KR20060005344A - 아세트산의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

버블 칼럼 반응기에서 불균일 촉매 반응에 의해 메탄올을 일산화탄소로 카보닐화하여 아세트산이 제조된다. 카보닐화 반응은 반응 부피에 대하여 100 ㎏/㎥ 이상의 고체 촉매 농도로 수행된다. 반응을 위해, 일산화탄소의 소모속도는 일산화탄소의 이론적 반응 부피의 3 내지 15％ 범위로 제한되는 한편 반응기 중 일산화탄소의 분압은 1.0 내지 2.5 MPa의 범위로 제한되며 액체 겉보기 속도는 0.2 내지 1.0 m/초 범위에서 발견되도록 한다.
버블 칼럼 반응기, 불균일 촉매, 고체 촉매, 카보닐화, 아세트산, 일산화탄소

Description

아세트산의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING ACETIC ACID}
본 발명은 아세트산의 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 고체 촉매 존재 하에 버블 칼럼 반응기(bubble column reactor)에서 메탄올을 일산화탄소로 카보닐화하고, 반응을 높은 촉매 농도로 수행함으로써, 아세트산을 제조하는 방법에 관한 것이다.
귀금속 촉매 존재 하에 메탄올과 일산화탄소(CO)가 서로 반응하도록 함으로써 아세트산을 제조하기 위한 소위 "몬산토 방법"이 잘 알려져 있다. 통상적으로, 이 방법은 금속 촉매와 조촉매(promoter)로서 각각 로듐 화합물과 요오드화메틸을 물도 함유하는 아세트산 용매에 용해시켜 제조된 반응 용액에서 메탄올과 일산화탄소가 서로 반응하도록 하는 균일(homogeneous) 촉매 반응을 이용하도록 개발되었다(일본 특허공개 제47-3334호). 변형된 방법이 로듐 화합물을 운반(carry)하는 고체 촉매를 사용하는 불균일(heterogeneous) 촉매 반응을 이용하도록 개발되었다(일본 특허출원 공개 제63-253047호). 그러나, 균일 촉매 반응은 촉매 금속의 용해도가 용매에 대해 낮아 당연히 대형 반응기를 사용할 필요가 있을 수 있기 때문에 높은 반응속도에 적합화되지 못한다. 부가적으로, 반응속도와 아세트산에 대한 선택성을 증가시키고 용해된 촉매의 침적을 방지하기 위하여 물이 반응 용액에 특정 비 율로 함유될 필요가 있고 결과적으로 그것은 조촉매로서 함유된 요오드화메틸의 가수분해를 야기하여 수율을 감소시키고 반응 장치를 부식시킨다. 이들 및 다른 이유로, 불균일 촉매 반응을 이용하는 방법이 상대적으로 그러한 문제점이 없으므로 개발되었다.
불균일 촉매 반응을 이용하는 메탄올의 카보닐화는 보통 용매로서 아세트산의 사용을 포함한다. 보다 구체적으로, 로듐 화합물을 운반하는 고체 촉매와 요오드화메틸의 조촉매 존재 하에 반응기에서 압력과 높은 온도 하에 메탄올과 일산화탄소가 서로 반응하도록 한다. 반응기로부터 추출된 액체 반응 산물은 생산된 아세트산을 분리하여 수집하기 위해, 전형적으로 증류 수단을 포함하는, 분리 시스템으로 도입되며, 분리의 결과 생산되는 잔여 용액은 반응기로 되돌려진다. 이 조작 단계에서, 반응 용액이 고체 촉매 입자와 함께 주성분으로 아세트산, 메탄올 및 요오드화메틸을 함유하는, 2상 시스템 또는 불균일 시스템이 반응기에 존재한다(보다 정확하게는 CO 기체의 버블을 함유하는 3상 시스템). 반응 용액이 상기 주성분 이외에, 반응 부산물인 메틸아세테이트, 디메틸에테르, 요오드화수소와 물도 함유함을 주목하라. 분자 구조에 피리딘 환을 함유하고 로듐 착체를 운반하는 불용성 수지의 입자가 보통 고체 촉매를 위해 사용된다.
임펠러(impeller)에 의해 반응 용액을 교반하도록 적합화된 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)나 버블에 의해 반응 용액을 교반하도록 적합화된 버블 칼럼 반응기가 불균일 촉매를 이용하는 카보닐화 반응을 위해 사용될 수 있다.
연속 교반 탱크 반응기를 이용할 때, 고체 촉매 입자는 반응 용매에서 교반 되고 현탁되며 액체 메탄올과 CO 기체가 반응 원료로 바닥으로부터 주입되어 서로 반응하게 된다. 그러한 연속 교반 탱크 반응기나, 교반 탱크 형 현탁 반응기는 CO 기체의 체류 시간이 액체에서 상대적으로 짧고, 일단 CO가 반응기에서 액체로부터 나와 기체 상으로 이동하면, 그것은 거의 액체에 다시 용해될 수 없으므로 CO 유실율 증가 문제를 수반한다. 그것은 고체 촉매가 반응기 밖으로 흐르지 않도록 하면서 반응기로부터 반응 용액만을 채취하는 것이 구조적으로 어렵고 촉매 입자가 교반기에 의해 더 미세한 입자가 되도록 촉진되므로 촉매 분리의 어려움과 촉매의 수명 감소 문제를 부가적으로 수반한다.
반대로, 버블 칼럼 반응기는 반응기가 실린더형이고, 그것을 통과하는 CO 기체가 긴 체류 시간을 나타내도록 할 수 있으므로, 상기 문제점들이 없어서 장점을 갖는다. 그러한 버블 칼럼 반응기가 사용될 때, 실린더형 반응기는 반응 용매와 고체 촉매로 충전되고 CO 기체가 제트 류로서 바닥에서 위쪽으로 주입되는 한편, 액체 메탄올이 반응 원료로 바닥으로부터 제공된다. 주입된 CO 기체는 그것이 실린더형 반응기에 함유된 액체에서 상승하면서 버블을 형성하고 촉매 입자 또한 기체 리프트(lift) 효과에 의해 실린더형 반응기에서 위쪽으로 이동하도록 유도되고 액체로 분산된다. 그 결과, 카보닐화 반응이 진행된다. 그런 다음, 미반응 CO 기체와 고체 촉매를 함유하는 반응 용액은 실린더형 반응기의 꼭대기에 배열된 분리기(separator)에 의해 그들이 거기에 도착하였을 때 분리된다. 미반응 CO 기체는 수집되고 고체 촉매를 함유하는 반응 용액의 나머지 부분이 그 자신의 중량에 의해 순환 경로를 통해 실린더형 반응기의 바닥으로 돌아가 실린더형 반응기에 다시 한 번 제공되어 순환을 완료하는 한편, 반응 용액의 일부는 어떠한 고체 촉매도 함유하지 않는 액체 반응 산물로서 분리기의 꼭대기로부터 채취된다. 그러한 버블 칼럼 반응기를 이용하는 카보닐화 반응의 공지 방법으로, CO 기체는 반응기에서 고체 촉매 입자를 이동시키기 위한 목적으로 실린더형 반응기의 바닥에 배열된 노즐에 의해 제트 류로서 실러더형 반응기에 함유된 액체로 주입된다(일본 특허출원 공개 제6-340242호).
보다 구체적으로, 위 반응 단계에서, 일산화탄소는 반응기의 액체 반응 조성물(불균일 촉매 반응의 경우 고체 촉매 입자를 함유하는)로 취입되고(blown), 미반응 일산화탄소를 포함하는 기체 상 성분은 오프 가스(off gas)로서 반응기의 꼭대기로부터 유출된다. 반응된 액체 반응 조성물은 고체 촉매 입자로부터 분리되고 반응기로부터 유출되어 플래시 칼럼(flash column)이나 플래시 용기(flash vessel)로 도입된다. 플래시 칼럼의 경우, 액체에 용해된 일산화탄소와 기화된 경질-분획(light-fraction) 성분은 플래시 증류 조작에 의해 오프 가스로서 분리되고 잔여 액체 조성물은 증류 단계를 포함하는 추후 단계에 의해 아세트산의 최종 산물을 생산하기 위해 정제되는 조 아세트산 분획과 순환을 위해 반응기로 되돌려보내지는 순환 분획으로 나뉜다. 플래시 용기의 경우, 액체 반응 조성물은 플래시 증발 조작에 의해, 위에 언급된 오프 가스와 조 아세트산 분획에 해당하는 성분을 함유하는 기체 분획과 잔여 액체 분획으로 나뉘어, 기체 분획은 추후 증류 단계에서 정제되고 액체 분획은 반응기로 되돌려진다. 오프 가스와 순환 분획은 최종 산물인 정제된 아세트산 분획과 함께, 증류 단계를 포함하는 추후 단계에서도 생산될 것이 다.
상기한 바와 같이, 아세트산을 제조하는 과정에서, 오프 가스는 반응 단계와 분리와 정제의 추후 단계를 포함하는 과정의 각 단계에서 유출된다. 유출된 오프 가스는 반응의 결과로 생산되는 메탄과 수소와 미반응 일산화탄소 뿐만 아니라 조촉매인 요오드화메틸, 반응 원료와 반응 용매로 사용되는 아세트산과 메틸아세테이트와 같은 기타 기화된 물질을 함유한다. 따라서, 통상적으로, 오프 가스가 소각로에서 소각되기 전에 이들 유용한 물질들은 수집되고 반응기로 되돌려진다. 기체 흡수 조작이 일반적으로 오프 가스로부터 유용한 물질을 수집하는데 사용되고 생산된 아세트산이나 원료 메탄올은 부분적으로 기체 흡수 조작을 위해 흡수제 액체(absorbent liquid)로 사용된다. 생산된 아세트산이 부분적으로 흡수제 액체로 사용될 때, 흡수제 액체로서 아세트산을 사용한 후 아세트산으로 흡수된 유용한 물질을 아세트산으로부터 분리하기 위한 목적으로 확산 단계가 불가피하게 제공될 필요가 있다. 반대로, 흡수제 액체로 원료 메탄올 일부의 사용은 흡수제 액체로 사용된 메탄올이 어떠한 처리도 없이 반응기로 도입될 수 있다는 장점을 제공한다. 부가적으로, 흡수 효율을 향상시키기 위하여 아세트산을 냉각하기 위한 어떠한 노력이 아세트산의 상대적으로 높은 녹는점(17 ℃)에 의해 방해받는 반면, 메탄올은 그러한 문제를 수반하지 않기 때문에 장점을 갖는다.
