KR101851014B1 - 액체 상 반응을 위한 방법 및 조립장치 - Google Patents

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Abstract

휘발성 반응물 및 생성물과 연관된 액체 상 반응의 반응 동역학을 개선시키고/시키거나, 이러한 반응에서 이용되는 반응물을 보존하고/하거나, 이러한 반응의 더 순수한 반응 생성물을 생산하는 방법 및 조립장치가 제공된다. 본원에서 방법 및 조립장치는 반응 액체의 공급물을 2개 이상의 흡수 대역에 제공하고, 이때 액체의 온도 및/또는 공급 속도는 2개 이상의 흡수 대역중 적어도 하나에 도입되기 이전에 독립적으로 조정된다. 보다 구체적으로, 각각의 흡수 대역에 전달되는 액체의 온도 및 공급 속도는 기체 생성물 스트림으로부터 임의의 기체 반응물 및 부산물의 적어도 일부가 흡수됨을 최적화하고/하거나 반응 대역 조건을 최적화하기 위해 독립적으로 조정될 수 있다. 이와 같이 반응 동역학은 개선되거나 실질적으로 유지될 수 있다.

Description

액체 상 반응을 위한 방법 및 조립장치{METHODS AND ASSEMBLIES FOR LIQUID-PHASE REACTIONS}
본 발명은 기체 반응물 및 부산물을 기체 생성물로부터 제거하고 반응으로 돌려보내는, 액체 상 반응을 위한 방법 및 조립장치(assembly)에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원에 개시된 방법 및 조립장치는 액체 상 반응의 반응 동역학을 개선시킬 수 있고, 반응 대역, 및 액체 상 반응에 의해 형성되거나 액체 상 반응에서 이용되는 액체를 이용하는 적어도 2개의 흡수 대역을 포함한다.
기체 생성물이 생산되는 액체 상 반응에서, 액체 상 반응으로부터 잔류하는 임의의 기체 반응물 또는 액체 상 반응에 의해 생산되는 부산물로부터 기체 생성물을 분리하는 것이, 필수적인 것은 아니지만, 종종 바람직하다. 상기 반응되지 않은 반응물 및 반응 부산물을 이러한 반응으로부터 회수하는 것은 많은 제작상의 어려움을 줄 수 있고, 최소한 에너지 집중적일 수 있다. 반응기 용출물을 냉각시키고 응축된 물질을 반응기로 돌려보냄으로써 이러한 분리를 수행하는 것은 반응기내의 조작 온도를 바람직하지 않게 감소시킬 수 있고, 이는 결국 반응 동역학을 방해할 수 있다. 반응기 용출물을 냉각 액체 매질내로 흡수시키고 흡수된 물질을 반응기에 돌려보냄으로써 이러한 분리를 수행하는 것은, 반응기중 액체 이외의 액체가 흡수를 위해 사용되는 경우와 동일한 냉각 효과 뿐만 아니라 반응기 내용물의 희석율을 가질 수 있다. 상기 냉각 효과를 극복하기 위해 열을 가하는 것은 비용이 많이 들 수 있다. 흡수에 사용되는 첨가된 액체를, 반응기로 돌려보내기 이전에, 반응기로부터 또는 흡수된 반응물 및 부산물로부터 제거하는 것도 비용이 많이 들 수 있다.
이와 같이, 공정의 효율을 증진시키고, 이에 따라 이의 조작 비용을 감소시키기 위해 많은 연구가 있어 왔다. 많은 연구들이 기체 반응기 용출물의 분리를 달성하기 위해 하나 이상의 별도의 단계, 예컨대 증류 또는 흡수의 실행을 제안하였다. 그러나, 이러한 분리 단계는 많은 제작 공정에서 에너지와 비용이 가장 집중되는 조작일 수 있다. 그리고, 각각의 추가의 단계는 자본 비용을 더한다. 몇몇 연구는 기체 반응기 용출물의 분리를 수행하기 위해 반응기로부터 액체 이외의 다른 흡수 유체의 사용을 제안하였다. 그러나, 임의의 추가의 액체가 공정중에 축적될 수 있고, 첨가된 액체로부터 반응물 및 반응 부산물을 제거하기 위한 추가의 별도의 단계가 필요하게 되어 이는 재순환되거나 시스템으로부터 이를 퍼징하도록 용출물을 증가시킬 수 있다.
따라서, 액체 상 반응으로부터의 기체 생성물의 생산, 구체적으로 알코올의 액체 상 염화 수소 부가반응(hydrochlorination)에 의한 상응하는 할로겐화 알킬의 생산을 위한 효율적이고 보다 비용 효과적인 방법이 요구된다. 바람직하게는, 이러한 방법은 장비 비용, 시간 또는 에너지를 절약하면서 목적 생성물을 생산할 수 있을 것이다.
