KR20030004339A - 화학제품 제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응기 내에 화학 반응을 수행하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 상기 반응기 내에 존재하는 적어도 하나의 구조화된 반응기 구성요소를 통해서 액상 중에 반응 혼합물을 통과시키는 것으로 이루어지며, 상기 반응 혼합물과 접촉하게 되는 상기 반응기 구성요소의 내부 표면이 촉매적으로 활성이 있고, 그리고 상기 적어도 하나의 반응기 구성요소를 통해 상기 반응 혼합물을 통과시키는 것으로 개선이 이루어지고, 액상 중에 적어도 하나의 액체 및 기체로 이루어지는 상기 혼합물에 관한 것이다.
Description
수소화 반응과 같이 특히 액상과 기상을 포함하는 비균질하게 촉진되는 화학제품 제조방법은 3상(기체, 액체 및 고체)간의 우수한 접촉을 달성하는 것이 다소 복잡하다는 결점을 갖고 있다. 우수한 활성 및 선택성 모두를 얻기 위해서, 기체 및 액체상의 반응물은 철저히 혼합되어야 한다. 이것은 다른 것들 중에서 촉매 구조, 수율 및 반응기 배치에 제한을 초래한다.
상기 반응에 수반되는 현상들을 이해하는데 많은 노력이 투입되어왔다. 지금까지 무엇이 진행되는지 완전한 이해를 하지는 못했다.
기체 및 액체간의 접촉을 향상하기 위해 본 발명자들이 연구해 온 한 측면은 모노리스(monolith) 반응기 시스템의 사용이다. 이 시스템에서, 반응기 내에 소위 테일러 흐름(Taylor flow)을 발생시켜서, 충분한 기체 및 액체의 분포가 있도록 하는 것이 바람직하다. 그러나, 모노리스 시스템의 거동의 충분한 이해가 어렵다고판명되었고, 따라서 시각적 수단으로 시스템을 설계하는 것이 어렵다.
상기한 문제를 해결하기 위한 또 다른 측면은 WO 963-01304호에 기재되어 있다. 상기 문헌에 따르면, 초임계 도는 임계 부근 조건하에 수소화될 기질의 용액 중에서 수소화 반응이 실행된다. 이 방법의 결점은 고압 및 부가적인 초임계적 용액의 필요 및 초임계 또는 임계 부근 상태에서 압력 강하에 의한 반응 혼합물의 회수 필요성이다. 이것은 상기 방법이 고 에너지 수요와 함께, 반응물의 저농도에 기인하여 경제적으로 다소 비매력적이게 한다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 결점이 없는, 반응기 내에서 화학 반응을 수행하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 화학 반응을 수행하는 방법에 관한 것이고, 자세하게, 비균질 촉매에 의해 촉진되는 액상에서 액체와 기체간의 화학반응을 수행하는 방법에 관한 것이다. 더욱 자세하기는, 본 발명은 보통 다단계 생산 과정이 요구되는, 더욱 복합한 유기 분자들, 소위 "정밀 화학제품"의 생산에 관한 것이다.
도 1은 반응기(1), 구조화된 반응기 구성요소로서 2.0 x 15.2 cm의 모노리스(2), 1 mm의 유리알 및 2개의 반원형 30 cm 황동 가열 단편으로 구성된 예열 부위(3)로 이루어지는 시험 장치를 개략적으로 나타낸 것이다. 원료는 4의 위치로 공급되고, 생성물은 5의 위치에서 반응기로부터 회수된다.
액체 반응 원료는 4의 위치로 공급되기 이전에, 표시하지 않은 장치 내에서 기체로 포화된다. 임의로, 5의 위치에서 반응 혼합물은 4를 통해서 공급되기 이전에 상기 장치로 돌려질 수 있다.
도 2는 실시예의 결과를 형성하는 그래프를 나타낸 것이다.