발명의 개시
불균일 반응이 고체 촉매를 사용하여 버블 칼럼 반응기에서 수행될 때, 이동 하는 고체 촉매 입자는, 고체 촉매 입자의 농도가 낮게 유지되는 한 그러한 문제가 일어나지 않을지라도, 고체 촉매 입자의 농도가 높을 때에는 실린더형 반응기의 바닥에서 대개 차단될 수 있다. 그런 다음, 고체 촉매를 함유하는 반응 액체는 순환을 위해 외부 순환 경로를 통해 실린더형 반응기의 바닥으로 향해지므로, 순환 경로는 순환 경로에 침적된 고체 촉매 입자에 의해 막히게 되어 조작에 상당한 문제를 유발할 수 있다. 순환 경로가 막히지 않으면, 고체 입자는 국소적으로 집괴하여 상기 반응 과정에 의해 아세트산을 제조하는 생산성을 감소시키고 부반응을 촉진시킬 수 있다.
따라서, 고체 촉매를 이용하여, 불균일 촉매 반응에 의해 메탄올을 카보닐화함으로써 아세트산을 제조하는 공지의 방법은 상대적으로 낮은 촉매 농도로 수행될 필요가 있고 아세트산이 특정 속도로 제조되어야만 할 때 방법을 수행하기 위해 대형 장치의 사용을 요구하는 것을 포함하는 문제점을 수반한다. 따라서, 높은 촉매 농도가 사용될 때 아세트산을 제조하는 생산성이 고체 촉매의 국소적 집괴에 의해 감소되지 않을 수 있고 아세트산을 제조하는 조작이 장기간 동안 안정한 기초로 신뢰성있게 수행될 수 있도록 반응기에서 이동하는 고체 촉매 입자를 차단하고 침적된 고체 촉매 입자로 인해 순환 경로를 막는 문제가 없는 아세트산의 제조방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 또한 그러한 방법과 함께 사용될 반응기를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
한편, 높은 촉매 농도를 포함하는 본 발명에 따른 방법으로, CO 기체가 취입되는 속도 또한 높고 따라서 공지의 방법과 비교하여 오프 가스가 생산되는 속도가 높다. 원료 메탄올을 흡수제 액체로 사용하는 기체 흡수 조작이 오프 가스로부터 유용한 물질을 수집하기 위해 수행될 때, 흡수제 액체로서의 메탄올의 공급속도가 당연히 증가할 것이다. 그러나, 원료 메탄올이 반응기로 공급되는 속도 보다 더 높은 속도로 메탄올이 오프 가스를 흡수하는데 사용되면, 과량의 메탄올은 원료로 사용될 수 없기 때문에 단순히 폐기될 필요가 있다. 따라서, 메탄올의 그러한 높은 공급 속도는 비경제적이다. 환언하면, 메탄올이 오프 가스를 흡수하는데 사용되는 속도가 원료 메탄올이 반응기로 공급되는 속도 보다 더 낮은 것이 바람직하다. 따라서, 원료 메탄올이 흡수제 액체로 사용될 때 오프 가스 흡수 조작의 효율이 아세트산을 제조하는 방법에 필수불가결함이 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 다른 목적은 오프 가스 흡수 조작의 효율을 높이기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 카보닐화 반응이 반응 부피에 대해 100 ㎏/㎥ 이상의 고체 촉매 농도로 수행되는, 버블 칼럼 반응기에서 불균일 촉매 반응에 의해 메탄올을 일산화탄소(CO)로 카보닐화하여 아세트산을 제조하는 방법이 제공된다. 고체 촉매는 입자화된 수지에 담지된 촉매 금속 착체를 포함한다. 촉매 금속은 보통 0.3 내지 2.0중량％, 바람직하게는 0.6 내지 1.0중량％의 입자화된 수지를 함유한다.
본 발명에 따르면, 고체 촉매 농도가 반응계의 부피에 대하여 100 ㎏/㎥ 이상일 때 카보닐화 반응의 생산성이 향상되어 상대적으로 소형의 반응기가 반응에 사용되어 생산 비용을 감소시킬 수 있다. 고체 촉매 농도는 반응기 본체와 순환계 둘 다에서의 평균 촉매 농도이다.
본 발명의 일 측면에서, 반응계 부피에 대하여 100 ㎏/㎥ 이상의 고체 촉매 농도가 사용되는 본 발명에 따른 방법으로, 액체 겉보기 속도(superficial velocity)는 0.2 내지 1.0 m/초인 한편, 반응기 중의 일산화탄소의 분압은 1.0 내지 2.5 MPa이고 일산화탄소의 소모속도는 일산화탄소의 이론적 반응 부피의 3 내지 15％이다.
그렇게 높은 촉매 농도로, 반응기 중 일산화탄소의 분압은 CO를 이용한 카보닐화 반응의 율속(rate-controlling)인, 기체와 액체 사이의 CO 기체의 질량 전달 상수 Kla(액상 용량 계수)를 예정된 값 이상(예를 들어, 700 이상)으로 유지하기 위하여, 1.0 내지 2.5 MPa, 바람직하게는 1.7 내지 2.2 MPa 범위 내에서 유지된다. 일산화탄소의 분압이 2.5 MPa를 초과할 때 반응속도가 현저히 향상되지 않는 반면, 일산화탄소의 분압이 1.0 이하일 때 반응의 총 생산성은 현저히 떨어진다. 따라서, 일산화탄소의 분압이 위에서 정의된 범위 내에서 유지될 때 전체 반응 압력은 1.5 내지 5.9 MPa, 바람직하게는 3.0 내지 4.5 MPa의 경제적 범위 내에서 유지될 수 있다.
일산화탄소는 충분한 Kla 값을 보장하기 위하여 과량으로 제공되며 3 내지 15％, 바람직하게는 5 내지 10％의 값이 일산화탄소의 소모속도를 위해 선택된다(일산화탄소의 이론적 반응 부피에 대한 과량의 일산화탄소의 비율). 소모속도가 3％ 이상일 때 Kla 값이 현저히 향상하는 한편, 15％ 초과의 소모속도는 경제적 관점에서 바람직하지 않다. CO 기체가 과량으로 제공될 때, 기체 리프트 효과가 그에 따라 향상되어 고체 촉매의 균일한 유동화를 위해 역할한다.
부가적으로, 높은 농도를 나타내는 촉매 입자의 균일하게 분산된 상태를 유지하여 불충분한 순환 속도에 의해 유발되는 고체 촉매의 국소화로 인해 아세트산을 제조하는 생산성이 떨어지는 것과 부반응이 촉진되는 것을 방지하기 위하여, 반응기에서 상승하는 반응 액체의 액체 겉보기 속도는 0.2 내지 1.0 m/초에서 유지된다. 과량의 CO 기체의 소모속도가 상승하고 CO 기체의 체류 시간이 불충분해지므로 액체 겉보기 속도가 1.0 m/초 보다 높은 것은 바람직하지 않다. 그러면, 그러한 문제를 방지하기 위하여 현저히 높은 반응기가 설치되어야만 할 것이다. 한편, 반응 액체의 액체 겉보기 속도가 0.2 m/초 미만이면, 촉매는 불균일하게 분포되어 국소화된 반응을 증가시켜 부반응의 증가를 가져오고 촉매의 사용 수명을 단축시킬 것이다.
유사하게, CO 기체의 기체 겉보기 속도는 바람직하게는 2 내지 8 ㎝/초이다. 여기에서 사용된 기체 겉보기 속도의 표현은 반응기 바닥의 기체 도입부(lead-in section)와 반응기 꼭대기의 대응부에서의 기체 겉보기 속도의 평균값을 말한다. 기체 겉보기 속도가 위에서 정의된 범위 내에서 발견될 때, 그러한 속도와 반응기에서 상승하는 CO 기체의 기체 리프트 효과로 인해 고체 촉매는 반응기에서 균일하게 분산되어 필요한 수준의 고체 촉매 순환/유동화가 안정한 기초로 유지될 수 있다,
본 발명에 따라 불균일 카보닐화 반응에 의해 아세트산을 제조하기 위해 사용되는 버블 칼럼 반응기는 충분한 반응 효율을 얻기 위하여 충분히 긴 기체/액체 접촉 시간과 충분히 높은 수준의 순환/유동화를 제공하는 것이 요구되므로, 바람직 하게는 직경 D에 대한 길이 L의 비율(L/D)이 8 이상이다. 8 이상의 L/D 값을 갖는 반응기를 이용하면, 반응 영역(상승부(riser section))에서 기체 잔류물(holdup)의 부피가 증가하여 반응 영역과 액체 하강 영역(하강부(down-comer section)) 사이에 충분히 큰 밀도 차이를 만들어내므로 위에서 언급된 0.2 m/초 이상의 속도의 고체 촉매 슬러리의 균일한 순환류를 확립하는 것이 가능하다. 외부 순환계나 내부 순환계가 버블 칼럼 반응기를 위해 사용될 수 있는 한편, 외부 순환계가 사용될 때 반응에 의해 발생되는 열을 제거하기 위하여 바람직하게는 열 교환기가 순환 경로에 도입된다.
