KR20000029819A - 액체혼합장치 - Google Patents

Abstract

내경이 D인 하우징 (1)을 가지며, 하우징 내에 곡률 반경이 K인 2개 내지 5개의 원호형 날개를 가진 교반기 (2)가 하나 이상 장착되어 있고, 교반기 (2)가 회전시에 지나가는 하우징 (1) 내 원형 영역의 직경이 E이며, K는 0.10*D 내지 0.30*D이고, 바람직하게는 0.125*D 내지 0.25*D이고, E는 0.35*D 내지 0.65*D이고, 바람직하게는 0.45*D 내지 0.55*D인, 둘 이상의 액체상을 혼합하는 혼합 장치.

Description

액체 혼합 장치{Mixing Apparatus for Liquids}

본 발명은 혼합 장치 및 프로펜의 기상 촉매 산화에 의하여 아크릴산을 제조하는 데 있어서 이 혼합 장치의 유리한 용도에 관한 것이다.

수많은 산업용 공정에서는, 다수의 액체들을 서로 혼합해야 한다. 예를 들어, 용액에서 어떤 물질을 액체-액체 추출하는 경우, 우선 신속하고 완전한 물질 전달, 그 다음에는 완전하고 신속한 상 분리를 보장하기 위해 추출 매질을 용액과 매우 강력하게 혼합해야 한다. 양호한 상 분리를 달성하기 위하여, 온건한 조건 하에서 혼합을 실행해야 한다. 즉, 교반 중에 과도한 에너지를 공급하지 말아야 한다.

액체 혼합의 문제점은 예를 들면, 프로펜의 기상 촉매 산화에 의한 아크릴산의 제조시에도 특히 중요하다. 이 공정에서, 아크릴산을 제조하기 위하여, 산화시킬 프로펜은 흔히 희석제 가스와, 또는 미반응 출발 물질을 포함하는 재순환 가스와 혼합한 다음에 기체상 산화 반응 단계로 공급한다. 이어서 기체상 산화 반응 혼합물을 흡수 칼럼에 통과시켜 아크릴산을 분리한다. 여기에서, 대부분의 생성되는 아크릴산은 용매를 사용하여 반응 혼합물로부터 분리한다. 흡수되지 않은 성분들은 흡수 칼럼에서 기체 상태로 제거되고 응축 단계로 공급된다. 이 기체 혼합물의 응축 가능한 부분은 응축된 형태로 분리되고 산성 물이라는 것으로서 제거된다. 일부 비응축 기체 부분은 기체상 산화 반응으로 재순환되어 재순환 기체라고 불리는 것을 형성한다. 산성 물은 일반적으로 소각한다. 흡수 이후에, 바람직하지 못한 다량의 중간 비점 물질(예로, 말레산 무수물)이 용매 중에 남아 있다. 이러한 중간 비점 물질은 대응책이 없을 때는, 용매 중에 축적될 수 있다. 이것은 추가의 추출 단계에서 산성 물을 사용하여 용매로부터 중간 비점 물질을 추출함으로써 피할 수 있다.

본 발명의 목적은 철저한 혼합 및 용이한 분리성을 가능하게 하는, 서로 다른 밀도의 액체의 혼합을 위한 혼합 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 수용액으로부터 유기 용매를 분리해내는 개선된 방법을 제공하는 것이다. 구체적으로, 프로펜의 기상 촉매 산화에 의한 아크릴산의 제조 공정 역시 개선 대상이다.

이러한 목적은 곡률 반경이 K인 2개 내지 5개의 원호형 날개를 가진 교반기를 하나 이상 장착한 내경 D의 하우징을 가지며, 교반기가 회전시에 지나가는 하우징 내 원형 영역의 직경이 E인, 둘 이상의 액체상을 혼합하는 혼합 장치에서 달성된다. 본 발명에 따르면 다음 조건들이 K 및 E에 적용된다: K는 0.10*D 내지 0.30*D이고, 바람직하게는 0.125*D 내지 0.25*D이고, E는 0.35*D 내지 0.65*D이고, 바람직하게는 0.45*D 내지 0.55*D이다.

바람직하게는 교반기는 3개의 날개를 갖는다. 교반기가 바람직하게도 회전 시에 하우징 직경의 대략 반을 스쳐 지나간다면, 즉 D=2*E이면, 날개의 바람직한 형상은 1/4 원과 반원 사이가 된다. 본 발명에 따른 혼합기를 사용할 경우, 신속하게 물질이 전달되고 이에 따라서 분리기에서 상이 신속하게 분리된다. 이것은 본 발명에 따른 혼합기가 혼합기 내의 상들을 균일한 크기의 소적(전형적으로는 1 mm 이하)으로 만들어 한편으로는 보다 신속한 물질 전달을 초래하고, 다른 한편으로는 보다 신속한 상 분리를 초래하기 때문이라고 설명할 수 있다. 이는 혼합 시간 및 혼합기의 전체 크기에 있어서 상당한 감소를 가능하게 한다. 분리 시간 및 분리기의 전체 크기도 이에 따라서 감소될 수 있다.