휘발성 반응물 및 생성물과 연관된 액체 상 반응의 반응 동역학을 개선시키기 위한 방법 및 조립장치가 본원에 제공된다. 본원에서 이러한 방법 및 조립장치는 반응 액체를 2개 이상의 흡수 대역으로 공급하는데, 이때 액체의 온도 및/또는 공급 속도는 2개 이상의 흡수 대역중 적어도 하나로 도입되기 이전에 조정된다. 보다 특별히, 각각의 흡수 대역에 전달될 경우 액체의 온도 및 공급 속도는 기체 생성물 스트림으로부터 임의의 기체 반응물 및 부산물의 적어도 일부를 흡수함을 최적화하고/하거나 반응 대역 조건을 최적화하도록 독립적으로 조정될 수 있다. 따라서 반응 동역학은 개선되거나 실질적으로 유지될 수 있다. 후자의 실시태양에서, 반응물이 유리하게 보존될 수 있도록 흡수 성능은 개선되고, 보다 순수한 기체 생성물이 생산될 수 있다. 액체는 이에 흡수된 반응물의 사용을 위해 재순환될 수 있다. 추가로, 다단계 흡수 공정이 동일한 용기에서 반응으로서 수행될 수 있다.
한 양태에서, 액체 상 반응의 반응 동역학을 개선시키고/시키거나, 액체 상 반응중에 이용되는 반응물을 보존하고/하거나 액체 상 반응의 더 순수한 반응 생성물을 생산하는 방법이 제공된다. 몇몇 실시태양에서, 반응은 염화 메틸을 생산하기 위한 메탄올의 액체 상 염화 수소 부가반응이다. 이 방법은 적어도 제 1 및 제 2 흡수 대역을 제공하는 단계, 및 반응으로부터의 액체를 적어도 제 1 스트림 및 제 2 스트림으로 분할하는 단계를 포함한다. 적어도 하나의 스트림의 온도 및/또는 공급 속도가 조정되고, 제 1 액체 스트림은 제 1 흡수 대역으로 향하고 제 2 액체 스트림은 제 2 흡수 대역으로 향하며, 이때 이들 스트림은 기체 생성물 스트림의 적어도 일부와 접촉된다. 따라서, 기체 반응물 및 반응 부산물은 기체 생성물 스트림으로부터 제거되고 액체로 흡수된다. 흡수 대역으로 공급되는 액체의 온도 및/또는 공급 속도를 조정하고 상기 액체가 반응 대역으로부터 빠져나오는 실질적인 온도 및/또는 유동 속도에서 이러한 액체를 또 다른 흡수 대역에서 사용함으로써, 용기내에 유리한 반응 조건이 실질적으로 유지되고, 반응 동역학이 개선되거나 실질적으로 유지된다.
이 방법은 유리하게는 단일 용기에서 수행되어, 추가의 별도의 장비와 연관된 비용, 시간 및 공간 소비를 없앤다. 또한, 제 2 양태에서, 기체 생성물의 생산을 위한 액체 상 반응용 조립장치가 제공된다. 조립장치는 액체 반응 대역 및 적어도 2개의 흡수 대역을 포함한다. 1개 이상의 도관이 제공되어 반응 대역으로부터 각각의 흡수 대역으로 액체를 유도한다. 적어도 하나의 도관은 이에 작동적으로 배치된 온도 조정 기계 및/또는 유동 속도 조정 기계를 갖는다.
특정 실시태양에서, 생성물 스트림중 기체 반응물 및 부산물의 농도를 감소시키거나 다르게는 생성물 스트림을 추가로 가공하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 고가의 반응물을 회수하여 이를 반응기로 돌려보내기 위해 반응기를 떠나는 액체 스트림을 추가로 가공하거나, 또는 본 방법의 적용 이전에, 또는 본 발명의 반응기로 도입되기 이전에 반응물을 예비 가공하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같이, 조립장치는 추가로 가공 장비를 포함할 수 있다. 추가의 장비는 예비 반응기, 예컨대 또 다른 액체 상 반응기 또는 기체 상 반응기; 또는 분리 장비, 예를 들어, 1개 이상의 스트리퍼(stripper), 스크러버(scrubber), 증류 칼럼, 반응기 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
본 발명의 상기 및 다른 특징, 양태 및 이점은, 전체를 통해 유사 문자가 유사 부분을 나타내는 첨부된 도면을 참조하여 하기 상세한 설명에 의해 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 한 양태에 따른 반응기의 개략도이다.
달리 정의되 않는 한, 본원에 사용된 기계적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련가가 통상적으로 이해하는 것과 동일한 의미를 갖는다. "제 1" 및 "제 2"라는 용어는, 본원에 사용될 경우 어떤 순서, 양 또는 중요성을 표시하지 않고, 한 요소를 다른 요소와 구별하기 위해 사용된다. 또한, 단수형은 양을 제한하는 것이 아니고, 지칭된 항목이 적어도 하나가 존재함을 의미하고, "전방", "후방", "하부", 및/또는 "상부"라는 용어는, 달리 표시되지 않는 한, 단지 설명의 편리성을 위해 사용되고, 임의의 하나의 위치 또는 공간적 배향으로 제한되지 않는다. 범위가 개시된다면, 동일한 성분 또는 특성을 지시하는 모든 범위의 최종점은 포괄적이고 독립적으로 조합가능하다(예를 들어, "약 25 중량% 이하, 또는 보다 구체적으로, 약 5 중량% 내지 약 20 중량%"의 범위는 최종점을 포함하고, "약 5 중량% 내지 약 25 중량%" 범위 등의 모든 중간값을 포함함). 양과 연관되어 사용되는 "약"이라는 수식어는 언급된 값을 포함하고, 내용으로 판단된 의미를 갖는다(예를 들어, 특별한 양의 측정과 연관된 오차 정도를 포함함).