본 발명의 다른 측면에서, 반응 부피에 대하여 100 ㎏/㎥ 이상의 고체 촉매 농도가 사용되는 본 발명에 따른 방법으로, 일산화탄소는 복수의 높이에 배열된 일산화탄소 취입 포트(blow-in ports)를 통해 반응기로 주입된다.
일산화탄소가 복수의 높이에 배열된 일산화탄소 취입 포트에 의해 반응기로 주입되면, 반응기 중의 고체 촉매는 단일 높이 배열과 비교하여 매우 효율적으로 유동화되고 균일화되어 100 ㎏/㎥ 이상의 높은 고체 촉매 농도로 반응계를 조작하는 것이 가능하다. 그러면, 반응기의 크기를 줄이는 것이 가능하다.
고체 촉매는 입자화된 수지 상에 담지된 촉매 금속 착체를 포함한다. 촉매 금속은 보통 0.3 내지 2.0중량％, 바람직하게는 0.6 내지 1.0중량％의 입자화된 수지를 함유한다.
복수의 높이에 배열된 적어도 하나의 일산화탄소 취입 포트가 고체 촉매를 유동화하기 위한 일산화탄소 취입 포트로 사용되고 복수의 높이에 배열된 적어도 다른 하나의 일산화탄소 취입 포트가 반응기의 하부에 있는 고체 촉매를 이동시키기 위한 일산화탄소 취입 포트로 사용될 때 반응기 중의 고체 촉매는 더욱 더 효율적으로 유동화되고 균일화될 수 있다. 고체 촉매를 이동시키기 위한 일산화탄소 취입 포트가 반응기의 바닥에 배열될 때, 고체 촉매가 반응기 바닥에 침적하는 것이 방지된다. 한편, 고체 촉매를 유동화하기 위한 일산화탄소 취입 포트가 고체 촉매를 이동시키기 위한 일산화탄소 취입 포트 위의 적절한 위치에 배열될 때, 취입된 CO 기체가 실린더형 반응기에서 상승할 때 발생하는 기체 리프트 효과에 의해 반응기에서 위쪽으로 촉매를 이동시키고 그것을 액체에 분산시켜 고체 촉매를 효율적으로 유동화하는 것이 가능하다. 각각의 높이에서 고체 촉매를 유동화하기 위한 적어도 하나의 일산화탄소 취입 포트와 고체 촉매를 이동시키기 위한 적어도 하나의 일산화탄소 취입 포트를 배열하는 것이 바람직한 한편, 필요하면 언제든지 복수의 취입 포트를 고체 촉매를 유동화하고(하거나) 고체 촉매를 이동시키기 위하여 배열할 수 있다.
일산화탄소 취입 포트가 상기한 바와 같은 방식으로 복수의 높이에 배열될 때, 단일 높이에 배열된 하나 또는 하나 초과의 일산화탄소 취입 포트를 갖는 통상적인 버블 칼럼 반응기가 다룰 수 없는 높은 농도로 고체 촉매가 사용될 때 안정한 기초로 신뢰성있게 아세트산을 제조하는 조작을 수행하는 것이 가능하다. 특히, 버블 칼럼 반응기가 외부 순환 경로를 통해 반응기의 하부로 고체 촉매를 함유하는 반응 액체를 순환/공급하기 위한 외부 순환계와 함께 사용되고 고체 촉매를 이동시키기 위한 일산화탄소 취입 포트가 반응기와, 반응기의 하부에 위치하고 고체 촉매 입자의 흐름을 차단하기 쉬운 외부 순환 경로의 연결부(즉, 순환 도입부) 가까이에 배열될 때 고체 촉매가 침적하고 순환 경로를 막는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에서,
메탄올, 요오드화메틸, 아세트산 및(또는) 메틸아세테이트로 이루어지는 유기용매와 적은 함량 비율의 물을 함유하는 액체 반응 조성물에 고체 금속 촉매를 현탁시키고 액체 반응 조성물로 일산화탄소 기체를 취입하여 카보닐화 반응이 일어나도록 하는 반응 단계;
상기 반응 단계로부터의 액체 반응 조성물과 오프 가스를 분리하여 채취하는 제1 분리 단계;
제1 분리 단계에서 분리된 액체 반응 조성물을 플래시 칼럼에 도입하여 플래시 증류 조작을 수행함으로써 탑(tower) 꼭대기 부분으로부터 흘러나오는 오프 가스와 경질(light) 액체 분획, 탑 중간 부분으로부터 흘러나오는 조 아세트산 분획 및 탑 바닥 부분으로부터 흘러나오는 순환 분획을 분리하는 제2 분리 단계;
제2 분리 단계에서 분리된 경질 액체 분획의 일부와 조 아세트산 분획을 증류계에 도입하여 오프 가스, 산물 아세트산 분획, 중질(heavy) 분획 및 순환 분획을 분리하는 제3 분리 단계;
분리된 경질 액체 분획의 나머지와 제2 분리 단계에서 분리된 순환 분획과 제3 분리 단계에서 분리된 순환 분획을 반응기로 되돌리는 순환 단계;
흡수제 액체로서 메탄올을 사용하여, 제1 분리 단계에서 분리된 오프 가스에 대해 기체 흡수 조작을 수행하는 제1 흡수 단계;
제1 흡수 단계의 압력보다 낮은 압력 하에서 흡수제 액체로서 메탄올을 사용하여, 제2 분리 단계에서 분리된 오프 가스와 제3 분리 단계에서 분리된 오프 가스에 대해 기체 흡수 조작을 수행하는 제2 흡수 단계; 및
제1 흡수 단계 후 남은 오프 가스, 제2 흡수 단계 후 남은 오프 가스 및 제3 분리 단계에서 분리된 중질 분획을 계 외부로 소모시키는 소모 단계
를 포함하고, 온도가 10 내지 25 ℃로 조절되는 메탄올을 제1 및 제2 흡수 단계에서 흡수제 액체로 사용하되, 상기 두 흡수 단계에서 사용되는 전체 메탄올의 50 내지 80중량％가 제2 흡수 단계에서 사용되도록 나누어 사용하고, 두 흡수 단계 후 남은 메탄올을 반응 단계에서 원료 메탄올로 사용하는 것을 특징으로 하는,
고체 금속 촉매 존재 하에서 메탄올을 일산화탄소로 카보닐화하여 아세트산을 제조하는 방법이 제공된다.
본 발명의 또 다른 측면에서,
메탄올, 요오드화메틸, 아세트산 및(또는) 메틸아세테이트로 이루어지는 유기용매와 적은 함량 비율의 물을 함유하는 액체 반응 조성물에 고체 금속 촉매를 현탁시키고 액체 반응 조성물로 일산화탄소 기체를 취입하여 카보닐화 반응이 일어나도록 하는 반응 단계;
상기 반응 단계로부터의 액체 반응 조성물과 오프 가스를 분리하여 채취하는 제1 분리 단계;
제1 분리 단계에서 분리된 액체 반응 조성물을 플래시 용기에 도입하여 플래 시 증발 조작을 수행함으로써 탑 상부로부터 흘러나오는 기체 분획과 탑 하부로부터 흘러나오는 액체 분획을 분리하는 제2 분리 단계;
제2 분리 단계에서 분리된 기체 분획을 증류계로 도입하여 오프 가스, 산물 아세트산 분획, 중질 분획 및 순환 분획을 분리하는 제3 분리 단계;
제2 분리 단계에서 분리된 액체 분획과 제3 분리 단계에서 분리된 순환 분획을 반응기로 되돌리는 순환 단계;
흡수제 액체로서 메탄올을 사용하여, 제1 분리 단계에서 분리된 오프 가스의 기체 흡수 조작을 수행하는 제1 흡수 단계;
제1 흡수 단계의 압력보다 낮은 압력 하에서 흡수제 액체로서 메탄올을 사용하여, 제3 분리 단계에서 분리된 오프 가스에 대해 기체 흡수 조작을 수행하는 제2 흡수 단계; 및
제1 흡수 단계 후 남은 오프 가스, 제2 흡수 단계 후 남은 오프 가스 및 제3 분리 단계에서 분리된 중질 분획을 계 외부로 소모시키는 소모 단계
를 포함하고, 온도가 10 내지 25 ℃로 조절되는 메탄올을 제1 및 제2 흡수 단계에서 흡수제 액체로 사용하되, 상기 두 흡수 단계에서 사용되는 전체 메탄올의 50 내지 80중량％가 제2 흡수 단계에서 사용되도록 나누어 사용하고, 두 흡수 단계 후 남은 메탄올을 반응 단계에서 원료 메탄올로 사용하는 것을 특징으로 하는,
고체 금속 촉매 존재 하에서 메탄올을 일산화탄소로 카보닐화하여 아세트산을 제조하는 방법이 또한 제공된다.
도 1은 본 발명에 따른 아세트산의 제조방법을 위해 사용될 수 있는 예시적 버블 칼럼 반응기의 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 아세트산의 제조방법을 위해 사용될 수 있는 다른 예시적 버블 칼럼 반응기의 개략도이며;
도 3은 본 발명에 따른 아세트산의 제조방법의 다른 구체예의 개략도이고;
도 4는 본 발명에 따른 아세트산의 제조방법의 또 다른 구체예의 개략도이다.