바람직하게는, 1개 이상의 벽을 하우징 내면에 장착하는데, 여기서 벽은 또한 유리하게는 하우징에 수직으로 배열된다. 이런 형태의 배플은 공지되어 있고 회전자가 회전하는 동안 액체 혼합물의 와동을 조장한다. 구체적으로, 교반기의 날개와 같은 수의 벽이 있고, 이 벽들이 규칙적인 간격으로 하우징 내면에 장착되는 경우, 매번 회전시에 그 안에서 혼합물이 교반기의 운동으로 인하여 강력하게 와동하는 다수의 챔버가 형성된다. 그러나, 이는 특히 대부분의 액체가 회전 기간 이후에 회전자와 함께 선회하는 것을 방지한다.

하우징 내에 2개 이상의 교반기가 공통된 회전축 상에 대략 규칙적인 간격으로 연속적으로 장착되고, 첫번째 및 마지막-수직 배열의 경우 상단 및 하단-의 교반기들이 하우징으로부터 교반기들 사이의 회전축상 거리의 0.4 내지 0.6 배, 바람직하게는 약 0.5 배 만큼 회전축 방향으로 거리를 유지하는 혼합 장치가 또한 바람직하다. 다수의 교반기 사이의 거리는 대략 같아야 한다. 이렇게 하면 특히 유리한 유동 조건이 형성되어 목적하는 철저한 혼합 및 용이한 분리성이 얻어진다. 본 명세서에 기재된 혼합 장치는 본 발명에 따른 혼합기에 의하여 혼합 및 이에 따른 물질 전달 뿐만 아니라 분리도 크게 촉진되기 때문에, 수용액으로부터 1종 이상의 유기 용매를 분리 제거하는 공정에 유리하게 사용될 수 있다. 그러므로 액체-액체 추출 공정은 본 발명을 사용하여 상당히 개선될 수 있다.

본 발명에 따르면, 신규 혼합기는 또한 프로펜의 기상 촉매 산화에 의하여 아크릴산을 제조하는 개선된 공정에 사용될 수 있는데, 여기서 제1 용매를 사용하여 흡수 단계에서 기체상 산화 반응 혼합물로부터 아크릴산을 흡수하고, 제1 용매와 아크릴산의 함량이 낮은 기체 혼합물을 이 흡수 단계로부터 취하여, 기체 혼합물은 응축 단계에서 바람직하게는 20℃ 내지 60℃로 냉각하고, 기체 혼합물의 응축된 상은 응축 단계로부터 산성 물로서 취하고, 기체 혼합물의 기체상을 응축 단계로부터 취하여 적어도 일부는 재순환 기체로서 기체상 산화 반응에 재이용한다. 본 발명에 따르면, 산성 물은 제1 용매의 적어도 부분 스트림과 함께 혼합 장치(상기에 기재된 바와 같은 것)에 통과시킨 다음 분리기로 공급하여, 제1 용매로부터 중간 비점 물질, 특히 말레산 무수물을 분리 제거한다. 제1 용매는 바람직하게는 1종 이상의 치환되거나 비치환된 비페닐, 치환되거나 비치환된 비페닐 에테르 또는 디메틸 프탈레이트 또는 이들의 혼합물로 이루어진다.

아래에서 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 혼합 장치의 예를 평면도로 도시하고,

도 2는 본 발명에 따른 2개의 교반기를 가진 혼합 장치의 예를 도시하고,

도 3은 본 발명에 따라서 수정된 아크릴산 제조 공정의 예를 나타낸다.

도 1은 하우징 (1) 및 회전축 (R)을 중심으로 회전할 수 있는 교반기 (2)를 가진 혼합기를 나타낸다. 회전 방향은 도표에서 화살표로 표시되어 있다. 교반기의 치수 및 배열은 곡률 반경 K 및 지나치는 표면의 직경 E에 대하여 위에서 설정된 조건들에 부합한다. 도시된 교반기의 날개들은 예를 들면, 적절한 직경의 관을 단순히 분할(예, 4등분)함으로써 제조할 수 있다. 도 1에 따른 혼합기는 특히 유리한 결과를 실제적으로 얻을 수 있는 3-날 교반기를 가진 것이다. 상술한 바와 같이, 격벽 판 (3)을 하우징의 안쪽 벽에 장착하여, 교반기와 함께하는 액체의 회전 흐름을 방해하거나 또는 감소시킬 수도 있다.

