KR102150240B1 - 알킬렌카보네이트 제조 장치 및 그를 이용한 제조 방법 - Google Patents

알킬렌카보네이트 제조 장치 및 그를 이용한 제조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 합성하는 알킬렌카보네이트 제조에 관한 것으로, 열교환기 일체형 반응기 및를 재비기 일체형 증류탑을 이용한 알킬렌카보네이트 제조 및 정제에 관한 것이다. 본 발명의 알킬렌카보네이트 제조 시스템 및 방법은 열교환기 일체형 반응기를 사용함으로써 공정에 사용되는 장치를 간소화할 수 있으며, 발생하는 스팀을 알킬렌카보네이트 정제를 수행하는 재비기 일체형 증류탑에 주입하여 열에너지로 사용함으로써 공정에 필요한 에너지 및 비용을 절감할 수 있다.

Description

알킬렌카보네이트 제조 장치 및 그를 이용한 제조 방법 {Alkylenecarbonate Manufacturing System and Manufacturing Method Using the Same}
본 발명은 알킬렌카보네이트 제조에 관한 것으로, 보다 상세하게는 페놀계 유기촉매 존재 하에 이산화탄소와 알킬렌옥사이드를 열교환기 일체형 반응기에서 반응시키고, 반응 시 발생한 열에너지를 재비기 일체형 증류탑에서 재사용하여 알킬렌카보네이트를 정제하는 알킬렌카보네이트 제조에 관한 것이다.
화력발전소 등 다양한 산업체에서 배출되는 배가스에는 이산화탄소 등의 산성가스와 미세먼지 등 대기오염물질이 다량 포함되어 있다. 이러한 배기가스 내 유해물질의 분리 및 처리 기술은 산업적 측면에서 뿐 아니라 인류의 지속 가능한 발전을 위해 중요성이 날로 증가하고 있다. 석탄, 석유, 천연가스 등 화석연료가 사용되는 상황에서 경제적인 이산화탄소 처리 기술 개발의 필요성은 절실하다.
한편, 알킬렌카보네이트(Alkylene carbonate)는 다양한 합성 원료의 중간체, 폴리카보네이트의 원료, 제약공정의 중간체, 염료(dyestuff) 합성 과정의 옥시알킬화 시약(oxyalkylation agent), 공정설비 보호제, 섬유 생산 공정의 용매로 사용되고, 이차전지의 고분자 전해질 용매로 그 사용 범위가 확대되고 있다. 알킬렌카보네이트의 제조에는 종래 에틸렌 글리콜(ethylene glycol)과 포스젠(COCl2)을 반응시키는 방법이 이용되었다. 그러나 원료물질인 포스젠의 맹독성과 환경오염 물질인 염화수소의 부생문제 등으로 인해 최근에는 하기 반응식 1과 같이 주로 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 촉매 및 가압조건에서 반응시키는 공정이 사용되면서 이산화탄소의 저감 및 이의 실질적인 제품화가 이루어지고 있다.
Figure 112019104299740-pat00001
촉매의 존재하에 알킬렌옥사이드를 이산화탄소와 반응시켜 알킬렌카보네이트를 제조하기 위한 반응은, 초임계 반응으로 125.5 KJ/mol이라는 매우 큰 반응열을 발생시킨다. 이에 따라, 알킬렌카보네이트의 제조시 안정적으로 반응열을 제거하는 것이 공정의 안전을 위해 특히 중요하며, 통상적으로, 발생하는 반응열을 제거하는 데 열 교환기가 이용된다. 그러나, 열교환기의 추가는 공정을 복잡하게 할 뿐만 아니라, 필요한 에너지 또한 증가하게 된다.
제조된 알킬렌카보네이트는 정제 공정을 거쳐 제품화되는데, 일반적인 알킬렌카보네이트의 정제 공정은 증류공정을 이용하며, 구체적으로는 증류탑에서 불순물을 제거해서 정제된 알킬렌카보네이트를 얻게 된다. 증류를 통한 정제공정에서 가해지는 고온의 열은 알킬렌카보네이트 제조에 많은 양의 에너지를 소모하도록 하는 문제가 있다. 또한, 반응공정에서 사용된 이산화탄소가 부산물로 방출되는데 이의 효율적인 회수도 열에너지 저감과 함께 문제될 수 있다.
