KR101888611B1 - 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 설퍼트리옥사이드(SO3) 및 테트라플루오로에틸렌(TFE)이 주입되어 테트라플루오로에탄베타설톤(tetrafluoroethane-β-sultone) 생성 반응이 일어나는 반응기; 상기 반응기 외주면으로 구비되며, 냉각수가 흐르는 공간을 포함하는 냉각부; 및 회전축 및 앵커 블레이드(anchor blade)를 포함하는 교반기;를 포함하고, 상기 반응기는 원통형의 상부와 소정의 각도로 경사진 구조의 콘 형태의 하부를 포함하며, 상기 앵커 블레이드는 상기 반응기의 하부에 수용되고, 상기 테트라플루오로에탄베타설톤 생성 반응이 일어나는 공간은 경사진 구조의 하부인 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치를 제공한다. 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치는 기상 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 유입을 극대화할 수 있는 경사형 반응기와 더불어 반응열의 신속한 제거가 가능한 경사형 열교환 시스템을 포함하기 때문에 고분자 형태의 α, β 상 설퍼트리옥사이드(SO3)가 포함되더라도 순수 트리머(trimer) 형(γ 형)의 SO3 상에 의한 반응과 유사하게 높은 전환율을 낮은 반응 온도 및 압력에서도 얻을 수 있고, 또한, 반응열의 효과적인 제거가 가능하여 반응 시간 단축이 가능하다.

Description

테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치 및 제조방법{The preparing apparatus and method of tetrafluoroethane-β-sultone}
본 발명은 연료전지용 불소계 전해질 수지의 일종인 퍼플루오로설포닐에시드 중합체(perfluorosulfonyl acid, PFSA)를 제조하기 위한 기본 원료인 테트라플루오로에탄베타설톤(tetrafluoroethane-β-sultone)을 제조하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
불소계 수지 및 고분자 소재는 내오염성, 내후성, 내열성, 광학특성 및 전기적 특성 등에서 타 소재가 구현할 수 없는 우수한 성능을 발휘하기 때문에 첨단산업인 광통신, 광전자, 반도체, 연료전지, 자동차 및 컴퓨터 분야 등에서 차세대 기술의 핵심소재로서 다양하게 사용되고 있다.
연료전지는 수소 등 화학연료가 지닌 화학에너지를 물의 전기분해의 역반응인 수소와 산소의 전기화학반응에 의해 직접 전지에너지로 변환시키는 발전원으로 화력발전처럼 연료를 태우는 연소과정이 필요없어 열효율이 높고 분진이나 화합물과 같은 공해물질의 배출이 없다. 또한, 무소음으로 환경문제가 거의 없으며, 다양한 용량으로 제작이 가능하고 전력수요지 내에서 설치가 용이하여 송변전 설비를 줄일 수 있는 등 전력계통의 운영 측면에서도 향후 에너지원과 관련된 기존의 문제점을 해결할 가능성이 높은 첨단기술이다.
퍼플루오로설포닉 에시드(perfluorosulfonic acid, PFSA)는 불소계 수지 중에서도 우수한 전기적 특성으로 인하여 연료전지용 전해질 막으로서 현재 활발한 응용이 이루어지고 있다. 또한, 2020 년경부터 실용화가 기대되는 수소 자동차용 연료전지 전해질막으로서의 활용은 앞으로의 큰 시장 수요 창출도 가능할 것으로 기대되어 세계적인 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
퍼플루오로설포닉 에시드와 같은 과불소 황산 계열의 전해질은 테트라플루오로에탄베타설톤(tetrafluoroethane-β-sultone)을 합성한 후 산화 육불화프로필렌을 부가하고 이중결합을 도입하는 방법, ECF(ElectroChemical Fluorination)을 통한 중간체 제조 후 동일하게 산화 육불화 프로필렌 부가 후 이중결합을 도입하는 방법 등으로 제조된다(비특허문헌 1 참조). 따라서 PFSA용 원료소재인 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조기술은 이러한 소재들을 제조하기 위한 기초 물질로서 매우 중요하다.
