KR102162857B1 - 1,4-사이클로헥산디메탄올의 제조 부산물의 처리 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 4-사이클로헥산디메탄올(CHDM)의 제조 부산물의 처리 방법, 즉 1,4-사이클로헥산디메탄올 제조시 발생되는 부산물로부터 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM), 메틸 4-(하이드록시메틸)사이클로헥산카복실레이트(MOL) 또는 디메틸 1,4-사이클로헥산디카복실레이트(DMCD)를 회수하는 방법에 관한 것으로서, 상기 방법을 통해 CHDM 제조공정 중 발생하는 폐기물인 부산물을 경제적이고 환경친화적으로 활용할 수 있다.
Description
본 발명은 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM)의 제조 부산물의 처리 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 CHDM 제조공정 중 발생하는 부산물을 메탄올에 의해 분해시켜 CHDM 등의 유용한 화합물을 회수하는 방법에 관한 것이다.
사이클로헥산디메탄올(CHDM)은 코팅, 섬유, 성형 플라스틱, 포장재 등에 사용되는 다양한 폴리에스테르를 생성하는데 중요한 중간체이다. 사이클로헥산디메탄올은 전형적으로 그 상응하는 사이클로헥산디카복실레이트 에스테르의 수소화에 의해 제조된다. 예를 들어, 보다 상업적으로 중요한 사이클로헥산디메탄올 및 1,4-사이클로헥산디메탄올 중 하나는 전형적으로 디메틸 테레프탈레이트(DMT)의 수소화에 의해 디메틸 1,4-사이클로헥산디카복실레이트(DMCD)를 제공하고, 상기 에스테르기를 수소화시키는 것을 포함하는 2-단계 수소화 공정에 의해 제조된다(반응식 1 참조). 이러한 공정의 각종 단계는 예를 들면 미국 특허 제3,334,149호, 제6,919,489호, 제5,399,742호, 제5,387,752호, 제5,395,987호, 제5,185,476호 및 제7,632,962호, 및 영국 특허 제988,316호에 기재되어 있다.
<반응식 1>
하지만, 상기 CHDM 제조공정은 중간체인 DMCD 외에 다른 여러 부산물이 발생하는 문제가 있다. 상기 부산물의 예로는 카보닐기를 함유하는 이량체 이상의 화합물, 구체적으로 하기 화학식 1 내지 4의 화합물을 들 수 있다.
<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
<화학식 4>
상기 화학식 1 내지 4의 화합물은 종래 활용성이 없어 폐기물로 버려지고 있어 CHDM 제조공정 중 상당량의 폐기물을 야기할 뿐만 아니라, CHDM의 수율을 떨어뜨리는 문제를 유발한다.
본 발명자들은 CHDM 제조공정 중 부산물을 재활용할 수 있는 방안을 검토하던 중, 상기 부산물을 메탄올을 이용하여 분해시켜 CHDM 등의 유용한 화합물을 회수할 수 있음을 확인함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서, 본 발명의 목적은 1,4-사이클로헥산디메탄올 제조시 발생하는 부산물로부터 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM)을 포함하는 유용 화합물을 회수하는 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (1) 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM) 제조시 발생되는 부산물을 산 또는 알칼리 촉매의 존재 하에 메탄올과 반응시켜 1,4-사이클로헥산디메탄올, 메틸 4-(하이드록시메틸)사이클로헥산카복실레이트(MOL) 또는 디메틸 1,4-사이클로헥산디카복실레이트(DMCD)를 포함하는 반응 생성물을 수득하는 단계; (2) 상기 반응 생성물을 중화시키는 단계; 및 (3) 상기 중화된 반응 생성물을 증류하는 단계를 포함하는, CHDM 제조시 발생되는 부산물로부터 CHDM, MOL 또는 DMCD를 회수하는 방법을 제공한다.
본 발명의 방법은 경제적이고 환경친화적으로 CHDM 제조공정 중 발생하는 폐기물인 부산물을 CHDM, MOL 또는 DMCD와 같은 유용한 화합물로 전환시킬 수 있는바, 본 발명의 방법을 이용하면 CHDM 제조공정 중 폐기물을 감소시키고 CHDM의 수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 생성된 화합물을 다른 용도로 이용할 수 있다.
도 1은 실시예 1의 최종 생성물에 대한 가스 크로마토그래피(GC) 분석 결과를 나타낸 것이다.