대한민국 공개특허 2006-0026034호는 반응기와 열교환기를 포함하는 알킬렌카보네이트 제조방법을 개시한다. 그러나 이는 별도의 열교환기를 구비함으로써 공정이 복잡해지는 문제점이 있다. 대한민국 공개특허 2007-0016666호는 알킬렌카보네이트 제조에 관한 것으로, 고순도 알킬렌카보네이트를 합성하기 위해 막분리기를 이용한 촉매부가반응공법을 개시한다. 반응물을 막분리기로 공급하여 촉매와 알킬렌카보네이트를 분리하는 것으로 단순 필터를 이용하는 것이며, 이는 시간이 오래 걸리고 반응물 액상내의 알킬렌카보네이트 외에도 불순물이 포함되는 문제점을 여전히 가진다.
따라서 효율적이면서도 경제적으로 알킬렌카보네이트를 제조할 수 있는 장치의 필요성이 제기되고 있다.
대한민국 공개특허 2006-0026034 대한민국 공개특허 2007-0016666
본 발명은 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 페놀계 유기촉매 존재 하에 열교환기 일체형 반응기에서 반응시키고, 반응 시 발생한 열에너지를 재비기 일체형 증류탑에서 재사용하여 알킬렌카보네이트를 정제하는 알킬렌카보네이트 제조 시스템 및 방법을 제공하고자 한다.
본 발명자들은 페놀계 유기촉매 존재하에 이산화탄소 및 알킬렌옥사이드를 열교환기 일체형 반응기에서 알킬렌카보네이트로 제조하고, 이를 재비기 일체형 증류탑에서 정제하되 반응시 발생하는 열에너지를 재사용하여 정제할 수 있는 에너지 절감형 알킬렌카보네이트로 제조 시스템 및 방법을 발견하여 본 발명을 완성하였다.
본 발명은 알킬렌카보네이트의 제조 및 정제를 위한 시스템으로, 상기 시스템은 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 페놀계 유기촉매 존재하에 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 1차 반응 생성물을 합성하는 제 1차 반응기; 상기 제 1차 반응기와 연결되고, 상기 1차 반응 생성물이 공급되어 미반응 반응물을 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 2차 반응 생성물을 합성하는 제 2차 반응기; 상기 제 2차 반응기와 연결되고, 상기 2차 반응 생성물이 공급되어 이산화탄소와 최종 반응 생성물을 분리하는 기-액분리 드럼; 및 상기 기-액분리 드럼과 연결되고, 상기 기-액분리 드럼에서 이산화탄소와 분리된 최종 반응 생성물이 투입되어 알킬렌카보네이트가 정제되는 증류탑을 포함하고, 상기 제 1차 반응기는 열교환기 일체형 반응기로, 상기 제 1차 반응기 상단에 위치하며 이산화탄소, 알킬렌옥사이드 및 촉매 주입부를 각각 구비하며 하면이 개방된 반응 체류부; 상기 반응 체류부의 개방된 하면과 플랜지(Flange) 결합을 통해 개방된 상면이 연결되고 스팀응축수 주입부 및 제 1차 스팀배출부를 구비하는 쉘앤튜브(shell & tube)형 열교환부; 및 상기 쉘앤튜브 열교환부의 개방된 하면과 플랜지 결합을 통해 개방된 상면이 연결되며 상기 제 1차 반응기 하단에 위치하는 1차 반응 생성물 배출부를 포함하고, 상기 제 2차 반응기는 외주면에 반응 온도 조절용 워터자켓을 구비하고, 상부에는 제 2차 스팀 배출부를 구비하며, 상기 증류탑은 재비기가 하단에 구비된 재비기 일체형 증류탑이고, 상기 제 1차 및 제 2차 스팀 배출부의 스팀은 상기 증류탑의 재비기에 공급되어 열원으로 사용되는, 알킬렌카보네이트의 제조 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 제 1차 반응기의 운전온도는 150℃ 내지 185℃ 이고 압력은 4.9 내지 9.8 MpaG 이고, 상기 제 2차 반응기의 운전온도는 150℃ 내지 170℃ 이고 압력은 3.5 내지 5.0 MpaG 인, 알킬렌카보네이트의 제조 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 제 1차 반응기의 스팀응축수 주입부와 제 2차 반응기의 워터자켓에는 70℃ 내지 133℃ 스팀 응축수가 주입되는, 알킬렌카보네이트의 제조 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 페놀계 유기촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 유기촉매인, 알킬렌카보네이트의 제조 시스템을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112019104299740-pat00002
상기 화학식 1에서, R은 수소, 탄소수 C1 내지 C10의 알킬기, I, Br, Cl, F, OMe, NO2 또는 NMe2 이고, X는 I, Br, Cl, 또는 NO3임.
