KR20010031669A - 비스페놀 에이의 제조방법 - Google Patents

비스페놀 에이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 색상이 고온에서 안정되고 착색되지 않는 비스페놀 A의 제조방법에 관한 것이다.
산 이온 교환 수지를 촉매로서 사용하고 알킬 메르캅탄을 조촉매로서 하여 페놀과 아세톤을 반응시키는 비스페놀 A의 제조방법에 있어서, 반응 온도가 60 내지 100℃이고 아세톤에 대한 페놀 몰비가 6 내지 13이고 알킬 메르캅탄에 대한 아세톤 몰비가 13 내지 25인 조건하에서 반응을 수행하고, 미반응된 아세톤, 물 부산물 및 조촉매인 알킬 메르캅탄을 증류시켜 제거하고, 과량의 페놀을 추가로 증류시켜 제거하여서 정석 원료중 유기황 화합물의 농도를 측정하여 200중량ppm 이하로 유지하는 것을 특징으로하는 비스페놀 A의 제조방법이다.

Description

비스페놀 에이의 제조방법{PROCESS FOR PRODUCING BISPHENOL A}
비스페놀 A[2,2-비스(4-하이드록시페닐)프로판]은 폴리카보네이트 수지와 폴리아릴레이트 수지와 같은 엔지니어링 플라스틱 및 에폭시 수지의 원료로서 중요한 화합물임이 알려져 왔으며, 최근 수년동안 그 수요가 점점 증가하고 있다. 특히 비스페놀 A가 폴리카보네이트 수지의 원료로서 사용될 때에는 색상이 고온에서 안정되고 착색되지 않을 것이 요구되고 있다.
비스페놀 A는 산 촉매의 존재하에, 또한 필요시에 사용되는 알킬 메르캅탄과 같은 황 화합물 조촉매의 존재하에 과량의 페놀과 아세톤을 축합시켜서 제조되는 것으로 알려져 왔다. 이 방법에서는 지금까지 비스페놀 A의 색상을 개선시키기 위하여 다양한 시도가 행해져 왔다.
예컨대, 일본특허 공고공보 65-19333호에는 옥살산 또는 시트르산을 페놀, 물 및 비스페놀 A의 혼합물에 첨가한 후에 생성된 혼합물을 증류시켜서 색상이 개선된 비스페놀 A를 수득하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본특허 공고공보 72-43937호에는 티오글리콜산, 글리콜산 또는 폴리인산을 첨가하는 방법이 개시되어 있으며, 일본특허 공개공보 90-231444호에는 락트산, 말산 또는 글리세르산을 첨가하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 일본특허 공고공보 95-78030호에는 지방족 카복실산을 첨가하고 페놀 부가물로부터 페놀을 진공에서 증발시켜 제거하는 방법이 개시되어 있다. 그러나, 이들 방법 모두는 제 3 물질을 첨가해야 하므로 공정이 복잡하였다. 또한, 비스페놀 A의 색상 개선 효과가 여전히 불만족스러웠다.
본 발명은 이러한 상황하에서 색상이 고온에서 안정되고 착색되지 않는 비스페놀 A의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 요약
본 발명자들은 열심히 연구한 결과, 산 이온 교환 수지를 촉매로 사용하고 알킬 메르캅탄을 조촉매로서 사용하여 페놀과 아세톤을 반응시키면 반응 혼합물의 농축액으로부터 비스페놀 A와 페놀의 부가물을 결정으로서 회수한 정석(晶析) 원료중에서 유기황 화합물의 농도가 비스페놀 A의 고온에서의 색상에 영향을 미침을 발견하고, 본 발명을 완성하게 되었다.