본 발명은 반응기 내에 화학 반응을 수행하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 상기 반응기 내에 존재하는 적어도 하나의 구조화된 반응기 구성요소를 통해서 액상의 반응 혼합물을 통과시키는 것으로 이루어지며, 상기 반응 혼합물과 접촉하는 상기 반응기 구성요소의 내부 표면은 촉매적으로 활성이 있고, 상기 적어도 하나의 반응기 구성요소를 통해 상기 반응 혼합물을 통과시키는 것으로 개선이 이루어지고, 그리고 상기 혼합물이 액상 중에 적어도 하나의 액체 및 하나의 기체로 이루어지는 것에 관한 것이다.
본 발명에 사용된 '액상'이라는 용어는 반응 성분, 기체 반응물 및 액체 반응물이 실질적으로 기체 상태가 없는 액체 상태를 형성하는 것을 의미한다. 즉, 기체는 임의로 용매의 존재하에, 액체 반응물에 용해된다. 또한 이것은 실제(임계이하) 액체가 존재하고, 초임계적 유체가 없다는 것을 의미한다.
놀랍게도, 모든 반응물을 액상으로 반응기 내의 촉매적 구조화 반응기 구성요소에 공급하여서 더 높은 활성 및 선택성으로 상기 반응이 더욱 잘 제어되는 것을 발견했다. 또한, 시스템의 구축이 더욱 용이할 수 있어서, 자본 비용을 줄일 수 있다.
통상의 슬러리 반응기와 비교할 때, 본 발명의 시스템은 촉매 및 반응 혼합물이 서로 분리되어야 하는 여과 단계가 필요하지 않은 이점이 있다.
또 다른 이점은, 본 방법의 유체역학이 3상 모노리스 형태로 작동되는 방법보다 더 단순하다는 것으로, 즉, 테일러 흐름에 대한 조건을 충족해야 하는 어려움이 제거된다는 것이다. 또 다른 이점은 슬러리상 반응에서 전형적인 짧은 확산 경로가 모노리스에서와 같이 구조적 반응기 구성요소에서 유지되는 것이다. 통상의 다른 방법인 고정층 반응기는 전형적으로 그 안에 명백한 결점이 있다.
마지막으로, 반응의 열 생성 및 소비에 상관없이, 반응기는 거의 등온에 가깝고, 온도는 매우 정확하게 제어될 수 있는 것이 이점이다.
본 발명은, 바람직하기는, 반응 생성물의 중간 제거 및 반응 기체의 보충과 함께 특히 반응 혼합물을 재순환하는데 적합하다. 이것은 반응 혼합물의 조성을 매우 면밀하게 제어할 수 있게 한다. 반응기 또는 반응기 구성요소를 통해 다수의 패스(pass)를 사용하는 경우, 반응기를 통한 패스 당 전환율이 낮게 유지되지만, 공정의 총 전환율은 매우 높고 고선택성일 수 있다.
적어도 하나의 구조화된 반응기 구성요소를 포함하는 반응기의 사용은 시스템이 매우 짧은 접촉시간을 갖게 한다.
본 발명에 따르면, 반응 혼합물은 반응 조건하에서 액체인 적어도 하나의 반응물 및 반응 조건하에서 기체인 적어도 하나의 반응물을 함유하고, 상기 적어도 하나의 기체 반응물은 액체 시스템에 용해된다. 기체, 통상적으로 수소를 반응 혼합물에 용해시켜서, 고선택성을 가질 수 있게 된다. 일회성(once through) 시스템인 경우, 생성물은 혼합물과 분리된다. 루프(loop) 반응기처럼 재순환 시스템을 사용하는 경우, 다수의 패스에 기인하여 전체적으로 고수율이면서, 각 패스에서 상대적으로 낮은 전환율을 가질 수 있다. 반응기를 통한 다수의 재순환에 의해, 고선택성과 연계된 고전환율(활성)을 얻을 수 있다. 배출물의 일부 또는 전부가 반응기 입구로 환류되는 루프 반응기가 본 발명의 반응기 시스템으로 정의된다. 이 경우, 반응기는 루프 내부 또는 반응기 입구와 출구 사이에 적어도 하나의 구조화된 반응기 구성요소를 포함한다.