본 발명은 또한, 상기 재비기 일체형 증류탑은 충진물(packing)부를 구비하고, 상기 충진물은 골판 형태의 와이어거즈판(corrugated wire gauze plate)이 규칙적으로 배열된 구조형 충전물(structured packing)이 다단으로 적층된 구조물인,알킬렌카보네이트의 제조 시스템을 제공한다.
본 발명은 또한, 알킬렌카보네이트의 제조방법으로, 상기 방법은, 이산화탄소, 알킬렌옥사이드 및 페놀계 유기촉매를 제 1차 반응기로 주입하여 알킬렌카보네이트가 포함된 1차 반응 생성물을 합성하는 단계; 상기 제 1차 반응생성물을 제 2차 반응기로 주입하여 미반응물을 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 2차 반응 생성물을 합성하는 단계; 상기 2차 반응 생성물을 기-액분리 드럼으로 공급하여 이산화탄소와 최종 반응 생성물을 분리하는 단계; 및 상기 최종 반응 생성물을 기-액분리 드럼과 연결된 증류탑으로 공급하여 알킬렌카보네이트를 정제하는 단계를 포함하고, 상기 제 1차 반응기는 열교환기 일체형 반응기로, 상기 제 1차 반응기 상단에 위치하며 이산화탄소, 알킬렌옥사이드 및 촉매 주입부를 각각 구비하며 하면이 개방된 반응 체류부; 상기 반응 체류부의 개방된 하면과 플랜지(Flange) 결합을 통해 개방된 상면이 연결되고 스팀응축수 주입부 및 제 1차 스팀배출부를 구비하는 쉘앤튜브(shell & tube)형 열교환부; 및 상기 쉘앤튜브 열교환부의 개방된 하면과 플랜지 결합을 통해 개방된 상면이 연결되며 상기 제 1차 반응기 하단에 위치하는 1차 반응 생성물 배출부를 포함하고, 상기 제 2차 반응기는 외주면에 반응 온도 조절용 워터자켓을 구비하고, 상부에는 제 2차 스팀배출부를 구비하며, 상기 증류탑은 재비기가 하단에 구비된 재비기 일체형 증류탑이고, 상기 제 1차 반응기 및 제 2차 반응기의 스팀 배출부의 스팀은 상기 증류탑의 재비기에 공급되어 열원으로 사용되는, 알킬렌카보네이트의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 또한, 상기 제 1차 반응기의 운전온도는 150℃ 내지 185℃ 이고 압력은 압력은 4.9 내지 9.8 MpaG 이고, 상기 제 2차 반응기의 운전온도는 150℃ 내지 170℃ 이고 압력은 3.5 내지 5.0 MpaG 이며, 상기 제 1차 반응기의 스팀응축수 주입부와 제 2차 반응기의 워터자켓에는 70℃ 내지 133℃ 스팀 응축수가 주입되고, 상기 재비기 일체형 증류탑은 충진물(packing)부를 구비하고, 상기 충진물은 골판 형태의 와이어거즈판(corrugated wire gauze plate)이 규칙적으로 배열된 구조형 충전물(structured packing)이 다단으로 적층된 구조물이며, 상기 페놀계 유기촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 유기촉매인 알킬렌카보네이트의 제조 방법을 제공한다.
[화학식 1]
Figure 112019104299740-pat00003
상기 화학식 1에서, R은 수소, 탄소수 C1 내지 C10의 알킬기, I, Br, Cl, F, OMe, NO2 또는 NMe2 이고, X는 I, Br, Cl, 또는 NO3임.