복수 표현은, 본원에 사용될 경우 그것이 한정하는 용어의 단수 또는 복수 둘다를 포함하고자 하며, 이로써 이러한 용어의 1개 이상을 포함한다(예를 들어, "액체 스트림들"은 1개 이상의 액체 스트림을 포함함). 명세서를 통해 "하나의 실시태양", "또 다른 실시태양", "실시태양" 등의 지칭은, 그 양태와 연관되어 기재된 특정 요소(예를 들어, 특징부, 구조물 및/또는 특성)가 본원에 기재된 적어도 하나의 실시태양에 포함되고, 다른 실시태양에는 존재하거나 존재하지 않을 수 있음을 의미한다. 또한, 기재된 본 발명의 특징부는 다양한 실시태양에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있음을 알아야 한다.
"반응 대역"이라는 용어는, 본원에 사용될 경우, 원하는 반응의 대부분이 전형적으로 발생될 수 있는 공간을 지시함을 의미한다. 원하는 반응, 및 기타 반응은 흡수 대역중 하나 또는 둘다를 비롯한 다른 공간에서 발생될 수도 있음을 알아야 한다.
본원에 제공된 방법 및 조립장치는 이들이 적용되거나 거기서 수행되는 액체 상 반응의 반응 동역학을 개선시키거나 실질적으로 유지시킬 수 있는 것으로 설명된다. 개선된 반응 동역학은 임의의 구체화된 생산 속도를 위한 반응기 조립장치의 크기 및 비용을 감소시킬 수 있거나, 소정의 반응기의 생산 속도를 증가시킬 수 있다. 본원에 기재된 개선된 방법 및 조립장치에 의해 제공된 개선된 반응 동역학은, 또한 더 많은 에너지를 사용하거나 더 많은 제조 공간을 필요로 하거나 추가의 장비, 예컨대 열 교환기, 열 교환 용매 등을 필요로 할 수 있는, 동역학을 개선시키기 위한 종래의 수단의 비용을 감소시키거나 이러한 수단을 전적으로 제거할 수 있다. 반응 동역학은 또한 실질적으로 유지될 수 있고, 이 경우, 본원에 기재된 원리를 적용하면 유리하게는 더 적은 양의 반응물을 사용하거나, 더 순수한 반응 생성물을 생산하게 된다.
액체 상 반응의 반응 동역학을 개선시키거나 적어도 실질적으로 유지시키기 위한 개선된 방법 및 조립장치가 본원에 제공된다. 보다 구체적으로, 이러한 방법 및 조립장치는 임의의 기체 반응물 및 반응 부산물의 적어도 일부를 액체 상 반응의 기체 생성물 스트림으로부터 제거하기 위해 제공된다. 이러한 분리는, 종래의 방법을 통해 수행되거나 종래의 조립장치에 의해 수행될 경우, 반응 조건에 불리하게 작용하고, 고가일 수 있으며, 회수된 반응물의 재사용이 아닌 폐기처리는 공정의 전체 비용을 원치않게 증가시킬 수 있다.
본 방법 및 조립장치는 2개 이상의 흡수 대역으로의 2개 이상의 반응 액체 공급물을 포함하고, 이때 액체의 온도 및/또는 공급 속도는 2개 이상의 흡수 대역중 적어도 하나로 도입되기 이전에 조정된다. 액체의 온도 및 공급 속도는, 독립적으로, 하나의 대역에서 기체 생성물 스트림으로부터의 임의의 기체 반응물 및 부산물의 적어도 일부의 흡수를 최적화시키도록 조정되고, 또 다른 대역에서 반응 대역 조건을 최적화시키기 위해 조정될 수 있다. 따라서, 반응 동역학은 개선되거나 실질적으로 유지되고, 증가된 생산이 임의의 소정의 반응기 크기에서 실현될 수 있다. 후자의 실시태양에서, 흡수 성능이 개선되어 반응물이 유리하게 보존될 수 있고, 더 순수한 기체 생성물이 생성될 수 있다.
당분야의 숙련가라면 알고 있듯이, 기체는 전형적으로 냉각된 액체에 더 잘 용해될 수 있다. 기체 생성물 스트림으로부터 기체 반응물 또는 부산물을 제거하기 위한 많은 종래의 방법 및 조립장치는 재순환된 반응 액체 스트림을 이용할 수 있고, 임의의 이러한 재순환된 반응 액체 스트림은 기체 생성물 스트림으로부터 기체 반응물 및/또는 반응 부산물을 가능한 한 많이 제거하기 위해 전형적으로 냉각된다. 그러나, 종래의 단지 하나의 흡수 대역의 사용과 연관되어, 생성물 스트림으로부터 반응물 및 부산물의 목적하는 최대량을 액체가 흡수하기 위해 필요한 재순환된 반응 액체를 과도하게 냉각한 결과, 액체가 반응기로 되돌아갈 때 반응 환경의 온도가 원치않게 감소한다. 이러한 종래의 방법 및 조립장치에서의 반응 동역학은 이에 따라 문제가 생긴다.
