KR101789290B1 - 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 방법 및 장치 - Google Patents

카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정에서 발생한 부산물인 니트릴에 황산촉매의 존재 하에서 트리플루오로아세트산을 투입하여 에스터 화합물을 생성한 다음 가수분해를 통해 카르복실산 아미드 화합물을 생성함으로써 원료가 낭비되지 않고 폐기물이 대폭 감소하면서도 카르복실산 아미드 화합물의 제조공정의 반복에 따른 추가적인 시간과 비용이 발생하지 않아 고효율의 공정으로 부산물로부터 카르복실산 아미드 화합물을 재생할 수 있다.

Description

카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 방법 및 장치{Method and apparatus for recycling by-products of carboxylic acid amide compound manufacturing process}
카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 카르복실산 아미드 화합물로 재생하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
계면활성제, 플라스틱첨가제, 비누, 화장품, 의약품, 윤활유 또는 바이오디젤 등의 원료로 사용되는 카르복실산 아미드 화합물은 광범위하게 사용되는 유용한 물질이다. 카르복실산 아미드 화합물은 일반적으로 카르복실산(RCOOH)과 암모니아(NH3) 혹은 1차나 2차 아민(RNH2, R2NH)을 반응시켜 생산할 수 있으며, 이미 오래전부터 다양한 종류가 생산되고 있는 공지의 물질이다. 지방산과 같이 카르복실기를 가진 물질을 통칭 카르복실산이라고 하며, 카르복실산에 의해 형성된 아미드를 카르복실산 아미드 화합물이라고 한다. 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 방법은 여러 가지가 알려져 있는데, 대부분의 카르복실산 아미드 화합물의 제조 방법에서 카르복실산과 암모니아가 반응함에 따라 95% 이상이 카르복실산 아미드 화합물이 생산되나, 5% 미만 부산물인 니트릴이 생성된다.
대한민국등록특허 제10-1678461호는 카르복실산 아미드 화합물을 단시간 내에 대량으로 제조할 수 있는 방법 및 장치를 개시하고 있다. 이 종래기술에 따르면, 다양한 종류의 카르복실산과 암모니아의 반응에 따른 최종산물의 약 3% 미만이 니트릴로 생성된다. 이러한 니트릴은 산업폐기물로 취급되며 대한민국 환경부의 폐기물관리법이 규정한 기준에 맞게 설치된 폐기물처리시설에 의해 처리된다. 따라서, 폐기물처리로 많은 비용이 소비될 뿐만 아니라, 카르복실산 아미드 화합물의 제조 공정에서 발생되는 부산물로 인해 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는데 필요한 원료가 낭비되는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허 제10-1430393호에서는 지방산유도체를 생산하기 위하여 지방산과 암모니아를 반응시키는 경우에 발생하게 되는 부산물을 재생하여 재사용할 수 있는 지방산 유도체 생산공정에 적용되는 부산물 재생장치를 개시하고 있다. 이 종래기술에 따르면, 지방산 유도체를 생산하는 과정에서 발생하는 부산물을 묽은 황산수용액을 이용하여 다시 지방산으로 환원하여 재사용한다. 그러나, 이 종래기술은 부산물을 중간산물인 지방산으로 환원하기 때문에 환원된 지방산으로부터 지방산유도체를 생산하기 위해서는 지방산 유도체 생산공정을 한 번 더 진행하게 되어 추가적인 시간과 비용이 발생한다는 문제점이 있었다.
카르복실산 아미드 화합물의 제조공정에서 버려지는 부산물로부터 직접 최종산물에 해당하는 카르복실산 아미드 화합물을 생성함으로써 원료가 낭비되지 않고 폐기물이 대폭 감소하면서도 카르복실산 아미드 화합물의 제조공정의 반복에 따른 추가적인 시간과 비용이 발생하지 않아 고효율의 공정으로 카르복실산 아미드 화합물의 제조 공정에서 발생한 부산물을 재생할 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 방법은 카르복실산과 암모니아를 반응시킴으로써 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정의 생성물로부터 부산물에 해당하는 니트릴을 분리하는 니트릴 분리 단계; 환원탱크에 상기 분리된 니트릴을 투입하는 니트릴 투입 단계; 상기 환원탱크에 황산을 투입하는 황산 투입 단계; 상기 환원탱크에 트리플루오로아세트산을 투입하는 트리플루오로아세트산 투입 단계; 상기 황산을 촉매로 사용하여 상기 니트릴과 상기 트리플루오로아세트산을 반응시킴으로써 에스터 화합물을 생성하는 에스터 생성 단계; 수화탱크에 물을 투입하는 급수 단계; 상기 에스터 화합물을 상기 물이 채워진 수화탱크에 투입하는 에스터 투입 단계; 및 상기 에스터 화합물의 수화 반응을 진행시킴으로써 카르복실산 아미드 화합물을 생성하는 수화 반응 단계를 포함한다.
상기 에스터 생성 단계는 가역적으로 상기 니트릴에 상기 황산에서 해리된 수소이온이 결합함으로써 니트릴리움 이온을 생성하는 단계; 및 비가역적으로 상기 니트릴리움 이온과 상기 트리플루오로아세트산이 각각 친전자체와 친핵체로서 반응함으로써 상기 에스터 화합물을 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 수화 반응 단계는 상기 에스터 화합물을 가수분해함으로써 상기 카르복실산 아미드 화합물을 생성함과 동시에 상기 트리플루오로아세트산을 환원시킬 수 있다.
상기 황산 투입 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 0.2 ~ 0.8몰의 황산을 투입할 수 있다. 상기 트리플루오로아세트산 투입 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 0.9 ~ 1.3몰의 트리플루오로아세트산을 투입할 수 있다. 상기 황산 투입 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 0.36몰의 황산을 투입하고, 상기 트리플루오로아세트산 투입 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 1몰의 트리플루오로아세트산을 투입할 수 있다. 상기 급수 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 4 ~ 6몰의 물을 투입할 수 있다. 상기 급수 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 5몰의 물을 투입할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 장치는 카르복실산과 암모니아를 반응시킴으로써 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정의 생성물로부터 부산물에 해당하는 니트릴을 분리하는 처리탱크; 황산을 촉매로 사용하여 상기 처리탱크에서 분리된 니트릴과 트리플루오로아세트산을 반응시킴으로써 에스터 화합물을 생성하는 환원탱크; 상기 환원탱크에 상기 황산을 투입하는 황산 투입기; 상기 환원탱크에 상기 트리플루오로아세트산을 투입하는 트리플루오로아세트산 투입기; 상기 환원탱크에서 생성된 에스터 화합물의 수화반응을 진행시킴으로서 카르복실산 아미드 화합물을 생성하는 수화탱크; 및 상기 수화탱크에 물을 투입하는 급수기를 포함한다.
