증류를 통하여 분리된 미반응 톨루엔은 제1 증류탑(400)의 상부로 배출될 수 있다. 또한, 상기 회수된 미반응 톨루엔은 냉각기를 이용하여 냉각할 수 있다. 또한, 상기 회수된 미반응 톨루엔은 앞서 단계 1의 톨루엔 공급기(100), 또는 앞서 단계 2의 반응기(300)로 공급되어 재사용할 수 있다.
한편, 상기 증류를 통하여 회수된 톨루엔은 앞서 단계 1 이후에 수분과 접촉하지 않았기 때문에, 수분 함량이 극히 적다는 특징이 있다. 바람직하게는, 상기 회수된 미반응 톨루엔의 수분 함량은 10 ppm 이하이다. 따라서, 미반응 톨루엔을 재사용함에 있어 수분을 추가로 제거할 필요가 없다는 이점이 있다.
또한, 상기 제1 증류탑(400)에서 미반응 톨루엔이 제거된 나머지 생성물은, 후술할 단계 4의 촉매의 제거를 위하여, 상기 제1 증류탑(400)의 하부로부터 촉매 제거기(500)로 공급된다.
촉매 제거 단계(단계 4)
상기 단계 4는, 상기 제1 증류탑(400)에서 미반응 톨루엔이 제거된 나머지 생성물에서 촉매를 제거하기 위한 단계이다.
상기 촉매 제거는, 상기 제1 증류탑(400)으로부터 촉매 제거기(500)로 공급된 나머지 생성물을 염기성 용액과 접촉시켜, 촉매를 이온화시켜 염기성 용액에 용해한 후 이를 회수하는 방법을 수행된다. 또한, 촉매 외에 조촉매를 사용한 경우, 조촉매 또한 함께 회수될 수 있다.
상기 염기성 용액으로는 수산화나트륨 수용액, 또는 탄산나트륨 수용액을 사용할 수 있다. 또한, 상기 회수된 염기성 용액으로부터 촉매를 회수하여 재사용할 수 있다.
또한, 상기 촉매가 제거된 생성물은, 후술할 단계 5의 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔을 분리 및 회수를 위하여, 상기 촉매 제거기(500)로부터 제2 증류탑으로 공급된다.
o- 클로로톨루엔 및 p- 클로로톨루엔의 분리 및 회수 공정(단계 5)
상기 단계 5는, 본 발명에서 최종적으로 제조하고자 하는 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔을 분리 및 회수하는 단계이다.
상기 촉매 제거기(500)로부터 제2 증류탑(600)으로 공급되는 생성물에는, o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔 외에 부산물인 디클로로톨루엔이 포함되어 있으며, o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔에 비하여 디클로로톨루엔의 끊는점이 높기 때문에 증류를 통하여 분리 및 회수할 수 있다. 구체적으로, 상기 증류를 통하여 제2 증류탑(600)의 상부로 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔을 회수할 수 있으며, 제2 증류탑(600)의 하부로 디클로로톨루엔을 회수할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 방법은, 톨루엔과 염소의 반응 생성물에서 먼저 미반응 톨루엔을 분리 및 회수한 다음, 나머지 생성물을 염기성 용액과 접촉시켜 촉매를 제거함으로써, 미반응 톨루엔과 염기성 용액의 접촉을 근본적으로 차단하여, 회수되는 미반응 톨루엔에 수분 함량이 최소화할 수 있다. 이에 따라 반응에 사용하는 톨루엔의 수분 제거시 공비 증류와 같이 에너지 사용량이 많은 공정을 생략할 수 있어, 전체적인 제조 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제조 방법을 도식적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 비교예로서 종래의 제조 방법을 도식적으로 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
비교예
도 2와 같은 공정으로 수행하였다. 구체적으로, 톨루엔(수분 함량 2000 ppm)이 포함된 원료를 증류탑에서 증류하였으며, 이때 증류탑의 단수는 25단이고, 공급단 12단이고, 증류탑 상부의 온도는 84℃, 증류탑 하부의 온도는 110℃였다. 물/톨루엔의 공비 증류에 의해서 증류탑 상부로 1:1의 몰 비로 물과 톨루엔을 회수하고, 증류탑 하부로 순수한 톨루엔을 회수하였다. 이때 공비 증류에 필요한 에너지는 하기 표 1과 같았다(사용한 Heating Source가 15.5KG Steam이고, 스팀은 130℃ 이상의 것을 사용).
상기 증류탑 하부로 배출된 톨루엔을 염소화 반응시켰다. 촉매로 FeCl3와 S2Cl2를 반응물 대비 각각 300 ppm, 150 ppm을 사용하였다. 반응 후 촉매를 제거하기 위해서 10 중량% 수산화나트륨 수용액을 사용하였다. 이후 층분리기를 이용하여 유기물 층과 물층으로 분리하였다. 층분리 후 유기물 층의 수분 함량을 측정한 결과 약 2000 ppm로 측정되었다. 이어, 상기 생성물을 증류하여 미반응 톨루엔을 회수하였으며, 이때 미반응 톨루엔의 수분 함량은 약 2600 ppm으로 측정되었다.