테트라플루오로에탄베타설톤을 제조하기 위해 현재까지 개발된 기술을 살펴보면, 설퍼트리옥사이드(SO3)에 기상의 테트라플루오로에틸렌(tetrafluoroethylene, TFE)를 80 ℃ 이하의 온도에서 40 lb/in2ㆍG 정도의 압력으로 1 시간 동안 직접 부가시켜 제조한 결과 92.8 %의 수율로 테트라플루오로에탄베타설톤이 제조되었으며, NMR 분석을 통해 확인되었다(특허문헌 1 참조). 이러한 반응의 경우 반응열이 매우 높기 때문에 반응 진행과 더불어 반응열의 신속한 제거가 필수적이다.
또한, 특허문헌 1의 방법과 유사하나 증류에 의해 정제된 20 ml의 설퍼트리옥사이드(SO3)를 압력반응기에 주입하고 내부 공기를 질소로 치환한 후 테트라플루오로에틸렌(TFE)을 40 ℃ 내지 60 ℃의 온도에서 0.1 MPa 내지 0.2 MPa의 압력으로 40 분 동안 직접 부가시켜 반응물 52 ml를 제조하였다(특허문헌 2 참조).
이와 같은 SO3와 TFE를 직접 반응에 의한 테트라플루오로에탄베타설톤 제조는 현재까지 알려진 가장 유용한 방법으로 비교적 간단한 반응임에도 반응 조건에 따라서는 1높은 전환율과 더불어 높은 수율이 가능하다.
그러나, 원료로 사용되는 SO3의 경우 α, β, γ 등의 3 개의 상이 존재하기 때문에 상에 따라서 반응 전화율에 큰 차이가 있고, 또한, α 상의 경우에는 고상으로부터 액상으로 전환되는 과정에서 폭발의 위험이 있다. 따라서 퍼플루오로설포닉 에시드(PFSA) 중합에 필요한 원료 물질인 테트라플루오로에탄베타설톤을 고수율로 안정적으로 얻기 위해서는 SO3의 상 제어와 더불어 반응 조건 제어가 매우 중요하다.
이러한 SO3와 TFE를 반응시켜 테트라플루오로에탄베타설톤을 제조하는 반응의 경우 사용되는 SO3는 제조 방법 및 보관 상태에 따라서 고분자 형태인 α, β 결정구조를 갖게 되고 이들은 통상적인 반응 온도 및 압력 조건하에서는 수십 시간 ~ 수일간의 반응 시간이 필요하다. 따라서 SO3를 고분자 형태가 아닌 트리머(trimer)로 유지되는 γ 형태로 유지하는 것이 가장 바람직하다.
일반적으로 α, β 형태의 경우에는 트리머(trimer) 형태의 γ 형태가 미량의 수분과 반응하여 형성되기 때문에 SO3를 무수상태로 유지하는 것이 반응 및 수율 측면에서 매우 중요하다. 또한, 일반적으로 트리머 형태의 γ 형태도 일정 시간 경과 후부터는 고분자 형태인 α, β 결정구조로 상전이가 이루어지기 때문에 고수율로 테트라플루오로에탄베타설톤을 제조하기 위해서는 순수한 형태의 γ 형을 유지하거나 또는 반응 상에 관계없이 순수한 형태의 γ 형 SO3와 유사한 SO3 전환율 및 테트라플루오로에탄베타설톤의 수율을 얻을 수 있는 방법이 필요하다.
이에, 본 발명자들은 테트라플루오로에탄베타설톤을 제조하는 공정에서 사용되는 고분자 형태인 α, β 결정의 SO3가 함유된 경우에도 순수한 γ 형 SO3와 유사하게 반응 수율의 극대화가 가능한 제조장치 및 제조방법을 개발하였으며, 본 발명에 따른 제조장치 및 제조방법을 적용하여 테트라플루오로에탄베타설톤을 제조할 때 낮은 반응 온도, 압력 및 짧은 반응 시간에서도 높은 전환율 및 수율 달성이 가능함을 발견하고, 본 발명을 완성하였다.