대조적으로, 본 방법은 적어도 2개의 흡수 대역에서 기체 반응물 또는 부산물을 흡수하는 액체 상 반응에 의해 생성되거나 이러한 액체 상 반응에 이용된 액체를 사용한다. 하나의 대역에서, 재순환된 액체는 이것이 반응 대역에서 생산되거나 이용되는 것과 실질적으로 동일한 온도, 반응 온도, 또는 단지 약간 냉각된 온도에서, 및 이것이 반응 대역을 빠져나올 때와 실질적으로 동일한 공급 속도로 이용될 수 있다. 또 다른 대역에서, 재순환된 반응 액체는 제 1 대역에 비해 더 큰 정도로 냉각되거나, 제 1 대역과 상이한 공급 속도로 전달되어, 액체중의 임의의 기체 반응물 또는 반응 부산물의 용해도를 증가시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 반응 대역의 상당한 냉각이 최소화될 수 있다. 또한, 기체 생성물의 순도, 공정 수율, 및/또는 공정의 비용 효율이 증진될 수 있다.
몇몇 공정에서, 액체는 바람직하게는 1개 이상의 흡수 대역에서 사용되기 위해 가열되거나, 1개 이상의 흡수 대역에서 냉각되거나, 또는 1개 이상의 흡수 대역에서 실질적인 반응 온도로 이용될 수 있음은 물론이다. 또한, 액체는 이것이 반응 대역을 빠져나오는 것과 동일한 속도로, 또는 더 느리거나 더 빠른 속도로 전달될 수 있다. 본원에 개시된 방법 및 조립장치의 개념은 특정 실시태양들 또는 이들의 조합으로 제한되지 않고, 개선된 반응 동역학이 요망되는 액체 상 반응을 위한 임의의 방법 또는 조립장치, 및 특히 기체 반응물 또는 부산물이 바람직하게는 기체 생성물 스트림으로부터 제거되어 재순환되는 임의의 이러한 반응으로 확장된다. 필요한 모든 것은 본 방법 및/또는 조립장치가 적어도 2개의 흡수 대역을 이용하거나 제공하는 것이고, 이때 하나의 흡수 대역에서는 액체중의 임의의 기체 반응물 또는 반응 부산물의 제거를 위해 액체의 온도 및/또는 공급 속도가 최적화되고, 또 다른 대역에서는 반응 대역내의 반응 조건을 실질적으로 유지시키기 위해 액체의 온도 및/또는 공급 속도가 최적화된다.
각각의 흡수 대역의 특정 조건, 예를 들어, 온도, 압력 등은 기체 생성물 스트림으로부터 바람직하게 제거되는 특정 기체 반응물 및 부산물, 및 액체중 반응물 및/또는 반응 부산물의 용해도에 좌우될 것이다. 이러한 정보에 근거하여, 당분야의 숙련가는 각 단계를 위한 적절한 조건을 실행할 수 있을 것이고, 즉 한 경우에는 액체중의 반응물/반응 부산물의 용해도를 최적화하고, 또 다른 경우에는 반응 대역내의 요망되는 조작 조건에 불리하게 작용하지 않으면서 더 제한되지만 여전히 높은 용해도를 제공할 것이다.
단지 예시할 원하는으로, 하나의 흡수 대역에서 액체는 이것이 반응기내에서 이용되거나 생산되는 것과 실질적으로 동일한 온도 및/또는 공급 속도에서 이용되어 기체 반응물 및 부산물의 대량 흡수에 영향을 주면서도, 반응 대역내의 원하는 반응 조건을 여전히 유지시킬 수 있다. 메탄올의 액체 상 염화 수소 부가반응의 예시적인 반응의 경우, 이용되거나 생성될 때의 액체의 온도는, 예를 들어, 약 50℃ 내지 약 200℃이거나, 또는 단지 약간 냉각될 수 있고, 예를 들어 액체가 이용되거나 생성되는 온도의 약 0℃ 내지 50℃ 미만일 수 있다. 또 다른 흡수 대역에서, 액체는 어는점 바로 위의 온도 내지 반응 대역의 온도의 약 5℃ 미만의 더 낮은 온도로 냉각되거나, 상이한 공급 속도로 전달되거나, 이들 둘다가 행해져서, 액체중의 반응물 및 반응 부산물의 용해도를 증진시킬 수 있다.
2개 흡수 대역의 예시적인 온도 범위가 겹쳐질지라도, 하나의 흡수 대역으로 공급되는 액체의 냉각은 일반적으로 나머지 흡수 대역의 냉각(존재할 경우)에 비해 더 낮은 온도일 수 있다. 이러한 방식으로, 더 낮은 온도 및/또는 더 신속한 공급 속도를 갖는 대역은 바람직하게 흡수된 기체 반응물 및 부산물의 용해도를 증진시킬 것이다. 나머지 대역의 온도 및/또는 공급 속도 또한 바람직하게 흡수된 기체 반응물 및 부산물의 상당한 용해도를 허용하면서도, 반응 대역내의 원하는 반응 조건을 유지시키는 것을 도울 것이다. 바람직하게는, 반응 대역내의 원하는 조건을 유지시키는 것을 도울 수 있는 대역은 반응 대역의 가까이에 작동적으로 배치될 것인 반면, 더 낮은 온도 및/또는 더 신속한 공급 속도를 갖는 흡수 대역은 반응 대역에 멀리 떨어져 작동적으로 배치될 것이다.