발명을 실시하기 위한 최량의 형태
이제, 본 발명은 발명의 바람직한 구체예를 도시하는 첨부된 도면을 참조로 하여 설명될 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 아세트산의 제조방법에 사용될 수 있는 외부 순환계가 제공된 예시적 버블 칼럼 반응기의 개략도이다. 아세트산을 제조할 때, 그러한 반응기를 이용하여, 먼저 고체 촉매가 반응기 11의 실린더형 상승부 12에 충전된다. 아세트산을 제조하는데 일반적으로 사용되는 고체 촉매는 다공성의, 가교결합된 구조를 갖는 염기성 수지 상에 운반된 로듐 착체를 함유하는 것이다. 예를 들어, 금속 로듐이 비닐피리딘 수지에 의해 운반되는 고체 촉매의 사용이 특히 바람직하다. 그런 다음, 반응 원료인 메탄올, 반응 용매와 조촉매의 혼합 용액이 이미 고체 촉매로 충전된 반응기에 충전된다. 반응 용매는 다양한 공지의 용매로부터 선택될 수 있다. 일반적으로, 2 이상의 탄소원자를 갖는 카보닐 그룹을 갖는 유기 용매가 반응 용매로서 바람직하게 사용된다. 특히, 아세트산과 메틸아세테이트의 사용이 바람직하다. 일반적으로, 요오드화메틸과 같은 요오드화알킬이 조촉매로서 사용될 수 있다.
그런 다음, 빈응 원료인 메탄올, 반응 용매와 조촉매의 혼합 용액이 이미 메탄올, 용매와 고체 촉매로 충전된 반응기 11의 상승부 12의 바닥으로부터 공급되고, 동시에 CO 기체도 바닥으로부터 주입되어 위쪽으로 상승하도록 유발된다. 주입된 CO 기체가 상승부 12에 함유된 액체에서 버블로서 상승하므로, 촉매도 기체 리프트 효과에 의해 실린더형 반응기에서 위쪽으로 이동한다. 이 때, 반응기 중 일산화탄소의 분압은 1.0 내지 2.5 MPa, 바람직하게는 1.7 내지 2.2 MPa에서 유지되고, 일산화탄소의 소모속도는 일산화탄소의 이론적 반응 부피의 3 내지 15％, 바람직하게는 5 내지 10％에 있도록 조절된다. 이 때, 조작 조건은 바람직하게는 기체 겉보기 속도(반응기 바닥에 있는 기체 도입부와 반응기 꼭대기의 상응부의 기체 겉보기 속도의 평균값)가 2 내지 8 ㎝/초에서 유지되도록 선택된다. 일산화탄소 기체의 기체 겉보기 속도는 촉매의 안정한 순환과 Kla 값에 영향을 미친다. 일산화탄소 기체의 겉보기 속도가 2 ㎝/초 미만일 때 액체 순환 속도는 0.2 m/초 미만으로 떨어질 수 있고/거나 충분히 큰 Kla 값이 얻어지지 않아 생산성을 저하시킬 수 있다. 한편, 일산화탄소의 기체 겉보기 속도가 8 ㎝/초를 초과할 때 일산화탄소는 큰 정도로 낭비될 것이고 반응기의 내부 압력이 상승하여 반응을 불충분하게 경제적이게 만들 것이다.
반응 온도와 총 반응 압력이 각각 170 내지 190 ℃와 약 3.0 내지 4.5 MPa에 있도록 될 때 일산화탄소에 의한 메탄올의 카보닐화 반응이 진행되어 아세트산을 생산한다. 이 때, 메탄올은 부분적으로 메탄올 및(또는) 생산된 아세트산과 반응하여 차례로 부산물로서 디메틸 에테르, 메틸아세테이트, 물 등을 생산할 수 있다. 반응기 중의 물 농도가 2중량％ 미만으로 떨어질 때 반응속도가 현저히 떨어져 생산성을 감소시킴을 주목하라. 한편, 반응기 중 물 농도가 10중량％를 초과할 때 반응 용액으로부터 아세트산 산물을 분리하기 위한 설비의 에너지 부하가 증가하고 부식성 요오드화수소의 농도도 증가한다. 그러면, 대형 장비가 요구되어 결과적으로 아세트산을 제조하는 경제성을 감소시킬 것이다. 따라서, 반응기 중 물 농도는 2 내지 10중량％가 되도록 조절된다.
그런 다음, 반응기 11의 상부에 배열된 분리부(separator section) 13에 의해, 상승부 12에서 상승하는 고체 촉매를 함유하는 반응 용액은, 고체 촉매를 함유하는 잔여 반응 용액은 실린더형 반응기로 다시 공급되고 연속적으로 순환하도록 하강부 14를 통해 반응기의 바닥으로 되돌아가는 한편, 고체 촉매를 함유하지 않는 액체 반응 산물로서 분리부 13의 상부로부터 부분적으로 채취된다. 반응기에서 상승하는 반응 용액의 액체 겉보기 속도는 0.2 내지 1.0 m/초에서 발견되도록 조절된다. 이 배열로, 고체 촉매는 균일하게 분산되고 필요한 수준의 고체 촉매의 순환/유동화가 안정한 기초로 유지될 수 있다. 부가적으로, 메탄올의 카보닐화 반응은 발열 반응이므로 발생된 열을 제거하기 위하여 외부 순환 경로로서 조작하는 하강부 14에 열 교환기 15를 배열하는 것이 바람직하다. 과량으로 공급된 CO 기체는 분리부 13의 꼭대기로부터 오프 가스로서 유출되고, 소모 기체 흡수 장치 16으로 공급되어 액체 반응 원료에 의해 세척되어 반응기로 공급된다.
그런 다음 분리기 13에 의해 분리된 액체 반응 산물은 플래시 칼럼 17로 공급되어, 주로 요오드화메틸, 메틸아세테이트 및 물을 함유하는 경질 분획, 주로 아세트산을 함유하는 분획 및 로듐 촉매, 아세트산, 메틸아세테이트, 요오드화메틸, 물 및 메탄올을 함유하는 중질 분획이 각각 플래시 칼럼 17의 꼭대기 부분, 중간 부분 및 바닥 부분으로부터 채취되어 서로 분리된다. 유출된 분획 중, 중질 성분은 순환을 위해 반응기로 되돌려진다. 그러나, 중질 성분은 비닐피리딘 수지의 분해 산물로서 생산되고 그로부터 작은 정도로 방출되는 피리딘 화합물과 같은 질소-함유 화합물을 포함하고, 그러한 화합물이 순환 액체에 축적되면, 그들은 로듐 착체 이온의 방출을 유도하고 결과적으로 촉매의 효능을 감소시킨다. 따라서, 질소-함유 화합물 제거 장치 18에 의해 중질 성분의 적어도 일부를 가공하여 로듐 착체 이온의 방출을 유도할 수 있는 어느 질소-함유 화합물을 제거하는 것이 바람직하다. 이온-교환 수지로 충전된 장치가 그러한 질소-함유 화합물 제거 장치 18을 위해 적당하게 사용될 수 있다. 경질 분획에 용해되어 있는 기체 성분(주로 CO 기체)은 소모 기체 흡수 장치로 공급되고 반응기로 공급되는 메탄올에 의해 흡수된다.
도 2는 본 발명에 따른 아세트산의 제조방법에 사용될 수 있는 외부 순환계가 또한 제공된 다른 예시적 버블 칼럼 반응기의 개략도이다. 반응기 21은 일산화탄소 기체와 고체 촉매를 함유하는 반응 용액이 상승하고 그 바닥 영역에 내부 직경이 상승부 22의 것의 30 내지 70％인 협착부(narrowed section) 28이 제공되는 실린더형 반응부(상승부 22)를 갖는다. 분리부 23은 상승부 22의 꼭대기에 배열되고 일산화탄소 기체와 고체 촉매를 함유하는 반응 용액으로부터 반응하지 않은 채 남아있는 일산화탄소 기체를 수집하고 동시에 고체 촉매를 함유하지 않는 액체 반응 산물과 잔여 고체 촉매를 함유하는 반응 용액을 분리하기 위하여 적합화된다. 잔여 고체 촉매를 함유하는 분리된 반응 용액을 순환시키기 위하여 액체 하강류 영역(하강부 24)은 일단에서 분리부 23의 바닥에, 반대 단에서 반응 액체를 다시 실린더형 반응부에 공급하기 위한 목적으로 반응기 21의 바닥 부분에 연결된다. 열 교환기 25는 발열 반응인 메탄올의 카보닐화 반응에서 발생된 열을 제거하기 위한 목적으로 하강부 24의 중간 부분에 배열된다. 만족스럽게 높은 반응 효율을 얻기 위해서는 충분히 긴 기체/액체 접촉 시간과 충분한 수준의 순환/유동화를 제공하는 것이 필요하므로 반응기의 직경 D에 대한 길이 L의 비율(L/D)은 바람직하게는 8 이상이다.
제1 일산화탄소 취입 포트 26과 제2 일산화탄소 취입 포트 27이 각각 반응기에서 고체 촉매를 유동화하고 반응기의 하부에서 고체 촉매를 이동시키는 역할을 하기 위해 일산화탄소 취입 포트로서 제공된다. 각각의 취입 포트는 파이프의 전면에 기체 주입 구를 갖는 단일 파이프 노즐의 형태, 파이프의 주변 벽에 배열된 다수의 기체 주입 구를 갖는 링-형태나 분지된 파이프 노즐의 형태나 어느 다른 형태를 띌 수 있다. 각각의 높이에 고체 촉매를 유동화하기 위한 적어도 하나의 일산화탄소 취입 포트와 고체 촉매를 이동시키기 위한 적어도 하나의 일산화탄소 취입 포트를 배열하는 것이 바람직한 한편, 필요하면 언제든지 복수의 취입 포트가 고체 촉매를 유동화하고(하거나) 고체 촉매를 이동시키기 위하여 배열될 수 있다.