US 2,852,554 JP 3,538,843
Material Matters, Vol. 10, No. 3 2015
본 발명의 목적은 테트라플루오로에탄베타설톤을 99.9 % 이상의 전환율 및 90.0 % 이상의 선택율 또는 수율을 가지는 공정이 가능한 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은
설퍼트리옥사이드(SO3) 및 테트라플루오로에틸렌(TFE)이 주입되어 테트라플루오로에탄베타설톤(tetrafluoroethane-β-sultone) 생성 반응이 일어나는 반응기;
상기 반응기 외주면으로 구비되며, 냉각수가 흐르는 공간을 포함하는 냉각부; 및
회전축 및 앵커 블레이드(anchor blade)를 포함하는 교반기;를 포함하고,
상기 반응기는 원통형의 상부와 소정의 각도로 경사진 구조의 콘 형태의 하부를 포함하며, 상기 앵커 블레이드는 상기 반응기의 하부에 수용되고,
상기 테트라플루오로에탄베타설톤 생성 반응이 일어나는 공간은 경사진 구조의 하부인 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
상기의 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치의 반응기로 설퍼트리옥사이드(SO3)를 공급하는 단계(단계 1); 및
17 ℃ 내지 80 ℃의 온도 및 0 kg/cm2ㆍG 초과 내지 3.0 kg/cm2ㆍG 이하의 압력으로 테트라플루오로에틸렌(TFE)을 상기 반응기에 공급하는 단계(단계 2);를 포함하는 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치는 기상 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 유입을 극대화할 수 있는 경사형 반응기와 더불어 반응열의 신속한 제거가 가능한 경사형 열교환 시스템을 포함하기 때문에 고분자 형태의 α, β 상 설퍼트리옥사이드(SO3)가 포함되더라도 순수 트리머(trimer) 형(γ 형)의 SO3 상에 의한 반응과 유사하게 높은 전환율을 낮은 반응 온도 및 압력에서도 얻을 수 있고, 또한, 반응열의 효과적인 제거가 가능하여 반응 시간 단축이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치의 반응기 및 교반기의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치의 반응기 하부의 경사를 나타낸 모식도이다.
본 발명은
설퍼트리옥사이드(SO3) 및 테트라플루오로에틸렌(TFE)이 주입되어 테트라플루오로에탄베타설톤(tetrafluoroethane-β-sultone) 생성 반응이 일어나는 반응기;
상기 반응기 외주면으로 구비되며, 냉각수가 흐르는 공간을 포함하는 냉각부; 및
회전축 및 앵커 블레이드(anchor blade)를 포함하는 교반기;를 포함하고,
상기 반응기는 원통형의 상부와 소정의 각도로 경사진 구조의 콘 형태의 하부를 포함하며, 상기 앵커 블레이드(31)는 상기 반응기의 하부에 수용되고,
상기 테트라플루오로에탄베타설톤 생성 반응이 일어나는 공간은 경사진 구조의 하부인 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치를 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치의 일례를 도 1내지 도 3의 모식도를 통해 나타내었으며,
이하, 도 1 내지 도 3의 모식도를 참조하여, 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치에 대하여 상세히 설명한다.
SO3와 TFE를 직접 반응에 의해 테트라플루오로에탄베타설톤을 제조하는 것은 현재까지 알려진 가장 유용한 방법이다. 그러나, 원료로 사용되는 SO3의 경우 α, β, γ 등의 3 개의 상이 존재하기 때문에 상에 따라서 반응 전화율에 큰 차이가 있고, 또한, α 상의 경우에는 고상으로부터 액상으로 전환되는 과정에서 폭발의 위험이 있다. 따라서 퍼플루오로설포닉 에시드(PFSA) 중합에 필요한 원료 물질인 테트라플루오로에탄베타설톤을 고수율로 안정적으로 얻기 위해서는 SO3의 상 제어와 더불어 반응 조건 제어가 매우 중요하다. 그러나, 여러가지 반응에 관계없이 순수한 형태의 γ 형 SO3와 유사한 SO3 전환율 및 테트라플루오로에탄베타설톤의 수율을 얻을 수 있는 방법이 필요하다.
