KR20060040210A - Reactive distillation process for the continuous preparation of dimethyl carbonate and ethylene glycol using pre-reactor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 사전 반응기(pre-reactor)를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate)와 메탄올(methanol)을 반응증류탑에서 반응시켜서 디메틸카보네이트(Dimethyl carbonate)와 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 병산하는 연속 공정에 있어서, 반응물질인 에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에 투입하기 전에 온도 등의 반응조건을 쉽게 변화시킬 수 있는 사전 반응기에서 반응시킴으로써 종래 반응증류법의 단점을 보완하여 제품의 생산 속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사전 반응기 및 반응증류탑으로 순환되는 미반응 메탄올의 양을 적절히 배분할 수 있어서 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜의 최적 생산이 가능하도록 개선된, 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing dimethyl carbonate and ethylene glycol by using a pre-reactor, and more particularly, dimethyl carbonate (ethylene carbonate) and methanol (methanol) by reacting in a reaction distillation column In the continuous process of combining dimethyl carbonate and ethylene glycol, conventional reaction by reacting ethylene carbonate and methanol as reactants in a pre-reactor that can easily change the reaction conditions such as temperature before the reaction distillation column It is possible to improve the production speed of the product by supplementing the disadvantages of the distillation method, as well as to properly distribute the amount of unreacted methanol circulated to the pre-reactor and the reaction distillation column, which is improved to enable the optimal production of dimethyl carbonate and ethylene glycol. Dimethylcarbone using reactor It relates to a process for the production of whey and ethylene glycol.

디메틸카보네이트, 에틸렌글리콜, 반응증류, 사전 반응기, 반응온도Dimethyl carbonate, ethylene glycol, reaction distillation, pre-reactor, reaction temperature

Description

사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 반응증류 공정에서 제조하는 방법{Reactive distillation process for the continuous preparation of dimethyl carbonate and ethylene glycol using pre-reactor} Reactive distillation process for the continuous preparation of dimethyl carbonate and ethylene glycol using pre-reactor}             

도 1은 종래의 반응증류법을 사용하여 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜을 병산하는 제조 공정의 구성도.1 is a block diagram of a manufacturing process for combining dimethyl carbonate and ethylene glycol using a conventional reaction distillation method.

도 2는 사전 반응기의 사용으로 개선된 본 발명의 반응증류법을 이용하여 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜을 병산하는 제조 공정의 구성도.2 is a block diagram of a manufacturing process for co-existing dimethyl carbonate and ethylene glycol using the reaction distillation method of the present invention improved by the use of a pre-reactor.

도 3은 100 ℃ 사전 반응기에서 에틸렌카보네이트의 평형전환율 그래프.3 is a graph of equilibrium conversion of ethylene carbonate in a 100 ° C. pre-reactor.

도 4는 반응증류탑에서 에틸렌카보네이트와 메탄올의 투입 비율을 변경시켰을 때 반응율(전환율)의 변화를 나타낸 그래프.Figure 4 is a graph showing the change in the reaction rate (conversion) when changing the ratio of ethylene carbonate and methanol in the reaction distillation column.

도 5는 전체 미반응 메탄올 중에 사전 반응기로 분배되는 양의 비율에 따른 반응율의 변화를 나타낸 그래프.FIG. 5 is a graph showing the change in the reaction rate according to the ratio of the amount distributed to the pre-reactor in the total unreacted methanol.

<도면 약어의 설명><Description of Drawing Abbreviation>

EC : 에틸렌카보네이트, MeOH : 메탄올, DMC : 디메틸카보네이트EC: ethylene carbonate, MeOH: methanol, DMC: dimethyl carbonate

EG : 에틸렌글리콜EG: ethylene glycol

본 발명은 사전 반응기(pre-reactor)를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate)와 메탄올(methanol)을 반응증류탑에서 반응시켜서 디메틸카보네이트(Dimethyl carbonate)와 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 병산하는 연속 공정에 있어서, 반응물질인 에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에 투입하기 전에 온도 등의 반응조건을 쉽게 변화시킬 수 있는 사전 반응기에서 반응시킴으로써 종래 반응증류법의 단점을 보완하여 제품의 생산 속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사전 반응기 및 반응증류탑으로 순환되는 미반응 메탄올의 양을 적절히 배분할 수 있어서 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜의 최적 생산이 가능하도록 개선된, 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for preparing dimethyl carbonate and ethylene glycol by using a pre-reactor, and more particularly, dimethyl carbonate (ethylene carbonate) and methanol (methanol) by reacting in a reaction distillation column In the continuous process of combining dimethyl carbonate and ethylene glycol, conventional reaction by reacting ethylene carbonate and methanol as reactants in a pre-reactor that can easily change the reaction conditions such as temperature before the reaction distillation column It is possible to improve the production speed of the product by supplementing the disadvantages of the distillation method, as well as to properly distribute the amount of unreacted methanol circulated to the pre-reactor and the reaction distillation column, which is improved to enable the optimal production of dimethyl carbonate and ethylene glycol. Dimethylcarbone using reactor It relates to a process for the production of whey and ethylene glycol.

디메틸카보네이트는 독성이 강한 포스겐(Phosgene)을 대체할 수 있는 환경 친화적 물질로서 폴리카보네이트와 같은 고분자의 합성 공정 또는 제약 공정에서 중간체로 사용될 수도 있고 메틸화제, 카르보닐화제 등의 역할도 할 수 있는 등 그 응용 범위가 매우 넓다. 그동안 디메틸카보네이트의 제조방법에 대해서 다양한 연구가 진행되어 있으며 대표적으로 다음의 반응식 1과 같이 에틸렌카보네이트와 메탄올을 에스테르 교환반응(Transesterification)시켜 디메틸카보네이트와 에틸렌 글리콜을 얻는 방법이 있다.Dimethylcarbonate is an environmentally friendly substance that can replace toxic phosgene, which can be used as an intermediate in the synthesis or pharmaceutical process of polymers such as polycarbonate, and can also act as a methylating agent or carbonylating agent. Its application range is very wide. In the meantime, various researches have been conducted on the preparation method of dimethyl carbonate, and there is a method of obtaining dimethyl carbonate and ethylene glycol by transesterification of ethylene carbonate and methanol as shown in Scheme 1 below.

(CH2O)2CO + 2CH3OH → (CH3O)2CO + (CH 2OH)2 (CH 2 O) 2 CO + 2CH 3 OH → (CH 3 O) 2 CO + (CH 2 OH) 2

상기 반응식 1의 에스테르 교환반응은 통상적으로 촉매 존재 하에서 이루어지며, 촉매는 균일계 촉매와 불균일계 촉매를 모두 사용할 수 있다. 균일계 촉매로는 KOH, NaOH, 알칼리 토금속 할라이드(alkali earth metal halide), 포스핀 화합물, 주석 알콕사이드류 등이 있고, 불균일계 촉매로는 제 5 족 및 제 6 족 산화물 또는 이온교환 수지 등이 제안되어 왔다. 미국 등록특허 제 5,847,189 호, 제 5,359,118 호, 제 5,231,212 호 등에서 볼 수 있는 바와 같이, 에스테르 교환반응시 NaOH, KOH 등의 균일계 촉매를 사용하면 비교적 낮은 온도(150 ℃ 이하)에서도 높은 전환율과 선택도를 가진다. 다만, 균일계 촉매를 사용하면 사용 후 촉매를 분리하여야 하는 단계가 필요하고 반응장치 등의 부식으로 시설비가 추가로 발생할 수 있어서 불균일계 촉매의 사용이 시도되었다. 미국 등록특허 제6,207,850 호에서는 슈도보에마이트 알루미나(Pseudoboehmite alumina)를 사용하였고, 미국 등록특허 제 5,436,362 호에서는 알칼리 금속 또는 알칼리 토금속으로 치환된 이온교환 제올라이트를 사용하였으며, 일본국 특개평 8-59560 호에서는 산화아연을 사용한 기술이 제안되었다. 본 발명자는 에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에서 반응시켜서 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜을 병산하는 공정에서 사용할 수 있는 칼륨이 담지된 마그네슘옥사이드 촉매를 개발하여 특허출원한 바 있다[대한민국 공개특허 제 2004-34183 호].The transesterification reaction of Scheme 1 is usually carried out in the presence of a catalyst, the catalyst may be used both a homogeneous catalyst and a heterogeneous catalyst. Homogeneous catalysts include KOH, NaOH, alkaline earth metal halides, phosphine compounds, tin alkoxides, and the like, and heterogeneous catalysts include Group 5 and Group 6 oxides or ion exchange resins. Has been. As can be seen in U.S. Patent Nos. 5,847,189, 5,359,118, 5,231,212 and the like, the use of homogeneous catalysts such as NaOH and KOH during the transesterification reaction results in high conversion and selectivity even at relatively low temperatures (below 150 ° C). Has However, if a homogeneous catalyst is used, it is necessary to separate the catalyst after use, and facility costs may additionally occur due to corrosion of the reaction apparatus. US Patent No. 6,207,850 uses pseudoboehmite alumina, US Patent No. 5,436,362 uses ion exchange zeolites substituted with alkali or alkaline earth metals, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-59560. In this paper, a technique using zinc oxide has been proposed. The present inventors have developed and applied for a patent on a magnesium oxide catalyst carrying potassium which can be used in the process of reacting ethylene carbonate and methanol in a reaction distillation column to combine dimethyl carbonate and ethylene glycol. [Korean Patent Laid-Open No. 2004-34183 ].