카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정에서 발생한 부산물인 니트릴에 황산촉매의 존재 하에서 트리플루오로아세트산을 투입하여 에스터 화합물을 생성한 다음 가수분해를 통해 카르복실산 아미드 화합물을 생성함으로써 원료가 낭비되지 않고 폐기물이 대폭 감소하면서도 카르복실산 아미드 화합물의 제조공정의 반복에 따른 추가적인 시간과 비용이 발생하지 않아 고효율의 공정으로 부산물로부터 카르복실산 아미드 화합물을 재생할 수 있다. 또한, 이러한 부산물의 재생 공정은 상온 조건에서 이루어지기 때문에 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라, 짧은 시간 내에 높은 수율로 카르복실산 아미드 화합물을 얻는 것이 가능하여 시간 효율면에서도 우수하다.
에스터 화합물을 생성하는 단계는 가역적으로 니트릴에 황산에서 해리된 수소이온이 결합함으로써 니트릴리움 이온을 생성하는 단계와 비가역적으로 니트릴리움 이온과 트리플루오로아세트산이 각각 친전자체와 친핵체로서 반응함으로써 에스터 화합물을 생성하는 단계로 이루어짐으로써 다른 부가반응 없이 니트릴이 에스터 화합물로 전환될 수 있고, 에스터 화합물은 이어서 진행되는 수화 반응 단계에서의 가수분해를 통해 카르복실산 아미드 화합물이 생성되기 때문에 부산물인 니트릴로부터 높은 수율로 카르복실산 아미드 화합물을 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부산물을 재생하는 방법의 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부산물을 재생하는 장치의 구성도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 종래의 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 장치는 카르복실산과 암모니아를 반응시킴으로써 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는데, 최종산물에 해당하는 카르복실산 아미드 화합물 이외에 부산물이 발생하게 된다. 이하에서 설명되는 본 발명의 실시예들은 이러한 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물로부터 직접 카르복실산 아미드 화합물을 생성함으로써 고효율의 공정으로 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 방법 및 장치에 관한 것으로, 이하에서는 이러한 방법을 간략하게 "부산물의 재생 방법"으로 호칭할 수도 있고, 이러한 장치를 간략하게 "부산물의 재생 장치"로 호칭할 수도 있다.
도 1은 종래의 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 장치의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래의 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 장치는 카르복실산 투입기(250), 히터(100), 제 1 반응탱크(210), 제 2 반응탱크(220), 제 1 촉매 투입기(261), 제 2 촉매 투입기(262), 제 1 암모니아 투입기(281), 제 2 암모니아 투입기(282), 처리탱크(300), 제어기, 및 다수 개의 밸브로 구성된다. 도 1에는 제어기의 도시와 다수개의 밸브를 지시하는 부호가 생략되어 있다. 도 1에 도시된 장치는 대한민국 등록특허 제10-1678461호에 개시되어 있는 장치로서 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정의 부산물로 니트릴이 생성됨을 보여주기 위한 일례일 뿐이며 대한민국등록특허 제10-1678461호에 상세하게 설명되어 있으므로, 이하에서는 간략하게 설명하기로 한다.
카르복실산 투입기(250)는 히터(100)로 액체 상태의 카르복실산을 투입한다. 히터(100)는 카르복실산 투입기(250)로부터 투입된 카르복실산을 가열한 후 가열된 카르복실산의 일부를 제 1 반응탱크(210)로 투입하고, 나머지를 제 2 반응탱크(220)로 투입한다. 제 1 촉매 투입기(261)는 제 1 반응탱크(210)로 전이금속 중 Ⅳb족에 해당하는 금속 소재 또는 알킬주석 소재의 분말 상태 또는 액체 상태의 제 1 촉매를 투입한다. 제 1 암모니아 투입기(281)는 제 1 반응탱크(210)로 기체 상태의 제 1 암모니아를 투입한다. 제 1 반응 탱크(210)는 제 1 촉매의 존재 하에 히터(100)에 의해 가열된 카르복실산 중 일부에 해당하는 제 1 카르복실산과 제 1 암모니아 투입기(281)로부터 투입된 제 1 암모니아를 반응시킨다.
카르복실산에 속하는 부티르산(butyric acid), 카프로산(caproic acid), 카프릴산(caprylic acid), 카프르산(capric acid), 라우르산(lauric acid), 미리스트산(myristic acid), 팔미트산(palmitic acid), 스테아르산(stearic acid), 올레산(oleic acid), 아라키딕산(arachidic acid), 베헨산(behenic acid), 에루크산(erucic acid), 리그노세르산(lignoceric acid), 세로트산(cerotic acid), 몬탄산(montanic acid), 멜리스산(melissic acid), 라세로익산(lacceroic acid), 게드산(geddic acid), 헥사트라이아콘틸산(hexatriacontylic acid) 중 적어도 한 종류 이상의 카르복실산이 히터(100)에 투입될 수 있다.
제 2 촉매 투입기(262)는 제 2 반응탱크(220)로 전이금속 중 Ⅳb족에 해당하는 금속 소재 또는 알킬주석 소재의 분말 상태 또는 액체 상태의 제 2 촉매를 투입한다. 제 2 암모니아 투입기(282)는 제 2 반응탱크(220)로 기체 상태의 제 2 암모니아를 투입한다. 제 2 반응탱크(220)는 제 2 촉매의 존재 하에 히터(100)에 의해 가열된 카르복실산 중 일부에 해당하는 제 2 카르복실산과 제 2 암모니아 투입기(282)로부터 투입된 제 2 암모니아를 반응시킨다. 제 1 반응탱크(210)는 제 2 반응탱크(220)에 제 2 카르복실산과 제 2 촉매를 투입하고 제 2 반응탱크(220)의 내부를 가열하는 준비공정이 진행되는 동안에 제 1 카르복실산과 제 1 암모니아를 반응시키는 반응공정을 진행하고, 제 2 반응탱크(220)는 제 1 반응탱크(210)에 제 1 카르복실산과 제 1 촉매를 투입하고 제 1 반응탱크(210)의 내부를 가열하는 준비공정이 진행되는 동안에 제 2 카르복실산과 제 2 암모니아를 반응시키는 반응공정을 진행한다.