이때, 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치는 고분자 형태인 α, β 결정의 SO3가 함유된 경우에도 순수한 γ 형 SO3와 유사하게 반응 수율의 극대화가 가능하다.
본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치(100)에 있어서, 상기 반응기(10)는 설퍼트리옥사이드(SO3) 및 테트라플루오로에틸렌(TFE)이 주입되어 테트라플루오로에탄베타설톤(tetrafluoroethane-β-sultone) 생성 반응이 일어나는 내부 공간을 포함한다.
또한, 상기 반응기(10)는 원통형의 상부(15); 및 소정의 각도로 경사진 구조의 콘 형태의 하부(16);를 포함한다.
나아가, 상기 테트라플루오로에탄베타설톤 생성 반응이 일어나는 공간은 경사진 구조의 하부(16)인 것이 바람직하다.
테트라플루오로에탄베타설톤 제조를 위한 반응기의 경우 대부분의 기-액 반응과 마찬가지로 반응 시 반응 기체와 액상 반응 물질과의 접촉이 반응 속도를 좌우한다. 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치(100)의 반응기(10)는 하부가 소정의 각도로 경사진 구조의 원통형인 것을 특징으로 하며, 이를 통해 기상인 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 액상 포집 반응을 극대화할 수 있다.
상기 반응기(10)의 하부(16)는 반응기의 중심선을 기준으로 10 ° 내지 60 °의 각도로 경사진 구조인 것이 바람직하고, 20 ° 내지 40 °의 각도로 경사진 구조인 것이 더욱 바람직하다. 만약, 상기 반응기의 하부 콘의 각도가 20 ° 미만인 경우에는 테트라플루오로에틸렌의 혼입이 작게되고, 40 °를 초과하는 경우에는 테트라플루오로에틸렌의 분산에 의한 혼입이 감소되는 문제가 있다.
상기 반응기(10)의 하부 경사진 구조의 각도는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 교반기(30)의 중심축을 기준으로 경사진 각도인 α를 의미할 수 있다.
상기 반응기(10)의 하부(16)는, 도 2에 나타낸 바와 같이, 교반기(30)의 앵커 블레이드(31)를 수용하는 제1 하부(17); 및 상기 제1 하부의 하부 공간 및 바닥면을 포함하는 제2 하부(18);를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 제1 하부(17)는 원통형의 상부(15)와 연통되어 있으며, 하단부로 내려갈수록 원통의 직경이 작아지는 것으로, 제1 하부 외벽은 경사진 구조를 가진다. 제1 하부와 원통형의 상부가 만나는 부분은 비교적 완만한 경사를 가지며, 반응기의 중심선을 기준으로 0 ° 내지 5 °, 0 ° 내지 3 °, 0 ° 내지 1 °의 각도로 경사진 형태일 수 있다. 또한, 상기 제1 하부는 경사진 구조로서 전술한 바와 같이 반응기의 중심선을 기준으로 10 ° 내지 60 °의 각도로 경사진 구조이다.
상기 제2 하부(18)는 상기 제1 하부(17)와 연결되고, 최종 생성물이 배출되기 전에 저장되는 공간을 포함하며, 완만한 바닥면이 형성되어 있다. 상기 제2 하부는 원통형인 상부(15)의 직경 대비 30 % 내지 70 %의 직경을 가질 수 있으며, 40 % 내지 60 %의 직경을 가질 수 있다.