본 발명은 (1) 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM) 제조시 발생되는 부산물을 산 또는 알칼리 촉매의 존재 하에 메탄올과 반응시켜 1,4-사이클로헥산디메탄올, 메틸 4-(하이드록시메틸)사이클로헥산카복실레이트(MOL) 또는 디메틸 1,4-사이클로헥산디카복실레이트(DMCD)를 포함하는 반응 생성물을 수득하는 단계; (2) 상기 반응 생성물을 중화시키는 단계; 및 (3) 상기 중화된 반응 생성물을 증류하는 단계를 포함하는, CHDM 제조시 발생되는 부산물로부터 CHDM, MOL 또는 DMCD를 회수하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 방법을 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 방법에서, 단계 (1)은 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM) 제조시 발생되는 부산물을 산 또는 알칼리 촉매의 존재 하에 메탄올과 반응시켜 1,4-사이클로헥산디메탄올, 메틸 4-(하이드록시메틸)사이클로헥산카복실레이트(MOL) 또는 디메틸 1,4-사이클로헥산디카복실레이트(DMCD)를 포함하는 반응 생성물을 수득하는 단계이다.
상기 '1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM) 제조시 발생되는 부산물'은 테레프탈레이트, 구체적으로 디메틸 테레프탈레이트(DMT)로부터 1,4-사이클로헥산디메탄올을 제조하는 종래 알려진 공정에서 발생되는 부산물을 가리키며, 부산물의 구체적인 예로는 카보닐기를 함유하는 이량체 이상의 화합물, 더욱 구체적으로는 하기 화학식 1 내지 4의 화합물 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물을 들 수 있다.
<화학식 1>
<화학식 2>
<화학식 3>
<화학식 4>
상기 1,4-사이클로헥산디메탄올 제조시 발생되는 부산물은 부산물 전체 중량을 기준으로 70 내지 90 중량%의 화학식 1의 화합물, 0~5 중량%의 화학식 2의 화합물, 10 내지 30 중량%의 화학식 3의 화합물 및 O~10 중량%의 화학식 4의 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 구체예에서, 상기 1,4-사이클로헥산디메탄올 제조시 발생되는 부산물은 부산물 전체 중량을 기준으로 70 내지 80 중량%의 화학식 1의 화합물 및 20 내지 30 중량%의 화학식 3의 화합물을 포함할 수 있다.
상기 단계 (1)에서는 1,4-사이클로헥산디메탄올 제조시 발생하는, 화학식 1 내지 화학식 4의 화합물 중 어느 하나 또는 이의 혼합물을 포함하는 부산물을 산 또는 알칼리 촉매의 존재 하에 메탄올과 반응시켜 CHDM, MOL 또는 DMCD로 분해시킨다. 상기 단계 1의 분해과정은 하기 반응식 1과 같다.
<반응식 1>
상기 단계 (1)에서 사용될 수 있는 산 촉매의 예로는 황산, 염산, 질산, 인산 및 초산을 들 수 있다.
또한, 상기 단계 (1)에서 사용될 수 있는 알칼리 촉매의 예로는, 금속 알콕시화물(metal alkoxide), 금속 수산화물(metal hydroxide) 또는 알칼리 토금속의 수산염을 들 수 있으며, 바람직하게는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 또는 메톡시나트륨(NaOCH3)일 수 있다. 상기 산 또는 알칼리 촉매는 1,4-사이클로헥산디메탄올 제조시 발생되는 부산물의 총량을 기준으로 0.1 내지 10 중량%의 양으로 사용될 수 있다.
상기 단계 (1)에서 메탄올은 부산물의 총 중량을 기준으로 15 내지 120 중량%의 양으로 사용될 수 있다. 또한, 상기 단계 (1)의 반응은 60℃ 내지 200℃, 바람직하게는 60℃ 내지 150℃에서, 30분 내지 5시간 동안 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 단계 (2)는 단계 (1)에서 생성된 반응 생성물을 중화시키는 단계이다. 상기 중화 과정은 반응 생성물의 pH를 6 내지 8, 바람직하게는 7로 조정하는 단계로서, 이를 위해 산 또는 염기가 사용될 수 있다. 상기 산 또는 염기의 예로는 황산, 염산, 질산, 인산, 초산, 금속 알콕시화물(metal alkoxide), 금속 수산화물(metal hydroxide) 및 알칼리 토금속의 수산염을 들 수 있고, 상기 금속 알콕시화물(metal alkoxide), 금속 수산화물(metal hydroxide) 및 알칼리 토금속의 수산염의 예로는 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 또는 메톡시나트륨(NaOCH3)을 들 수 있으며, 상기 산 또는 염기는 단계 (1)에서 사용된 촉매에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어, 단계 (1)에서 산 촉매가 사용되는 경우, 반응 생성물의 pH를 6 내지 8로 조정하기 위해 단계 (2)의 중화 과정에서 염기가 사용될 수 있으며, 반대로 단계 (2)에서 알칼리 촉매가 사용되는 경우, 반응 생성물의 pH를 6 내지 8로 조정하기 위해 단계 (2)의 중화 과정에서 산이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 방법에서, 단계 (3)은 상기 중화된 반응 생성물을 증류하는 단계이다. 상기 증류 단계는 당해 기술분야에서 널리 알려진 방법에 의해 수행될 수 있으며, 감압증류에 의해 수행될 수 있다.