처리탱크(300)는 제 1 반응탱크(210)와 제 2 반응탱크(220) 중 어느 하나로부터 번갈아 가며 유입되는 상기된 반응공정의 생성물로부터 카르복실산 아미드 화합물을 분리해낸다. 상기된 반응공정의 생성물에 가성소다를 투입하거나 각 물질의 끊는 점 차이를 이용하여 카르복실산 아미드 화합물과 미반응 카르복실산, 촉매와 부가반응으로 생성된 불순물인 니트릴로부터 카르복실산 아미드 화합물을 분리해낸다. 대한민국등록특허 제10-1430393호 "지방산 유도체 생산공정에 적용되는 부산물 재생장치"는 카르복실산의 일종인 지방산과 암모니아의 반응 생성물에 가성소다를 투입하여 미반응 지방산을 분리해내고, 이것에 황산수용액을 반응시켜 지방산으로 환원하는 부산물 재생장치를 개시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 부산물을 재생하는 방법의 흐름도이다. 도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 부산물의 재생 방법은 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정의 생성물로부터 부산물에 해당하는 니트릴(RCN)을 분리하는 니트릴 분리 단계(11), 니트릴을 투입하는 니트릴 투입 단계(12), 황산(H2SO4)을 투입하는 황산 투입 단계(13), 트리플루오로아세트산(CF3COOH)을 투입하는 트리플루오로아세트산 투입 단계(14), 황산을 촉매로 사용하여 니트릴과 트리플루오로아세트산을 반응시킴으로써 에스터를 생성하는 에스터 생성 단계(15), 물을 투입하는 급수 단계(21), 에스터를 투입하는 에스터 투입 단계(31), 에스터의 수화 반응을 진행시키는 수화 반응 단계(32), 및 수화 반응 단계(32)의 생성물로부터 카르복실산 아미드 화합물을 분리하는 카르복실산 아미드 화합물 분리 단계(33)로 구성된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 부산물을 재생하는 장치의 구성도이다. 도 3를 참조하면, 본 실시예에 따른 부산물을 재생하는 장치는 도 2에 도시된 부산물 재생 방법을 수행하기 위한 장치로서 처리탱크(300), 제 1 저장탱크(410), 환원탱크(420), 황산 투입기(430), 트리플루오로아세트산 투입기(440), 수화탱크(510), 급수기(520), 제 2 저장탱크(610), 정화탱크(620), 제어기, 및 다수 개의 밸브로 구성된다. 제어기는 도 2에 도시된 부산물 재생 방법에 따라 각 밸브의 개폐를 제어한다. 도 3이 복잡해짐에 따라 본 실시예의 특징이 흐려지는 것을 방지하기 위하여 제어기의 도시를 생략하고 다수 개의 밸브를 지시하는 부호를 생략하기로 한다. 본 실시예에 따른 부산물을 재생하는 장치의 처리탱크(300)는 도 1에 도시된 종래의 카르복실산 아미드 화합물 제조 장치의 처리탱크(300)에 해당한다.
니트릴 분리 단계(11)에서 처리탱크(300)는 제 1 반응탱크(210)와 제 2 반응탱크(220) 중 어느 하나로부터 번갈아 가며 유입되는 상기된 반응 공정의 생성물로부터 기체 상태의 카르복실산 아미드 화합물과 부산물에 해당하는 니트릴을 분리해낸다. 상술한 바와 같이, 상기된 반응 공정은 카르복실산과 암모니아를 반응시킴으로써 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정을 말한다. 예를 들어, 처리탱크(300)는 분별증류법, 즉 물질의 끊는 점 차이를 이용하여 제 1 반응탱크(210)와 제 2 반응탱크(220) 중 어느 하나로부터 번갈아 가며 유입되는 액체 상태의 생성물로부터 기체 상태의 카르복실산 아미드 화합물과 부산물에 해당하는 니트릴을 분리해낼 수 있다. 처리탱크(300)는 그 내부의 물질을 분별증류하기 위해 그 내부의 물질을 가열하는 수단(미도시)을 구비할 수 있다.
니트릴 투입 단계(12)에서 처리탱크(300)는 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 생성물로부터 분리된 기체 상태의 니트릴을 환원탱크(420)에 투입한다. 제어기에 의해 처리탱크(300)와 제 1 저장탱크(410) 사이에 삽입된 밸브가 폐쇄된 상태에서 처리탱크(300)와 환원탱크(420) 사이에 삽입된 밸브가 일시적으로 개방되면, 처리탱크(300)와 환원탱크(420) 사이에 삽입된 밸브가 개방된 동안 처리탱크(300)로부터 환원탱크(420)로 니트릴이 투입된다. 자연 냉각 또는 강제 냉각에 의해 환원탱크(420) 내에서 니트릴이 액화될 수도 있고, 처리탱크(300)로부터 배출된 니트릴은 처리탱크(300)와 환원탱크(420)를 연결하는 배관을 통과하는 과정에서 액화될 수도 있다. 제 1 저장탱크(410)와 배관 중 적어도 하나는 그 내부의 카르복실산 아미드 화합물을 강제로 냉각하기 위한 수단(미도시)을 구비할 수 있다.
본 실시예에 따른 부산물의 재생과는 관련은 없으나, 니트릴 투입 단계(12)와는 별개의 단계로 처리탱크(300)는 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 생성물로부터 분리된 기체 상태의 카르복실산 아미드 화합물을 제 1 저장탱크(410)에 투입한다. 제어기에 의해 처리탱크(300)와 환원탱크(420) 사이에 삽입된 밸브가 폐쇄된 상태에서 처리탱크(300)와 제 1 저장탱크(410) 사이에 삽입된 밸브가 일시적으로 개방되면, 처리탱크(300)와 제 1 저장탱크(410) 사이에 삽입된 밸브가 개방된 동안 처리탱크(300)로부터 제 1 저장탱크(410)로 카르복실산 아미드 화합물이 투입되어 제 1 저장탱크(410)에는 카르복실산 아미드 화합물이 저장되게 된다. 제 1 저장탱크(410) 내에서 자연 냉각 또는 강제 냉각에 의해 카르복실산 아미드 화합물의 액화가 진행되게 된다. 자연 냉각 또는 강제 냉각에 의해 제 1 저장탱크(410) 내에서 카르복실산 아미드 화합물이 액화될 수도 있고, 처리탱크(300)로부터 배출된 카르복실산 아미드 화합물이 처리탱크(300)와 제 1 저장탱크(410)를 연결하는 배관을 통과하는 과정에서 액화될 수도 있다. 제 1 저장탱크(410)와 배관 중 적어도 하나는 그 내부의 카르복실산 아미드 화합물을 강제로 냉각하기 위한 수단(미도시)을 구비할 수 있다.