일반적으로, 반응기의 더 좋은 성능이 특히 중요하며, 더욱 상세하게, 슬러리 반응기와 비교할 때, 특히 고활성 및 여과 단계가 없는 것이 중요하다.
패스 당 전환율은 물론 용해된 기체의 양에 의해 한정된다. 이 양은 반응물 중에서 기체의 용해도, 온도 및 압력과 같은 여러 가지 공정 조건에 의해 결정된다.
일반적으로, 본 발명은 수소화, 산화, 할로겐화(염소화), 알킬화, 아세틸화, 옥시염소화(oxychlorination), 수첨-탈염소화(hydro-dechlorination) 및 그와 유사한 것들을 포함하여, 기체 및 액체 성분을 함유하는 모든 반응에 유용할 수 있다.본 발명과 관련하여 사용될 수 있는 기체 성분은 수소, 산소, N2O, Cl2, 에틸렌, 프로필렌 및 상기 가스를 함유하는 화합물 등이다.
본 발명에 따른 시스템은 바람직하기는, 올레오케미칼(oleochemical)(지방 물질: 지방 및 오일, 지방산 및 지방 니트릴, 알코올 및 알데히드 등의 유도체)과 같은 유기 화합물, 증류물, 수지 등의 석유 증류물, 질소 화합물, 올레핀, 디올레핀 및 방향족 화합물 등의 수소화에 유용하다.
더욱 자세하게, 본 발명은 고선택성이 유지되는 것이 중요한 정밀 화학제품의 생산에 매우 적합하게 적용될 수 있다. 반응의 예는 수소화, 수첨-탈염소화 등이다.
수첨-탈염소화에서 본 발명은 시스템 내의 수소의 양 및 수소/HCl 분압을 매우 면밀히 제어할 수 있게 하여, 실질적으로 반응의 선택성을 증진시킨다.
본 발명의 방법은 반응 혼합물과 접촉하게 되는 내부 표면이 촉매적으로 활성화된 모노리스 또는 허니콤(honeycomb) 재료와 같은 구조화된 반응기 구성요소의 사용을 포함한다.
이와 같은 반응기 구성요소들은 예를 들어, 배가스 촉매(예를 들어, Structured Catalysts and Reactors, A.Cybulski and J.A. Moulijn(Eds), Marcel Dekker Inc., New York, 1998, p1-2를 참조)로서 잘 알려져 있다.
본 발명의 방법에 사용될 적합한 모노리스는 100 내지 1500 cpi(인치 당 채널), 바람직하기는 250 cpi이상으로 정의된 구조를 갖는다.
본 발명의 실시에서, 액상에 노출되는 반응기의 표면은 촉매적으로 활성화되어야 한다. 첫번째 구현예에 따라, 이것은 반응기 구성요소가 그 위에, 예를 들어 지지체 물질의 와시코트(washcoat) 상에 고정된 촉매적으로 활성화된 물질을 포함한다는 것을 의미한다. 상기 물질은 의도한 반응에 활성을 갖는다. 수소화에 적합한 물질은 니켈, 코발트, 구리, 망간, 및 백금, 루테늄, 로듐, 팔라듐, 이리듐 등의 귀금속류 등과 같은 잘 알려진 촉매 물질뿐만 아니라 그것의 배합체이다. 마찬가지로, 다른 반응을 위해, 촉매는 산화물, 혼합 산화물, 실리카, 알루미나, 실리카-알루미나, 제올라이트, 점토 광물과 같은 금속 및 금속산화물의 혼합물과 그 배합체 등이 될 수 있다.
금속은 와시코트, 화학 증기 침착, 함침 또는 다른 적당한 기술을 사용하여, 상기 유형의 촉매에 대해 통상적인 양으로 적용된다. 또한, 활성이 있거나, 또는 특정 반응의 경우 활성적으로 만들 수 있는 표면을 갖는 반응기 구성요소를 사용할 수 있다.