에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응시키는 방법에는 (1) 액상 회분반응기를 사용하는 방법, (2) 유통반응기를 사용하는 방법, (3) 액상 회분반응기 위에 증류탑을 설치하는 방법 및 (4) 반응증류탑을 사용하는 방법이 있다. 이들 방법 중에서 반응증류탑을 반응기로 사용하는 방법이 가장 효율적인 것으로 알려져 있는데, 이에 대한 특허 문헌으로는 일본국 특개평 5-213830 호, 일본국 특개평 4-198141 호, 미국 등록특허 제 5,231,212 호, 미국 등록특허 제 5,359,118 호 등이 있다. 반응증류법은 반응증류탑을 반응기로 사용하여 그 속에서 반응과 증류를 동시에 수행하는데, 반응증류법을 사용하면 반응평형의 한계를 극복할 수 있고 반응열을 회수할 수 있으며 장치 및 시설비를 절감하여 생산성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.For the reaction of ethylene carbonate and methanol, (1) a liquid ash reactor, (2) a flow reactor, (3) a distillation column on a liquid ash reactor, and (4) a reaction distillation column are used. There is a way. Among these methods, a method using a reaction distillation column as a reactor is known to be the most efficient, and the patent documents thereof include Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-213830, Japanese Patent Application Laid-open No. 4-198141, US Patent No. 5,231,212, US Patent No. 5,359,118 and the like. The reaction distillation method uses a reaction distillation column as a reactor and simultaneously performs reaction and distillation. The reaction distillation method can overcome the limitation of equilibrium, recover heat of reaction and improve productivity by reducing equipment and facility cost. There is an advantage to this.

반응증류법에 의한 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜의 병산 제조공정은 일반적으로 도 1과 같다. 반응증류탑의 상부로는 반응물질인 에틸렌카보네이트를 투입하고 하부로는 또 다른 반응물질인 메탄올을 투입한다. 촉매의 투입 방법은 균일계이냐 불균일계이냐에 따라서 다른데, KOH와 같은 균일계촉매를 사용하는 경우에는 촉매를 에틸렌클리콜에 녹여서 반응증류탑의 상부로 투입하고, 불균일계 촉매를 사용하는 경우에는 반응증류탑 내부에 촉매를 충진한다. 반응이 진행된 후에는 생성물인 디메틸카보네이트는 메탄올과 저비점 공비혼합물을 형성하여 탑정으로 배출되며 또 다른 생성물인 에틸렌글리콜은 미반응 에틸렌카보네이트와 함께 탑저로 배출된다. 반응증류방법에서는 반응과 증류가 동시에 수행되므로 반응 평형의 한계를 극복할 수 있는 장점을 가지고 있으나 반응온도를 용이하게 변화시킬 수가 없으며 증류조건 변화에 따라 반응조건이 변화하므로 운전 및 제어가 어려운 단점이 있다.The combined process for producing dimethyl carbonate and ethylene glycol by reaction distillation is generally as shown in FIG. 1. At the top of the reaction distillation column, ethylene carbonate, which is a reactant, is added, and methanol, which is another reactant, is added to the bottom. The method of adding the catalyst differs depending on whether it is a homogeneous system or a heterogeneous system. When using a homogeneous catalyst such as KOH, the catalyst is dissolved in ethylene glycol and introduced into the upper part of the reaction distillation column. The catalyst is charged inside the distillation column. After the reaction proceeds, the product dimethyl carbonate forms a low boiling point azeotrope with methanol and is discharged to the column top, another product ethylene glycol is discharged to the column bottom together with the unreacted ethylene carbonate. The reaction distillation method has the advantage of overcoming the limitations of the reaction equilibrium because the reaction and distillation are performed at the same time, but it is difficult to operate and control because the reaction temperature is not easily changed and the reaction conditions change according to the distillation conditions. have.

상기 반응증류법을 개선하기 위한 여러 기술들이 제안되었다. 일본국 특개평 16-131394 호, 일본국 특개평 15-342209 호, 일본국 특개평 15-300936 호, 일본국 특개평 14-308804 호, 일본국 특개평 9-278689 호, 미국 등록특허 제 6,479,689B1 호 등에서는 탑저로 배출되는 혼합물에 포함된 메탄올과 디메틸카보네이트를 또 다른 증류탑을 사용하여 비점이 높은 에틸렌카보네이트 및 에틸렌글리콜과 분리하여 이를 반응증류탑의 하부로 순환시키는 방법 및 미반응 에틸렌카보네이트를 가수분해 시키는 방법들을 제시하고 있다. 또한, 일본국 특개평 9-194435 호에서는 디메틸카보네이트와 함께 배출된 미반응 메탄올을 다른 증류탑에서 분리한 후 반응증류탑으로 순환시킬 때 여기에 포함된 디메틸카보네이트의 양의 적정 범위를 제시하고 있으며, 미국 등록특허 제 6,346,638B1 호에서는 증류탑 내의 적정 유량의 범위를 제시하고 있다.Several techniques for improving the reaction distillation method have been proposed. Japanese Patent Laid-Open No. 16-131394, Japanese Patent Laid-Open No. 15-342209, Japanese Patent Laid-Open No. 15-300936, Japanese Patent Laid-Open No. 14-308804, Japanese Patent Laid-Open No. 9-278689, US Patent No. 6,479,689 In B1 and the like, methanol and dimethyl carbonate contained in the mixture discharged to the bottom of the column are separated from the high boiling point ethylene carbonate and ethylene glycol using another distillation column and circulated to the bottom of the reaction distillation column, and unreacted ethylene carbonate is It suggests ways to decompose. In addition, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-194435 discloses an appropriate range of the amount of dimethyl carbonate contained therein when circulating the unreacted methanol discharged with dimethyl carbonate in another distillation column and then circulating it to the reaction distillation column. Patent No. 6,346,638B1 proposes a range of proper flow rates in a distillation column.

상기 반응증류법에서는 반응물질의 반응과 증류가 한 개의 장치에서 수행되기 때문에 온도 등의 반응조건을 쉽게 변화시킬 수가 없었다. 반응속도를 향상시켜 제품의 생산 시간을 단축시키기 위해서는 반응온도를 올려야 하며 이를 위해서는 반응증류탑의 압력을 높이는 것이 바람직하나, 반응증류탑의 압력이 상승되면 리보일러(reboiler)에서 미반응 에틸렌카보네이트가 에틸렌옥사이드와 탄산가스로 분해되는 반응이 촉진되어 생성물의 수율에 영향을 준다. 특히, 탑저의 온도가 140 ℃ 이상이 되고 KOH 등의 촉매를 사용하는 경우에는 상당량의 에틸렌카보네이트가 분해된다. 반응증류탑의 압력이 높아지면 디메틸카보네이트와 메탄올의 공비조성에서 디메틸카보네이트의 농도가 낮아져 증류탑의 탑정으로 배출되는 생성물의 디메틸카보네이트 조성이 낮아지고 많은 양의 메탄올이 공정을 순환하게 되어 결국에는 생산량을 저하시키게 된다. 따라서, 반응증류법을 사용할 때 반응증류탑의 운전 압력은 상압 부근이 되고 증류탑 내의 반응온도는 60 ∼ 90 ℃가 되며 반응속도를 높이기 위해 반응온도를 더 이상 높일 수가 없는 한계가 있다.In the above reaction distillation method, since the reaction and distillation of the reactants are performed in one apparatus, reaction conditions such as temperature cannot be easily changed. In order to improve the reaction speed and shorten the production time of the product, it is desirable to raise the reaction temperature. To this end, it is desirable to increase the pressure of the reaction distillation tower. However, when the pressure of the reaction distillation tower is increased, the unreacted ethylene carbonate is converted into ethylene oxide in the reboiler. The reaction to decompose into and carbon dioxide gas is accelerated, affecting the yield of the product. In particular, when the temperature of the column bottom is 140 ° C. or more and a catalyst such as KOH is used, a considerable amount of ethylene carbonate is decomposed. As the pressure of the reaction distillation column increases, the concentration of dimethyl carbonate decreases in the azeotropic composition of dimethyl carbonate and methanol, which lowers the dimethyl carbonate composition of the product discharged to the column top of the distillation column. Let's go. Therefore, when the reaction distillation method is used, the operating pressure of the reaction distillation column is about atmospheric pressure, the reaction temperature in the distillation column is 60 to 90 ° C., and there is a limit in that the reaction temperature can not be increased any longer in order to increase the reaction speed.