니트릴 투입 단계(12)에서 환원탱크(420)에 투입되는 니트릴은 지방족 니트릴 또는 방향족 니트릴일 수 있다. 지방족 니트릴의 예로는 부틸 니트릴(butyl nitrile), 카프로니트릴(capronitrile), 라우릭 니트릴(lauric nitrile), 미리스틸 니트릴(myristyl nitrile), 팔미xlf 니트릴(palmityl nitrile), 스테아릴 니트릴(stearyl nitrile), 올레오니트릴(oleonitrile), 아라키딜 니트릴(arachidyl nitrile), 베헤닐 니트릴(behenyl nitrile), 리그노세릭 니트릴(lignoceric nitrile), 몬타닐 니트릴(montanyl nitrile), 멜리실 니트릴(melissyl nitrile) 등을 들 수 있다. 방향족 니트릴의 예로는 벤조니트릴(benzonitrile), 클로로벤조니트릴(chlorobenzonitrile), p-브로모벤조니트릴(p-bromobenzonitrile), p-니트로벤조니트릴(p-nitrobenzonitrile), p-메톡시벤조니트릴(p-methosy benzonitrile), 신나모니트릴(cinnamonitirle) 등을 들 수 있다.
상술한 바와 같이, 처리탱크(300)로부터 카르복실산 아미드 화합물과 니트릴이 분리되어 배출되면, 처리탱크(300)에는 미반응 카르복실산과 촉매 등과 같은 부산물이 남아 있을 수 있다. 상술한 바와 같이, 미반응 카르복실산과 촉매는 정화 처리된 후에 폐기될 수도 있다. 이와 같은 공정은 본 실시예의 특징과 관련이 없으므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 한다.
황산 투입 단계(13)에서 황산 투입기(430)는 니트릴이 투입된 환원탱크(420)에 액체 상태의 황산을 투입한다. 황산 투입기(430)는 액체 상태의 황산이 저장된 탱크로 구현될 수 있다. 제어기에 의해 황산 투입기(430)와 환원탱크(420) 사이에 삽입된 밸브가 일시적으로 개방되면, 황산 투입기(430)와 환원탱크(420) 사이에 삽입된 밸브가 개방된 동안 황산 투입기(430)로부터 환원탱크(420)로 황산이 투입된다. 황산 투입기(430)는 환원탱크(420)에 투입된 니트릴 1몰당 0.2 ~ 0.8몰의 황산을 투입한다. 상술한 바와 같은 니트릴의 종류에 따라 니트릴 1몰당 0.2 ~ 0.8몰의 범위 내에서 황산의 최적 몰비는 변화될 수 있다.
니트릴 1몰에 대해 황산을 0.2몰 미만으로 투입하면, 본 실시예가 목표로 하는 최소 80%의 수율을 얻기 위해서는 니트릴의 종류에 따라 약간의 차이는 있으나 대부분 이후의 에스터 생성 단계(15)를 8시간 이상 진행해야 때문에 부산물 재생 효율이 낮아지는 문제가 있고, 니트릴 1몰에 대해 황산을 0.8몰 초과하여 투입하면, 부산물 재생의 전과정이 종료되고 남은 폐수의 양이 증가하는 문제가 있다. 니트릴의 종류에 따라 니트릴과 황산간의 최적 몰비는 변화될 수 있으나, 환원탱크(420)에 투입된 니트릴 1몰당 0.36 몰의 황산을 투입한 결과 니트릴의 종류에 무관하게 평균적으로 높은 수율로 카르복실산 아미드 화합물을 얻을 수 있었다.
트리플루오로아세트산 투입 단계(14)에서 트리플루오로아세트산 투입기(440)는 니트릴과 황산이 투입된 환원탱크(420)에 액체 상태의 트리플루오로아세트산을 투입한다. 트리플루오로아세트산 투입기(440)는 액체 상태의 트리플루오로아세트산이 저장된 탱크로 구현될 수 있다. 제어기에 의해 트리플루오로아세트산 투입기(440)와 환원탱크(420) 사이에 삽입된 밸브가 개방되면, 트리플루오로아세트산 투입기(440)와 환원탱크(420) 사이에 삽입된 밸브가 개방된 동안 트리플루오로아세트산 투입기(440)로부터 환원탱크(420)로 트리플루오로아세트산이 투입된다. 트리플루오로아세트산 투입기(440)는 환원탱크(420)에 투입된 니트릴 1몰당 0.9 ~ 1.3몰의 트리플루오로아세트산을 투입한다. 상술한 바와 같은 니트릴의 종류에 따라 니트릴 1몰당 0.9 ~ 1.3몰의 범위 내에서 트리플루오로아세트산의 최적 몰비는 변화될 수 있다.
니트릴 1몰에 대해 트리플루오로아세트산을 0.9 몰 미만으로 투입하면, 이후의 에스터 생성 단계(15)에서 에스터 혼합물이 너무 적게 생성되기 때문에 카르복실산 아미드 화합물의 수율이 낮아지는 문제가 있고, 니트릴 1 몰에 대해 트리플루오로아세트산을 1.3 몰 초과하여 투입하면, 부산물의 재생 과정이 종료되고 남은 폐수의 양이 증가하는 문제가 있다. 니트릴의 종류에 따라 니트릴과 트리플루오로아세트산간의 최적 몰비는 변화될 수 있으나, 환원탱크(420)에 투입된 니트릴 1몰당 1몰의 트리플루오로아세트산을 투입한 결과 니트릴의 종류에 무관하게 평균적으로 높은 수율로 카르복실산 아미드 화합물을 얻을 수 있었다.
에스터 생성 단계(15)에서 환원탱크(420)는 황산을 촉매로 사용하여 니트릴과 트리플루오로아세트산을 반응시킴으로써 액체 상태의 에스터 화합물을 생성한다. 환원탱크(420) 내부에 위치하여 모터(M)에 의해 회전되는 프로펠러(421)는 환원탱크(420) 내부의 물질을 교반함으로써 니트릴과 트리플루오로아세트산의 반응이 활발하게 이루어지도록 한다. 환원탱크(420)로 투입된 니트릴, 황산, 트리플루오로아세트산은 아래에서 설명할 두 단계의 가역 반응과 비가역 반응을 거쳐 에스터 화합물이 생성된다. 본 실시예에 따른 부산물 재생 공정은 상온 조건에서 진행되는 것이 에너지 효율면에서 바람직하고, 보다 짧은 시간 내에 본 실시예가 목표로 하는 수율로 카르복실산 아미드 화합물을 얻는 것이 시간 효율면에서 바람직하다. 아래의 시험예를 비롯한 다수의 시험 결과, 에스터 생성 단계(15)는 상온 조건에서 3~4 시간 동안에 진행될 경우에 본 실시예에 따른 부산물 재생의 효율이 매우 우수함을 알 수 있었다. 에스터 생성 단계(15)의 진행 시간이 3시간 미만이면 카르복실산 아미드 화합물의 수율이 급격하게 떨어지고, 4시간을 초과하면 카르복실산 아미드 화합물의 수율 상승이 매우 더디게 진행된다.