본 발명의 알킬렌카보네이트 제조 시스템 및 방법은 열교환기 일체형 반응기 및 재비기 일체형 증류탑을 사용하여 공정에 사용되는 장치를 간소화할 수 있으며, 발생하는 스팀을 알킬렌카보네이트 정제 과정에서 열에너지로 재사용함으로써 공정에 필요한 에너지 및 비용을 절감하면서 이산화탄소를 효율적으로 제품화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 알킬렌카보네이트 제조 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 한 구현예에 따른 알킬렌카보네이트 제조 시스템의 제 1차 반응기의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 한 구현예에 따른 알킬렌카보네이트 제조 시스템의 제 2차 반응기의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에 따른 알킬렌카보네이트 제조 시스템의 재비기 일체형 증류탑의 단면도이다.
본 발명의 상세한 설명에 앞서, 이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 된다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
여기서, 본 발명의 실시 형태를 설명하기 위한 전체 도면에 있어서, 동일한 기능을 갖는 것은 동일한 부호를 붙이고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 알킬렌카보네이트의 제조 시스템에 대하여 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 한 구현예에 따른 알킬렌카보네이트 제조 시스템의 개략도이다. 본 발명의 시스템은 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 촉매 존재하에 고온 고압에서 반응시켜 알킬렌카보네이트를 합성할 수 있다. 상기 시스템은 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 페놀계 유기촉매 존재하에 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 1차 반응 생성물을 합성하는 제 1차 반응기(10); 상기 제 1차 반응기와 연결되고, 상기 1차 반응 생성물이 공급되어 미반응 반응물을 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 2차 반응 생성물을 합성하는 제 2차 반응기(20); 상기 제 2차 반응기와 연결되고, 상기 2차 반응 생성물이 공급되어 이산화탄소와 최종 반응 생성물을 분리하는 기-액분리 드럼(30); 및 상기 기-액분리 드럼과 연결되고, 상기 기-액분리 드럼에서 이산화탄소와 분리된 최종 반응 생성물이 투입되어 알킬렌카보네이트가 정제되는 증류탑(40)을 포함한다. 본 발명에서 시스템이란 개발과 생산에 필요한 요소를 모아 구성한 것으로, 본 발명의 알킬렌카보네이트의 제조 시스템은 알킬렌카보네이트의 제조 장치를 일컫는다.
본 발명의 시스템의 제 1차 반응기(10)로 알킬렌옥사이드, 이산화탄소 및 페놀계 유기촉매가 공급되어 알킬렌카보네이트를 포함하는 1차 반응 생성물을 제조할 수 있다. 상기 제 1차 반응기(10)의 운전온도는 150℃ 내지 185℃ 이고 압력은 4.9 내지 9.8 MpaG 이다. 너무 낮은 온도 조건에서 수행할 경우 반응 시간이 길어지고, 온도를 증가시키면 반응 시간이 단축되는 효과가 있으나, 이를 위해 추가적으로 소요되는 비용에 비하여 더 이상 반응 시간이 단축되지 않으므로 불필요하다.
한 구현예에서 상기 알킬렌옥사이드는 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide), 프로필렌 옥사이드(propylene oxide), 부틸렌 옥사이드(butylene oxide), 헥실렌 옥사이드(hexylene oxide) 및 스타이렌 옥사이드(styrene oxide)로 이루어진 군으로부터 선택되는 것일 수 있다. 바람직하게 에틸렌옥사이드를 사용하여 에틸렌카보네이트를 제조할 수 있다. 상기 페놀계 유기촉매는 알킬렌옥사이드 대비 0.01 내지 10 mol%로 투입되어 사용될 수 있으나 이로 한정하는 것은 아니다. 0.01 mol% 미만으로 사용할 경우 반응 시간이 너무 길어지고, 농도를 증가시키면 반응시간이 단축되는 효과가 있으나, 10 mol% 이상으로 사용할 경우 촉매 단가의 증가로 인해 경제적 이득이 없다.
본 발명의 알킬렌카보네이트 제조 반응에 사용되는 촉매는 페놀계 유기촉매로 하기 화학식 1로 표시되는 유기촉매이다.
[화학식 1]
Figure 112019104299740-pat00004
상기 화학식 1에서, R은 수소, 탄소수 C1 내지 C10의 알킬기, I, Br, Cl, F, OMe, NO2 또는 NMe2 이고, X는 I, Br, Cl, 또는 NO3이다. 바람직하게 상기 R은 C4의 알킬기 또는 NMe2인 것인 페놀계 유기촉매를 사용할 수 있다.