또한, 상기 반응기(10)는, 반응기 상부에 형성되고, 설퍼트리옥사이드를 주입하기 위한 제1 주입구(11); 반응기 상부에 형성되고, 테트라플루오로에틸렌을 주입하기 위한 제2 주입구(12); 및 반응기 하단부에 형성되고, 테트라플루오로에탄베타설톤을 배출하기 위한 배출구(13);를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 제1 주입구 및 제2 주입구는 반응기의 상부(15)에 형성되고, 상기 배출구는 상기 반응기의 제2 하부(18)에 설치되는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 반응기(10)는 반응기의 온도를 측정하기 위한 센서를 더 포함할 수 있으며, 구체적인 일례로서 열전대(14)를 더 포함할 수 있다. 상기 열전대는 반응기의 제2 하부(18) 측면에 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치(100)에 있어서, 상기 냉각부(20)는 상기 반응기(10) 외주면으로 구비되며, 냉각수가 흐르는 공간을 포함한다.
또한, 상기 냉각부(20)는, 상기 반응기(10)의 원통형인 상부(15) 외주면으로는 자켓 형태의 냉각부인 냉각 자켓을 포함하고, 상기 반응기의 소정의 각도로 경사진 구조인 하부(16) 외주면으로는 튜브 형태의 냉각부인 냉각 튜브를 포함하는 것이 바람직하다. 특히 경사진 구조를 가지는 하부 외주면으로 튜브 형태의 냉각 시스템을 도입함으로써 전열면적의 극대화를 통한 반응열 제거를 최적화할 수 있다.
나아가, 상기 냉각부(30)는, 냉각부 하단부에 형성되고, 냉각수를 주입하기 위한 냉각수 주입구(21);를 포함할 수 있으며, 1 개 이상 또는 2 개 이상을 포함할 수 있다. 또한, 상기 냉각부 상부로 냉각수를 배출하기 위한 냉각수 배출구(22)를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치(100)에 있어서, 상기 교반기(30)는 회전축 및 앵커 블레이드(anchor blade)를 포함한다. 또한, 상기 교반기는 1 개 이상의 교반 블레이드(32)를 더 포함할 수 있다.
상기 교반기(30)의 회전축은 반응기(10) 중심축에 위치하며, 상기 앵커 블레이드(31)는 상기 반응기의 제1 하부(16)에 위치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 앵커 블레이드는 제1 하부의 경사진 구조인 외벽과 동일한 각도로 경사진 구조인 것이 바람직하다. 상기 앵커 블레이드는 제1 하부의 외벽과 대응하는 형상일 수 있다.
앵커 블레이드(31)를 사용함으로써 경사진 반응기 벽면 하부로부터 상부에 이르기까지 액상 설퍼트리옥사이드와 기상 테트라플루오로에틸렌과의 접촉 극대화를 통한 반응 수율 증가가 가능하다.
상기 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치(100)는 설퍼트리옥사이드를 공급하기 위한 제1 공급부; 및 테트라플루오로에틸렌을 공급하기 위한 제2 공급부;를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 공급부는 가열기일 수 있으며, 상기 가열기는 전기 가열기, 마이크로파 가열기, 고주파 가열기, 온수 가열기, 오일 가열기 등을 사용할 수 있으나, 오일을 가열매체로 하는 서큘레이터(circulator)를 이용한 자켓형 간접 가열방식이 안정성 측면에서 바람직하다.
상기 제2 공급부는 반응기(10)의 반응 압력보다 항상 높게 유지되는 것이 바람직하고, 이를 위해 프레셔 트랜스미터(pressure transmitter)가 설치될 수 있다.
상기 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치(100)는 냉각부(20) 외주면을 둘러싸는 보온부(40);를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치(100)는 기상 테트라플루오로에틸렌(TFE)의 유입을 극대화할 수 있는 경사형 반응기(10)와 더불어 반응열의 신속한 제거가 가능한 경사형 열교환 시스템인 냉각부(20)를 포함하기 때문에 고분자 형태의 α, β 상 설퍼트리옥사이드(SO3)가 포함되더라도 순수 트리머(trimer) 형(γ 형)의 SO3 상에 의한 반응과 유사하게 높은 전환율을 낮은 반응 온도 및 압력에서도 얻을 수 있고, 또한, 반응열의 효과적인 제거가 가능하여 반응 시간 단축이 가능하다.