반응기 구성요소가 다공성이고, 와시코트를 갖거나 또는 다공성 물질의 함침 후에 표면이 다공성이 되도록 처리되는 금속 물질을 함유하는 시스템에서 함침이 또한 적절히 사용될 수 있다.
와시코트를 사용하는 경우, 반응기 구성요소의 in3당 0.5 내지 5g의 통상적인 양이 사용된다. 와시코트는 고체 표면상의 얇은 산소 층이다. 산소 층은 그 자체가 촉매가 될 수 있지만, 당업자에게 알려진 방법에 의해 또한 촉매로 전환될 수있다.
실시예 1
시험 실행시, 용매로서 알칸 혼합물 중에 2 중량%의 테트랄린(tetraline) 용액을 25 bar(절대압력), 오토클레이브(autoclave) 내에서 수소로 포화시켰다. 기체/액체 분리기를 통과한 후, 기상이 완전히 없도록 액상을 30 bar(절대압력)로 가압하였다.
상기 액체를 반응 온도로 예열한 후, 도 1의 반응기로 이송하였다. 시험 결과는 표 및 첨부한 그래프(도 2)에 나타내었다.
실시예 2
메탄올 중의 1 중량% 1-헥센 용액을 5 bar에서 수소로 포화시켰다. 상기 용액은 30℃, 10bar에서 도 1에 나타낸 바와 같이 반응기를 통과하였다. 모노리스의 벽에, 헤테로폴리산(heteropolyacid)을 사용하여 균일상 Rh-시클로옥타디엔-1,2-비스-디페닐포스피니-에탄 촉매가 고정된 알루미나 와시코트를 공급하였다.
9 mmol/hr의 0차 헥센 수소화 속도를 측정하였다. 단지 0.078 mmol Rh가 존재하기 때문에, 이것은 시간 당 금속 몰 당 ~115 몰 헥센의 TOF를 의미한다.
Claims (11)
- 반응기 내에서 화학 반응을 실행하기 위한 방법으로, 상기 반응기 내에 존재하는 적어도 하나의 구조화된 반응기 구성요소를 통하여 액상의 반응 혼합물을 통과시키는 것으로 이루어지며, 상기 반응 혼합물과 접촉하게 되는 상기 반응기의 내부 표면은 촉매적으로 활성이 있고, 상기 적어도 하나의 반응기 구성요소를 통하여 상기 반응 혼합물을 통과시키는 것으로 개선이 이루어지고, 상기 반응 혼합물은 액상 중에 적어도 하나의 액체 및 적어도 하나의 기체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 반응기 구성요소는 모노리스 촉매 또는 구조화된 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2항에 있어서, 상기 반응 혼합물은 반응 조건하에서 액체인 적어도 하나의 반응물 및 반응 조건하에서 기체인 적어도 하나의 반응물로 이루어지고, 상기 적어도 하나의 기체 반응물은 액상에 용해되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 3항에 있어서, 상기 반응은 수소화 반응인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 4항에 있어서, 상기 수소화 반응은 지방 물질의 수소화, 카르복실산의 수소화, 알데히드의 수소화, 방향족 화합물 및 수지의 수소화, 올레핀 또는 디올레핀의 수소화, 또는 니트릴의 수소화를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 5항에 있어서, 상기 촉매적으로 활성이 있는 물질이 모노리스 반응기의 내부 벽에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6항에 있어서, 상기 촉매적으로 활성이 있는 물질이 와시코트의 형태로 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 6항 또는 제 7항에 있어서, 상기 촉매적으로 활성이 있는 물질이 모노리스의 내표면 또는 와시코트에 고정된 균질 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 8항에 있어서, 상기 모노리스는 루프 반응기 내부에 존재하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 9항에 있어서, 상기 반응 혼합물은 모노리스를 통하여 적어도 2회 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 내지 제 10항에 있어서, 상기 모노리스 반응기는 세라믹 재료, 금속 또는 금속 합금에 기초한 것을 특징으로 하는 방법.
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