전술한 본 발명의 방법에 의해, CHDM, MOL 또는 DMCD를 포함하는 최종 생성물을 우수한 회수율로 수득할 수 있다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예에 의해 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
제조예
1:
CHDM
부산물의 수득
미국 특허 제6,187,968호에 기재된 대로, 디메틸 테레프탈레이트(DMT)의 수소화에 의해 디메틸 1,4-사이클로헥산디카복실레이트(DMCD)를 제조하고, 상기 에스테르기를 수소화시켜 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM)을 제조하였다(2-단계 수소화 공정). 상기 DMCD로부터 CHDM을 제조하는 공정 중에 CHDM 부산물이 생성되었다.
시험예
1:
CHDM
부산물의 성분 분석
제조예 1에서 DMCD로부터 CHDM을 제조하는 공정 중에 생성된 CHDM 부산물의 성분을 하기와 같이 확인하였다.
구체적으로, CHDM 제조 공정 중 발생한 부산물을 입수한 후, Recycle preparative LC(Shimadzu, LC-20A Prominence Series)를 사용하여 에스테르 유형의 부산물, 에테르 유형의 부산물 및 기타 물질로 구분하여 분취 후, 1H-NMR(JEOL, ECA-600)을 사용하여 구조를 정확히 분석하였다.
1H-NMR로 확인한 결과, 부산물은 에스테르 결합의 이량체와 에테르 결합을 하는 이량체였고, 에스테르 결합을 하는 이량체의 말단은 바이-하이드록시 그룹과 모노-메틸에스테르 그룹으로 확인되었으며, 이로부터 상기 부산물은 화학식 1의 화합물 70~80 중량% 및 화학식 3의 화합물 20~30 중량%로 구성되어 있음을 확인할 수 있었다.
실시예
1:
CHDM
부산물의 분해반응
상기 제조예 1에서 수득한 CHDM의 부산물 190g, 알칼리 촉매로서 NaOH 1.9g 및 메탄올 56g을 500ml 3구 플라스크에 넣고, 60℃에서 3시간 동안 반응시켰다. 상기 반응 종료 후, 반응 생성물을 황산을 이용하여 pH 7로 중화시켰다. 이후, 반응 생성물을 진공 5 torr로 250℃까지 감압 증류하여 최종 생성물을 수득하였다.
실시예
2:
CHDM
부산물의 분해반응
실시예 1에서 알칼리 촉매로서 NaOH 대신에 KOH를 동량 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1의 과정을 반복하여 최종 생성물을 수득하였다.
실시예
3과 4, 및
비교예
1 내지 3: 중화 조건을 달리한
CHDM
부산물의 분해반응
실시예 1에서 반응 생성물을 하기 표 1에 기재된 바와 같이 중화시키는 것을 제외하고, 실시예 1의 과정을 반복하여 최종 생성물을 수득하였다.
시험예
2: 최종 생성물의 분석 및 회수율 측정
실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3에서 수득한 최종 생성물 내에 CHDM, MOL 및 DMCD이 포함되어 있는지 확인하기 위하여, 각 최종 생성물을 가스 크로마토그래피(GC)에 의해 분석하였다.
대표적인 실시예 1의 최종 생성물에 대한 GC 분석 결과를 도 1에 나타내었다.
도 1에서 보는 바와 같이, 15.158분에 CHDM에 해당하는 피크가 확인되었고, 16.336과 17.035분에 MOL에 해당하는 피크가 확인되었다.
상기 GC 분석 결과로부터, CHDM 및 MOL로 이루어진 회수물의 순도를 계산하였다. 순도는 최종 생성물 내의 CHDM 및 MOL의 피크 면적%의 합에 의해 계산하였다. GC 분석 결과에서 CHDM의 피크 면적%는 40.936%였고, MOL의 피크 면적%는 54.485%였으며, 이들을 합한 순도는 94% 이상이었다.