또한, 본 발명은
상기의 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치의 반응기로 설퍼트리옥사이드(SO3)를 공급하는 단계(단계 1); 및
17 ℃ 내지 80 ℃의 온도 및 0 kg/cm2ㆍG 초과 내지 3.0 kg/cm2ㆍG 이하의 압력으로 테트라플루오로에틸렌(TFE)을 상기 반응기에 공급하는 단계(단계 2);를 포함하는 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조방법에 대하여 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조방법에 있어서, 단계 1은 상기의 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치의 반응기로 설퍼트리옥사이드(SO3)를 공급하는 단계이다.
상기 단계 1에서는 테트라플루오로에탄베타설톤을 제조하기 위하여, 상기 제조장치(100)의 반응기(10) 내부로 원료 물질인 설퍼트리옥사이드를 공급한다.
구체적으로, 상기 단계 1에서 공급되는 설퍼트리옥사이드는 순수 트리머(trimer) 형(γ 형)인 것이 바람직하다. 상기 설퍼트리옥사이드는 50 % 내지 75 %의 발연황산, 60 % 내지 70 %의 발연황산 또는 65 %의 발연황산을 가열한 후 응축기에서 응축하여 준비할 수 있다.
상기 단계 1의 설퍼트리옥사이드는 액상의 발연 황산을 30 ℃ 내지 200 ℃의 온도로 가열하여 기화시키고, 20 ℃ 내지 27 ℃의 온도로 응축하여 준비하는 것이 바람직하며, 50 ℃ 내지 180 ℃의 온도로 가열하여 기화시키고, 23 ℃ 내지 27 ℃의 온도로 응축하여 준비하는 것이 더욱 바람직하다. 만약, 상기 액상의 발연 황산을 가열시키는 온도가 50 ℃ 미만인 경우에는 황산에 용해된 설퍼트리옥사이드(SO3)가 기화되지 못하는 문제가 있고, 180 ℃를 초과하는 경우에는 황산 등이 함께 기화되어 추가적인 증류가 필요하다는 문제점이 있다. 또한, 설퍼트리옥사이드(SO3)를 응축시키기 위한 응축 온도가 상기 범위를 벗어나는 경우에는 순수 트리머(trimer) 형(γ 형)이 아닌 α, β 형이 공존할 수 있어 반응 시 테트라플루오로에탄베타설톤 수율 저하의 원인이될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조방법에 있어서, 단계 2는 17 ℃ 내지 80 ℃의 온도 및 0 kg/cm2ㆍG 초과 내지 3.0 kg/cm2ㆍG 이하의 압력으로 테트라플루오로에틸렌(TFE)을 상기 반응기에 공급하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 특정 온도 및 특정 압력 조건으로 기상의 테트라플루오로에틸렌을 반응기에 공급하여 상기 단계 1에서 공급된 설퍼트리옥사이드와 반응시킨다.
구체적으로, 상기 단계 2의 테트라플루오로에틸렌은 20 ℃ 내지 40 ℃의 온도로 공급되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 2의 테트라플루오로에틸렌의 공급 온도가 20 ℃ 미만인 경우에는 부 생성물에 따른 수율 저하 문제가 발생할 수 있으며, 40 ℃를 초과하는 경우에는 반응 특성 상 급작스런 발열 반응에 의한 압력 증가에 위험 문제가 있다.