본원에 기재된 원리로부터 유리할 수 있는 반응의 일례는, 할로겐화 알킬, 특히 탄소수 1 내지 4의 할로겐화 알킬을 생산하는 상응하는 알칸올의 염화 수소 부가반응이다. 이러한 액체 상 염화 수소 부가반응은 촉매의 존재 또는 부재하에 기체 또는 액체 반응물 공급물에 의해 수행될 수 있다. 본원에 기재된 원리는 이들중 임의의 것에, 또는 이들의 임의의 조합에 적용될 수 있다.
이러한 반응에서, 기체 생성물 스트림은 목적 생성물, 즉 할로겐화 알킬 뿐만 아니라, 알칸올, 수증기 및 할로겐화 수소를 포함하는 한편, 반응 액체는 할로겐화 수소가 반응 액체내에 해리된 상태로 주로 존재함을 제외하고는 본질적으로 동일한 성분들을 포함할 것이다.
몇몇 종래의 알칸올 염화 수소 부가반응 공정은 액체중의 반응물 및 반응 부산물의 용해도를 최대화하기 위해 재순환된 반응 액체 공급물을 이용하여 기체 생성물 스트림으로부터 기체 반응물 및 부산물을 흡수하지만, 임의의 이러한 재순환된 반응 액체는, 전형적으로, 예를 들어, 반응 온도보다는 크게 낮지만 그의 어는점을 초과하는 온도로 냉각된다. 결과로서, 및 기체 반응물 및 부산물의 원하는 양을 적절히 흡수하는데 필요한 냉각된 액체의 부피가 크기 때문에, 냉각된 반응 액체의 반응 대역으로의 재도입은 전형적으로 이의 상당한 냉각을 초래한다. 이에 따라, 반응 동역학은 방해된다.
대조적으로, 본원에 개시된 원리가 염화 수소 부가반응에 적용되고 적어도 2개의 흡수 대역이 이용될 경우, 반응 액체는 반응 대역에 가까운 제 1 흡수 대역에서 실질적인 반응 온도, 예를 들어 약 50℃ 내지 약 200℃에서, 및 이것이 반응 대역을 빠져나오는 것과 실질적으로 동일한 유동 속도하에 이용되어, 반응 대역내의 반응 조건에 불리하게 작용하지 않으면서 필요한 흡수의 일부를 수행할 수 있다. 제 2 흡수 대역에서, 액체는 반응 온도보다 크게 낮은 온도, 예를 들면 어는점 바로 위의 온도 내지 약 150℃에서 이용될 수 있고/있거나, 액체중 메탄올, 염화 수소 및/또는 수증기의 추가의 흡수를 촉진시키기 위해 이것이 반응기를 빠져나오는 속도와 상이한 공급 속도로 전달될 수 있다.
이러한 실시태양에서, 및 상기 기재된 바와 같은 임의의 액체 상 반응을 갖는 경우, 흡수 대역/공정은 연속적으로 배열 또는 수행되거나, 평행하게 배열 또는 수행될 수 있다. 바람직하게는, 다중 흡수 대역이 배열되거나, 기체 유동에 대해 연속적으로 흡수가 수행된다.
제 1 흡수 대역에서, 액체는 실질적으로 이것이 생성되는 실질적인 온도 및/또는 공급 속도에서 이용되고, 즉 외부 가열 또는 냉각 수단이 거의 또는 전혀 적용되지 않는다. 냉각이 적용되거나 공급 속도가 변경된다면, 냉각 수준 또는 공급 속도는 다중 대역 시스템에서 후속적인 흡수 대역에 적용되는 것에 비해 더 적은 정도로 변경된다. 결과로서, 염화 수소 및 메탄올의 대량 흡수가 발생될 수 있는 반면, 반응 대역 온도는 크게 냉각되지 않는다.
제 2 흡수 대역에서, 반응 액체는, 예를 들면 반응 온도의 약 1℃ 미만 내지 액체의 어는점 바로 위의 온도로 냉각되고/되거나, 액체의 유동 속도가 변경될 수 있다. 메탄올 및 염화 수소의 대량 흡수가 이미 제 1 흡수 대역에서 수행되었으므로, 기체 생성물중의 반응물 및 반응 부산물의 원하는 감소를 달성하기 위해 냉각된 반응 액체의 더 느린 공급 속도 또는 더 적은 전체 부피가 필요할 것으로 예상된다. 단지 하나의 흡수 대역을 갖는 시스템과 비교하여, 반응 대역의 전체 냉각은 감소될 수 있으면서도, 염화 메틸을 원하는 순도 및 원하는 수율로 제공할 것이다. 더욱이, 기체 생성물 스트림으로의 추가의 분리 또는 건조 기법을 적용할 필요성은 감소되거나 제거될 수 있다.
따라서, 본원에 개시된 방법은 상당한 비용 절감, 증가된 효율, 반응물의 재사용, 및 추가의 분리 또는 건조 단계 이용의 감소 또는 제거를 제공할 수 있다. 몇몇 실시태양에서, 이들 비용 절감은 하나의 반응 용기내에 흡수 대역을 하나 또는 둘다 제공함으로써 추가로 영향받을 수 있다. 이러한 방식으로, 추가의 장치를 가동시키기 위해 필요한 에너지 지출, 및 이로 인해 요구되는 제작 공간이 감소될 수 있다. 또한, 본 개시내용은 기체 생성물 스트림을 생산하는 액체 상 반응을 위한 조립장치를 제공한다.