도 2의 반응기에서, 고체 촉매를 이동시키기 위한 제2 일산화탄소 취입 포트 27은, 고체 촉매가 침적되어 순환 경로를 막기 쉬운 반응기의 하부에 배치되는, 협착부 28과 외부 순환 경로의 연결부 가까이에 배열되고, 연결부(순환 도입부)는 협착부 28의 하단 가까이 배열된다. 한편, 고체 촉매를 유동화하기 위한 제1 일산화탄소 취입 포트는 제2 일산화탄소 취입 포트 27 위 협착부 28의 상부에 배열된다. 제1 일산화탄소 취입 포트 26의 적절한 위치는 반응기 21의 프로파일, 고체 촉매의 농도, 반응기의 조작 조건 및 기타 인자의 함수로서 선택될 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같은 외부 순환계를 갖는 버블 칼럼 반응기를 이용하여, 아세트산을 제조할 때, 먼저 고체 촉매가 반응기 21의 실린더형 상승부 22에 충전된다. 아세트산을 제조하는데 일반적으로 사용되는 고체 촉매는 다공성의, 가교결합된 구조를 갖는 염기성 수지 상에 운반된 로듐 착체를 함유하는 것이다. 예를 들어, 금속 로듐이 비닐피리딘 수지에 의해 운반되는 고체 촉매의 사용이 특히 바람직하다. 촉매 로듐은 보통 염기성 수지의 0.3 내지 2.0중량％로 함유된다. 그런 다음, 반응 원료인 메탄올, 반응 용매와 조촉매의 혼합 용액이 이미 고체 촉매로 충전된 반응기에 충전된다. 반응 용매는 다양한 공지의 용매로부터 선택될 수 있다. 일반적으로, 2 이상의 탄소원자를 갖는 카보닐 그룹을 함유하는 유기용매가 반응용매로 바람직하게 사용된다. 특히, 아세트산과 메틸아세테이트의 사용이 바람직하다. 일반적으로, 요오드화메틸과 같은 요오드화알킬이 조촉매로 사용될 수 있다.
그런 다음, 반응 원료인 메탄올, 반응 용매와 조촉매의 혼합 용액이 메탄올, 용매와 고체 촉매로 충전된 반응기 21의 상승부 22의 바닥으로부터 공급되고, 동시에, CO 기체가 제1 일산화탄소 취입 포트 26과 제2 일산화탄소 취입 포트 27을 통해 주입된다. 이들 일산화탄소 취입 포트를 통해 주입된 CO 기체는 상승부 22에 함유된 액체에서 버블로 상승하고, 촉매 또한 기체 리프트 효과에 의해 실린더형 반응기에서 위쪽으로 이동된다.
상승부 22에서 상승하는 CO 기체와 고체 촉매를 함유하는 반응 용액 중, 반응기 21의 꼭대기에 배열된 분리부 23에서 고체 촉매를 함유하지 않는 액체 반응 산물이 고체 촉매를 함유하는 잔존 반응 용액으로부터 분리되는 한편, 미반응 CO 기체는 오프 가스로서 수집된다. 그런 다음 고체 촉매를 함유하는 반응 용액이 하강부 24에 의해 반응기의 바닥으로 돌아가 순환을 위해 다시 한번 실린더형 반응기로 공급되는 한편, 고체 촉매를 함유하지 않는 액체 반응 산물은 아세트산 정제 단계로 더 공급된다. 이 때, 발열 반응인, 메탄올의 카보닐화 반응에 의해 발생되는 과량의 열은 외부 순환 경로의 하강부 24의 중간 부분에 배열된 열 교환기 25에 의해 제거된다.
버블 칼럼 반응기의 이 구체예에서, 협착부 28의 바닥과 외부 순환 경로의 연결부 가까이에 배열된 제2 일산화탄소 취입 포트 27이, 고체 촉매가 침적되어 순환 경로를 막기 쉬운, 반응기의 하부에서 고체 촉매를 이동시키고, 하강부에서 고체 촉매를 흩어지게 하고 유동화하는 역할을 주로 담당하는 반면, 협착부 28의 상부에 배열된 제1 일산화탄소 취입 포트 26은 고체 촉매를 유동화하는 역할을 주로 담당한다. 각 일산화탄소 취입 포트로 도입되는 CO 기체의 유속은 고체 촉매의 농도, 조작 조건 등에 따라 안정한 기초로 반응의 조작을 수행할 수 있도록 하는 범위 내에서 적절하게 조절될 수 있는 한편, 고체 촉매를 유동화하기 위한 일산화탄소 취입 포트로 도입되는 CO 기체의 유속 대 고체 촉매를 이동시키기 위한 일산화탄소 취입 포트로 도입되는 CO 기체의 유속의 비율은 바람직하게는 70:30 내지 90:10의 범위 내에서 발견된다.
버블 칼럼 반응기의 조작 조건에 관하여, 반응 온도, 총 반응 압력 및 일산화탄소의 분압이 각각 170 내지 190 ℃, 1.5 내지 6.0 MPa 및 약 1.0 내지 2.5 MPa가 되도록 할 때 일산화탄소에 의한 메탄올의 카보닐화 반응이 진행되어 아세트산을 생산한다. 이 때, 메탄올은 부분적으로 메탄올 및(또는) 생산된 아세트산과 반응하여 차례로 부산물로서 디메틸에테르, 메틸아세테이트, 물 등을 생산할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 아세트산을 제조하는 방법의 다른 구체예의 개략도이다. 도 3를 참조로 하여, 반응기 1은 밀폐된 바닥과 개방된 꼭대기를 갖는 수직의 실린더형 상승기(riser) 1a와 상승기 1a의 직경 보다 큰 직경을 갖고 상승기 1a의 꼭대기에 맞추어진 분리기 1b를 포함한다. 분리기의 하단은 상승기의 상부에서 상승기의 외벽 표면과 단단하게 접촉하여 반응기에 밀폐된 내부 공간을 만들고 상승기 상부의 외벽 표면과 분리기 하부의 내벽 표면 사이에 링 형태의 포켓부 31을 형성한다. 상승기에서, 로듐-함유 고체 촉매가 반응 원료의 하나인 메탄올, 조촉매인 요오드화메틸, 아세트산 및(또는) 메틸아세테이트의 유기 용매와 단지 적은 함 량 비율(2 내지 10중량％)만을 보이는 물을 함유하는 액체 반응 조성물에 현탁되어 고체/액체 혼합물이 형성된다. 그런 다음, 일산화탄소 기체가 상승기의 바닥으로부터 고체/액체 혼합물로 취입되면서 버블 칼럼 기체/액체 접촉 조작이 수행된다. 따라서, 반응 온도와 반응 압력이 각각 170 내지 190 ℃와 3.5 내지 4.5 MPa에 있도록 될 때 메탄올의 카보닐화에 의해 아세트산을 합성적으로 생산하는 조작이 반응기에서 진행된다. 상승기는 일산화탄소 기체를 취입하기 위한 기체 입구 포트 32에 부가하여 액체 반응 조성물을 도입하기 위한 액체 입구 포트 33이 그 바닥에 제공되어 액체 반응 조성물이 연속적으로 도입되어 상승기에서 고체/액체 혼합물의 상승류를 형성한다. 그런 다음, 그 결과, 일산화탄소 기체의 버블이 상기 상승류에서 상승하고 상기 상승류와 배합되게 되어, 기체/액체/고체의 3 상을 나타내는 혼합물의 상승류가 형성되어 아세트산을 생산한다. 3 상을 나타내는 상승기의 상승류가 분리기에 도달할 때, 고체 촉매 입자와 일산화탄소 기체 버블은 액체 반응 조성물로부터 분리된다. 이것은 아래 더욱 상세히 설명될 것이다. 기체/액체/고체의 3 상을 나타내는 상승기의 상승류 중, 고체 촉매 입자는 상승기의 상단으로부터 떨어지고 포켓부 31과 외부 순환 경로 34를 통해 상승기의 바닥으로 다시 순환한다. 한편, 상승기의 꼭대기에서 고체 촉매 입자로부터 분리된 액체 반응 조성물과 버블 중, 액체 반응 조성물은 분리기의 측벽 상부에 배열된 액체 출구 포트 35를 통해 흘러나간다. 상승기의 직경 보다 크고 분리기의 것 보다 작은 직경을 갖는 분배 플레이트(partition plate) 36이 액체 반응 조성물로부터 분리된 고체 촉매 입자가 액체 산물의 출구 포트를 통해 배출되는 것을 방지하기 위하여 분리기에 배열된다. 액체 반응 조성물은 반응기에서 유리 표면을 형성하므로, 액체 반응 조성물에 함유된 버블은 액체 반응 조성물로부터 분리되어 유리 표면 위에 기체 상 부위를 형성하고 결국 분리기 꼭대기에 배열된 기체 출구 포트 37을 통해 배출된다(제1 분리 단계). 부가적으로, 액체 반응 조성물의 소적이 기체 출구 포트를 통해 배출되어 액체 반응 조성물로부터 분리되고 기체 출구 포트를 통해 배출되는 버블을 따르는 것을 막기 위하여 배플 플레이트(baffle plate) 38이 분리기에서 상승기의 개방 상단과 마주 보고 배열된다. 반응에 의해 발생된 열을 제거하고 반응기의 내부 온도를 일정 수준으로 유지하기 위하여 외부 순환 경로 34의 중간 부분에 냉각기 39가 배열된다.