본 발명의 제 1차 반응기(10)는 도 2(a)와 같이 열교환기 일체형 반응기로, 상기 제 1차 반응기 상단에 위치하며 이산화탄소, 알킬렌옥사이드 및 촉매 주입부를 각각 구비하며 하면이 개방된 반응 체류부(11); 상기 반응 체류부의 개방된 하면과 플랜지(Flange) 결합을 통해 개방된 상면이 연결되고 스팀응축수 주입부 및 제 1차 스팀배출부를 구비하는 쉘앤튜브(shell & tube)형 열교환부(12); 및 상기 쉘앤튜브 열교환부의 개방된 하면과 플랜지 결합을 통해 개방된 상면이 연결되며 상기 제 1차 반응기 하단에 위치하는 1차 반응 생성물 배출부(13)를 포함한다. 도 2(b)는 제 1차 반응기의 A, B, C 각 위치에서의 단면을 나타낸다. 상기 체류부는 반응 체류시간을 확보하여 알킬렌카보네이트 합성 반응 효율을 향상시킬 수 있으며, 체류부와 연결되는 쉘앤튜브 열교환부를 구비하여 종래 별도 열교환기를 구비하는 시스템보다 장치를 간소화할 수 있다. 상기 쉘앤튜브 열교환부에는 스팀응축수를 투입함으로써 반응 시 발생되는 반응열을 조절하며 스팀을 생산할 수 있다. 예를 들면 70℃ 내지 133℃ 스팀응축수를 열교환부의 하부의 스팀응축수 주입부로 주입하고 반응온도를 조절한 후 생성된 스팀은 열교환부의 상부에 위치하는 1차 스팀배출부(101)로 배출될 수 있다. 상기 생성된 스팀은 본 발명의 후술되는 정제공정에서 증류의 재비기로 공급되어 열에너지로 사용될 수 있어 필요한 열에너지를 절약할 수 있다.
본 발명의 제 1차 반응기에서 합성된 1차 반응 생성물은 제 2차 반응기로 공급되어 추가적인 반응을 수행할 수 있다. 도 3 (a)는 한 구현예에서 본 발명의 제 2차 반응기의 단면도이며, (b)는 각 위치에서의 절단면도이다. 제2 반응기는 예를 들면 연속 교반 탱크 반응기를 사용할 수 있고, 제 1차 반응기에서 반응되지 못한 미반응물을 반응시켜 알킬렌카보네이트 수율을 높이기 위한 것이다. 한 구현예에서 상기 제 2차 반응기의 운전 온도는 150℃ 내지 170℃ 이고 압력은 3.5 내지 5.0 MpaG 이다. 제 2차 반응기는 외주면에 반응 온도 조절용 워터자켓을 구비하고, 상부에는 2차 스팀 배출부(201)를 구비할 수 있다. 한 구현예에서 상기 제 워터자켓에는 70℃ 내지 133℃ 스팀응축수가 주입되어 제 2차 반응기의 반응온도를 조절할 수 있다.
제 2차 반응기에서 반응이 끝난 후 최종 반응 생성물은 기-액 분리 드럼(30)으로 공급되어 기체와 액체가 분리되며, 기체상에는 이산화탄소가 포함되고 액체상에는 합성된 알킬렌카보네이트가 포함된다. 최종 반응 생성물의 안정적인 공급을 위해 기-액 분리기는 수위 측정기(level instrument)와 유량 측정기(flow instrument)를 구비할 수 있으며, 상호제어에 의해 안정적 공급이 가능하도록 한다. 액체상에 존재하는 알킬렌카보네이트를 정제하기 위해 증류법을 이용하여 정제할 수 있으며, 본 발명에서는 증류탑을 사용하여 액체 생성물 내에 존재하는 알킬렌카보네이트를 정제한다.
도 4는 본 발명의 한 구현예에서 알킬렌카보네이트의 고순도 정제에 사용할 수 있는 재비기 일체형 증류탑(40)이다. 상기 증류탑은 재비기로부터 공급되는 고온의 증기를 사용하여 알킬렌카보네이트를 정제하는 것으로, 본 발명의 재비기 일체형 증류탑(40)은 하면이 개방된 충진물(packing)부(41); 상기 충진물부의 개방된 하면과 플랜지(Flange) 결합을 통해 개방된 상면이 연결되는 기-액분리부(separator)(42); 및 상기 기-액 분리부의 개방된 하면과 플랜지 결합을 통해 개방된 상면이 연결되며 상기 기-액 분리부의 하부에 위치하는 재비기(43)를 포함한다.