실시예
도 1과 같은 공정으로 수행하였다. 구체적으로, 톨루엔(수분 함량 200 ppm)이 포함된 원료를 제올라이트가 채워진 물 제거탑에 공급하여 수분을 제거하였다. 수분 함량이 10 ppm에 도달하면 고온의 질소를 공급하여 흡착제를 재생하였고, 톨루엔은 반응기로 공급하여 염소화 반응시켰다. 염소화 반응은 상기 비교예와 동일하게, 촉매로 FeCl3와 S2Cl2를 반응물 대비 각각 300 ppm, 150 ppm을 사용하였다. 염소화 반응 후 촉매를 제거하지 않고 제1 증류탑으로 공급하였으며, 이때 제1 증류탑으로 공급되는 물질에는 수분 소스(source)가 없기 때문에, 수분 함량이 10 ppm 이하로 측정되었다.
이어, 제1 증류탑에서 증류하여 미반응 톨루엔을 회수하였으며, 이때 미반응 톨루엔의 수분 함량은 0 ppm으로 측정되었다. 나머지 생성물은 회수하여 10 중량%의 수산화나트륨 수용액을 사용하여 촉매를 제거하고, 층분리 후 제2 증류탑에서 증류한 결과, o-클로로톨루엔과 p-클로로톨루엔의 이성질체 몰 비율은 1.1:1 내지 1.2:1이었고, 이때, 클로로톨루엔과 부생성물인 디클로로톨루엔을 기준으로 클로로톨루엔의 수율은 99% 이상이었다.
상기 실시예 및 비교예의 에너지 사용량 및 회수된 미반응 톨루엔에 포함된 수분 함량의 측정 결과를 이하 표 1에 정리하여 나타내었다. 하기 표 1에서 에너지 사용량은 수분 제거를 위하여 사용한 에너지를 의미하며, 비교예는 증류탑에서 공비 증류에 사용된 에너지를, 실시예는 물 제거탑에서 수분의 흡착 및 흡착제의 재생에 필요한 에너지를 의미한다.
회수된 톨루엔에 포함된 수분 함량(wtppm) 에너지 사용량(Product 톤당 필요 열량) 비교예 대비 에너지 절감 효과
비교예 2600 ppm 37.8 kw -
실시예 0 ppm 10.5 kw 73.55% 저감
상기 표 1에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 제조 방법은, 비교예와 달리 회수된 톨루엔에 수분이 실질적으로 포함되어 있지 않았으며, 이에 따라 톨루엔으로부터 수분을 제거하기 위한 공비 증류가 필요하지 않아 에너지 사용량이 현저히 감소됨을 확인할 수 있었다.
100: 톨루엔 공급기
200: 물 제거탑
201: 질소 공급기
300: 반응기
400: 제1 증류탑
500: 촉매 제거기
600: 제2 증류탑

Claims (11)

1) 톨루엔 공급기로부터 물 제거탑으로 공급된 톨루엔을 흡착제와 접촉시켜 툴루엔으로부터 수분을 제거하는 단계;
2) 상기 물 제거탑으로부터 반응기로 공급된 톨루엔을 촉매의 존재 하에 염소와 반응시키는 단계;
3) 상기 반응기로부터 제1 증류탑으로 공급된 생성물을 증류하여 톨루엔과 나머지 생성물로 분리하는 단계;
4) 상기 제1 증류탑으로부터 촉매 제거기로 공급된 나머지 생성물을 수산화나트륨 수용액과 접촉시켜 촉매를 제거하는 단계; 및
5) 상기 촉매 제거기로부터 제2 증류탑으로 공급된 촉매가 제거된 나머지 생성물을 증류하여 o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔을 분리 및 회수하는 단계를 포함하는,
o-클로로톨루엔 및 p-클로로톨루엔의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 흡착제는 제올라이트인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 물 제거탑의 하부로 질소 가스를 공급하는 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
제3항에 있어서,
상기 질소 가스의 온도는 250℃ 내지 350℃이고, 질소 가스의 공급량은 1 ㎥/hr 내지 1000 ㎥/hr인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 물 제거탑으로부터 반응기로 공급된 톨루엔에 포함된 수분의 함량은 10 ppm 이하인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 촉매는 FeCl3, 페로센(ferrocene), PtO2, SbCl3, 또는 Fe인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 촉매와 함께, S2Cl2, 티안트렌(thianthrene), 디페닐셀레니드(diphenylselenide), 페녹사틴 유도체(phenoxathin derivative), 테트라클로로페녹사틴(tetrachlorophenoxathin), 디클로로티안트렌(dichlorothiantrene), 테트라클로로티안트렌(tetrachlorothiantrene), 또는 폴리클로로티안트렌(polychlorothiantrene)의 조촉매를 사용하는 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 반응기의 상부로 HCl을 회수하는 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 증류탑에서 분리된 톨루엔을 상기 톨루엔 공급기, 또는 상기 반응기로 공급하는 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1 증류탑에서 분리된 톨루엔에 포함된 수분 함량이 10 ppm 이하인 것을 특징으로 하는,
제조 방법.
삭제
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