먼저, 환원탱크(420)는 상온 조건에서 하기된 반응식 1에 따라 가역적으로 니트릴(RCN)에 황산(H2SO4)에서 해리된 수소이온(H+)이 결합함으로써 니트릴리움 이온(RCNH+)을 생성한다. 반응식 1에 나타난 바와 같이, 니트릴리움 이온은 탄소(C)와 질소(N)가 번갈아 가며 양이온화되는 공명 구조로 이러한 양이온화로 인해 탄소 또는 질소의 친전자성이 강해지게 된다.
[반응식 1]
Figure 112017018639997-pat00001
이어서, 환원탱크(420)는 상온 조건에서 하기된 반응식 2에 따라 비가역적으로 니트릴리움 이온(RCNH+)과 트리플루오로아세트산(CF3COOH)이 각각 친전자체와 친핵체로서 반응함으로써 에스터 화합물을 생성한다. 반응식 2에서는 니트릴리움 이온의 두 공명 구조 중 탄소가 양이온화된 니트릴리움 이온만 대표적으로 표기하였고, 이는 탄소가 양이온화된 구조만 반응한다는 것을 의미하는 것은 아니다.
[반응식 2]
Figure 112017018639997-pat00002
반응식 2에 나타난 바와 같이, 니트릴리움 이온은 친전자체로서 친핵체인 트리플루오로아세트산과 결합하여 에스터 화합물이 생성된다. 친핵체(nucleophile)는 화학 반응에서 화학 결합을 형성하기 위해 친전자체(electrophile)에게 전자를 제공하는 화학종이다. 양전하를 띠고 있는 니트릴리움 이온은 트리플루오로아세트산으로부터 전자를 받음으로써 친전자체의 역할을 하고, 트리플루오로아세트산은 니트릴 양이온에 전자를 제공함으로써 친핵체 역할을 한다. 니트릴과 트리플루오로아세트산은 일반적으로 반응하지 않기 때문에 황산을 촉매로 니트릴을 니트릴리움 이온으로 전화하여 트리플루오로아세트산과 반응할 조건을 만들어 준다.
에스터 생성 단계(15)에서 반응식 1에 따른 니트릴리움 이온의 생성 단계는 가역적이고, 반응식 2에 따른 에스터 화합물의 생성 단계는 비가역적이기 때문에 충분한 시간이 경과함에 따라 다른 부가반응 없이 니트릴 전부가 에스터 화합물로 전환될 수 있다. 니트릴 전부가 에스터 화합물로 전환되는 데에 소요되는 시간이 지나치게 길면 부산물 재생의 효율이 매우 떨어지기 때문에 카르복실산 아미드 화합물의 수율 상승이 더디게 이루어지는 시점에서 에스터 생성 단계(15)의 진행을 멈추는 것이 부산물 재생의 효율면에서 바람직하다. 에스터 생성 단계(15)가 완료되면 환원탱크(420)에는 두 단계의 화학반응의 생성물로서 에스터 화합물과 촉매로서의 황산, 트리플루오로아세트산, 미반응 니트릴 등과 같은 부산물이 존재하게 된다.
급수 단계(21)에서 급수기(520)는 수화탱크(510)에 물을 투입한다. 급수기(520)는 물이 저장된 탱크로 구현될 수 있다. 제어기의 제어에 의해 수화탱크(510)와 급수기(520) 사이에 삽입된 밸브가 일시적으로 개방되면, 수화탱크(510)와 급수기(520) 사이에 삽입된 밸브가 개방된 동안 급수기(520)로부터 물이 수화탱크(510)로 투입된다. 본 실시예에 따른 부산물 재생 공정의 효율을 위해, 에스터 화합물이 생성되기까지의 11~15 단계와 급수 단계(21)는 동시에 진행될 수 있다. 급수기(520)는 환원탱크(420)에 투입된 니트릴 1몰당 4 ~ 6몰의 물을 투입한다. 상술한 바와 같은 니트릴의 종류에 따라 니트릴 1몰당 4 ~ 6몰의 범위 내에서 물의 최적 몰비는 변화될 수 있다.
니트릴 1몰에 대해 물을 4몰 미만으로 투입하면, 환원탱크(420)로부터 수화탱크(510)로 에스터 화합물과 함께 투입되는 황산, 트리플루오로아세트산, 미반응 니트릴 등과 같은 부산물이 거의 용해되지 않기 때문에 수화 반응 단계(32)에서 에스터가 카르복실산 아미드 화합물로 가수분해되는 반응을 방해하여 카르복실산 아미드 화합물의 수율이 감소되는 문제가 있고, 니트릴 1몰에 대해 물을 6몰 초과하여 투입하면, 부산물의 재생 과정이 종료되고 남은 폐수의 양이 증가하는 문제가 있다. 니트릴의 종류에 따라 니트릴과 물간의 최적 몰비는 변화될 수 있으나, 환원탱크(420)에 투입된 니트릴 1몰당 5몰의 물을 투입한 결과 니트릴의 종류에 무관하게 평균적으로 높은 수율로 카르복실산 아미드 화합물을 얻을 수 있었다.
에스터 투입 단계(31)에서 환원탱크(420)는 그 내부의 에스터 화합물을 물이 채워진 수화탱크(510)에 투입한다. 제어기에 의해 환원탱크(420)와 수화탱크(510) 사이에 삽입된 밸브가 일시적으로 개방되면, 환원탱크(420)와 수화탱크(510) 사이에 삽입된 밸브가 개방된 동안 환원탱크(420)로부터 에스터 화합물이 수화탱크(510)로 투입된다. 상술한 바와 같이, 에스터 생성 단계(15)가 완료되면 환원탱크(420)에는 화학반응의 생성물인 에스터 화합물 외에도 황산, 트리플루오로아세트산, 미반응 니트릴 등과 같은 부산물이 남아 있다. 본 실시예에서 환원탱크(420)로부터 수화탱크(510)로 에스터 화합물, 황산, 미반응 니트릴, 미반응 트리플루오로아세트산 등과 같은 부산물이 투입되기 이전에 물을 먼저 투입하는 것은 황산과 물의 발열 반응으로 인한 수화탱크(510)의 온도 편차를 방지하기 위함이다.