반응기의 액체 출구 포트 35를 통해 흘러나오는 액체 반응 조성물은 내부 압력이 대기압 수준으로 실질적으로 유지되는 플래시 칼럼 2로 플래시 칼럼의 하부 입구 포트 41를 통해 도입되고 탑 꼭대기 출구 포트 42를 통해 흘러나오는 오프 가스와 경질 액체 분획, 탑 중간 출구 포트 43을 통해 흘러나오는 조 아세트산 분획과 탑 바닥 출구 포트 44를 통해 흘러나오는 순환 분획으로 나뉜다(제2 분리 단계). 경질 액체 분획은 주로 메틸아세테이트, 아세트산과 물을 함유하는 한편, 오프 가스는 액체 반응 조성물에 용해된 일산화탄소와 기화된 요오드화메틸을 함유한다. 필요하면, 과량의 물이 유/수 분리기(도시되지 않음)에 의해 경질 액체 분획으로부터 분리된다. 이어서, 경질 액체 분획의 나머지 부분이 반응기 1로 돌아가는 한편, 경질 액체 분획의 일부는 하류 증류계 3으로 공급된다. 조 아세트산 분획이 아세트산에 더하여 물, 요오드화메틸, 프로피온산과 기타 반응 부산물을 함유하는 한편, 그들 모두는 기본적으로 모두 하류 증류계 3으로 공급된다. 비록 질소 화합물을 제거하기 위하여 순환 분획의 일부가 질소 제거 칼럼(도시되지 않음)을 통해 우회되어야만 할 수 있을지라도, 순환 분획은 반응기 1로 되돌아가는 아세트산, 메틸아세테이트, 요오드화메틸, 물 및 메탄올에 더하여 고체 촉매 입자로부터 분리된 질소 화합물, 로듐 착체 등을 함유한다. 증류계 3으로 공급된 액체 경질 분획의 잔여 부분과 조 아세트산 분획은 오프 가스, 산물 아세트산 분획, 소각기 4에 의해 소각되어야 하는(또한 프로피온산과 기타 반응 부산물을 함유하는) 중질 분획 및 반응기 1로 돌아가는 순환 분획(주로 아세트산, 물 및 메탄올을 함유하는)으로 나누어진다(제3 분리 단계).
오프 가스는 반응기 1, 플래시 칼럼 2와 증류계 3으로부터 방출된다. 그러한 오프 가스는 미반응 일산화탄소에 더하여 기화된 요오드화메틸과 유기용매를 함유하므로, 유용한 물질은 흡수 탑 5와 6에 의해 수집되고 잔여 물질은 소각기 4에서 소각된다. 반응기 1로부터 나오는 오프 가스는 가압되므로, 그것은 내부가 3 내지 5 MPa로 가압된 고압 흡수 탑 5에서 처리된다(제1 흡수 단계). 한편, 플래시 칼럼 2와 증류계 3으로부터 나오는 오프 가스는 실질적으로 대기압을 나타내어 그것은 저압(대기압) 흡수 탑 6에서 처리된다(제2 흡수 단계). 고압 흡수 탑과 저압 흡수 탑을 평행으로 사용하여, 모든 원료 메탄올이 오프 가스에 함유된 유용한 물질을 위한 흡수제로서 효과적으로 이용될 수 있다. 고압 흡수 탑 5에서 처리된 오프 가스가 저압 흡수 탑 6에서 추가로 처리될 수 있는 한편, 그러한 배열이 사용될 때 수집 효과와 설치 비용이 고려될 필요가 있을 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 아세트산을 제조하는 방법의 또 다른 구체예의 개략도이다. 도 4의 배열은 반응기 1에서 흘러나오는 액체 반응 조성물이 입구 포트 81을 통해, 플래시 증발이 플래시 증류 대신 일어나는, 플래시 용기 8로 도입되는 점에서 도 3의 것과 상이하다. 보다 구체적으로, 액체 반응 조성물은 감압 하에서 플래시 용기에서 증발되고 기체 분획과 잔여 액체의 경질 분획으로 나뉜다(제2 분리 단계). 기체 분획은 추후 증류 단계에서 산물 아세트산으로 정제되는 조 아세트산과 일부 유기용매와 부산물 뿐만 아니라 반응되지 않았지만 액체 반응 조성물에 용해된 일산화탄소와 요오드화메틸을 함유하며, 이들 모두 플래시 용기의 상부 출구 포트 82를 통해 흘러나오고 증류계 3으로 도입된다. 따라서 오프 가스는 플래시 용기 8로부터 방출되지 않는다. 한편, 액체 분획은 유기용매, 중질 물질 및 고체 촉매 입자로부터 흘러나오는 질소 화합물을 함유하고, 플래시 용기의 하부 출구 포트 83을 통해 흘러나오고 반응기 1로 되돌아간다. 그밖에는, 도 4의 배열은 도 3의 것과 동일하다.
원료 메탄올은 흡수 탑 5와 6에서 흡수제 액체로 사용된다. 원료 메탄올의 사용은 통상적인 확산 단계를 불필요하게 하고 흡수제 액체로 사용된 메탄올은 그를 가공하지 않고 반응 탑으로 도입될 수 있다. 오프 가스에 함유된 유용한 물질의 흡수 효율을 향상시키기 위하여 흡수 탑 5와 6에서 사용되는 메탄올의 온도는 10 내지 25 ℃(보통 냉각기 7에 의해 냉각되는)로 조절된다. 흡수 효율은 메탄올 온도가 25 ℃를 초과할 때 낮다. 예를 들어, 오프 가스로부터 요오드화메틸을 흡수하고 제거할 때, 메탄올 온도가 25 ℃를 초과할 때 유실율은 일반적으로 0.1％를 상회한다. 한편, 메탄올 온도가 10 ℃ 미만일 때, 냉각제의 온도 또한 낮추어질 필요가 있어 조작 비용을 비경제적으로 상승시킨다.
흡수제 액체로 사용되는 메탄올은 고압 흡수 탑 5와 저압 흡수 탑 6으로 분배된다. 계로부터 흘러나오는 요오드화메틸과 메탄올의 유실은 흡수 탑을 통해 흐르는 모든 메탄올의 50 내지 80％, 바람직하게는 55 내지 70％가 저압 탑으로 분배될 때(저압 탑 분배 비율) 우수하게도 최소화될 수 있다. 반응기 1로부터의 오프 가스의 유속 대 플래시 칼럼 2와 증류계 3으로부터의 오프 가스의 것의 비율은 대략 1.5:1 내지 1:1.5이므로, 흡수제 액체의 유속 대 오프 가스의 것의 비율은 고압 흡수 탑에서 1/1.0 내지 1/0.25이고 저압 흡수 탑에서 1/0.2 내지 1/0.4이다.
반응 산물인 아세트산과/이나 반응의 부산물인 메틸아세테이트 둘다를 용매로 사용하는, 반응기 1에서 수행되는 불균일 촉매 반응에 의한 메탄올의 카보닐화의 경우, 로듐 착체인 촉매의 용해도는 균일 촉매 반응의 경우와 달리 어떠한 문제도 일으키지 않는다. 환언하면, 물은 큰 정도로 존재할 필요가 없다. 보통, 물은 단지 2 내지 10중량％로 존재하도록 요구된다. 한편, 분자 구조에 피리딘 환을 함유하는 불용성 수지 입자에 의해 운반되는 로듐 착체가 고체 금속 촉매로 사용된다. 보다 구체적으로, 로듐 카보닐 착체[Rh(CO)2I2]-가, 이온 교환에 의해, 피리딘 부분이 요오드화알킬에 의해 4급으로 바뀌는 피리딘 수지에 의해 운반되는 촉매가 적당하게 사용된다. 그러나, 아세트산 제조 조작이 장기간 수행될 때, 4급으로 바뀌는 피리딘 수지의 피리딘 골격이 부분적으로 수지로부터 방출되어 액상으로 용해 될 수 있는 문제점이 유발될 수 있다. 그런 다음, 로듐 카보닐 착체는 수지로부터 방출되고 액체 반응 조성물에 함유되는 피리딘 골격(질소 화합물)을 수반할 수 있다. 액체 반응 조성물에 함유되게 된 로듐 카보닐 착체는 감압과 축합의 결과 플래시 칼럼(또는 플래시 용기)에 침적된다. 따라서, 액체 반응 조성물에서 질소 화합물의 축적을 막기 위하여 반응기로 재생되는 플래시 칼럼으로부터의 순환 분획은 바람직하게는 부분적으로 질소 제거 칼럼으로 우회된다.
반응기의 형태에 관하여, 도 3과 4에 나타낸 바와 같은 버블 칼럼 반응기가 바람직하다. 통상적인 교반 탱크 형 반응기는 고체 금속 촉매의 담체로 작동하는 수지 입자가 쉽게 부서질 수 있는 문제점이 따른다. 추가로, 버블 칼럼 반응기와 달리 액체 반응 조성물로부터 고체 촉매 입자를 분리하는 것이 쉽지 않다. 이 관점에서, 버블 칼럼 반응기의 경우, 고체 촉매 입자는 기계적 영향을 덜 받고 따라서 수지 입자는 거의 부서지지 않기 때문에 액체가 촉매 입자 층(반응기에서 상승류로 인해 팽창된) 위로부터 빼내어지면 고체 촉매 입자는 액체 반응 조성물로부터 쉽게 분리될 수 있다. 고체 촉매의 입자를 순환시키도록 적합화된 도 3에 나타낸 버블 칼럼 반응기를 이용하면, 반응기의 직경이 분리기에서 갑자기 증가하여 상승하는 액체 흐름의 유속을 감소시키므로, 수지 층은 상승기의 꼭대기 위로 상승하여, 수지 층의 상부 표면이 상승기에서 형성되지 않는 한편, 고체 촉매 입자는 더 상승하지 않으면서 상승기의 꼭대기로부터 떨어지고 따라서 수지 층의 상부 표면이 거기에서 생성된다. 그 결과, 고체 촉매 입자가 액체 반응 조성물로부터 분리된다.