또한, 공정 부산물의 중량 대비 CHDM 및 MOL의 중량 비율을 얻은 후 이를 합하여 상기 회수물의 회수율을 계산하였다.
상기 실시예 1 내지 4 및 비교예 1 내지 3의 반응 조건 및 각 반응의 회수율을 하기 표 1에 나타내었다.
구분 | 부산물(g) | 촉매 / 투입량(g) |
메탄올 (g) | 중화처리 pH |
회수율(wt%) |
실시예 1 | 190 | NaOH / 1.9 | 56 | 7.0 | 65 |
실시예 2 | 190 | KOH / 1.9 | 56 | 7.0 | 61 |
실시예 3 | 190 | NaOH / 1.9 | 56 | 8.0 | 63 |
실시예 4 | 190 | NaOH / 1.9 | 56 | 6.0 | 62 |
비교예 1 | 190 | NaOH / 1.9 | 56 | 중화하지 않음 (pH 11) |
44 |
비교예 2 | 190 | NaOH / 1.9 | 56 | 5.5 | 47 |
비교예 3 | 190 | NaOH / 1.9 | 56 | 8.5 | 52 |
상기 표 1에서 보는 바와 같이, 알칼리 촉매로서 NaOH와 KOH 간에는 회수율에서 큰 차이를 나타내지 않았다.
하지만, 반응 생성물을 pH 6 내지 8로 중화하는 경우에는 반응 생성물을 중화하지 않은 경우 또는 pH 5.5 또는 8.5로 중화시키는 경우와 비교하여 CHDM, MOL 또는 DMCD의 회수율이 훨씬 높은 것으로 나타났다. 상기 결과는, 본 발명의 방법에서 단계 (2)의 중화 pH가 유용 화합물의 회수율에 영향을 미친다는 것을 보여준다.
실시예
5: 메탄올 함량을 달리한
CHDM
부산물의 분해반응
상기 제조예 1에서 수득한 CHDM의 부산물 190g, 알칼리 촉매로서 NaOH 1.9g 및 메탄올 112g을 500ml 3구 플라스크에 넣고, 60℃에서 3시간 동안 반응시켰다. 상기 반응 종료 후, 반응 생성물을 황산을 이용하여 pH 7로 중화시켰다. 이후, 반응 생성물을 진공 30torr로 250℃까지 감압 증류하여 최종 생성물을 수득하였다.
실시예
6: 촉매 종류 및 메탄올 함량을 달리한
CHDM
부산물의 분해반응
실시예 5에서 알칼리 촉매로서 NaOH 대신에 NaOCH3를 사용하는 것을 제외하고, 실시예 5의 과정을 반복하여 최종 생성물을 수득하였다.
비교예
4 및 5: 메탄올 함량을 달리한
CHDM
부산물의 분해반응
실시예 5에서 메탄올 함량을 하기 표 2에 기재된 바와 같이 사용하는 것을 제외하고, 실시예 5의 과정을 반복하여 최종 생성물을 수득하였다.
시험예
3: 회수율 측정
상기 실시예 5 및 6 및 비교예 4 및 5의 반응을 통해 생성된 최종 생성물의 회수율을 시험예 2와 동일한 방식으로 측정하였다.
상기 실시예 5 및 6 및 비교예 4 및 5의 반응 조건 및 각 반응의 회수율을 하기 표 2에 나타내었다.
구분 | 부산물(g) | 촉매 / 투입량(g) |
메탄올 (g) | 회수율(wt%) |
실시예 5 | 190 | NaOH / 1.9 | 112 | 60 |
실시예 6 | 190 | NaOCH3 / 1.9 | 112 | 65 |
비교예 4 | 190 | NaOH / 1.9 | 20 | 35 |
비교예 5 | 190 | NaOH / 1.9 | 285 | 57 |
상기 표 2에서 보는 바와 같이, 알칼리 촉매로서 NaOCH3를 사용하더라도 회수율이 크게 변하지 않았다.
다만, 비교예 4와 같이 메탄올의 양이 부산물 중량 대비 15% 미만일 경우 메탄올 분해반응이 충분히 발생하지 않아 회수율이 현저하게 낮아졌고, 비교예 5와 같이 메탄올의 양이 부산물 중량 대비 120%를 초과할 경우 회수율은 크게 낮아지지 않으나 메탄올의 투입량이 많아져 반응기가 커져야 하거나, 동일 반응기 용량에서는 실제 얻어지는 회수물의 절대적인 양이 작아지고 또 메탄올 증류에 시간이 장시간 소요되는 등 경제적 측면에서 실제 적용하기가 어렵다.