물과 황산은 비중차이로 인해 황산이 물 아래로 가라앉게 된다. 물을 황산에 부으면 황산 위에서 물이 끓게 되고, 그로 인해 수화탱크(510) 내부에는 상하로 급격한 온도 차이가 발생하게 된다. 황산을 다량의 물에 부으면, 물과 황산이 반응함과 동시에 황산에 의해 발생한 열이 물 내부로 흡수되기 때문에 수화탱크(510) 내부의 온도가 급격하게 변하지 않게 된다. 수화탱크(510) 내부의 국지적인 과열은 안전성 문제와 함께 카르복실산 아미드 화합물의 수율에도 좋지 않은 영향을 줄 수 있다. 이에 따라, 본 실시예에서는 수화탱크(510)에 물을 먼저 다량으로 투입한 후에 환원탱크(420)와 수화탱크(510) 사이에 삽입된 밸브를 개방한다. 황산, 미반응 니트릴과 미반응 트리플루오로아세트산 등과 같은 부산물은 수화탱크(510)에 투입된 물에 용해된다. 물에 용해된 황산, 미반응 니트릴, 미반응 트리플루오로아세트산 등과 같은 부산물은 이후 수화탱크(510)와 연결된 정화탱크(620)에서 정화 처리된 후에 폐기될 수 있다.
수화 반응 단계(32)에서 수화탱크(510)는 에스터 화합물의 수화 반응을 진행시킴으로써 액체 상태의 카르복실산 아미드 화합물을 생성한다. 수화탱크(510) 내부에 위치하여 모터(M)에 의해 회전되는 프로펠러(511)는 수화탱크(510) 내부의 물질을 교반함으로써 에스터 화합물의 수화 반응이 활발하게 이루어지도록 한다. 수화탱크(510)는 상온 조건에서 하기된 반응식 3에 따라 수화탱크(510)로 투입된 에스터 화합물을 가수분해함으로써 카르복실산 아미드 화합물을 생성하고 트리플루오로아세트산을 환원시킨다. 아래의 시험예를 비롯한 다수의 시험 결과, 수화 반응 단계(32)는 상온 조건에서 1~2 시간 동안 진행될 경우에 본 실시예에 따른 부산물 재생의 효율이 매우 우수함을 알 수 있었다. 수화 반응 단계(32)의 진행 시간이 1시간 미만이면 카르복실산 아미드 화합물의 수율이 급격하게 떨어지고, 2시간을 초과하면 카르복실산 아미드 화합물의 수율 상승이 매우 더디게 진행된다.
[반응식 3]
Figure 112017018639997-pat00003
카르복실산 아미드 화합물 분리 단계(33)에서 수화탱크(510)는 물질의 비중 차이를 이용하여 수화 반응 단계(32)의 생성물로부터 카르복실산 아미드 화합물을 분리한다. 수화 반응 단계(32)에서 생성된 카르복실산 아미드 화합물은 어느 정도 시간이 지나면 물과의 비중 차이로 인해 물 위로 떠오르게 된다. 수화 반응 단계(32)에서 카르복실산 아미드 화합물과 함께 생성된 트리플루오로아세트산은 수용성이기 때문에 물에 용해되고, 카르복실산 아미드 화합물은 소수성이기 때문에 물에 용해되지 않고 물 위로 떠오르게 된다. 수화탱크(510)의 바닥의 배관을 통해 황산, 트리플루오로아세트산, 미반응 니트릴 등과 같은 부산물이 용해된 물을 먼저 배출시킴으로써 수화 반응 단계(32)의 생성물로부터 카르복실산 아미드 화합물을 분리해낼 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제 2 저장탱크(610)와 정화탱크(620)는 삼방향 밸브(three way valve)를 통하여 수화탱크(510)에 병렬로 연결된다. 제어기의 제어에 의해 수화탱크(510)와 정화탱크(620) 사이에 삽입된 밸브가 일시적으로 개방되면, 수화탱크(510)와 정화탱크(620) 사이에 삽입된 밸브가 개방된 동안 수화탱크(510)로부터 정화탱크(620)로 황산, 트리플루오로아세트산, 미반응 니트릴 등과 같은 부산물이 용해된 물이 투입된다. 정화탱크(620)의 내용물은 정화된 후에 폐기된다. 정화탱크(620)는 중화반응 등을 통해 그 내부의 물질을 정화할 수 있다. 수화탱크(510)의 물이 전부 배출되면, 제어기의 제어에 의해 수화탱크(510)와 정화탱크(620) 사이에 삽입된 밸브가 폐쇄되고 수화탱크(510)와 제 2 저장탱크(610) 사이에 삽입된 밸브가 일시적으로 개방된다. 수화탱크(510)와 제 2 저장탱크(610) 사이에 삽입된 밸브가 개방된 동안 수화탱크(510)에 남아 있던 카르복실산 아미드 화합물은 수화탱크(510)로부터 제 2 저장탱크(610)로 투입된다.
전술한 바와 같이, 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정에서 발생한 부산물인 니트릴에 황산촉매의 존재 하에서 트리플루오로아세트산을 투입하여 에스터 화합물을 생성한 다음 가수분해를 통해 카르복실산 아미드 화합물을 생성함으로써 원료가 낭비되지 않고 폐기물이 대폭 감소하면서도 카르복실산 아미드 화합물의 제조공정의 반복에 따른 추가적인 시간과 비용이 발생하지 않아 고효율의 공정으로 부산물로부터 카르복실산 아미드 화합물을 재생할 수 있다. 또한, 이러한 부산물의 재생 공정은 상온 조건에서 이루어지기 때문에 에너지 효율이 우수할 뿐만 아니라, 짧은 시간 내에 높은 수율로 카르복실산 아미드 화합물을 얻는 것이 가능하여 시간 효율면에서도 우수하다.