버블 칼럼 반응기에서, 고체 촉매 입자를 액체 반응 조성물로 균일하게 분산시키기 위하여 현탁된 고체 촉매 입자의 농도는 교반 탱크 형 반응기의 그의 상응물 보다 낮게 유지될 필요가 있다. 따라서, 그것은, 예를 들어, 반응속도가 제한되는 단점을 갖는다. 그러나, 고체 촉매 입자를 순환시키도록 적합화된 도 3에 나타낸 바와 같은 버블 칼럼 반응기로, 외부 순환 경로를 통해 고체 촉매 입자는 탑의 꼭대기에서 바닥으로 순환하도록 강제되어 현탁된 고체 촉매 입자의 농도가 증가하는 때 조차 고체 촉매 입자가 매우 효율적으로 액체 반응 조성물과 접촉할 수 있다. 일산화탄소 기체가 상승기로 취입되므로, 결과적으로 상승기 내부와 외부 순환 경로 사이에 내부 밀도 차이가 생겨 고체 촉매 입자를 순환시키는 흐름이 노력 없이 발생하게 된다. 일산화탄소 취입 포트의 프로파일과 위치 및 액체 반응 조성물 취입 포트의 것들이 상승기의 바닥에서 고체 촉매 입자의 이동을 촉진하도록 적절하게 설계될 때 순환은 매우 부드럽게 될 것이다.
이제, 본 발명은 실시예에 의해 더 설명될 것이다.
(실시예 1, 2 및 비교예 1 내지 3)
각 실시예에서, 아세트산을 도 1에 나타낸 바와 같은 외부 순환계를 갖는 실험적 버블 칼럼 반응기(높이 15 m, 반응기 내부 직경 150 ㎜)를 사용하여 실험적으로 제조하였다. 예정된 양의 촉매(수지 당 0.85중량％의 로듐으로 로듐 착체를 운반하는 비닐피리딘형 이온 교환 수지, 비중력 1.2, 평균 입자 직경 0.45 ㎜)를 반응기로 충전한 후, 아세트산을 액체 도입 파이프에 의해 상승부 12로 충전하였다. 이어서, 아세트산과 촉매가 순환을 시작하도록 하기 위하여 CO를 예정된 유속으로 상승부 12의 바닥으로부터 위쪽으로 흐르도록 주입하고, 동시에, 도입된 CO로 인해 떨어지는 아세트산의 일부를 파이핑에 의해 분리부 13으로부터 유출시켰다. 과량의 CO 기체를 분리부 13의 꼭대기로부터 소모하였다. 아세트산과 고체 촉매가 순환하도록 하면서, 반응기의 내부 압력을 밸브 조절에 의해 예정된 압력 수준으로 유지하고 실린더형 반응기의 내부 온도를 히터에 의해 예정된 온도 수준으로 높였다. 그 후, 반응 원료를 일정 속도로 파이핑하여 반응기로 도입하고 떨어진 반응 액체를 파이핑에 의해 분리부 13으로부터 유출시켰다.
실험을 표 1에 수록된 조건 하에서 상기한 조작 과정에 따름으로써 각각의 실시예에서 수행하였다. Kla 값을 관찰하고 실험에 의해 얻어지는 총 반응 생산성(단위 반응 부피 당 아세트산 생산속도, kmol/h/㎥)을 비교하였다. 실시예 1의 생산성을 참조값(10 점)으로 사용하고 실시예의 달성치를 상대적 기초로 평가하였다. 표 1은 또한 얻어진 결과를 보여준다.
고체 촉매 농도 (㎏/㎥) CO 분압 (MPa) CO 배출율 (％) 액체 겉보기 속도 (m/초) Kla 값 (ℓ/시) 총 반응 생산성(아세트산 kmol/시)/㎥
실시예 1 280 1.8 7 0.30 1000-5000 10
실시예 2 280 1.8 15 0.40 1500-5500 12
비교예 1 280 1.8 2 0.25 300-4500 7
비교예 2 280 0.9 5 0.20 500-4500 3
비교예 3 90 1.8 5 0.15 500-4500 3
(실시예 3)
아세트산을 도 2에 나타낸 바와 같은 외부 순환계를 갖는 실험적 버블 칼럼 반응기(높이 6 m, 상승부 내부 직경 125 ㎜, 협착부 직경 75 ㎜)를 사용하여 실험적으로 제조하였다. 예정된 양의 촉매(로듐 착체를 운반하는 비닐피리딘형 이온 교환 수지, 비중력 1.2, 평균 입자 직경 0.45 ㎜)를 반응기 21로 충전하여 반응 부피 당 고체 촉매의 농도가 135 ㎏/㎥이 되게 하였다. 그런 다음, 아세트산을 액체 도입 파이프를 통해 상승부 22로 충전하고 이어서 아세트산과 촉매가 순환을 시작하도록 하기 위하여 일산화탄소(CO)를 일산화탄소 취입 포트를 통해 주입하여 예정된 유속으로 제트류로서 위쪽으로 흐르도록 하였다. 이 때, 도입된 CO로 인해 떨어지는 아세트산의 일부를 파이핑에 의해 분리부 23으로부터 유출시켰다. 과량의 CO 기체를 분리부 13의 꼭대기로부터 소모하였다. 아세트산과 고체 촉매가 순환하도록 하면서, 반응기의 내부 압력을 밸브 조절에 의해 예정된 압력 수준으로 유지하고 실린더형 반응기의 내부 온도를 히터에 의해 예정된 온도 수준으로 높였다. 그 후, 반응 원료를 일정 속도로 파이핑하여 반응기로 도입하고 떨어진 반응 액체를 파이핑에 의해 분리부 23으로부터 유출시켰다.
제1 높이의 일산화탄소 취입 포트를 협착부의 상부에 배열하고 제2 높이의 제2 일산화탄소 취입 포트를 제1 일산화탄소 취입 포트 아래 협착부와 협착부 바닥에 위치하는 순환 선의 연결부 가까이에 배열하였다. 분지된 파이프 기체 분배기를 취입 포트를 위해 사용하였다. CO 기체를 제1단 일산화탄소 취입 포트로부터 340 NL/분의 유속으로 제2단 일산화탄소 취입 포트로부터 86 NL/분의 유속으로 도입하였다. 상기한 조건 하에서 아세트산을 제조하면서 반응은 안정한 기초로 진행되었다.
(비교예 4)
분지된 파이프 기체 분배기의 일산화탄소 취입 포트 하나만을 협착부의 상부에 배열하고 CO 기체를 340 NL/분의 유속으로 도입한 것을 제외하고는 아세트산을 실시예 3에서와 같이 제조하였다. 그 결과, 고체 침적의 결과 순환 물질의 부피는 점차 감소하였고 따라서 반응은 안정한 기초로 진행되지 않았다. 동시에, 짧은 통과의 결과 기체는 고체의 바닥과 하강부에 머물러 순환류가 생성되기까지 오랜 시간이 걸렸다.
(실시예 4)
아세트산을 도 3에 도시한 공정 흐름을 이용하여, 메탄올의 카보닐화에 의해 합성적으로 제조하였다. 아세트산과 요오드화메틸을 각각 10 ㎏과 2 ㎏으로 반응기 1에 가하고 4급으로 바뀐 피리딘 수지와 로듐 카보닐 착체[Rh(CO) 2I2]-를 여기에 가하여 반응기에서 로듐-함유 고체 촉매를 제조하였다. 이어서, 일산화탄소를 4.2 ℓ/분의 속도로 기체 입구 포트 32를 통해 도입하면서, 메탄올을 5.3 ㎏/분의 속도로 흡수 탑 5와 6에 의해 액체 입구 포트 33을 통해 도입하였다. 반응기 1로부터 흘러나오는 액체 반응 조성물을 플래시 칼럼 2와 증류 탑 3에서 연속적으로 정제하여 산물 아세트산을 얻고 두 탑으로부터 흘러나오는 순환 분획을 반응기 1의 액체 입구 포트로 되돌려보냈다. 표 2는 반응기 1, 플래시 칼럼 2 및 증류 탑 3의 조작 조건을 보여준다. 소각기 4에서 증류 탑 3으로부터의 중질 분획과 함께 소각하기 전에 플래시 칼럼 2와 증류 탑 3으로부터의 오프 가스를 저압 흡수 탑 6을 통해 통과시키는 한편 반응기 1로부터의 오프 가스를 고압 흡수 탑 5를 통해 통과시켰다. 조작이 안정한 상태에 도달한 후, 흡수제 액체로 사용되는 메탄올의 온도와 저압 흡수 탑의 분배 비율을 변형시켰다. 그런 다음, 수집된 요오드화메틸과 메탄올과 일산화탄소의 유실의 비율을 플로우 미터를 이용하여 유속을 측정하고 가스 크로마토그래피를 이용하여 조성물 분석을 수행함으로써 관찰하였다. 얻어진 결과를 표 3에 수록하였다.
온도 ℃ 압력 MPa 유속 ㎏/시
반응기 내부 오프 가스 180 4.0 0.78
플래시 칼럼 탑 바닥 리시버 오프 가스 141 46 0.27 0.20 0.75
증류 탑 탑 바닥 리시버 오프 가스 148 50 0.24 0.24 0.01
흡수제 액체 온도 ℃ 분배 비율 유출 비율(％)
CH3I 흡수제 액체 CO
메탄올 20 60 0.07 0.5 90
메탄올 20 50 0.50 0.6 90
메탄올 20 80 0.10 0.5 91
메탄올 20 40 1.50 0.7 90
메탄올 20 90 1.00 0.7 92
메탄올 25 60 0.08 0.5 90
메탄올 10 60 0.06 0.5 90
메탄올 40 60 0.30 0.6 91
아세트산 25 60 0.05 0.2 92

Claims (25)

  1. 카보닐화 반응을 반응 부피에 대하여 100 ㎏/㎥ 이상의 고체 촉매 농도로 수행하는 것을 특징으로 하는, 버블 칼럼 반응기에서 불균일 촉매 반응에 의해 메탄올을 일산화탄소로 카보닐화하여 아세트산을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 액체 겉보기 속도가 0.2 내지 1.0 m/초인 한편, 반응기 중 일산화탄소의 분압이 1.0 내지 2.5 MPa이고 일산화탄소 소모속도가 일산화탄소의 이론적 반응 부피의 3 내지 15％인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 반응기 중 일산화탄소의 분압이 1.7 내지 2.2 MPa 범위 내에서 유지되는 방법.