본 발명의 증류탑은 증류탑 내에 충진물(packing)부(41)를 구비할 수 있다. 상기 충진물은 골판 형태의 와이어거즈판(corrugated wire gauze plate)이 규칙적으로 배열된 구조형 충진물(structured packing)이 다단으로 적층된 구조물이다. 상기 충진물은 용도에 따라 다공성 금속, 플라스틱(PTFE 포함) 또는 와이어 거즈의 골판 형태 시트로 형성될 수 있다. 한 구현예에서 본 발명에서는 바람직하게 직물과 유사한 구조를 가지도록 금속선(wire)을 날줄과 씨줄로 직조한 와이어거즈(wire guaze)를 톱니 모양의 골판(corrugated) 형태로 가공 후 형성된 골이 사선이 되도록 하고 서로 반대되는 사선 형상을 구성하도록 반복적인 구조형 충진물을 사용할 수 있다.
상기 제 2차 반응기로부터 공급되는 최종 반응 생성물이 증류탑 상부로 주입되면 상기 구조형 충진재 표면을 흐르며 액상 박막(liquid film)을 형성하며 충진재의 사선 형태의 골을 따라 충진제 하부로 흘러내려간다. 증발에 의한 액체의 기화는 액체의 표면에서 발생하기 때문에, 본 발명의 구조형 충진재를 이용한 증류는 구조형 충진재에 형성된 액체 박막 표면에서 액체의 기화가 발생하게 된다. 기화된 알킬렌카보네이트는 증류탑 상부로 향하고, 용액은 하부로 흘러내려간다. 기화된 알킬렌카보네이트는 증류탑 상부로 배출되어 응축기로 공급된다. 한 구현예에서 상기 와이어거즈 표면에 형성되는 액상박막의 두께를 0.1 내지 0.5mm 두께이며, 이는 유량제어기를 이용하여 제어할 수 있다.
상기 충진물부를 거친 용액은 기-액 분리부로 흘러 내려온다. 상기 기-액 분리부는 최종 반응 생성물로부터 증발된 알킬렌카보네이트는 상방으로, 그 외 용액은 하방으로의 흐름을 용이하게 하는 공간이다. 본 발명의 기-액 분리부는 저장조(421)를 구비하고 저장조 하부에 용액 배출라인(422)을 구비하여 쌓이는 액체를 즉시 재비기(43)로 공급할 수 있다. 본 발명의 증류탑 하단에 위치하는 재비기는 기존 공정의 케틀 타입의 재기비가 가지는 넓은 액체 증발 면적과 써모사이펀 타입의 재비기가 가지는 에너지 효율 우수성을 동시에 확보할 수 있다. 상기 재비기는 최종 반응 생성물을 가열하고 에틸렌카보네이트를 증발 시켜 정제 할 수 있다. 본 발명의 한 구현예에서 상기 재비기는 튜브형 열교환기를 사용하며 상기 열교환기에는 외부에서 가열된 스팀 또는 열매유(hot oil) 등의 유체를 주입하고 순환시킬 수 있으며, 주입되는 유체의 열에 의해 알킬렌카보네이트가 정제된다. 한 구현예에서 상기 재비기에는 전술한 제 1차 반응기 및 제 2차 반응기에서 발생되는 스팀(101, 201)을 재비기의 스팀 주입부(401)로 주입하여 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 제 1차 반응기에서 발생되는 스팀은 166.4kg/hr 으로 생산되고, 증류탑에서 사용되는 스팀은 69.3kg/hr 을 사용할 수 있다. 상기 증류탑으로 주입되는 스팀은 공정 내에서 발생되는 열에너지를 재사용하는 것으로, 에틸렌카보네이트 정제에 필요한 열에너지를 절감할 수 있다.
본 발명의 알킬렌카보네이트 제조 시스템은 열교환기 일체형 반응기 및 재비기 일체형 증류탑을 사용함에 따라 공간적 이점이 있으며, 반응기에서 발생하는 열에너지를 생성물 정제에 재사용 함에 따라 공정에 필요한 에너지 및 비용을 절감할 수 있다.