이러한 반응증류법의 문제를 해결하기 위해 일본국 특개평 9-176061 호와 일본국 특개평 4-23023 호에서는 증류탑 외부에 부착된 여러 개의 반응기에 증류탑 내부의 액을 투입하여 반응시킨 후 이를 증류탑으로 순환시켜 반응율을 향상시키는 방법을 제안하였다. 그러나, 이 방법은 운전이 매우 복잡하고 운전조건이 일정하지 않아 산업상 적용되기에는 어려우며, 증류탑(반응증류탑) 내의 조성과 유량이 계속적으로 변화할 수 있으므로 반응기와 증류탑에서의 안정적인 운전을 기대할 수가 없다.In order to solve the problem of the reaction distillation method, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-176061 and Japanese Patent Application Laid-open No. 4-23023 inject the liquid inside the distillation column into a plurality of reactors attached to the outside of the distillation column, and then circulate it to the distillation column. To improve the reaction rate. However, this method is difficult to apply industrially because the operation is very complicated and the operating conditions are not constant. Since the composition and flow rate in the distillation column can change continuously, it is impossible to expect stable operation in the reactor and the distillation column. .

이에 본 발명자는 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 연구, 노력한 결과, 반응물질인 에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에 각각 투입하여 동시에 반응 및 증류를 시키는 것이 아니라 반응조건의 조절이 용이한 사전 반응기에서 먼저 반응시킨 후에 반응증류탑에 투입하면 반응온도를 조절하여 반응속도를 향상시 킬 수 있고, 사전 반응기와 반응증류탑에 미반응 메탄올이 투입될 수 있어서 공정 단계 별로 재투입되는 미반응 메탄올의 양을 적절히 조절하여 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜의 최적 생산이 가능하게 됨을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.Therefore, the present inventors have studied and tried to solve the above-mentioned problems. As a result, the ethylene carbonate and methanol, which are reactants, were added to the reaction distillation column, respectively, to simultaneously react and distill, and to control the reaction conditions. After the reaction, the reaction temperature can be added to the reaction distillation column to adjust the reaction temperature to improve the reaction rate, and the unreacted methanol can be added to the pre-reactor and the reaction distillation column so that the amount of unreacted methanol re-injected for each process step can be properly adjusted. It was found that the optimum production of dimethyl carbonate and ethylene glycol was possible to complete the present invention.

따라서, 본 발명은 에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에서 반응시켜서 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜을 병산하는 연속 공정에 있어서, 에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에 투입하기 전에 연속회전 반응기, 유통반응기 등의 사전 반응기에서 반응시키는 단계와 미반응 메탄올을 상기 사전 반응기와 상기 반응증류탑에 적절히 분배 투입하는 단계를 포함하는, 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Therefore, in the continuous process of reacting ethylene carbonate and methanol in a reaction distillation column to combine dimethyl carbonate and ethylene glycol, the present invention is carried out in a pre-reactor such as a continuous rotary reactor or a circulation reactor before the ethylene carbonate and methanol are introduced into the reaction distillation column. It is an object of the present invention to provide a method for preparing dimethyl carbonate and ethylene glycol by using a pre-reactor including the step of reacting and appropriately dispensing unreacted methanol into the pre-reactor and the reaction distillation column.

에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에서 반응시켜서 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜을 병산하는 연속 공정에 있어서, 에틸렌카보네이트와 메탄올을 사전 반응기에서 반응시키는 제 1 단계; 상기 제 1 단계의 반응생성물을 반응증류탑의 상부에 투입하고, 회수하여 순환되는 미반응 메탄올과 반응 및 증류시키는 제 2 단계; 및 상기 반응증류탑의 탑정 또는 탑저로 배출된 미반응 메탄올을 상기 사전 반응기와 상기 반응증류탑의 하부에 분배하여 재투입하는 제 3 단계를 포함하는 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법을 특징으로 한다.A continuous process of reacting ethylene carbonate and methanol in a reaction distillation column to combine dimethyl carbonate and ethylene glycol, comprising: a first step of reacting ethylene carbonate and methanol in a pre-reactor; A second step of adding the reaction product of the first step to the upper portion of the reaction distillation column, recovering and reacting with the unreacted methanol circulated and distilling; And Method for producing dimethyl carbonate and ethylene glycol using a pre-reactor comprising a third step of distributing the unreacted methanol discharged to the top or bottom of the reaction distillation column to the pre-reactor and the bottom of the reaction distillation column It is characterized by.

이와 같은 본 발명을 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.The present invention will be described in more detail as follows.

본 발명은 에틸렌카보네이트(EC)와 메탄올(MeOH)을 반응증류탑에서 반응시켜서 디메틸카보네이트(DMC)와 에틸렌글리콜(EG)을 병산하는 공정에 있어서, 반응물질인 에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에 투입하기 전에 온도 등의 반응조건을 쉽게 변화시킬 수 있는 사전 반응기에서 반응시킴으로써 종래 반응증류법의 단점을 보완하여 제품의 생산 속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사전 반응기 및 반응증류탑으로 순환되는 미반응 메탄올의 양을 적절히 배분할 수 있어서 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜의 최적 생산이 가능하도록 개선된, 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법에 관한 것이다.In the present invention, ethylene carbonate (EC) and methanol (MeOH) are reacted in a reaction distillation column to combine dimethyl carbonate (DMC) and ethylene glycol (EG). By reacting in a pre-reactor that can easily change the reaction conditions such as temperature beforehand, it is possible to improve the production rate of the product by compensating the disadvantages of the conventional reaction distillation method, and to increase the amount of unreacted methanol circulated to the pre-reactor and the reaction distillation column. The present invention relates to a process for preparing dimethyl carbonate and ethylene glycol using a pre-reactor, which can be appropriately distributed and improved to enable optimal production of dimethyl carbonate and ethylene glycol.

본 발명의 병산공정의 한 구현 예는 도 2와 같다. 에틸렌카보네이트와 메탄올을 사전 반응기에서 반응시키는 단계를 포함하는 것이 본 발명의 중요한 특징이다. 본 발명에서는 반응증류탑에 반응물질들을 각각 투입하는 것이 아니라 사전 반응기에서 미리 반응시켜 평형에 이르게 한 후에 이를 반응증류탑에 투입한다. 상기 사전 반응기로는 연속회전 반응기(Continuous Stirred Tank Reactor) 또는 유통 반응기(Flow Reactor)가 사용될 수 있다. 사전 반응기에서 사용될 수 있는 촉매는 균일계 또는 불균일계 촉매가 모두 가능하고 반응증류탑에서 사용되는 촉매와 반드시 일치할 필요는 없으므로 사전 반응기에서는 불균일계 촉매를 반응증류탑에서는 균일계 촉매를 사용하여도 무방하다. 또한, 사전 반응기는 반응증류탑과 달리 반응물질이 평형에 이를 때까지 반응만 시키는 장치이므로 반응온도를 높여 반응속도를 향상시킬 수 있으며 반응증류탑에서의 공정과 별도로 안정적으로 운전할 수 있다.One embodiment of the combined process of the present invention is shown in FIG. It is an important feature of the present invention to include the step of reacting ethylene carbonate and methanol in a pre-reactor. In the present invention, the reactants are not added to the reaction distillation tower, but are reacted in advance in the reactor to reach an equilibrium, and then they are added to the reaction distillation tower. As the pre-reactor, a continuous stirred tank reactor or a flow reactor may be used. The catalysts that can be used in the pre-reactor can be either homogeneous or heterogeneous catalysts and do not necessarily have to match the catalysts used in the reaction distillation tower. Therefore, the heterogeneous catalyst can be used in the pre-reactor and the homogeneous catalyst in the reaction distillation column. . In addition, unlike the reaction distillation column, the pre-reactor is a device that reacts only until the reaction material reaches equilibrium, so that the reaction temperature can be increased to increase the reaction speed, and can be stably operated separately from the process in the reaction distillation tower.