또한, 상기 단계 2의 테트라플루오로에틸렌은 온도가 일정 온도에 이르면 0 kg/cm2ㆍG 초과 내지 1.0 kg/cm2ㆍG 이하의 압력으로 공급되는 것이 바람직하다. 만약, 상기 단계 2의 테트라플루오로에틸렌의 공급 압력이 0 kg/cm2ㆍG 미만인 경우에는 반응 속도가 느려지는 문제가 있으며, 1.0 kg/cm2ㆍG을 초과하는 경우에는 급격한 발열 반응에 의한 반응 온도 상승, 및 반응 온도 상승에 의한 압력 증가로 폭발의 위험이 있다.
이하, 본 발명을 실험예에 의하여 상세히 설명한다.
단, 하기 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 이에 한정되는 것은 아니다.
< 실험예 1> 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조 1
단계 1: 부피 2 liter 유리 재질의 3 구 플라스크에 1.8 liter의 65 % 발연황산을 넣고 온도 자동 제어가 가능한 hot plate/oil bath를 이용하여 SO3를 증발시켜 응축기에서 포집한 후, 순수한 trimer 형(γ 형)으로 반응기(10)에 공급하였다. 얻어진 액상의 순수 SO3는 1.98 kg 정도였고 반응기에 공급 후 교반과 함께 20 ℃의 온도로 유지시켰다.
단계 2: 상기 반응기(10) 내로 TFE를 1.0 kg/cm2ㆍG의 압력으로 공급하여 반응을 개시하였다. TFE 공급 후 반응에 의해 반응기 압력은 0 kg/cm2ㆍG으로 감소하며 이때 다시 TFE를 공급하여 반응기 압력을 1.0 kg/cm2ㆍG으로 유지하였으며, 최종적인 반응 종료는 공급된 TFE의 소모가 없는 즉, 반응기 압력 감소가 더 이상 이루어지지 못하는 시점에서 이루어졌다. 한편 TFE 공급과 더불어 반응온도는 40 ℃ 정도까지 상승하기 때문에 경사형 냉각 시스템인 냉각 튜브로 냉각수를 공급하여 반응 온도를 30 ℃ 정도로 제어하였다. 약 20 분 정도의 반응시간에 반응은 종료되었으며, 얻어진 생성물은 GC 및 NMR 분석을 통하여 확인되었다.
그 결과 전환율은 99.9 %를 나타내었으며, 선택율 또는 수율은 90 %를 나타내었다.
< 실험예 2> 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조 2
단계 1: 부피 2 liter 유리 재질의 3 구 플라스크에 1.8 liter의 65 % 발연황산을 넣고 온도 자동 제어가 가능한 hot plate/oil bath를 이용하여 SO3를 증발시켜 응축기에서 포집한 후 순수한 trimer 형(γ 형)을 반응기(10)에 공급하였다. 얻어진 액상의 순수 SO3는 1.98 kg 정도였고, 여기에 추가로 고분자 형태의 SO3를 0.2 kg 추가로 공급하였다. 반응기에 공급 후 교반과 함께 20 ℃의 온도로 유지시켰다.
단계 2: 상기 반응기(10) 내로 TFE를 1.0 kg/cm2ㆍG의 압력으로 공급하여 반응을 개시하였다. TFE 공급 후 반응에 의해 반응기 압력은 0 kg/cm2ㆍG으로 감소하며 이때 다시 TFE를 공급하여 반응기 압력을 1.0 kg/cm2ㆍG으로 유지하였으며, 최종적인 반응 종료는 공급된 TFE의 소모가 없는 즉, 반응기 압력 감소가 더 이상 이루어지지 못하는 시점에서 이루어졌다. 한편 TFE 공급과 더불어 반응온도는 40 ℃ 정도까지 상승하기 때문에 경사형 냉각 시스템인 냉각 튜브로 냉각수를 공급하여 반응 온도를 30 ℃ 정도로 제어하였다. 약 20 분 정도의 반응시간에 반응은 종료되었으며, 얻어진 생성물은 GC 및 NMR 분석을 통하여 확인되었다.
그 결과 전환율은 99.9%를 나타내었으며, 선택율 또는 수율은 90 %를 나타내었다.