또 다른 측면에서 본 발명은 상기 알킬렌카보네이트 제조 시스템을 사용한 알킬렌카보네이트의 제조방법으로, 상기 방법은, 이산화탄소, 알킬렌옥사이드 및 페놀계 유기촉매를 제 1차 반응기로 주입하여 알킬렌카보네이트가 포함된 1차 반응 생성물을 합성하는 단계; 상기 제 1차 반응생성물을 제 2차 반응기로 주입하여 미반응물을 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 2차 반응 생성물을 합성하는 단계; 상기 2차 반응 생성물을 기-액분리 드럼으로 공급하여 이산화탄소와 최종 반응 생성물을 분리하는 단계; 및 상기 최종 반응 생성물을 기-액분리 드럼과 연결된 증류탑으로 공급하여 알킬렌카보네이트를 정제하는 단계를 포함한다. 상기 페놀계 유기촉매, 제 1차 반응기, 제 2차 반응기 및 증류탑은 전술한 알킬렌카보네이트 시스템과 동일한 구성 및 운전 조건을 사용할 수 있으며, 상기 제 1차 반응기 및 제 2차 반응기의 스팀 배출부의 스팀은 상기 증류탑의 재비기로 공급되어 열원으로 사용하여 열에너지를 절감할 수 있다.
이상에서 본원의 예시적인 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본원의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본원의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본원의 권리범위에 속하는 것이다.
본 발명에서 사용되는 모든 기술용어는, 달리 정의되지 않는 이상, 본 발명의 관련 분야에서 통상의 당업자가 일반적으로 이해하는 바와 같은 의미로 사용된다. 본 명세서에 참고문헌으로 기재되는 모든 간행물의 내용은 본 발명에 도입된다.
10. 제 1차 반응기
11. 반응 체류부
12. 열교환부
13. 1차 반응 생성물 배출부
20. 제 2차 반응기
30. 기-액 분리 드럼
40. 재비기 일체형 증류탑
41. 충진물부
42. 기-액 분리부
43. 재비기
101. 1차 스팀 배출부
201. 2차 스팀 배출부
401. 재비기 스팀 주입부
421. 저장조
422. 용액 배출라인

Claims (7)

  1. 알킬렌카보네이트의 제조 및 정제를 위한 장치로,
    상기 장치는 알킬렌옥사이드와 이산화탄소를 페놀계 유기촉매 존재하에 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 1차 반응 생성물을 합성하는 제 1차 반응기;
    상기 제 1차 반응기와 연결되고, 상기 1차 반응 생성물이 공급되어 미반응 반응물을 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 2차 반응 생성물을 합성하는 제 2차 반응기;
    상기 제 2차 반응기와 연결되고, 상기 2차 반응 생성물이 공급되어 이산화탄소와 최종 반응 생성물을 분리하는 기-액분리 드럼; 및
    상기 기-액분리 드럼과 연결되고, 상기 기-액분리 드럼에서 이산화탄소와 분리된 최종 반응 생성물이 투입되어 알킬렌카보네이트가 정제되는 증류탑을 포함하고,
    상기 제 1차 반응기는 열교환기 일체형 반응기로, 상기 제 1차 반응기 상단에 위치하며 이산화탄소, 알킬렌옥사이드 및 촉매 주입부를 각각 구비하며 하면이 개방된 반응 체류부;
    상기 반응 체류부의 개방된 하면과 플랜지(Flange) 결합을 통해 개방된 상면이 연결되고 스팀응축수 주입부 및 제 1차 스팀배출부를 구비하는 쉘앤튜브(shell & tube)형 열교환부; 및
    상기 쉘앤튜브 열교환부의 개방된 하면과 플랜지 결합을 통해 개방된 상면이 연결되며 상기 제 1차 반응기 하단에 위치하는 1차 반응 생성물 배출부를 포함하고,
    상기 제 2차 반응기는 외주면에 반응 온도 조절용 워터자켓을 구비하고, 상부에는 제 2차 스팀 배출부를 구비하며,
    상기 증류탑은 재비기가 하단에 구비된 재비기 일체형 증류탑이고,
    상기 제 1차 및 제 2차 스팀 배출부의 스팀은 상기 증류탑의 재비기에 공급되어 열원으로 사용되는,
    알킬렌카보네이트의 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1차 반응기의 운전온도는 150℃ 내지 185℃ 이고 압력은 4.9 내지 9.8 MpaG 이고,
    상기 제 2차 반응기의 운전온도는 150℃ 내지 170℃ 이고 압력은 3.5 내지 5.0 MpaG 인,
    알킬렌카보네이트의 제조 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1차 반응기의 스팀응축수 주입부와 제 2차 반응기의 워터자켓에는 70℃ 내지 133℃ 스팀 응축수가 주입되는,
    알킬렌카보네이트의 제조 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 페놀계 유기촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 유기촉매인,
    [화학식 1]
    Figure 112020068731528-pat00005

    상기 화학식 1에서,
    R은 수소, 탄소수 C1 내지 C10의 알킬기, I, Br, Cl, F, OMe, NO2 또는 NMe2 이고,
    X는 I, Br, Cl, 또는 NO3임.