사전반응기에는 에틸렌카보네이트, 당량의 메탄올 및 미반응 메탄올의 일부가 투입된다. 상기 미반응 메탄올은 반응증류탑에서 반응 및 증류에 의해서 반응증류탑의 탑정으로 배출된 디메틸카보네이트와 메탄올의 저비점 공비혼합물과 반응증류탑의 탑저로 배출된 에틸렌글리콜, 소량의 디메틸카보네이트 및 소량의 메탄올의 혼합물을 분류 장치를 통과시켜서 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜을 분리하고 남은 것으로서, 디메틸카보네이트가 10 중량% 이하의 농도로 포함되어 있는 것이 바람직하다. 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜의 병산공정은 통상적으로 메탄올이 과량으로 투입되므로 미반응 에틸렌카보네이트가 배출될 가능성은 높지 않으나 비정상 운전시 혹은 필요시 미반응 에틸렌카보네이트는 에틸렌클리콜과 함께 탑저로 배출될 수 있다.The prereactor is fed with ethylene carbonate, equivalents of methanol and some of the unreacted methanol. The unreacted methanol is a mixture of a low boiling point azeotrope of dimethyl carbonate and methanol discharged to the top of the reaction distillation column by reaction and distillation in the reaction distillation column and ethylene glycol, a small amount of dimethyl carbonate and a small amount of methanol discharged to the bottom of the reaction distillation column. It is preferable that dimethyl carbonate is contained at a concentration of 10% by weight or less as it is left after separating the dimethyl carbonate and ethylene glycol through a fractionation apparatus. In the combined process of dimethyl carbonate and ethylene glycol, unreacted ethylene carbonate is not likely to be discharged due to the excessive input of methanol, but unreacted ethylene carbonate may be discharged to the bottom together with ethylene glycol in abnormal operation or if necessary. .

사전 반응기의 반응생성물은 그 후에 반응증류탑의 상부에 투입되어 반응증류탑의 하부로 투입된 미반응 메탄올과 반응을 하며 끓는점(boiling point)의 차이에 따라 증류분리된다. 즉 반응증류탑에서는 반응이 일어나면서 증류가 된다. 상압에서 에틸렌카보네이트의 끓는점은 243 ℃, 메탄올의 끓는점은 64 ℃, 디메틸카보네이트의 끓는점은 90 ℃, 에틸렌글리콜의 끓는점은 197 ℃이므로 끓는점에 따라 탑정으로는 메탄올과 디메틸카보네이트가, 탑저로는 미반응 에틸렌카보네이트와 에틸렌글리콜로 분리가 가능하나 메탄올과 디메틸카보네이트는 저비점 공비혼합물를 형성하므로 공비조성물 형태로 배출된다.The reaction product of the pre-reactor is then added to the top of the reaction distillation column to react with the unreacted methanol introduced into the bottom of the reaction distillation column and distilled off according to the difference in boiling point. That is, in the reaction distillation column, the reaction takes place and distillation occurs. At atmospheric pressure, the boiling point of ethylene carbonate is 243 ° C, the boiling point of methanol is 64 ° C, the boiling point of dimethyl carbonate is 90 ° C, and the boiling point of ethylene glycol is 197 ° C, so methanol and dimethyl carbonate are unreacted at the top depending on the boiling point. It can be separated into ethylene carbonate and ethylene glycol, but methanol and dimethyl carbonate form low boiling azeotropes, so they are discharged in the form of azeotrope.

반응증류탑의 운전온도는 반응압력 및 증류탑 내에서의 혼합물 조성에 따라 변화하나 반응물인 메탄올이 액상으로 존재하여야 하므로 60 ∼ 100 ℃ 정도가 적 합하며 이에 따라 탑정으로는 디메틸카보네이트와 미반응 메탄올이 배출되고 탑저로 소량의 디메틸카보네이트와 메탄올이 에틸렌글리콜과 함께 배출된다. 탑정과 탑저로 배출된 혼합물에서 생성물인 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜을 분리하기 위해서는 별도의 분리장치(통상적으로 증류탑 사용)를 사용할 수 있으며 미반응 메탄올은 반응증류탑으로 순환시켜 재사용한다.The operating temperature of the reaction distillation column varies depending on the reaction pressure and the composition of the mixture in the distillation column, but the reaction product methanol should be present in the liquid phase. At the bottom, a small amount of dimethyl carbonate and methanol are discharged together with ethylene glycol. In order to separate dimethyl carbonate and ethylene glycol, which are products from the mixture discharged from the column top and the bottom, a separate separator (usually using a distillation column) can be used and unreacted methanol is circulated through the reaction distillation column and reused.

본 발명의 반응증류탑에서의 공정은 통상적인 방법과 다음의 점에서 차이가 있다. 통상적인 반응증류법은 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 반응증류탑의 상부에 에틸렌카보네이트를 투입하고 하부에 메탄올을 투입하여 반응증류탑에서 반응과 동시에 증류시키나, 본 발명의 경우에는 에틸렌카보네이트와 메탄올을 사전 반응기에서 미리 반응을 시켜서 생성된 디메틸카보네이트, 에틸렌글리콜 및 미반응 물질을 반응증류탑의 상부에 투입하고 순환되는 미반응 메탄올을 반응증류탑의 하부에 투입하여 향류접촉 반응을 시키고 증류시킨다. 향류접촉에 의해서 미반응 에틸렌카보네이트가 재투입되는 메탄올과 완전히 반응하여 반응율이 증가할 수 있게 된다.The process in the reaction distillation column of the present invention is different from the conventional method in the following points. In the conventional reaction distillation method, as shown in FIG. 1, ethylene carbonate is added to the upper part of the reaction distillation column and methanol is added to the lower part, and the reaction distillation is simultaneously performed in the reaction distillation column. Dimethyl carbonate, ethylene glycol, and unreacted substances produced by the reaction in advance in the reactor are added to the upper part of the reaction distillation column, and circulated unreacted methanol is added to the lower part of the reaction distillation column to perform countercurrent contact reaction and distillation. The countercurrent contact allows the unreacted ethylene carbonate to react completely with the reintroduced methanol to increase the reaction rate.

반응증류탑의 하부에 투입되는 미반응 메탄올의 투입량은 사전 반응기에 투입되는 미반응 메탄올의 양에 따라 조절될 수 있다. 사전 반응기에 미반응 메탄올을 과량 투입하면 에틸렌카보네이트의 변환율을 향상시킬 수는 있으나 반응증류탑의 하부로 공급되는 메탄올의 양이 줄게 되므로 반응증류탑에서의 전환율은 감소된다. 순환되는 전체 미반응 메탄올 중에 사전 반응기에 투입되는 미반응 메탄올의 비는 0.5 이하가 바람직한 것을 본 발명자에 의해 확인하였으며 이러한 비 율은 사전반응기 및 반응증류탑, 부속 증류탑에 의해 변화할 수 있다. 상기 범위에서 순환되는 미반응 메탄올의 양을 적절히 배분하여 재투입하면 이하에서 살펴보는 바와 같이 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜의 생산성을 향상시킬 수 있다. The amount of unreacted methanol added to the bottom of the reaction distillation column may be adjusted according to the amount of unreacted methanol added to the reactor beforehand. Excessive addition of unreacted methanol to the pre-reactor can improve the conversion of ethylene carbonate, but the amount of methanol supplied to the bottom of the reaction distillation column is reduced, so the conversion rate in the reaction distillation column is reduced. It was confirmed by the present inventors that the ratio of the unreacted methanol introduced into the pre-reactor in the total unreacted methanol circulated is preferably 0.5 or less, and the ratio can be changed by the pre-reactor, the reaction distillation column, and the attached distillation column. Properly distributing the amount of unreacted methanol circulated in the above range may improve productivity of dimethyl carbonate and ethylene glycol as described below.