실시예
7: 촉매의 양을 달리한
CHDM
부산물의 분해반응
실시예 1에서 알칼리 촉매로서 NaOH를 1.9g 사용하는 대신 9.5g을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1의 과정을 반복하여 최종 생성물을 수득하였다.
비교예
6: 촉매의 양을 달리한
CHDM
부산물의 분해반응
실시예 1에서 알칼리 촉매로서 NaOH를 1.9g 사용하는 대신 21.0g을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1의 과정을 반복하여 최종 생성물을 수득하였다.
시험예
4: 회수율 측정
상기 실시예 7 및 비교예 6의 반응을 통해 생성된 최종 생성물의 회수율을 시험예 2와 동일한 방식으로 측정하였다.
상기 실시예 7 및 비교예 6의 반응 조건 및 각 반응의 회수율을 하기 표 3에 나타내었다.
구분 | 부산물(g) | 촉매 / 투입량(g) |
메탄올 (g) | 회수율(wt%) |
실시예 7 | 190 | NaOH / 9.5 | 56 | 63 |
비교예 6 | 190 | NaOH / 21.0 | 56 | 54 |
상기 표 3에서 보는 바와 같이, 알칼리 촉매로서 NaOH를 21.0g으로 사용한 비교예 6의 경우 최종 생성물의 회수율이 낮은 것으로 나타났다. 상기 결과는 메탄올 분해반응에 사용되는 촉매의 양을 조절함으로써 유용 화합물의 회수율을 개선할 수 있음을 보여준다.
실시예
8 및 9: 메탄올의 양을 달리한
CHDM
부산물의 분해반응
실시예 1에서 메탄올 56g 대신에 각각 112g 및 224g을 사용하는 것을 제외하고, 실시예 1의 과정을 반복하여 최종 생성물을 수득하였다.
시험예
5: 회수율 측정
상기 실시예 8 및 9의 반응을 통해 생성된 최종 생성물의 회수율을 시험예 2와 동일한 방식으로 측정하였다.
상기 실시예 8 및 9의 반응 조건 및 각 반응의 회수율을 하기 표 4에 나타내었다.
구분 | 부산물(g) | 촉매 / 투입량(g) |
메탄올 (g) | 회수율(wt%) |
실시예 8 | 190 | NaOH / 1.9 | 112 | 73 |
실시예 9 | 190 | NaOH / 1.9 | 224 | 79 |
상기 표 4에서 보는 바와 같이, 메탄올 함량을 부산물의 총 중량을 기준으로 15 내지 120 중량%의 양으로 사용함으로써 최종 생성물을 높은 회수율로 얻을 수 있었다.
상기 실시예 및 시험예에서 보는 바와 같이, CHDM 제조공정의 부산물을 적정량의 촉매의 존재 하에 적정량의 메탄올로 분해시킴으로써 유용 화합물을 회수할 수 있음을 알 수 있다.
이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.
Claims (9)
- (1) 1,4-사이클로헥산디메탄올(CHDM) 제조시 발생되는 부산물을 산 또는 알칼리 촉매의 존재 하에 부산물의 총 중량을 기준으로 15 내지 120 중량%의 메탄올과 반응시켜 1,4-사이클로헥산디메탄올, 메틸 4-(하이드록시메틸)사이클로헥산카복실레이트(MOL) 또는 디메틸 1,4-사이클로헥산디카복실레이트(DMCD)를 포함하는 반응 생성물을 수득하는 단계;
(2) 상기 반응 생성물을 황산, 염산, 질산, 인산, 초산, 금속 알콕시화물(metal alkoxide), 금속 수산화물(metal hydroxide) 및 알칼리 토금속의 수산염으로 이루어진 군으로부터 선택되는 산 또는 염기를 사용하여 pH가 6 내지 8이 되도록 중화시키는 단계; 및
(3) 상기 중화된 반응 생성물을 증류하는 단계;
를 포함하는, CHDM 제조시 발생되는 부산물로부터 CHDM, MOL 또는 DMCD를 회수하는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (1)의 산 촉매가 황산, 염산, 질산, 인산 및 초산으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (1)의 알칼리 촉매가 금속 알콕시화물(metal alkoxide), 금속 수산화물(metal hydroxide) 또는 알칼리 토금속의 수산염인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (1)의 알칼리 촉매가 수산화나트륨(NaOH), 수산화칼륨(KOH) 또는 메톡시나트륨(NaOCH3)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (1)의 촉매가 부산물의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 10 중량%의 양으로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 단계 (1)의 반응이 60 내지 200℃에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
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