즉, 본 발명은, 산 이온 교환 수지를 촉매로 사용하고 알킬 메르캅탄을 조촉매로 사용하여 페놀과 아세톤을 반응시켜서 비스페놀 A를 제조하는 방법에 있어서, 반응 온도가 60 내지 100℃이고 아세톤에 대한 페놀의 몰비가 6 내지 13이고 알킬 메르캅탄에 대한 아세톤의 몰비가 13 내지 25인 조건하에서 반응시키고, 미반응된 아세톤, 물 부산물과 알킬 메르캅탄 조촉매를 증류시켜 제거하고, 과량의 페놀을 더 증류시켜 제거하여서 얻은 정석 원료중에서 유기황 화합물의 농도를 200중량ppm 이하로 유지시키는 것을 특징으로하는 비스페놀 A의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 색상이 안정된 비스페놀 A의 제조방법에 관한 것이다.
이하에서 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에서 비스페놀 A는 산 이온 교환 수지를 촉매로 하고 알킬 메르캅탄을 조촉매로 하여 과량의 페놀과 아세톤을 반응시켜서 합성한다.
산 이온 교환 수지로는 예컨대, 설폰산 양이온 교환 수지가 바람직하게 사용된다. 이들의 구체적인 예는 설폰화 스티렌 디비닐벤젠 공중합체, 설폰화 가교결합된 스티렌 중합체, 페놀 포름알데하이드-설폰산 수지 및 벤젠 포름알데하이드-설폰산 수지를 포함한다. 이들은 단독으로 사용되거나 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다.
조촉매로서 사용되는 알킬 메르캅탄은 탄소수 1 내지 10의 알킬기를 함유하는 메르캅탄이 바람직하다. 이들의 구체적인 예는 메틸 메르캅탄, 에틸 메르캅탄, 프로필 메르캅탄, 옥틸 메르캅탄 및 시클로헥실 메르캅탄을 포함한다. 이중에서 에틸 메르캅탄이 특히 바람직하다. 이들 알킬 메르캅탄은 단독으로 또는 2종 이상이 혼합되어 사용될 수 있다.
반응 방법은 특별히 제한되어 있지 않으나, 고정층 연속 반응 또는 회분식(batchwise) 반응이 바람직하고, 특히 고정층 연속 반응이 바람직하다. 고정층 연속 반응을 실시하는 경우 액체 시공간 속도(LHSV: liquid hourly space velocity)는 일반적으로 0.2 내지 30hr-1, 바람직하게는 0.5 내지 6hr-1이다. LHSV가 0.2hr-1이하인 경우, 비스페놀 A의 생산성이 저하되는 경우가 있고, 30hr-1이상에서는 반응성이 감소하는 경우가 있다.
반응 온도는 60 내지 100℃이어야 한다. 반응 온도가 60℃ 미만인 경우, 페놀상은 고화될 수 있고, 또한, 100℃를 넘을 때에는 산 이온 교환 수지의 열화가 증가되어 바람직하지 않다. 65 내지 95℃의 범위가 바람직하다.
아세톤에 대한 페놀의 몰비는 6 내지 13이어야 한다. 6보다 작은 경우, 이후에 기재될 정석 원료중의 유기황 화합물의 농도가 200중량ppm을 넘고, 또한, 13 보다 큰 경우에는 반응 속도가 감소하고, 페놀의 회수량이 증가하게 되어 바람직하지 않다. 8 내지 12의 범위가 바람직하다.
알킬 메르캅탄에 대한 아세톤의 몰비가 13 내지 25인 조건하에서 반응을 실시해야 한다. 13 미만인 경우에는 이후에 기재될 정석 원료중의 유기황 화합물의 농도가 200중량ppm을 넘고, 또한, 25를 넘는 경우에는 반응 속도가 감소하고, 반응 선택성이 감소하여 바람직하지 않다. 17 내지 22의 범위가 바람직하다.
반응 혼합물은 비스페놀 A 이외에도 미반응된 페놀, 미반응된 아세톤, 촉매, 물 부산물, 알킬 메르캅탄, 알킬 메르캅탄 이외의 유기황 화합물, 및 착색 물질과 같은 부산물을 함유한다. 따라서, 본 발명의 목적에 부합하는 비스페놀 A를 제조하기 위해서는 후처리가 필요하다.