전형적으로, 이러한 조립장치는 반응물의 다수의 공급물 뿐만 아니라, 상류 반응기 또는 공급물 가공 조작으로부터의 임의의 생성물 또는 부산물을 포함한다. 이들은 이제까지 언급된 임의의 반응물 또는 생성물 뿐만 아니라, 메탄올의 예시적인 액체 상 염화 수소 부가반응 경우에 원하는 반응의 부산물일 수 있는 디알킬에테르 및 알칸을 포함할 수 있다. 공급물은 또한 반응을 개시하거나 지속시키기에 필요한 담체, 예컨대 물을 포함할 수 있다.
바람직하게는, 염화 수소 부가반응에서, 예를 들어, 액체 또는 기체 상태로 도입될 수 있는 메탄올, 및 기체 또는 수성 용액으로서 도입될 수 있는 염화 수소를 포함하는, 반응물을 위한 공급물이 적어도 제공된다. 시스템으로의 임의의 공급물은 임의의 배치형태로 배열될 수 있고, 반응기 상의 임의의 위치에 또는 흡수 단계에 도입될 수 있다.
반응 대역은 원하는 액체 상 반응을 수행하기에 적절한 임의의 유형의 반응기를 포함할 수 있다. 이러한 반응기는 단열적으로 작동되거나 가열되는, 플러그 유동 또는 완벽히 혼합된 장치로서의, 또는 이들 사이의 임의의 형태인 충전 칼럼(packed column) 또는 비등 층(boiling bed)을 전형적으로 포함할 수 있다. 반응 대역 및 조립장치가 바람직하게는, 예를 들어, 염화 메틸의 생산을 위해 이용되는 이들 실시태양에서, 반응기는 바람직하게는 더 높은 액체 체류 기간을 제공하기 위해 하부에 액체 저장소를 갖거나 갖지 않는 역류 흡수 칼럼을 포함할 수 있고, 메탄올 및 염화 수소의 공급물이 적절히 배치되어 이러한 역류를 제공한다. 반응기로의 기체 공급물 도입과 연관된 흡수 장비는 흡수 대역에서 이용되는 것과 동일할 수 있거나, 별도의 대역이 특별히 공급물 흡수를 위해 제공될 수 있다.
액체 상 반응은 액체 상에서 초래되고, 반응에 의해 생성되거나 반응에 이용되는 액체는 전형적으로 반응기의 하부에서 수집될 수 있다. 적어도 하나의 도관이 제공되어 반응 대역 및/또는 반응기의 하부를 각각의 흡수 대역과 연결시킬 수 있다. 적어도 하나의 도관이 분할되어 개별 공급물을 흡수 대역으로 제공하거나, 별도의 도관이 각각의 흡수 대역에 제공될 수 있다. 바람직하게는, 온도 조정 기계 및/또는 공급 속도 조정 기계는 적어도 하나의 도관에 대해 작동적으로 배치되어, 액체중 반응물 및/또는 반응 부산물을 흡수하는 능력이 최적화되거나, 액체의 조정된 온도 및/또는 공급 속도가 반응 대역내의 원하는 반응 조건을 유지하는 것을 돕도록 액체의 온도 및/또는 공급 속도가 조정될 수 있다.
본 발명에 따른 조립장치(100)의 한 실시태양은 도 1에 도시된다. 도시된 바와 같이, 조립장치(100)는 반응 대역(110), 제 1 흡수 대역(101), 제 2 흡수 대역(102), 기체 생산 라인(103), 액체 부산물 라인(104), 공급물(105), 액체 도관(106), 펌프(107), 제 1 흡수 대역 도관(108), 제 2 흡수 대역 도관(109) 및 냉각기(111)를 포함할 수 있다. 조립장치의 조작은 구체적으로 메탄올의 염화 수소 부가반응에 대해 설명되지만, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 오히려 조립장치 및 방법은 기체 생성물 스트림을 생산하는 임의의 액체 상 반응과 연결되어 이용될 수 있음은 물론이다.
조작시, 이전 반응기 또는 공정으로부터의 원하는 공급물, 예를 들어, 염화 수소, 메탄올, 및 가능하게는 생성물 스트림은, 0 내지 500℃의 주입 온도를 갖는 반응 대역(110)으로 진입되고, 반응 대역 조건은 약 80℃ 내지 200℃의 온도 및 약 20 psig 내지 약 200 psig의 압력을 포함한다. 액체 상 반응은 반응 대역(110)에서 발생되고, 더 적은 정도로는, 흡수 대역(101 및 102)의 액체 상에서 발생된다. 예를 들어, 물, 염화 수소, 메탄올, 염화 메틸 및 디메틸 에테르를 포함하는, 반응에 이용되거나 이에 의해 생산되는 액체는 반응 대역(110)의 하부에 수집된다. 펌프(107)에 의해 움직이는 도관(106)은 반응 대역(110)으로부터 제 1 흡수 대역(101) 및 제 2 흡수 대역(102)으로 액체를 순환시킨다.
보다 특별히, 제시된 실시태양에서, 제 1 흡수 대역 도관(108)은 이의 조건을 실질적으로 변경시키지 않으면서 반응 액체를 제 1 흡수 대역(101)에 제공한다. 제 1 흡수 대역(101)은 임의의 기체 반응물 및/또는 부산물의 적어도 일부가 액체로 흡수되는 것을 촉진시킬 수 있는 임의의 장비를 포함할 수 있다. 일단 액체가 제 1 흡수 대역(101)을 통과하면, 이는 반응 대역(110)에 다시 수집된다.