반응증류탑의 탑정으로는 디메틸카보네이트와 미반응 메탄올이 공비조성(상압에서 디메틸카보네이트가 약 30 중량%)에 근사한 조성으로 배출된다. 반응증류탑의 탑정으로 배출된 디메틸카보네이트와 미반응 메탄올의 혼합물을 분리하여 디메틸카보네이트를 얻는 단계에서는 별도의 증류탑 등의 분류 장치를 이용하여 디메틸카보네이트의 농도가 10 중량% 이하인 조성으로 메탄올을 회수할 수 있다.As the top of the reaction distillation column, dimethyl carbonate and unreacted methanol are discharged in a composition close to azeotropic composition (about 30% by weight of dimethyl carbonate at atmospheric pressure). In the step of obtaining dimethyl carbonate by separating a mixture of dimethyl carbonate and unreacted methanol discharged to the top of the reaction distillation column, methanol may be recovered in a composition having a concentration of dimethyl carbonate of 10 wt% or less using a dividing column or the like. have.

병산 공정의 생산에 영향을 주는 인자는 사전반응기의 반응 및 운전조건, 반응증류탑의 반응 및 운전조건, 부속 증류탑의 반응 및 운전조건 등 여러 가지가 있을 수 있다. 본 발명에서는 사전반응기를 도입함과 동시에 순환되는 미반응 메탄올의 사전 반응기와 반응증류탑의 하부에 투입되는 배분 비율을 조절하여 최적의 생산을 가능하게 한다.Factors affecting the production of the combined acid process can be various, such as the reaction and operating conditions of the pre-reactor, the reaction and operating conditions of the reaction distillation column, the reaction and operating conditions of the accessory distillation column. In the present invention, by introducing a pre-reactor and at the same time by adjusting the distribution ratio of the unreacted methanol circulated in the pre-reactor and the lower part of the reaction distillation column to enable optimal production.

이하, 본 발명을 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to Examples.

실험예 1 : 사전반응기에서의 반응속도 및 평형전환율Experimental Example 1 Reaction Rate and Equilibrium Conversion Rate in Pre-Reactor

순환되는 미반응 메탄올의 최적 분배 비율을 결정하기 위하여 사전 반응기에서 일어나는 반응의 반응속도와 평형전환율을 확인하였다. 사전 반응기는 스테인레스-스틸재질의 오토클레이브(200 mL)가 사용되었으며 마그네틱 교반장치를 이 용하여 교반하였다. 에틸렌카보네이트(Acros Organic사, 순도 99 % 이상), 메탄올(J. T. Baker사, HPLC 용, 순도 99.99 % 이상), 디메틸카보네이트(Acros Organic사, 순도 99 % 이상) 및 에틸렌글리콜(Acros Organic사, 순도 99 % 이상)을 사용하여 KOH(J. T. Baker사, 순도 90 % 이상) 촉매 하에서 반응차수, 반응온도에 의존적인 반응속도 상수 등을 확인하였다. 반응물 및 생성물의 분석은 기체 크로마토그래피(Gas Chromatography, Gow-Mac, 550P)를 이용하였으며 검출기는 TCD(Thermal Conductivity Detector)를 사용하였으며 컬럼은 10 % 카르보왁스(Carbowax, 1/8 in.ㅧ 2 m, Chrom W-HP, 80/100)이 사용되었다. 또한, 성분 분석을 위해 GC 질량 스펙트로미터(GC mass spectrometer, HP Co., 5890, 5971A mass detector)를 사용하였다. KOH를 촉매로 사용한 실험에서 반응속도식은 다음의 반응식 2와 같이 나타낼 수 있으며 반응차수 및 속도상수 값은 표 1로 정리하였다.The reaction rates and equilibrium conversions of the reactions occurring in the reactor were checked to determine the optimal distribution ratio of the unreacted methanol circulated. The pre-reactor used a stainless steel autoclave (200 mL) and stirred using a magnetic stirrer. Ethylene Carbonate (Acros Organic, 99% purity), Methanol (JT Baker, HPLC, 99.99% purity), Dimethylcarbonate (Acros Organic, 99% purity) and Ethylene Glycol (Acros Organic, 99 purity) % Or more) was used to determine the reaction order, reaction rate constant depending on the reaction temperature under KOH (JT Baker, purity more than 90%) catalyst. The analysis of the reactants and products was carried out using gas chromatography (Gas Chromatography, Gow-Mac, 550P), the detector was used the Thermal Conductivity Detector (TCD), and the column was 10% Carbowax (1/8 in. ㅧ 2). m, Chrom W-HP, 80/100) was used. In addition, a GC mass spectrometer (GC mass spectrometer, HP Co., 5890, 5971A mass detector) was used for component analysis. In the experiment using KOH as a catalyst, the reaction rate equation can be expressed as the following Reaction Equation 2, and the reaction order and rate constant values are summarized in Table 1.

Figure 112004051141853-PAT00001
Figure 112004051141853-PAT00001

상기 반응식 2에서 -rEC는 에틸렌카보네이트의 반응속도(mol/l/min)이고 kforward와 kbackward는 각각 정반응과 역반응의 반응속도 상수이며 CMeOH, CEC, C DMC 및 CEG는 각각 메탄올, 에틸렌카보네이트, 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜의 농도(mol/l)이다.In Reaction Scheme 2, -r EC is the reaction rate of ethylene carbonate (mol / l / min), k forward and k backward are reaction rate constants of forward and reverse reaction, respectively, and C MeOH , C EC , C DMC and C EG are methanol, respectively. , Ethylene carbonate, dimethyl carbonate and ethylene glycol concentration (mol / l).

반 응reaction 반응차수Reaction order 속도상수Speed constant 정반응(forword)Forward a=0, b=0.87a = 0, b = 0.87 18.1 e-12734.2/RT 18.1 e -12734.2 / RT 역반응(backword)Backward c=1.25, d=0.9c = 1.25, d = 0.9 2457.5 e-29276.6/RT 2457.5 e -29276.6 / RT R은 기체상수 (8.3 J/mol-K), T는 절대온도 R is gas constant (8.3 J / mol-K), T is absolute temperature

상기 반응식 2와 표 1로부터 에틸렌카보네이트와 메탄올의 초기 몰농도비의 변화에 따른 평형에서의 에틸렌카보네이트 전환율(EC 평형전환율)은 도 3과 같이 계산된다. 내부 온도를 높여서 반응속도를 빠르게 할 수 있는 것이 사전 반응기의 장점인데 사전 반응기의 온도는 통상적으로 80 ∼ 140 ℃ 정도가 바람직하고 본 실험에서는 100 ℃에서의 평형 전환율을 계산하였다.The ethylene carbonate conversion rate (EC equilibrium conversion rate) at the equilibrium according to the change in the initial molar concentration ratio of ethylene carbonate and methanol from Scheme 2 and Table 1 is calculated as shown in FIG. It is an advantage of the pre-reactor that the reaction rate can be increased by increasing the internal temperature, but the temperature of the pre-reactor is generally preferably about 80 to 140 ° C. In this experiment, the equilibrium conversion at 100 ° C. was calculated.

도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에서 미반응 메탄올을 회수하여 순환시킬 때, 일부를 사전 반응기에 투입하면 메탄올의 부가에 따라 에틸렌카보네이트의 전환율이 상승하게 된다.As can be seen in Figure 3, when recovering and circulating the unreacted methanol in the present invention, if a part of the pre-reactor in the reactor, the conversion of ethylene carbonate increases with the addition of methanol.

실험예 2 : 에틸렌카보네이트와 메탄올의 투입 비율에 따른 반응증류탑에서의 반응율의 변화Experimental Example 2 Change in the Reaction Rate in the Reaction Distillation Column According to the Ratio of Ethylene Carbonate and Methanol