<실시예 1~7>
전술된 본 발명의 실시예에 따라 다음과 같이 실시예 1에서는 방향족 니트릴의 일종인 p-브로모벤조니트릴을 카르복실산 아미드 화합물로 재생하였다. 먼저 환원탱크(420)로 액체상태의 p-브로모벤조니트릴 1몰을 투입하였다. 이어서, 액체상태의 황산 0.36몰을 환원탱크(420)에 투입하고, 액체상태의 트리플루오로아세트산 1몰을 환원탱크(420)에 투입하였다. 이어서, 환원탱크(420)의 프로펠러(421)를 3시간 30분 동안 회전시켜 환원탱크(420)의 내용물을 교반하였다. 이어서, 물 5몰을 수화탱크(510)에 투입한 후에 환원탱크(420)의 내용물을 수화탱크(510)에 투입하였다. 이어서, 수화탱크(510)의 프로펠러(511)를 1시간 30분 동안 회전시켜 수화탱크(510)의 내용물을 교반하였다. 이어서, 수화탱크(510) 내부의 내용물의 비중 차이를 이용하여 수화탱크(510) 내부의 내용물로부터 카르복실산 아미드 화합물의 일종인 p-브로모벤조아미드를 얻었다.
각 실시예 2~7 에서는 p-브로모벤조니트릴 대신 다음 표 1의 "니트릴 종류"로서 표시된 바와 같은 다른 종류의 니트릴을 이용하여 상술한 바와 같은 실시예 1과 동일한 방법으로 다른 종류의 니트릴을 다른 종류의 카르복실산 아미드 화합물로 재생하였다.
<비교예 1~10>
비교예 1은 황산을 0.15몰 투입하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 비교예 2는 환원탱크(420)의 내용물 교반 15시간, 수화탱크(510)의 내용물 교반 5시간, 총 20시간으로 변경한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일하게 실시하였다. 비교예 3은 환원탱크(420)의 내용물 교반 2시간 30분, 수화탱크(510)의 내용물 교반 30분, 총 3시간으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다. 비교예 4는 황산 투입 단계(13)에서 황산을 1.5몰 투입하고, 환원탱크(420)의 내용물 교반 2시간 30분, 수화탱크(510)의 내용물 교반 30분, 총 3시간으로 변경한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 5는 황산을 투입하지 않는 것을 제외하고 실시예 3과 동일하게 실시하였다. 비교예 6은 황산을 0.15몰 투입하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였다. 비교예 7은 황산을 0.18몰 투입하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였다. 비교예 8은 트리플루오로아세트산을 0.5몰 투입하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였다. 비교예 9는 물을 3몰 투입하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였다. 비교예 10은 환원탱크(420)를 75℃로 가열하는 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였다.
<시험예>
시험예에서는 실시예 1~7과 비교예 1~10에서 니트릴 투입 단계(12)에서 투입된 니트릴의 몰수 대비 수화탱크(510)로부터 얻어지는 카르복실산 아미드의 몰수를 측정하여 니트릴로부터 재생되는 카르복실산 아미드 화합물의 수율(%)을 계산하였다. 실시예 1~7에 따라 니트릴을 카르복실산 아미드 화합물로 재생하는데 사용된 니트릴의 종류, 황산의 함량(mol), 트리플루오로아세트산의 함량(mol), 물의 함량(mol), 니트릴이 카르복실산 아미드 화합물로 재생되는 데에 소요되는 반응의 총 시간(hr), 환원탱크(420) 내부의 온도(℃), 및 카르복실산 아미드 수율(%)을 아래 표 1에 나타내었고, 비교예 1~10에 따라 니트릴을 카르복실산 아미드 화합물로 재생하는데 사용된 니트릴의 종류, 황산의 함량(mol), 트리플루오로아세트산의 함량(mol), 물의 함량(mol), 니트릴이 카르복실산 아미드 화합물로 재생되는 데에 소요되는 반응의 총 시간(hr), 환원탱크(420) 내부의 온도(℃), 및 카르복실산 아미드 수율(%)을 아래 표 2에 나타내었다.
실시예번호 니트릴 종류 H 2 SO 4
함량(mol) 		CF 3 COOH
함량(mol) 		H 2 O
함량(mol) 		시간
(hr) 		온도
(℃) 		수율
(%)
실시예 1 p-브로모벤조니트릴 0.36 1 5 5 30 87
실시예 2 벤조니트릴 0.36 1 5 5 30 87
실시예 3 스테아르산 니트릴 0.36 1 5 5 30 99.4
실시예 4 p-니트로벤조니트릴 0.36 1 5 5 30 80
실시예 5 p-메톡시벤조니트릴 0.36 1 5 5 30 81
실시예 6 신나모니트릴 0.36 1 5 5 30 92
실시예 7 부틸 니트릴 0.36 1 5 5 30 80
비교예번호 니트릴 종류 H 2 SO 4
함량(mol) 		CF 3 COOH
함량(mol) 		H 2 O
함량(mol) 		시간
(hr) 		온도
(℃) 		수율
(%)
비교예 1 p-브로모벤조니트릴 0.15 1 5 5 30 45
비교예 2 p-브로모벤조니트릴 0.15 1 5 20 30 77
비교예 3 p-브로모벤조니트릴 0.36 1 5 3 30 51
비교예 4 p-브로모벤조니트릴 1.5 1 5 3 30 90
비교예 5 스테아르산 니트릴 - 1 5 5 30 0
비교예 6 스테아르산 니트릴 0.15 1 5 5 30 56
비교예 7 스테아르산 니트릴 0.18 1 5 5 30 71
비교예 8 스테아르산 니트릴 0.36 0.5 5 5 30 64
비교예 9 스테아르산 니트릴 0.36 1 3 5 30 73
비교예 10 스테아르산 니트릴 0.36 1 5 5 75 95
표 1에 나타난 바와 같이, 실시예 1~7에 따르면 다양한 종류의 니트릴은 카르복실산 아미드 화합물로 80%이상 재생되었다. 그러나 비교예 1과 6에서 황산을 0.15몰 투입한 경우, 니트릴이 카르복실산 아미드 화합물로 각각 45%, 56% 재생되었다. 비교예 7에서 황산을 0.18몰 투입한 경우, 니트릴이 카르복실산 아미드 화합물로 각각 71% 재생되었다. 비교예 2에서는 황산을 0.15몰 투입하고, 니트릴 재생을 위한 반응을 총 20시간 실시한 경우, 니트릴이 카르복실산 아미드 화합물로 77% 만큼 재생되었다. 따라서 황산의 함량이 0.2몰 미만이면, 니트릴의 재생을 위한 반응 시간이 대폭 늘어나도 카르복실산 아미드 화합물의 수율이 낮음을 알 수 있다. 비교예 4와 실시예 1을 비교해 보면, 황산을 1.5 몰 투입하고 혼합 시간이 2시간임에도 불구하고 90%의 니트릴이 카르복실산 아미드 화합물로 재생되었지만, 비교예 4와 같은 경우 부산물 재생이 완료되고 정화탱크(620)의 내용물을 정화하는 비용이 많이 발생된다.