제 2 흡수 대역 도관(109)은 액체를 반응 대역(110)의 하부로부터 제 2 흡수 대역(102)으로 액체 재순환 도관(106)을 통해 펌프(107)의 도움으로 제공한다. 보다 구체적으로, 액체 재순환 도관(106)은 제 1 흡수 대역 도관(108) 및 제 2 흡수 대역 도관(109)으로 두 갈래로 나뉜다. 제 2 흡수 대역 도관(109)에는 이에 작동적으로 배치된 냉각기(111)가 제공된다. 냉각기(111)는 제 2 흡수 대역 도관(109)내의 액체의 온도를 대략 반응 액체의 어는점 내지 반응 대역(110)중 액체의 온도의 약 5℃ 미만으로 감소시키고, 이로써 반응물 또는 반응 부산물이 액체에 흡수되는 것을 촉진시킨다. 냉각기(111)는 대체될 수 있거나, 제 2 흡수 대역 도관(109)은 냉각기(111) 뿐만 아니라, 펌프(107)에 추가로 제 2 펌프(도시되지 않음)를 포함할 수 있음은 물론이다. 약 0 내지 약 5 중량%의 메탄올, 약 0 내지 약 5 중량%의 HCl, 및 약 0 내지 약 5 중량%의 수증기를 포함하는 염화 메틸이 기체 생성물 라인(103)으로부터 방출된다.
메탄올, HCl 등을 흡수한 액체는 제 2 흡수 대역(102)을 통과하여 제 1 흡수 대역(101)으로 가고, 이때 이는 제 1 흡수 대역(101)에 제공되고 흡수를 위해 추가로 이용되는 액체와 조합될 수 있다. 제 2 흡수 대역(102)에서 원하는 양의 흡수를 수행하기 위해 필요한 냉각된 액체의 양은 제 1 흡수 대역(101)에서 달성된 대량 흡수에 의해 최소화된다. 이와 같이, 바람직하게는, 반응 대역(110)은 원하는 반응 조건에서, 예를 들어, 염화 수소 부가반응을 위해 조작의 압력에 따라 약 50℃ 내지 약 200℃의 온도에서 실질적으로 유지될 것이다.
본원에 개시된 반응기의 몇몇 실시태양이 기체 반응 생성물을 분리 또는 건조시키거나, 반응물을 미리 가공하거나, 반응 대역(110)으로부터의 액체 부산물로부터 반응물을 회수하기 위한 추가의 가공 장비의 이용에 대한 필요성 또는 요구를 감소시키거나 제거할 지라도, 이러한 추가의 장비의 사용이 바람직하거나 필요할 수도 있다. 따라서, 추가의 실시태양에서, 조립장치는 추가로 가공 장비를 포함할 수 있다.
제공된 추가의 가공 장비는 실행되는 액체 상 반응, 및 이에 의해 생산되는 기체 생성물의 의도된 용도에 좌우될 것이고, 따라서 기체 반응 생성물을 추가로 정제하거나 건조시키거나, 의도된 용도를 위해 원하는 배치형태로 반응 생성물을 제공할 수 있는 임의의 가공 장비 부분을 포함할 수 있다. 또는, 추가의 가공 장비는 임의의 반응물을 미리 가공하기 위한 장비를 포함할 수 있거나, 추가의 액체 상 또는 기체 상 반응기를 포함할 수 있고, 따라서 이에 의해 생산된 생성물 스트림은 본원에 개시된 조립장치로 제공된다. 추가의 가공 장비는 반응에서 형성된 액체 부산물 스트림, 예를 들어, 물로부터 고가의 반응물을 스트리핑하고 재순환시키기 위한 장비를 포함할 수도 있다.
완전하지는 않지만, 하기 실시예는 본 발명의 몇몇 원리를 추가로 예시하기 위해 제공된다.
실시예 1 - 비교예
반응 대역 및 단일 흡수 대역을 포함하는 반응기 조립장치를 제조하였다. 흡수 대역은 기체 생성물 스트림을 스크러빙하여 물, 메탄올 및 HCl을 제거하는 충전된 구획이었다. 흡수 대역을 플럼빙(plumbing)하여 냉각기가 제공된 도관을 통해 반응 대역으로부터의 액체를 수용하였고, 이에 따라 액체는 약 35℃의 온도를 가졌다.
반응기 조립장치로의 공급물은 HCl, 염화 메틸 및 물(소량의 디메틸에테르 및 반응되지 않은 메탄올 포함)을 포함한 촉매작용성 반응기로부터의 기체였고, 이를 반응 대역과 흡수 대역 사이의 증기 공간으로 공급하였다. 촉매작용성 반응기로 공급되는 과량의 HCl의 양은, 반응 대역의 하부에 포함된 액체중의 HCl 농도를 18 내지 22%로 유지하도록 다양하였다. 액체 메탄올을 추가로 반응기 조립장치로 공급하였다. 반응 대역의 하부에서의 액체의 부피에 대한 반응기 조립장치에 공급되는 메탄올의 비율은 560 Kg/Hr/m3이었다. 반응 대역으로부터의 냉각된 액체를 흡수 대역으로 169 gpm의 속도로 공급하여 흡수 대역을 떠나는 기체의 온도를 45℃ 미만으로 유지시켰다. 이들 조건에서, 반응 대역은 106℃의 온도 및 10 중량%의 메탄올 농도를 가졌다.