이러한 칸막이 (3)은 하우징에 완전히 접하게 놓여질 필요는 없고, 하우징 벽으로부터 간극을 둘 수 있으며, 이것이 어떤 환경에서는 액체 혼합물의 추가 와동을 야기할 수 있다.

도 2에 본 발명에 따른 혼합기의 특히 유리한 형태가 묘사되었다. 혼합기의 하우징 (21)에는 혼합될 액체를 위한 2개의 입구 (22), (23) 및 혼합물을 위한 출구 (24)가 있다. 두 개의 교반기 (27), (28)은 교반기의 배열 및 형태에 대한 상기의 조건(즉, 곡률 반경 및 이들이 지나가는 지역의 직경이 청구항에 명시된 조건에 부합함)에 따라서 하우징 (21) 안에 장착된다. 아직 미결정된 매개변수, 즉 교반기 (27), (28)의 공통 회전축 방향으로 하우징 (21)의 상단 (25)으로부터 및 하단 (26)으로부터 교반기 (27), (28) 까지의 거리는 유리하게는 다음과 같다: 교반기 (27)과 상단 (25) 사이의 거리 H_o는 교반기 (28)과 하우징 (21)의 하단 (26) 사이의 거리 H_U와 대략 동일하고, 이들은 두 교반기 사이의 거리 H의 대략 반 정도이다. 이 배열은 혼합기 내에 특히 유리한 유동 조건이 형성되게 하므로 소적 크기가 균일한 목적하는 완전한 혼합이 매우 신속하게 달성된다. 2개의 교반기 대신에, 3개 이상의 교반기를 이러한 방식으로 배열할 수 있으며, 이때 2개의 인접한 교반기 사이의 거리는 항상 하우징 벽으로부터 첫번째 및 마지막 또는 상단 및 하단 교반기 까지의 거리의 대략 2배이다.

최종적으로 도 3은 기상 촉매 산화에 의하여 아크릴산을 제조하는 본 발명에 따라 수정된 공정의 블록 다이아그램을 나타낸다. 본 공정에서 프로펜은 라인 (31)을 통하여 프로펜의 기상 촉매 산화 반응이 진행되는 반응기 (33)으로 공급되고, 공기 또는 수증기와 같은 희석제 가스는 라인 (32)를 통하여 반응기 (33)에 공급된다. 생성되는 아크롤레인은 도시되지 않은 추가의 반응기에서 산화될 수 있다. 기체상 산화 반응 혼합물은 라인 (34)를 통하여 켄칭(quenching) 장치 (35)로 보내어진다. 여기서, 반응 혼합물은 냉각되고 흡수 매질(용매)이 일부 증발하며, 이 일부분은 라인 (317)을 통하여 흡수 칼럼 (37)로 공급되고 여기로부터 냉각 유니트 (36)을 통하여 켄칭 장치 (35)로 보내어진다. 용매 중의 고비점 소량 성분은 켄칭 장치 (35)에서 응축되고 테이크오프 라인(319)를 통하여 회수된다. 용매를 증류 제거한 이후에, 적절하다면, 이들 성분을 소각 등에 의하여 처분한다. 이미 많이 냉각된 반응 혼합물은 켄칭 장치 (35)로부터 냉각 회로 등으로 이루어진 냉각 유니트 (36)로 이송되어 적절한 흡수 온도로 냉각된다. 반응 혼합물은 이어서 흡수 칼럼 (37)로 이송된다. 여기서, 아크릴산은 라인 (317)을 통하여 공급된 용매를 사용하여 역류 흡수에 의하여 기체상 산화 반응 생성물로부터 분리된다. 용매는 예를 들면, 디페닐 에테르 75 중량 %와 비페닐 25 중량 %의 혼합물로 이루어질 수 있다. 또한 용매에 25 중량 % 이하의 극성 용매를 포함시켜 디메틸 프탈레이트와 같은 고체의 생성을 감소시킬 수 있다. 아크릴산을 지닌 용매는 냉각 유니트 (36)을 통과하고 여기에 도시되지 않은 추가의 마무리 조작을 위한 측면 테이크오프 라인 (318)을 통하여 이로부터 회수된다. 이 마무리 조작은 일반적으로 저비점 물질의 스트리핑 및 필요한 경우 용매 증류 또는 유사한 공정을 포함한다. 아크릴산이 거의 없어진 반응 생성물은 흡수 칼럼 (37) 상단에서 취하고 켄칭 장치 (38)로 이송되어 그 곳에서 바람직하게는 20℃ 내지 60℃로 냉각된다. 이러한 반응 생성물의 비응축성 부분을 라인 (39)를 통해 회수하고, 라인 (311)을 통하여 불활성 기체 성분을 분리 배출한 이후에, 라인 (310)을 통하여 프로펜의 기체상 산화에 재순환 기체로서 재이용한다. 이 재순환 기체는 특히 기체상 산화의 미반응 출발 물질, 질소, 및 탄소 산화물을 포함한다. 아크릴산이 거의 없어진 반응 생성물의 응축 가능한 부분은 라인 (312)를 통하여 회수된다. 산성 물이라고 불리워지는 이 응축물은 아크릴산 외에, 다른 적절한 양의 아세트산, 말레산 및 포름알데히드 뿐만 아니라 다른 산들도 포함하는 수용액으로 이루어진다. 이어서 산성 물은 라인 (312)를 통하여 본 발명에 따른 혼합 유니트 (313)으로 공급된다. 여기에서, 산성 물은 라인 (320)을 통하여 도입되는, 아크릴산을 지닌 용매 스트림의 마무리 조작으로부터 나온 제1 용매의 부분 스트림과 혼합된다. 본 발명에 따른 혼합기에 의하여 여러가지 상들이 균일한 소적 크기로 존재하는 고도로 균질한 혼합물이 생성된다. 이어서 혼합물은 분리기 (314)를 통과한다. 분리된 상은 이어서 라인 (315) 및 (316)을 통하여 분리기로부터 회수된다. 본 발명에 따른 혼합기를 사용하면, 교반 시간은 대략 10 배로 감소되고, 동시에 상 분리가 개선될 수 있다. 이에 따라서 혼합기의 전체 크기도 감소될 수 있다.