이는 상기 실험예 1과 같이 순수한 γ 형 SO3를 원료로 공급한 경우와 차이는 없는 결과로서, 본 발명에 따른 테트라플루오로에탄베타설톤을 제조하기 위한 장치 및 방법은 반응 속도를 저하시키는 고분자 형태의 SO3가 포함된 경우에도 순수 γ 형 SO3와 유사한 반응 전환율 및 수율 등을 낮은 반응 온도 및 압력에서 얻을 수 있을 뿐 아니라 반응에 의한 반응열의 효과적인 제거가 가능하여 반응 시간 단축이 가능한 효과가 있음을 확인할 수 있다.
100 : 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치
10 : 반응기 11 : 제1 주입구
12 : 제2 주입구 13 : 배출구
14 : 열전대 15 : 상부
16 : 하부 17 : 제1 하부
18 : 제2 하부 20 : 냉각부
21 : 냉각수 주입구 22 : 냉각수 배출구
30 : 교반기 31 : 앵커 블레이드
32 : 교반 블레이드 40 : 보온부

Claims (10)

  1. 설퍼트리옥사이드(SO3) 및 테트라플루오로에틸렌(TFE)이 주입되어 테트라플루오로에탄베타설톤(tetrafluoroethane-β-sultone) 생성 반응이 일어나는 반응기;
    상기 반응기 외주면으로 구비되며, 냉각수가 흐르는 공간을 포함하는 냉각부; 및
    회전축 및 앵커 블레이드(anchor blade)를 포함하는 교반기;를 포함하고,
    상기 반응기는 원통형의 상부와 소정의 각도로 경사진 구조의 콘 형태의 하부를 포함하며, 상기 앵커 블레이드는 상기 반응기의 하부에 수용되고,
    상기 테트라플루오로에탄베타설톤 생성 반응이 일어나는 공간은 경사진 구조의 하부인 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 하부는 반응기의 중심선을 기준으로 10 ° 내지 60 °의 각도로 경사진 구조인 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 하부는 반응기의 중심선을 기준으로 20 ° 내지 40 °의 각도로 경사진 구조인 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 하부는,
    교반기의 앵커 블레이드를 수용하는 제1 하부; 및
    상기 제1 하부의 하부 공간 및 바닥면을 포함하는 제2 하부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    상기 반응기의 원통형인 상부 외주면에 구비된 냉각 자켓; 및
    상기 반응기의 소정의 각도로 경사진 구조인 하부 외주면에 구비된 냉각 튜브;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는,
    반응기 상부에 형성되고, 설퍼트리옥사이드를 주입하기 위한 제1 주입구;
    반응기 상부에 형성되고, 테트라플루오로에틸렌을 주입하기 위한 제2 주입구; 및
    반응기 하단부에 형성되고, 테트라플루오로에탄베타설톤을 배출하기 위한 배출구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는,
    냉각부 하부에 형성되고, 냉각수를 주입하기 위한 냉각수 주입구;를 포함하는 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치.
  8. 제1항의 테트라플루오로에탄베타설톤 제조장치의 반응기로 설퍼트리옥사이드(SO3)를 공급하는 단계(단계 1); 및
    17 ℃ 내지 80 ℃의 온도 및 0 kg/cm2ㆍG 초과 내지 3.0 kg/cm2ㆍG 이하의 압력으로 테트라플루오로에틸렌(TFE)을 상기 반응기에 공급하는 단계(단계 2);를 포함하는 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 단계 1의 설퍼트리옥사이드는 액상의 발연 황산을 30 ℃ 내지 200 ℃의 온도로 가열하여 기화시키고, 20 ℃ 내지 27 ℃의 온도로 응축하여 준비하는 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 단계 2의 테트라플루오로에틸렌은 20 ℃ 내지 40 ℃의 온도 및 0 kg/cm2ㆍG 초과 내지 1.0 kg/cm2ㆍG 이하의 압력으로 공급되는 것을 특징으로 하는 테트라플루오로에탄베타설톤의 제조방법.
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