본 발명의 미반응 메탄올이 사전 반응기와 반응증류탑의 하부에 어느 정도의 양으로 투입되어야 하는지를 확인하기 위한 사전 실험으로서 종래의 반응증류법을 이용하여 에틸렌카보네이트와 메탄올의 투입 비율에 따른 반응율의 변화를 살펴보았다. 직경이 3 인치이고 높이가 5 미터인 증류탑을 사용하여 반응증류실험을 실시하였는데, 증류탑 속에는 1/4 인치 크기의 라시히 링(Raschig ring) 형태의 충진물을 채웠다. 탑정에는 응축기를 설치하였고 탑저에는 전기 히터가 장착된 재비기를 설치하였다. 탑정의 응축기로부터 1 미터 아래 지점(반응증류탑의 상부)에 2 중량 %의 KOH 촉매를 포함하고 있는 에틸렌카보네이트를 시간당 2.1 몰씩 투입하였고 탑저의 재비기로부터 1 미터 위 지점(반응증류탑의 하부)에 메탄올을 투입하였다. 반응증류탑의 운전압력은 0.8 기압(절대압)으로 조절하고 증류탑내 온도를 80℃ 정도로 유지하였다. 병산 공정에 영향을 줄 수 있는 다른 인자들은 일정하게 고정시켰으며 반응증류탑에서 에틸렌카보네이트와 메탄올의 투입 비율만 변경시켰을 때 반응율(전환율)의 변화는 도 4와 같다.As a preliminary experiment to determine how much unreacted methanol of the present invention should be added to the lower part of the pre-reactor and the reaction distillation column, the reaction rate changes according to the input ratio of ethylene carbonate and methanol using a conventional reaction distillation method saw. The reaction distillation experiment was carried out using a distillation column of 3 inches in diameter and 5 meters in height, and was filled with a 1/4 inch size Raschig ring. The tower top was equipped with a condenser and the bottom was equipped with a reboiler equipped with an electric heater. Ethylene carbonate containing 2% by weight of KOH catalyst was charged 2.1 mole per hour at a point below the top of the tower condenser (top of the reactor distillation column) and methanol at a point above the tower bottom (bottom of the reactor tower). Was added. The operating pressure of the reaction distillation column was adjusted to 0.8 atm (absolute pressure) and the temperature in the distillation column was maintained at about 80 ℃. The other factors that may affect the combined acid process were fixed at a constant, and the change in reaction rate (conversion) when changing only the input ratio of ethylene carbonate and methanol in the reaction distillation column is shown in FIG. 4.

도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 에틸렌카보네이트에 대한 메탄올의 비율(MeOH/EC)이 높을수록 반응증류탑에서의 에틸렌카보네이트의 전환율(EC 전환율)이 점차 높아지다가 에틸렌카보네이트에 대한 메탄올의 비율이 9 이상 되면 반응율(전환율)이 100 %가 되어 더 이상 메탄올의 투입이 불필요하게 됨을 알 수 있다.As can be seen in Figure 4, the higher the ratio of methanol to ethylene carbonate (MeOH / EC), the higher the conversion rate (EC conversion) of ethylene carbonate in the reaction distillation column, the ratio of methanol to ethylene carbonate is 9 or more When the reaction rate (conversion rate) is 100%, it can be seen that it is no longer necessary to add methanol.

실험예 3 : 전체 미반응 메탄올 중에서 사전 반응기로 분배되는 최적 배율 추정Experimental Example 3 Estimation of Optimum Magnification Distributing to the Pre-Reactor in All Unreacted Methanol

도 3 및 도 4에서 보는 바와 같이 에틸렌카보네이트에 대한 메탄올의 비율이 높을수록 사전반응기와 반응증류탑에서의 전환율은 높아진다. 즉 원료로 투입되는 메탄올과 공정에서 순환되는 미반응 메탄올을 적절히 사전반응기와 반응증류탑에 배분할 필요가 있다. 이러한 최적의 배분비율은 사전반응기와 반응증류탑 및 부속증류탑 등의 반응 및 운전조건에 따라 변화할 수 있으므로 반응 및 증류특성에 관한 연구와 실험에 의하지 않고는 구할 수가 없다. 3 and 4, the higher the ratio of methanol to ethylene carbonate, the higher the conversion rate in the pre-reactor and the reaction distillation column. That is, it is necessary to appropriately distribute the methanol introduced as a raw material and the unreacted methanol circulated in the process to the pre-reactor and the reaction distillation column. This optimal distribution ratio can be changed according to the reaction and operating conditions of the pre-reactor, reaction distillation column, and accessory distillation column, and thus cannot be obtained without research and experiment on reaction and distillation characteristics.

미반응 메탄올이 사전 반응기와 반응증류탑의 하부에 적절히 배분되어 최적의 생산을 가능하게 할 수 있는 조건을 확인하기 위하여 본 발명의 사전 반응기를 적용한 반응증류법을 사용하여 병산 공정을 검토하였다. In order to confirm the conditions under which unreacted methanol was properly distributed at the bottom of the pre-reactor and the reaction distillation column to enable optimal production, the parallel process was reviewed using the reaction distillation method applying the pre-reactor of the present invention.

반응원료인 에틸렌카보네이트와 메탄올을 각각 시간당 4 몰과 8 몰씩, 당량 비(메탄올/에틸렌카보네이트 몰 비 = 2/1)로 사전반응기에 투입하고, 또한 순환되는 메탄올의 일부를 사전반응기에 투입하여 100 ℃에서 반응평형이 이루어진 사전반응기에서의 전환율은 도 3에서 확인할 수 있다.Ethylene carbonate and methanol, the reaction raw materials, were added to the pre-reactor at 4 equivalent and 8 moles per hour, respectively, in an equivalence ratio (methanol / ethylene carbonate mole ratio = 2/1). Conversion rate in the pre-reactor where the reaction equilibrium was made at ℃ can be seen in FIG.

반응증류탑에서는 상부에서 투입되는 미반응 에틸렌카보네이트와 하부에서 투입된 메탄올이 향류접촉하며 반응과 동시에 증류가 이루어지며 탑정으로는 디메틸카보네이트와 미반응 메탄올이 배출된다. 이때 공비혼합물을 형성하므로 그 조성은 운전 압력조건에 따라 변화하고 디메틸카보네이트가 20 ∼ 30 중량% 포함될 수 있으며 본 예비계산에서는 30 중량% 포함되었다고 가정하였다. 이 혼합물에서 미반응 메탄올을 회수하고 생성물 디메틸카보네이트를 분리하기 위해 별도의 증류장치를 사용하는 경우, 운전조건에 따라 회수되는 메탄올에는 0 ∼ 10 중량% 디메틸카보네이트가 포함될 수 있으며 본 예비계산에서는 5 중량% 포함된 것으로 가정하였다.In the reaction distillation column, unreacted ethylene carbonate introduced from the top and methanol introduced from the bottom are in countercurrent contact, and distillation is performed simultaneously with the reaction, and dimethyl carbonate and unreacted methanol are discharged to the top. At this time, since the azeotrope is formed, its composition is changed according to the operating pressure conditions, and it is assumed that dimethyl carbonate may be included in the range of 20 to 30% by weight and 30% by weight in the preliminary calculation. If a separate distillation apparatus is used to recover unreacted methanol from this mixture and to separate the product dimethyl carbonate, the methanol recovered depending on the operating conditions may contain 0 to 10% by weight dimethyl carbonate and in this precalculation 5 weight % Is assumed to be included.

전술한 바와 같이 반응증류탑의 탑정에서 배출되는 혼합물에서 디메틸카보네이트의 농도가 30 중량%이고, 이를 부속증류탑에서 분리하여 탑정으로는 5 중량%의 디메틸카보네이트를 포함하는 미반응 메탄올 혼합물을 배출하고 탑저로는 100 %의 디메틸카보네이트가 배출되는 것을 가정하면 순환되는 미반응 메탄올 혼합물 중의 메탄올의 양은 약 30 몰이 되며 이것을 사전반응기와 반응증류탑에 배분하여 공급하게 된다.As described above, the concentration of dimethyl carbonate in the mixture discharged from the column top of the reaction distillation column is 30% by weight, and this is separated from the accessory distillation column to discharge the unreacted methanol mixture containing 5% by weight of dimethyl carbonate to the column bottom. Assuming that 100% of dimethyl carbonate is emitted, the amount of methanol in the circulated unreacted methanol mixture is about 30 moles, which is distributed to the pre-reactor and the reaction distillation column.

순환되는 미반응 메탄올을 사전반응기와 반응증류탑에 배분하는 비율에 따라 예상되는 전체 전환율은 도 5와 같이 계산된다.According to the ratio of distributing the circulated unreacted methanol to the pre-reactor and the reaction distillation column, the expected total conversion is calculated as shown in FIG. 5.

순환되는 미반응 메탄올을 사전 반응기로는 배분하지 않고 모두 반응증류탑의 하부로 투입하는 경우에는 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이 사전 반응기에서 에틸렌카보네이트는 34 % 정도가 전환된다. 사전 반응기에 에틸렌카보네이트와 메탄올이 각각 4 몰과 8 몰 투입되었을 때 미반응 에틸렌카보네이트의 양은 2.64 몰이 된다. 이 때 전환되지 않은 에틸렌카보네이트를 포함하는 혼합물은 반응증류탑의 상부로 투입하고 순환되는 미반응 메탄올(30 몰)이 모두 반응증류탑의 하부로 재투입하게 되면, 반응증류탑에서의 MeOH/EC의 몰비는 30/2.64 = 11.4 정도가 되고 반응증류탑에서의 전환율은 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 100 %가 된다.When all of the circulated unreacted methanol is added to the lower part of the reaction distillation column without allocating to the pre-reactor, as shown in FIG. 3, about 34% of the ethylene carbonate is converted in the pre-reactor. When 4 mol and 8 mol of ethylene carbonate and methanol were added to the pre-reactor, respectively, the amount of unreacted ethylene carbonate was 2.64 mol. At this time, when the mixture containing unconverted ethylene carbonate is introduced into the upper part of the reaction distillation column and all of the unreacted methanol (30 mol) circulated is returned to the lower part of the reaction distillation column, the molar ratio of MeOH / EC in the reaction distillation column is 30 / 2.64 = 11.4 and the conversion rate in the reaction distillation column is 100% as can be seen in FIG.