그 다음에, 상기 반응 혼합물은 회분식 반응을 이용하는 경우 여과에 의해 촉매를 분리시켜서 제거한다. 나머지 액체 성분, 즉 미반응된 아세톤, 물 부산물 및 알킬 메르캅탄 등은 감압 증류에 의해 제거한다. 증류관을 사용하는 경우, 미반응된 아세톤, 물 부산물 및 알킬 메르캅탄을 관의 상부로부터 제거하고, 비스페놀 A와 페놀 등을 함유하는 액체 혼합물을 관의 하부로부터 수득한다.
고정층 연속 반응으로 페놀과 아세톤을 반응시킬 때, 촉매를 제거할 필요가 없다. 반응기로부터 배출된 액체 성분은 전술한 방식으로 처리한다.
감압 증류는 50 내지 600torr의 압력 및 70 내지 180℃의 온도에서 실시할 수 있다. 증류 컬럼을 사용하여 미반응된 아세톤, 물 부산물 및 알킬 메르캅탄을 제거할 때, 미반응된 페놀은 공비되어 그 일부는 컬럼 상부로부터 시스템 밖으로 제거된다.
상기 방법에 의해 미반응된 아세톤, 물 부산물 및 알킬 메르캅탄 조촉매가 반응 혼합물로부터 증류에 의해 제거된다.
반응 혼합물로부터 상기 물질을 제거하여 수득한 용액으로부터 페놀을 감압 증류에 의해 추가로 증류시켜 제거함으로써 비스페놀 A를 농축시킨다. 농축된 잔액은 다음 단계에서 정석 원료가 된다.
농축 조건은 특별하게 제한되어 있지 않으나, 일반적으로 100 내지 170℃의 온도 및 40 내지 500torr의 압력 조건에서 수행한다. 온도가 100℃보다 낮을 때, 높은 정도의 진공이 필요하고, 170℃보다 높을 때에는 후속 정석 단계에서 여분의 열 제거 단계가 필요하다. 또한, 농축된 잔액중 비스페놀 A의 농도는 바람직하게는 20 내지 50중량%이고, 더욱 바람직하게는 20 내지 40중량%이다. 이 농도가 20중량% 미만일 때에는 비스페놀 A의 회수율이 적어지고, 50중량%을 넘을 때에는 정석 이후의 슬러리를 이동시키기가 어려워진다.
본 발명에서는 상기 농축된 잔액중 유기황 화합물의 농도를 측정한다. 이 농도는 200중량ppm 이하이어야 한다. 상기 농도가 200중량ppm을 넘으면 수득된 비스페놀 A의 색상이 악화된다. 유기황 화합물의 농도는 기체 크로마토그래피에 의해 또는 전체 황 분석계와 같은 공지된 기기, 방법을 이용하여 측정할 수 있다.
유기황 화합물의 주된 예에는 디알킬 디설파이드, 티오아세탈, 아세톤 이합체의 메르캅탄 부가물, 및 페놀, 아세톤 및 메르캅탄의 반응 생성물과 같은 메르캅탄에서 유래된 부산물이 포함된다.
고온에서 색상이 안정되고 착색되지 않는 비스페놀 A는 상기 유기황 화합물의 농도를 200ppm 이하로 함으로써 얻어질 수 있다. 즉, 유기황 화합물의 농도를 지표로 하여 비스페놀 A 제품의 규격외 특징(off-specification)을 판정할 수 있고 촉매 교환 시기를 판단할 수 있다. 유기황 화합물 농도의 바람직한 지표는 50중량ppm 이하이다.
본 발명은 제 3 물질을 사용하지 않고도 유기황 화합물의 농도가 200중량ppm 이하로 되는 비스페놀 A의 제조방법에 관한 것이다.
농축된 잔액은 40 내지 70℃로 냉각한다. 이어서, 비스페놀 A와 페놀의 부가물(이후, ″페놀 부가물″이라 약칭함)은 정석되어 슬러리를 형성한다. 냉각은 예컨대, 외부 열 교환기 또는 정석 장치에 첨가된 물을 증발시킴으로써 열 제거하여 실시할 수 있다.