실시예 2
제공된 조립장치가 반응 대역 및 2개의 흡수 대역을 포함함을 제외하고, 실시예 1의 조건을 반복하였다. 제 1 흡수 대역은 제 2 흡수 대역 아래에 제공되고, 기체 생성물 스트림으로부터 물, 메탄올 및 HCl을 스크러빙하기 위한 충전된 구획을 포함하였고, 이는 플럼빙되어 반응 대역으로부터의 액체를 수용하였다. 220 gpm의 액체를 반응 대역으로부터 제 1 흡수 대역의 충전부로 공급하였다. 상기 액체를 약 14℃ 만큼 최소한으로만 냉각시켰다.
제 2 흡수 대역은 기체 생성물 스트림을 추가로 스크러빙하여 물, 메탄올 및 HCl을 제거하는 충전된 구획이었다. 제 2 흡수 대역을 플럼빙하여 냉각기가 제공된 도관을 통해 반응 대역으로부터의 액체를 수용하였고, 이에 따라 제 2 흡수 대역에 제공된 액체는 약 35℃의 온도를 가졌다. 이들 조건에서, 제 2 흡수 대역을 떠나는 기체 온도를 45℃ 미만으로 유지시키기 위해 제 2 흡수 대역으로 공급되는 냉각된 액체의 필요한 양은 90 gpm이었다. 반응 대역중 액체는 115℃의 온도 및 5 중량%의 메탄올 농도를 가졌다.
이들 실시예에 의해 예시되는 바와 같이, 본원에 기재된 방법 및 조립장치를 사용함으로써 단지 단일-단계 냉각된 흡수를 사용하는 예에 비해 반응 대역내의 온도를 9℃ 더 높게 유지시켰다. 더 높은 온도에 의해 더 유리한 반응 동역학이 제공되어 반응 액체에서 약 10% 내지 5% 감소된 메탄올(즉, 반응물) 농도를 초래하였다.
본 발명의 다양한 실시태양이 본원에 제시되고 설명되었지만, 이러한 실시태양은 단지 예로서 제공되고 제한하는 것이 아님을 알 것이다. 당분야의 숙련가라면 본 발명의 교시로부터 벗어나지 않고 다수의 변형, 변경 및 대체를 수행할 것이다. 따라서, 본 발명은 첨부된 특허청구범위의 전체 취지 및 범주내에서 해석되어야 한다.

Claims (20)

  1. 반응 대역 및 적어도 제 1 및 제 2 흡수 대역을 포함하는 용기를 제공하는 단계로서, 상기 제 1 흡수 대역이 반응 대역에 가까이 있고, 상기 제 2 흡수 대역이 반응 대역에서 멀리 떨어져 있으며, 반응 대역 내에서 알칸올 및 염화수소를 포함한 기체 또는 액체 반응물 공급물로 알칸올의 염화 수소 부가반응(hydrochlorination)이 수행되어 액체 및 기체 생성물 스트림을 생성하는 단계;
    반응 대역에 의해 생성된 액체의 일부를 적어도 제 1 반응 액체 스트림 및 제 2 반응 액체 스트림으로 분할하고, 상기 제 2 반응 액체 스트림의 온도를 저하시키되, 상기 제 1 반응 액체 스트림의 온도는 저하시키지 않거나 더 적은 정도로 저하시키는 단계;
    제 1 반응 액체 스트림을 제 1 흡수 대역으로 보내고, 제 2 반응 액체 스트림을 제 2 흡수 대역으로 보내는 단계; 및
    기체 생성물 스트림의 적어도 일부 및 제 1 반응 액체 스트림의 적어도 일부를 제 1 흡수 대역 내에서 접촉시키고, 기체 생성물 스트림의 적어도 일부 및 제 2 반응 액체 스트림의 적어도 일부를 제 2 흡수 대역 내에서 접촉시키되, 상기 흡수 대역들은 가스 유동에 대해 연속적으로 배열된 단계
    를 포함하되,
    상기 분할은 반응 대역을 각각의 흡수 대역과 연결시키는 적어도 하나의 도관에 의해 이루어지고, 상기 적어도 하나의 도관이 분할되어 개별 공급물을 흡수 대역으로 제공하거나, 별도의 도관이 각각의 흡수 대역에 제공되고,
    흡수 대역 내에서 기체 생성물 스트림 내의 임의의 기체 반응물 또는 기체 부산물의 적어도 일부가 제 1 및 제 2 반응 액체 스트림으로 흡수되어, 기체 생성물 스트림으로부터 제거되는,
    하나 이상의 알칸올의 염화 수소 부가반응으로 하나 이상의 할로겐화 알킬의 기체 생성물 스트림을 생산하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    추가로 반응 대역 내의 목적 반응 조건을 유지시키는 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    기체 반응물 또는 기체 부산물의 적어도 일부를 흡수한 액체의 적어도 일부를 반응 대역으로 돌려보내는 단계를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    기체 생성물 스트림에 남아있는 임의의 기체 반응물 또는 부산물의 적어도 일부를 제거하는 부가적인 단계를 추가로 포함하는 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
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