같은 방법으로 순환되는 미반응 메탄올(30 몰) 중에서 5 몰, 10 몰, 15 몰 및 20 몰을 사전반응기에 배분하고 나머지를 반응증류탑에 투입하였을 때, 사전반응기의 반응율은 도 3에서 보는 바와 같이 40 %, 43 %, 47 % 및 50 %가 되며, 반응증류탑에서의 전환율은 도 4에서 보는 바와 같이 100 %, 96 %, 83 % 및 68 %가 된다. 따라서, 사전반응기와 반응증류탑을 고려한 전체 전환율을 계산하면 도 5에서와 같이 각각 100 %, 98 %, 91 % 및 81 %로 변화하게 된다.When 5 moles, 10 moles, 15 moles, and 20 moles of unreacted methanol (30 moles) circulated in the same manner are allocated to the pre-reactor and the remainder is added to the reaction distillation column, the reaction rate of the pre-reactor is as shown in FIG. 40%, 43%, 47% and 50%, and the conversion rates in the reaction distillation column are 100%, 96%, 83% and 68% as shown in FIG. Therefore, when calculating the total conversion considering the pre-reactor and the reaction distillation column will change to 100%, 98%, 91% and 81%, respectively, as shown in FIG.

도 5에서 볼 때, 사전 반응기로의 미반응 메탄올 배분율이 0 ∼ 0.3 정도가 될 때까지는 전체 반응율(전환율)이 100 %이나 사전 반응기로의 배분율이 0.3 이상 되면 반응증류탑의 하부로 투입되는 메탄올의 양이 적어져서 반응증류탑의 효능이 낮아지고 전체 반응율이 떨어지는 경향을 보임을 알 수 있다. 도 4에서 보는 바와 같이 반응증류탑에서의 에틸렌카보네이트에 대한 메탄올의 비율이 9 이상 되어야 반응율(전환율)이 100 %가 되므로 사전반응기에서 미반응되는 에틸렌카보네이 트의 량에 따라 순환되는 메탄올의 배분 비율 결정해야 한다.As shown in FIG. 5, the total reaction rate (conversion rate) is 100% until the unreacted methanol distribution ratio to the pre-reactor reaches about 0 to about 0.3, but when the distribution ratio to the pre-reactor is 0.3 or more, It can be seen that the amount decreases and the efficiency of the reaction distillation tower is lowered and the overall reaction rate is lowered. As shown in FIG. 4, since the ratio of methanol to ethylene carbonate in the reaction distillation column is 9 or more, the reaction rate (conversion) is 100%, and thus the distribution ratio of methanol circulated according to the amount of unreacted ethylene carbonate in the pre-reactor You must decide.

따라서 본 예비계산에서는 순환되는 미반응 메탄올 중에서 사전 반응기로 배분되는 최적 비율 0.3이 가장 바람직하였다. 0.3 이상의 경우에는 도 5에서 보는 바와 같이 전체 전환율이 100 % 이하로 낮아지며 0.3 이하의 경우에는 전체 전환율이 100% 로 되어 전환율의 차이는 없으나 반응증류탑의 하부로 투입되는 미반응 메탄올의 양의 일부가 반응증류탑에서의 메탄올/에틸렌카보네이트 적정 투입비율을 초과하고 있으므로 비효율적이기 때문이다.Therefore, in this precalculation, the optimum ratio 0.3 distributed in the pre-reactor among the unreacted methanol circulated was most preferred. In the case of 0.3 or more, as shown in FIG. 5, the total conversion rate is lowered to 100% or less, and in the case of 0.3 or less, the total conversion rate is 100%, and there is no difference in conversion rate, but a part of the amount of unreacted methanol injected into the bottom of the reaction distillation column is This is because it is inefficient because the proper ratio of methanol / ethylene carbonate in the reaction distillation column is exceeded.

최적 배분비율은 전술한 바와 같이 사전 반응기와 반응증류탑 및 부속 증류탑 등의 반응 및 운전조건에 따라 변화할 수 있으므로 이러한 조건들을 고려하여 위와 같은 방법으로 결정할 수 있다.As described above, the optimum distribution ratio may vary depending on the reaction and operating conditions of the pre-reactor, the reaction distillation column, and the accessory distillation column, and thus may be determined by the above method in consideration of these conditions.

예컨대, 사전 반응기에서 메탄올/에틸렌카보네이트의 몰 비가 6 이상이 되면 평형반응율의 증가속도가 감소하게 된다. 위에서 검토된 반응원료(에틸렌카보네이트 4 몰/시간, 메탄올 8 몰/시간) 투입량 및 미반응 메탄올 순환량(30 몰/시간) 조건에서 사전반응기로 공급되는 메탄올/에틸렌카보네이트 몰 비가 6이 되려면 사전 반응기로의 미반응 메탄올의 배분 비율은 0.53(=(24-8)/30) 정도로 계산되었다. 또한 반응증류탑에서 환류비를 증가시켜 100 % 전환을 얻기 위한 메탄올/에틸렌카보네이트의 비율을 최소화하여도 8 이상은 되어야함을 확인하였으며 이 때의 배분비율(사전반응기로의 배분)은 0.47 이다. 이것은 사전반응기에서 반응율을 50 % 정도로 추정하면 반응증류탑으로 투입되는 미반응 에틸렌카보네이트의 양이 시간당 2 몰이 되므로 반응증류탑에 공급되어야 할 미반응 메탄올 순환량은 8 배인 16 몰이 필요하게 되고 사전반응기로 배분되는 양은 시간당 14 몰이 되어 배분비율이 14/30 = 0.47로 계산된다. 따라서 사전반응기로 배분되는 순환 미반응 메탄올의 비율은 약 0.5 이하가 적합하다.For example, when the molar ratio of methanol / ethylene carbonate is 6 or more in the pre-reactor, the rate of increase of the equilibrium reaction rate decreases. The methanol / ethylene carbonate molar ratio fed to the pre-reactor under the conditions of the reaction raw materials (ethylene carbonate 4 mol / hour, methanol 8 mol / hour) and the unreacted methanol circulation (30 mol / hour), as described above, may be The distribution ratio of unreacted methanol of was calculated to be about 0.53 (= (24-8) / 30). In addition, it was confirmed that the ratio of methanol / ethylene carbonate to obtain a 100% conversion by increasing the reflux ratio in the reaction distillation column should be 8 or more, and the distribution ratio (allocation to the pre-reactor) was 0.47. It is estimated that the reaction rate in the pre-reactor is about 50%, and the amount of unreacted ethylene carbonate introduced into the reaction distillation column is 2 moles per hour, so the amount of circulation of the unreacted methanol to be supplied to the reaction distillation tower is 8 times 16 moles, which is distributed to the pre-reactor. The amount is 14 moles per hour and the distribution ratio is calculated as 14/30 = 0.47. Therefore, the ratio of circulating unreacted methanol distributed to the pre-reactor is suitably about 0.5 or less.

실시예Example

본 발명에 따른 사전 반응기를 이용한 공정과 통상의 반응증류법을 이용하여 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜을 병산하였다.Dimethyl carbonate and ethylene glycol were combined together using a pre-reactor according to the present invention and a conventional reaction distillation method.