  4. 제2항에 있어서, 일산화탄소의 소모속도가 이론적 반응 부피의 5 내지 10％인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 비닐피리딘 수지 담체가 로듐 착체를 운반하도록 함으로써 고체 촉매를 형성하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 요오드화메틸을 조촉매(promoter)로 사용하는 방법.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 아세트산과 메틸아세테이트를 용매로 사용하는 방법.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반응기 중 물 농도가 2 내지 10중량％인 방법.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 버블 칼럼 반응기의 직경 D에 대한 길이 L의 비율(L/D)이 8 이상인 방법.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 버블 칼럼 반응기가 외부 순환 경로를 갖고 열 교환기가 상기 순환 경로에 도입되어 있는 방법.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 액체 반응 산물을 반응기의 꼭대기에 배열된 분리기에 의해 고체 촉매를 함유하는 반응 액체로부터 채취하여 플래시 칼럼으로 공급하고, 경질 분획, 주로 아세트산을 함유하는 분획 및 중질 분획을 각각 플래시 칼럼의 꼭대기 부분, 중간 부분 및 바닥 부분으로부터 채취하여 서로 분리하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 중질 분획의 적어도 일부를 질소-함유 화합물 제거 장치에 의해 처리하여 버블 칼럼 반응기로 다시 순환하도록 하는 방법.
  13. 제1항에 있어서, 일산화탄소를 복수의 높이에 배열된 일산화탄소 취입 포트에 의해 반응기로 주입하는 방법.
  14. 제13항에 있어서, 복수의 높이가 두 높이인 방법.
  15. 제13항에 있어서, 버블 칼럼 반응기가 외부 순환 경로를 갖고, 복수의 높이에 배열된 일산화탄소 취입 포트가 반응기에서 고체 촉매를 유동화하기 위하여 하나의 높이에 배열된 적어도 하나의 일산화탄소 취입 포트와 반응기의 하부에서 고체 촉매를 이동시키고 외부 순환 경로에서 고체 촉매를 유인하거나 유동화하기 위하여 다른 높이에 배열된 적어도 하나의 일산화탄소 취입 포트를 포함하는 것인 방법.
  16. 제15항에 있어서, 버블 칼럼 반응기가 실린더형 반응기의 나머지 부분의 30 내지 70％의 작은 내부 직경을 갖는 실린더형 반응기 하부의 협착부(narrowed section)를 갖고, 한편 하나의 일산화탄소 취입 포트가 고체 촉매를 유동화하기 위하여 협착부의 상부에 배열되어 있는 다른 일산화탄소 취입 포트가 고체 촉매를 이동시키고 외부 순환 경로에서 고체 촉매를 유인하거나 유동화하기 위하여 반응기와 협착부의 바닥에 위치하는 외부 순환 경로(순환 도입부)의 연결부 가까이에 배열되 어 있는 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 일산화탄소 취입 포트가 분지된 파이프 기체 분배기인 방법.
  18. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 미반응 일산화탄소 기체와 고체 촉매를 함유하는 반응 액체로부터 미반응 일산화탄소 기체를 수집하고 고체 촉매를 함유하지 않는 액체 반응 산물을 채취하기 위하여 분리기가 반응기의 꼭대기에 배열되어 있는 방법.
  19. 복수의 높이에 배열된 일산화탄소 취입 포트를 갖는 것을 특징으로 하는, 불균일 촉매 반응에 의해 메탄올을 일산화탄소로 카보닐화하여 아세트산을 제조하기 위해 사용되는 버블 칼럼 반응기.
  20. 메탄올, 요오드화메틸, 아세트산 및(또는) 메틸아세테이트로 이루어지는 유기용매와 적은 함량 비율의 물을 함유하는 액체 반응 조성물에 고체 금속 촉매를 현탁시키고 액체 반응 조성물로 일산화탄소 기체를 취입하여 카보닐화 반응이 가압 반응기에서 일어나도록 하는 반응 단계;
    상기 반응 단계로부터의 액체 반응 조성물과 오프 가스를 분리하여 채취하는 제1 분리 단계;
    제1 분리 단계에서 분리된 액체 반응 조성물을 플래시 칼럼에 도입하여 플래시 증류 조작을 수행함으로써 탑 꼭대기 부분으로부터 흘러나오는 오프 가스와 경질 액체 분획, 탑 중간 부분으로부터 흘러나오는 조 아세트산 분획 및 탑 바닥 부분으로부터 흘러나오는 순환 분획을 분리하는 제2 분리 단계;
    제2 분리 단계에서 분리된 경질 액체 분획의 일부와 조 아세트산 분획을 증류계에 도입하여 오프 가스, 산물 아세트산 분획, 중질 분획 및 순환 분획을 분리하는 제3 분리 단계;
    분리된 경질 액체 분획의 나머지와 제2 분리 단계에서 분리된 순환 분획과 제3 분리 단계에서 분리된 순환 분획을 반응기로 되돌리는 순환 단계;
    흡수제 액체로서 메탄올을 사용하여, 제1 분리 단계에서 분리된 오프 가스에 대해 기체 흡수 조작을 수행하는 제1 흡수 단계;
    제1 흡수 단계의 압력보다 낮은 압력 하에서 흡수제 액체로서 메탄올을 사용하여, 제2 분리 단계에서 분리된 오프 가스와 제3 분리 단계에서 분리된 오프 가스에 대해 기체 흡수 조작을 수행하는 제2 흡수 단계; 및
    제1 흡수 단계 후 남은 오프 가스, 제2 흡수 단계 후 남은 오프 가스 및 제3 분리 단계에서 분리된 중질 분획을 계 외부로 소모시키는 소모 단계
    를 포함하고, 온도가 10 내지 25 ℃로 조절되는 메탄올을 제1 및 제2 흡수 단계에서 흡수제 액체로 사용하되, 상기 두 흡수 단계에서 사용되는 전체 메탄올의 50 내지 80중량％가 제2 흡수 단계에서 사용되도록 나누어 사용하고, 두 흡수 단계 후 남은 메탄올을 반응 단계에서 원료 메탄올로 사용하는 것을 특징으로 하는,
    고체 금속 촉매 존재 하에서 메탄올을 일산화탄소로 카보닐화하여 아세트산을 제조하는 방법.
  21. 메탄올, 요오드화메틸, 아세트산 및(또는) 메틸아세테이트로 이루어지는 유기용매와 적은 함량 비율의 물을 함유하는 액체 반응 조성물에 고체 금속 촉매를 현탁시키고 액체 반응 조성물로 일산화탄소 기체를 취입하여 카보닐화 반응이 가압 반응기에서 일어나도록 하는 반응 단계;
    상기 반응 단계로부터의 액체 반응 조성물과 오프 가스를 분리하여 채취하는 제1 분리 단계;
    제1 분리 단계에서 분리된 액체 반응 조성물을 플래시 용기에 도입하여 플래시 증발 조작을 수행함으로써 탑 상부로부터 흘러나오는 기체 분획과 탑 하부로부터 흘러나오는 액체 분획을 분리하는 제2 분리 단계;
    제2 분리 단계에서 분리된 기체 분획을 증류계로 도입하여 오프 가스, 산물 아세트산 분획, 중질 분획 및 순환 분획을 분리하는 제3 분리 단계;
    제2 분리 단계에서 분리된 액체 분획과 제3 분리 단계에서 분리된 순환 분획을 반응기로 되돌리는 순환 단계;
    흡수제 액체로서 메탄올을 사용하여, 제1 분리 단계에서 분리된 오프 가스에 대해 기체 흡수 조작을 수행하는 제1 흡수 단계;
    제1 흡수 단계의 압력보다 낮은 압력 하에서 흡수제 액체로서 메탄올을 사용하여, 제3 분리 단계에서 분리된 오프 가스에 대해 기체 흡수 조작을 수행하는 제2 흡수 단계; 및
    제1 흡수 단계 후 남은 오프 가스, 제2 흡수 단계 후 남은 오프 가스 및 제3 분리 단계에서 분리된 중질 분획을 계 외부로 소모시키는 소모 단계
    를 포함하고, 온도가 10 내지 25 ℃로 조절되는 메탄올을 제1 및 제2 흡수 단계에서 흡수제 액체로 사용하되, 상기 두 흡수 단계에서 사용되는 전체 메탄올의 50 내지 80중량％가 제2 흡수 단계에서 사용되도록 나누어 사용하고, 두 흡수 단계 후 남은 메탄올을 반응 단계에서 원료 메탄올로 사용하는 것을 특징으로 하는,
    고체 금속 촉매 존재 하에서 메탄올을 일산화탄소로 카보닐화하여 아세트산을 제조하는 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 반응기가 버블 칼럼 반응기인 방법.
  23. 제22항에 있어서, 카보닐화 반응을 반응 부피에 대하여 100 ㎏/㎥ 이상의 고체 촉매 농도로 수행하는 방법.
  24. 제20항 또는 제21항에 있어서, 고체 촉매를 4급 피리딘 수지가 로듐 카보닐 착체를 운반하도록 함으로써 형성하는 방법.
  25. 제20항 또는 제21항에 있어서, 메탄올을 상기 두 흡수 단계에서 사용되는 전체 메탄올의 55 내지 70중량％가 제2 흡수 단계에서 사용되도록 나누어 사용하는 방법.
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