도시된 주요 아크릴산 제조 단계는 본 발명의 중요성을 감소시키지 않는 다수의 추가 단계로 보충될 수 있다. 그러므로, 중간 비점 물질 추출 전 또는 후에 생성되는 산성 물을 추가의 마무리 조작시킬 수 있는 것과 같이, 흡수 칼럼으로부터 취한 아크릴산을 지닌 용매의 마무리 조작은 여러가지 방법으로 이루어질 수 있다.

Claims (8)

1. 곡률 반경이 K인 2개 내지 5개의 원호형 날개를 가진 교반기를 하나 이상 장착한 내경 D의 하우징을 가지며, 교반기가 회전시에 지나가는 하우징 내 원형 영역의 직경이 E이며, K는 0.10*D 내지 0.30*D이고, 바람직하게는 0.125*D 내지 0.25*D이고, E는 0.35*D 내지 0.65*D이고, 바람직하게는 0.45*D 내지 0.55*D인, 둘 이상의 액체상을 혼합하는 혼합 장치.
2. 제1항에 있어서, 교반기 (2)가 3개의 원호형 날개를 가진 혼합 장치.
3. 제1 또는 2항에 있어서, 하우징 (1)의 내면에 1개 이상의 벽 (3)이 바람직하게는 하우징 (1)에 수직으로 장착된 혼합 장치.
4. 제3항에 있어서, 교반기 (2)의 날개와 정확히 같은 수의 벽 (3)이 하우징의 내면에 규칙적인 간격으로 장착된 혼합 장치.
5. 제1 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 교반기 (2)가 공통된 회전축 (R) 상에 연속하여 규칙적인 간격으로 장착되어 있고, 첫번째 및 마지막 교반기 (2)가 각각 하우징 (1)로부터 R 상의 개별 교반기들 (2)간 거리의 0.4 내지 0.6 배, 바람직하게는 0.5 배 만큼 R 방향으로 거리를 유지하는 혼합 장치.
6. 수용액으로부터 1 종 이상의 유기 용매를 분리해내는 방법에서 제1 내지 5항 중 어느 한 항에 따른 혼합 장치의 용도.
7. 프로펜의 기상 촉매 산화에 의하여 아크릴산을 제조하는 공정에서, 제1 용매를 사용하여 흡수 단계에서 기상 산화 반응 혼합물로부터 아크릴산을 흡수하고, 제1 용매와 아크릴산의 함량이 낮은 기체 혼합물을 흡수 단계로부터 취하여, 기체 혼합물을 응축 단계에서 바람직하게는 20℃ 내지 60℃로 냉각하고, 기체 혼합물의 응축된 상을 응축 단계로부터 산성 물로 취하고, 기체 혼합물의 기체상을 응축 단계로부터 취하여 적어도 일부는 재순환 기체로서 기체상 산화 반응에 재이용하고, 제1 용매의 적어도 부분 스트림과 함께 산성 물을 혼합 장치, 이어서 분리기에 통과시켜 제1 용매로부터 중간 비점 물질, 특히 말레산 무수물을 분리 제거하는, 제1 내지 5항 중 어느 한 항에 따른 혼합 장치의 용도.
8. 제7항에 있어서, 제1 용매가 치환되거나 비치환된 비페닐, 치환되거나 비치환된 디페닐 에테르 또는 디메틸 프탈레이트 중 1종 이상을 포함하는 것인 용도.