사전 반응기로는 1.2 리터 크기의 연속회전 반응기를 사용하였고 반응증류탑은 직경이 3 인치이고 높이가 5 미터인 증류탑을 사용하였다. 증류탑 속에는 1/4 인치 크기의 라시히 링(Raschig ring) 형태의 충진물을 채웠다. 탑정에는 응축기를 설치하였고 탑저에는 전기 히터가 장착된 재비기를 설치하였다. 사전 반응기에 투입되는 반응물질인 에틸렌카보네이트와 메탄올의 공급 유량을 각각 시간당 4 몰(352 g)과 8 몰(512 g)로 하였고 소량(반응원료의 0.2 중량 % 이하)의 KOH와 함께 투입하였다. 물질수지로부터 예상되는 메탄올 혼합물 순환량은 시간당 약 870 g 이며, 이 중 30 %인 시간당 260 g을 사전 반응기에 투입하고 나머지를 반응증류탑의 하부에 각각 투입하였다. 사전반응기에서 배출된 반응생성물은 반응증류탑 상부(탑정에서 1 m 하부지점)에 투입되도록 하였고 반응증류탑으로 투입되는 메탄올 혼합물은 반응증류탑 하부(탑저에서 1 m 상부지점)에 투입하여 반응증류탑의 성능 확인을 위한 실험과 동일하게 실시하였다. 사전 반응기의 운전 조건은 3 기압, 100 ℃가 되도록 하였으며, 반응증류탑은 0.8 기압 조건에서 증 류탑의 온도는 80 ℃, 재비기의 온도는 110 ℃ 정도가 되었다. 반응증류탑 재비기의 가열량은 1.7 kWh로 운전하였다.As a pre-reactor, a 1.2 liter continuous rotary reactor was used, and the reaction distillation column was a distillation column having a diameter of 3 inches and a height of 5 meters. The distillation column was filled with a 1/4 inch Raschig ring. The tower top was equipped with a condenser and the bottom was equipped with a reboiler equipped with an electric heater. The feed rates of ethylene carbonate and methanol, which were added to the reactor, were 4 mol (352 g) and 8 mol (512 g) per hour, respectively, and were added together with a small amount of KOH (less than 0.2 wt% of the reactant). The expected amount of methanol mixture circulated from the mass balance was about 870 g per hour, of which 260 g per hour (30%) was added to the pre-reactor and the remainder was added to the bottom of the reaction distillation column, respectively. The reaction product discharged from the pre-reactor was introduced into the upper part of the reaction distillation tower (1 m lower point from the top) and the methanol mixture introduced into the reaction distillation tower was introduced into the lower part of the reaction distillation tower (1 m upper point from the bottom) to check the performance of the reaction distillation tower. The experiment was carried out in the same manner. The prereactor was operated at 3 atm and 100 ° C. The distillation column at 0.8 atm had a temperature of 80 ° C and a reboiler at 110 ° C. The heating amount of the reaction distillation column reboiler was operated at 1.7 kWh.

본 발명에서 예시한 바와 같이 사전반응기와 반응증류탑을 동시에 사용한 결과, 에틸렌카보네이트의 전환율은 99% 이상이 되었다.As illustrated in the present invention, when the pre-reactor and the reaction distillation column were used simultaneously, the conversion rate of ethylene carbonate was 99% or more.

비교예Comparative example

실시예와 동일한 장치에서 사전 반응기를 사용하지 않고 반응증류탑 상부로는 반응원료 에틸렌카보네이트와 촉매를, 하부로는 반응원료 메탄올과 순환되는 메탄올 모두 투입하였을 때 에틸렌카보네이트의 전환율은 95 % 이하였다.In the same apparatus as in Example, the conversion rate of ethylene carbonate was 95% or less when the reaction raw material ethylene carbonate and the catalyst were added to the upper part of the reaction distillation column and the reaction raw material methanol and the circulating methanol were added to the lower part.

상술한 바와 같이, 본 발명의 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법은 에틸렌카보네이트(ethylene carbonate)와 메탄올(methanol)을 반응증류탑에서 반응시켜서 디메틸카보네이트(Dimethyl carbonate)와 에틸렌글리콜(ethylene glycol)을 병산하는 연속 공정에 있어서, 반응물질인 에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에 투입하기 전에 온도 등의 반응조건을 쉽게 변화시킬 수 있는 사전 반응기에서 반응시킴으로써 종래 반응증류법의 단점을 보완하여 제품의 생산성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 사전 반응기 및 반응증류탑에 재투입되는 미반응 메탄올의 양을 적절히 배분할 수 있어서 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜의 최적 생산이 가능한 효과가 있다.As described above, the method for producing dimethyl carbonate and ethylene glycol by using the pre-reactor of the present invention by reacting ethylene carbonate and methanol in a reaction distillation column, dimethyl carbonate and ethylene glycol ( In the continuous process of ethylene glycol) co-existing, the ethylene carbonate and methanol are reacted in a pre-reactor that can easily change the reaction conditions such as temperature before the reaction distillation column to compensate for the shortcomings of the conventional reaction distillation method In addition to improving productivity, the amount of unreacted methanol re-introduced into the pre-reactor and the reaction distillation column can be appropriately distributed, thereby enabling the optimum production of dimethyl carbonate and ethylene glycol.

Claims (6)

에틸렌카보네이트와 메탄올을 반응증류탑에서 반응시켜서 디메틸카보네이트와 에틸렌글리콜을 병산하는 연속 공정에 있어서,In a continuous step of reacting ethylene carbonate and methanol in a reaction distillation column to co-exist dimethyl carbonate and ethylene glycol, 에틸렌카보네이트와 메탄올을 사전 반응기에서 반응시키는 제 1 단계;A first step of reacting ethylene carbonate and methanol in a pre-reactor; 상기 제 1 단계의 반응생성물을 반응증류탑의 상부에 투입하고, 회수하여 순환되는 미반응 메탄올과 반응 및 증류시키는 제 2 단계; 및A second step of adding the reaction product of the first step to the upper portion of the reaction distillation column, recovering and reacting with the unreacted methanol circulated and distilling; And 상기 반응증류탑의 탑정 또는 탑저로 배출된 미반응 메탄올을 상기 사전 반응기와 상기 반응증류탑의 하부에 분배하여 재투입하는 제 3 단계A third step of distributing unreacted methanol discharged to the top of the reaction distillation column or the bottom of the reaction distillation to the lower portion of the pre-reactor and the reaction distillation column 를 포함하는 것을 특징으로 하는 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법.Method for producing dimethyl carbonate and ethylene glycol using a pre-reactor characterized in that it comprises a. 제 1 항에 있어서, 제 2 단계와 제 3 단계의 사이에 상기 반응증류탑의 탑정으로 배출된 디메틸카보네이트와 미반응 메탄올의 혼합물을 분류하여 디메틸카보네이트를 얻는 단계와 상기 반응증류탑의 탑저로 배출된 에틸렌글리콜, 소량의 디메틸카보네이트 및 소량의 미반응 메탄올의 혼합물을 분류하여 에틸렌글리콜을 얻는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법.The method of claim 1, wherein dividing the mixture of dimethyl carbonate and unreacted methanol discharged to the top of the reaction distillation column between the second step and the third step to obtain dimethyl carbonate and ethylene discharged to the bottom of the reaction distillation column A process for producing dimethyl carbonate and ethylene glycol using a pre-reactor further comprising the step of classifying a mixture of glycol, a small amount of dimethyl carbonate and a small amount of unreacted methanol to obtain ethylene glycol. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응증류탑의 탑정 또는 탑저로 배출된 미반응 메탄올을 회수하여 상기 사전 반응기와 반응증류탑으로 재투입할 때, 상기 사전 반응기에 재투입되는 비율이 0.5 이하인 것을 특징으로 하는 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법.The method of claim 1 or 2, wherein when the unreacted methanol discharged to the top or bottom of the reaction distillation column is recovered and re-injected into the pre-reactor and the reaction distillation column, the ratio of re-introduction into the pre-reactor is 0.5 or less. Method for producing dimethyl carbonate and ethylene glycol using a pre-reactor characterized in. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 사전 반응기의 반응온도는 60 ∼ 140 ℃인 것을 특징으로 하는 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법.The method for producing dimethyl carbonate and ethylene glycol using a pre-reactor according to claim 1 or 2, wherein the reaction temperature of the pre-reactor is 60 to 140 ° C. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 반응증류탑의 반응온도는 60 ∼ 100 ℃인 것을 특징으로 하는 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법.The method for producing dimethyl carbonate and ethylene glycol using a pre-reactor according to claim 1 or 2, wherein the reaction temperature of the reaction distillation column is 60 to 100 ° C. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 사전 반응기는 연속회전 반응기 또는 유통 반응기인 것을 특징으로 하는 사전 반응기를 이용하여 디메틸카보네이트 및 에틸렌글리콜을 제조하는 방법.The method of claim 1 or 2, wherein the pre-reactor is a continuous rotary reactor or a flow reactor, the method for producing dimethyl carbonate and ethylene glycol using a pre-reactor.
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