비교예 3에서는 카르복실산 아미드 화합물의 수율을 높이기 위해 황산을 0.36몰 투입하였으나 니트릴 재생을 위한 반응 시간이 짧음에 따라 니트릴이 카르복실산 아미드 화합물로 51% 재생되는 데에 그쳤다. 비교예 5에서는 황산을 투입하지 않음에 따라 니트릴을 니트릴리움 이온으로 전화되지 않아 카르복실산 아미드 화합물을 얻을 수 없었다. 비교예 8에서는 트리플루오로아세트산을 0.5 몰 투입한 경우 64%의 니트릴이 카르복실산 아미드 화합물로 재생되었고, 비교예 9에서는 물을 5 몰 투입한 경우 73%의 니트릴이 카르복실산 아미드 화합물로 재생되었다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예, 시험예 및 비교예들을 살펴보았다. 본 발명은 실시예, 시험예 및 비교예들을 통하여 구체적으로 설명하였으나 이는 본 발명을 제한하기 위한 것은 아니며 단지 본 발명을 예증하기 위한 것이다. 따라서 본 발명의 요지에 따라 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
11: 니트릴 분리 단계
12: 니트릴 투입 단계
13: 황산 투입 단계
14: 트리플루오로아세트산 투입 단계
15: 제 1 반응 단계
21: 급수 단계
31: 에스터 투입 단계
32: 제 2 반응 단계
33: 카르복실산 아미드 화합물 분리 단계
100: 히터
200: 반응탱크
201: 프로펠러
210: 제 1 반응탱크
220: 제 2 반응탱크
250: 카르복실산 투입기
261: 제 1 촉매 투입기
262: 제 2 촉매 투입기
270: 가열체
271: 단열체
281: 제 1 암모니아 투입기
282: 제 2 암모니아 투입기
283: 암모니아 배관
300: 처리탱크
410: 제 1 저장탱크
420: 환원탱크
421: 환원탱크의 프로펠러
430: 황산 투입기
440: 트리플루오로아세트산 투입기
510: 수화탱크
511: 수화탱크의 프로펠러
520: 급수기
610: 제 2 저장탱크
620: 정화탱크

Claims (9)

  1. 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 방법에 있어서,
    카르복실산과 암모니아를 반응시킴으로써 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정의 생성물로부터 부산물에 해당하는 니트릴을 분리하는 니트릴 분리 단계;
    환원탱크에 상기 분리된 니트릴을 투입하는 니트릴 투입 단계;
    상기 환원탱크에 황산을 투입하는 황산 투입 단계;
    상기 환원탱크에 트리플루오로아세트산을 투입하는 트리플루오로아세트산 투입 단계;
    상기 황산을 촉매로 사용하여 상기 니트릴과 상기 트리플루오로아세트산을 반응시킴으로써 에스터 화합물을 생성하는 에스터 생성 단계;
    수화탱크에 물을 투입하는 급수 단계;
    상기 에스터 화합물을 상기 물이 채워진 수화탱크에 투입하는 에스터 투입 단계; 및
    상기 에스터 화합물의 수화 반응을 진행시킴으로써 카르복실산 아미드 화합물을 생성하는 수화 반응 단계를 포함하고,
    상기 황산 투입 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 0.2 ~ 0.8몰의 황산을 상기 환원탱크에 투입하고,
    상기 트리플루오로아세트산 투입 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 0.9 ~ 1.3몰의 트리플루오로아세트산을 상기 환원탱크에 투입하고,
    상기 급수 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 4 ~ 6몰의 물을 상기 수화탱크에 투입하고,
    상기 에스터 생성 단계가 상온 조건에서 3~4 시간 동안 진행되어 완료되면, 상기 환원탱크에는 상기 에스터 화합물 외에 황산, 미반응 니트릴, 미반응 트리플루오로아세트산을 포함하는 부산물이 존재하고,
    상기 에스터 투입 단계에서는 상기 환원탱크와 상기 수화탱크 사이에 삽입된 밸브가 개방되어 상기 환원탱크로부터 상기 물이 채워진 수화탱크에 상기 에스터 화합물과 함께 상기 부산물이 투입되고,
    상기 수화 반응 단계는 상온 조건에서 1~2 시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 부산물 재생 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 에스터 생성 단계는
    가역적으로 상기 니트릴에 상기 황산에서 해리된 수소이온이 결합함으로써 니트릴리움 이온을 생성하는 단계; 및
    비가역적으로 상기 니트릴리움 이온과 상기 트리플루오로아세트산이 각각 친전자체와 친핵체로서 반응함으로써 상기 에스터 화합물을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 부산물 재생 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 수화 반응 단계는 상기 에스터 화합물을 가수분해함으로써 상기 카르복실산 아미드 화합물을 생성함과 동시에 상기 트리플루오로아세트산을 환원시키는 것을 특징으로 하는 부산물 재생 방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 황산 투입 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 0.36몰의 황산을 투입하고,
    상기 트리플루오로아세트산 투입 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 1몰의 트리플루오로아세트산을 투입하는 것을 특징으로 하는 부산물 재생 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 급수 단계는 상기 환원탱크에 투입된 니트릴 1몰당 5몰의 물을 투입하는 것을 특징으로 하는 부산물 재생 방법.
  9. 제 1 항의 부산물 재생 방법을 사용하여 카르복실산 아미드 화합물 제조 공정의 부산물을 재생하는 장치에 있어서,
    카르복실산과 암모니아를 반응시킴으로써 카르복실산 아미드 화합물을 제조하는 공정의 생성물로부터 부산물에 해당하는 니트릴을 분리하는 처리탱크;
    황산을 촉매로 사용하여 상기 처리탱크에서 분리된 니트릴과 트리플루오로아세트산을 반응시킴으로써 에스터 화합물을 생성하는 환원탱크;
    상기 환원탱크에 상기 황산을 투입하는 황산 투입기;
    상기 환원탱크에 상기 트리플루오로아세트산을 투입하는 트리플루오로아세트산 투입기;
    상기 환원탱크에서 생성된 에스터 화합물의 수화반응을 진행시킴으로서 카르복실산 아미드 화합물을 생성하는 수화탱크; 및
    상기 수화탱크에 물을 투입하는 급수기를 포함하는 부산물 재생 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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J. Org. Chem. 2005, Vol. 70, pp. 1926-1929

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