이어서, 슬러리 상태의 농축된 잔액은 여과 또는 원심분리 등에 의해 페놀 부가물 결정과 반응 부산물을 함유하는 정석 모액에서 분리된다. 상기 정석 모액은 직접 또는 일부 반응기에 재순환시키거나 또는 일부 또는 전부를 알칼리에 의해 분해시켜 페놀과 이소프로페닐 페놀로 회수할 수 있다. 또한, 그의 일부 또는 전부는 이성체화되어 정석 원료로 재순환될 수 있다(일본 특허 공개공보 94-321834호 참조).
상기 수득한 비스페놀 A와 페놀 부가물의 결정은 100 내지 160℃로 가열할 때, 액체 혼합물이 형성된다. 상기 액체 혼합물로부터 감압 증류에 의해 페놀을 제거함으로써 비스페놀 A를 용융 상태로 회수할 수 있다. 감압 증류는 일반적으로 10 내지 100torr의 압력 및 150 내지 190℃의 온도에서 수행된다. 또한, 나머지 페놀은 증기 스트립핑에 의해서 제거될 수 있다.
용융 상태의 비스페놀 A는 스프레이 건조기와 같은 미분 장치에 의해 액적으로 형성되며, 이 액적은 냉각되고 고화되어서 제품으로 된다. 액적은 분무 또는 살포등에 의해 제공되고, 질소 또는 공기 등에 의해 냉각되어 고화된다.
본 발명은 하기 실시예에 의해 더욱 구체적으로 예시된다. 그러나, 본 발명은 이들 실시예에 한정되지 않는다.
실시예 1
내경이 20㎜이고 높이가 1500㎜인 충전층 형태의 반응 용기에 설폰산 이온 교환 수지(미츠비시 케미칼 인더스트리즈 리미티드(Mitsubishi Chemical Industries Ltd.)에서 제조한 다이아이온(Diaion)-SK104H)를 투입하였다. 반응 온도를 80℃로 유지하고, 아세톤에 대한 페놀 몰비가 10, 에틸 메르캅탄에 대한 아세톤 몰비가 20, LHSV가 1hr-1인 조건에서 페놀, 아세톤 및 에틸 메르캅탄을 반응 용기의 유입구로부터 투입하여서 반응을 수행하였다. 아세톤 전환율이 75%일 때, 반응 용액을 수거하였다. 미반응된 아세톤과 일부 과량의 페놀을 172℃의 온도와 500torr의 압력에서 반응 용기로부터 증류시켜 제거하였다. 또한, 과량의 페놀을 134℃의 온도와 118torr의 압력에서 증류시켜 제거하여서 비스페놀 A를 40중량%까지 농축시켰다. 이 농축액(정석 원료)은 유기황 화합물을 20중량ppm 함유하였다. 이 농축액을 43℃까지 냉각시켜서 페놀 부가물을 정석시킨 후, 고체-액체 분리를 실시하였다. 170℃의 온도 및 30torr의 압력에서 페놀 부가물 정석으로부터 페놀을 제거하여서 비스페놀 A를 수득하였다. 이어서, 설폰산 이온 교환 수지(미츠비시 케미칼 인더스트리즈 리미티드에 의해 제조된 다이아이온-SK104H)를 촉매로 사용하여 80℃의 반응 온도에서 정석 모액의 90%를 이성체화 반응시킨 후, 정석 원료로 재순환시켰다. 페놀을 회수하여서 나머지 정석 모액 10%를 배출하였다. 정석 모액중 90%를 전술한 방법으로 처리하고 재순환시킬 때에도 유기황 화합물의 농도는 200중량ppm을 넘지 않았다.
생성된 비스페놀 A의 색상은 공기중에서 220℃로 30분동안 가열함으로써 APHA 표준 용액에 의해 가시적으로 측정하였다. 결과적으로 색상은 10APHA이어서 양호하였다.
실시예 2
에틸 메르캅탄에 대한 아세톤 몰비가 17로 바뀐 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 비스페놀 A를 제조하였다. 정석 원료중 유기황 화합물의 농도는 25중량ppm이었고, 생성된 비스페놀 A의 색상은 10APHA이어서 양호하였다.