    알킬렌카보네이트의 제조 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 재비기 일체형 증류탑은 충진물(packing)부를 구비하고,
    상기 충진물은 골판 형태의 와이어거즈판(corrugated wire gauze plate)이 규칙적으로 배열된 구조형 충전물(structured packing)이 다단으로 적층된 구조물인,
    알킬렌카보네이트의 제조 장치.
  6. 알킬렌카보네이트의 제조방법으로,
    상기 방법은, 이산화탄소, 알킬렌옥사이드 및 페놀계 유기촉매를 제 1차 반응기로 주입하여 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 1차 반응 생성물을 합성하는 단계;
    상기 제 1차 반응생성물을 제 2차 반응기로 주입하여 미반응물을 반응시켜 알킬렌카보네이트가 포함된 2차 반응 생성물을 합성하는 단계;
    상기 2차 반응 생성물을 기-액분리 드럼으로 공급하여 이산화탄소와 최종 반응 생성물을 분리하는 단계; 및
    상기 최종 반응 생성물을 기-액분리 드럼과 연결된 증류탑으로 공급하여 알킬렌카보네이트를 정제하는 단계를 포함하고,
    상기 제 1차 반응기는 열교환기 일체형 반응기로, 상기 제 1차 반응기 상단에 위치하며 이산화탄소, 알킬렌옥사이드 및 촉매 주입부를 각각 구비하며 하면이 개방된 반응 체류부;
    상기 반응 체류부의 개방된 하면과 플랜지(Flange) 결합을 통해 개방된 상면이 연결되고 스팀응축수 주입부 및 제 1차 스팀배출부를 구비하는 쉘앤튜브(shell & tube)형 열교환부; 및
    상기 쉘앤튜브 열교환부의 개방된 하면과 플랜지 결합을 통해 개방된 상면이 연결되며 상기 제 1차 반응기 하단에 위치하는 1차 반응 생성물 배출부를 포함하고,
    상기 제 2차 반응기는 외주면에 반응 온도 조절용 워터자켓을 구비하고, 상부에는 제 2차 스팀배출부를 구비하며,
    상기 증류탑은 재비기가 하단에 구비된 재비기 일체형 증류탑이고,
    상기 제 1차 반응기 및 제 2차 반응기의 스팀 배출부의 스팀은 상기 증류탑의 재비기에 공급되어 열원으로 사용되는,
    알킬렌카보네이트의 제조방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1차 반응기의 운전온도는 150℃ 내지 185℃ 이고 압력은 압력은 4.9 내지 9.8 MpaG 이고,
    상기 제 2차 반응기의 운전온도는 150℃ 내지 170℃ 이고 압력은 3.5 내지 5.0 MpaG 이며,
    상기 제 1차 반응기의 스팀응축수 주입부와 제 2차 반응기의 워터자켓에는 70℃ 내지 133℃ 스팀 응축수가 주입되고,
    상기 재비기 일체형 증류탑은 충진물(packing)부를 구비하고,
    상기 충진물은 골판 형태의 와이어거즈판(corrugated wire gauze plate)이 규칙적으로 배열된 구조형 충전물(structured packing)이 다단으로 적층된 구조물이며,
    상기 페놀계 유기촉매는 하기 화학식 1로 표시되는 유기촉매인,
    [화학식 1]
    Figure 112019104299740-pat00006

    상기 화학식 1에서,
    R은 수소, 탄소수 C1 내지 C10의 알킬기, I, Br, Cl, F, OMe, NO2 또는 NMe2 이고,
    X는 I, Br, Cl, 또는 NO3임.
    알킬렌카보네이트의 제조 방법.
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