실시예 3
반응 온도가 85℃로 바뀌고 에틸 메르캅탄에 대한 아세톤 몰비가 22로 변한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 비스페놀 A를 제조하였다. 정석 원료중 유기황 화합물의 농도는 18중량ppm이었고, 생성된 비스페놀 A의 색상은 10APHA이어서 양호하였다.
실시예 4
반응 온도가 70℃로 바뀌고 아세톤에 대한 페놀 몰비가 9로 변하고 에틸 메르캅탄에 대한 아세톤 몰비가 18로 변한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 비스페놀 A를 제조하였다. 정석 원료중 유기황 화합물의 농도는 38중량ppm이었고, 생성된 비스페놀 A의 색상은 10APHA이어서 양호하였다.
대조예 1
반응 온도가 85℃로 바뀌고 아세톤에 대한 페놀 몰비가 6으로 변하고 에틸 메르캅탄에 대한 아세톤 몰비가 10으로 변한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 비스페놀 A를 제조하였다. 정석 원료중 유기황 화합물의 농도는 247중량ppm이었고 생성된 비스페놀 A의 색상은 30APHA이어서, 우수한 색상이 얻어지지 않았다.
대조예 2
반응 온도가 95℃로 바뀌고 아세톤에 대한 페놀 몰비가 5로 변하고 에틸 메르캅탄에 대한 아세톤 몰비가 8로 변한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 비스페놀 A를 제조하였다. 정석 원료중 유기황 화합물의 농도는 386중량ppm이었고 생성된 비스페놀 A의 색상은 35APHA이어서, 우수한 색상이 얻어지지 않았다.
대조예 3
반응 온도가 90℃로 바뀌고 아세톤에 대한 페놀 몰비가 4로 변하고 에틸 메르캅탄에 대한 아세톤 몰비가 7로 변한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방식으로 비스페놀 A를 제조하였다. 정석 원료중 유기황 화합물의 농도는 523중량ppm이었고 생성된 비스페놀 A의 색상은 45APHA이어서 우수한 색상은 얻어지지 않았다.
본 발명에 따르면 정석 원료중 유기황 화합물의 농도가 200중량ppm 이하로 될 수 있다. 따라서, 색상이 고온에서 안정되고 착색되지 않는 비스페놀 A를 제조할 수 있다.
또한, 배경기술에서 설명한 제 3 물질을 첨가할 필요가 없으므로 단순한 공정을 이용할 수 있다.
또한, 제품으로서 비스페놀 A의 규격외 특징을 판단할 수 있고 정석 원료에 있는 유기황 화합물의 농도를 지표로서 사용하여 촉매 교환 시기를 판단할 수 있다. 따라서, 색상이 고온에서 안정되고 착색되지 않는 비스페놀 A를 안정하게 제조할 수 있다.

Claims (3)

  1. 산 이온 교환 수지를 촉매로 사용하고 알킬 메르캅탄을 조촉매로 사용하여 페놀과 아세톤을 반응시켜서 비스페놀 A를 제조하는 방법으로서,
    반응 온도가 60 내지 100℃이고 아세톤에 대한 페놀 몰비가 6 내지 13이고 알킬 메르캅탄에 대한 아세톤 몰비가 13 내지 25인 조건에서 반응시켜서, 미반응된 아세톤, 물 부산물 및 알킬 메르캅탄 조촉매를 증류시켜 제거하고, 과량의 페놀을 추가로 증류시켜 제거하여서 정석(晶析) 원료중 유기황 화합물의 농도를 200중량ppm 이하로 유지시키는 것을 특징으로하는
    비스페놀 A의 제조방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    산 이온 교환 수지가 설폰산 양이온 교환 수지인 비스페놀 A의 제조방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    알킬 메르캅탄이 에틸 메르캅탄인 비스페놀 A의 제조방법.
KR1020007004726A 1998-10-22 1999-09-28 비스페놀 에이의 제조방법 KR100582808B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

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