KR20060043301A - 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 과제는, 1,3,5-트리옥산을 효율적으로 생산하여 부산물의 생성을 억제하는 것이고, 본 발명의 해결수단은, 반응기와 증류탑을 구비한 반응증류탑을 이용하여 1,3,5-트리옥산을 제조하는 방법에 있어서, 증류탑 탑저부의 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액으로부터 1,3,5-트리옥산을 회수하는 것이다. 또한, 본 발명은 회수방법이 공비증류이고, 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 반응증류탑으로 회수하는 것을 특징으로 하는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 회수한 후의 증류탑 탑저액을 반응기로 되돌려 보내는 것을 특징으로 하는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법을 제공한다.
Description
도 1은, 1,3,5-트리옥산을 제조함에 있어서, 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액으로부터 1,3,5-트리옥산을 회수하는 방법의 일례로서 취한 도면으로, 본 발명은 이 도면에 한정되는 것은 아니다.
〈부호의 설명〉
1 본 발명에 따른 공정(I)의 반응기
2 본 발명에 따른 공정(I)의 증류탑
3 본 발명에 따른 공정(II)의 증류탑
a 포름알데히드 용액의 공급 경로
b 반응기로부터 증류탑(2)으로의 공급 경로
c 증류탑(2) 탑저액의 증류탑(3)으로의 공급 경로
d 증류탑(3) 탑정 증기의 증류탑(2)으로의 공급 경로
e 증류탑(2) 탑정 유출액의 추출공정으로의 공급 경로
f 증류탑(2)의 환류 경로
g 증류탑(3) 탑저액의 반응기로의 공급 경로
본 발명은, 용제 및 의약품의 중간체, 및 아세탈 수지의 원료 등에 사용될 수 있는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법에 관한 것이다. 상세하게는 반응기와 증류탑을 구비한 반응증류탑의 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 회수하고, 증류탑으로 되돌려 보내는 것을 특징으로 하는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법에 관한 것이다.
종래, 1,3,5-트리옥산은 산성 촉매의 존재하에 포름알데히드의 고리화 반응에 의해 수득된다. 고리화 반응에 의해 수득된 1,3,5-트리옥산을 포함하는 증기는 반응기로부터 증류탑으로 이행한다. 증류탑 내부에서 비등된 1,3,5-트리옥산을 농축하여 일단 유출시키고, 이 1,3,5-트리옥산 수용액을 물에 난용 또는 불용인 유기용제로 추출한다. 혹은, 증류탑 내부에서 비등된 1,3,5-트리옥산 증기를 물에 난용 또는 불용인 유기용제로 추출한다. 두 경우의 추출액 모두 정류탑에서 1,3,5-트리옥산과 추출제로 분리정제되어, 순수한 1,3,5-트리옥산을 얻을 수 있다. 한편으로, 증류탑 탑저부에는 1,3,5-트리옥산을 포함한 용액이 존재하지만, 그 용액중의 1,3,5-트리옥산은 반응기로 되돌아온다. 예를 들면, 특허문헌 1의 경우, 1,3,5-트리옥산의 제조에서 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산 및 포름알데히드를 함유하는 용액은 반응기로 되돌려진다. 즉, 반응기에서 합성한 1,3,5-트리옥산의 일부가 반응기와 증류탑 사이를 순환하기 때문에, 1,3,5-트리옥산의 생산 효율이 나빠진다. 더 나아가, 1,3,5-트리옥산이 반응기로 되돌아오기 때문에, 반응액중의 포름알데히드 농도가 증대하고, 부반응인 카니차로(Cannizzaro) 반응이 진행하여 불순물인 포름산이나 메탄올이 생성되기 쉬워진다. 이들 포름산이나 메탄올이 존재하면, 특허문헌 2에 나타낸 바와 같이 1,3,5-트리옥산의 생산을 방해할 뿐만 아니라 원료원단위를 악화시킨다.
[특허문헌1] 일본국 특허공개 소57-200383호 공보(제 3∼5 페이지)
[특허문헌2] 일본국 특허공개 평08-119962호 공보(제 2 페이지)
본 발명은, 1,3,5-트리옥산을 효율적으로 제조하는 것을 과제로 한다.
본 발명자들은 상기 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 예의 검토한 결과 본 발명에 도달한 것이다.
즉, 본 발명은 반응기와 증류탑을 구비한 반응증류탑을 이용하여 1,3,5-트리옥산을 제조하는 방법에 있어서, 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액으로부터 1,3,5-트리옥산을 회수하는 것을 특징으로 하는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법이다. 더욱 상세하게는, 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액으로부터 1,3,5-트리옥산을 회수하여 증류탑으로 되돌려 보내는 것을 특징으로 하는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법이다.
본 발명의 효과는, 반응기와 증류탑을 구비한 반응증류탑을 이용하여 1,3,5-트리옥산을 제조하는 방법에 있어서, 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액으로부터 1,3,5-트리옥산을 회수함으로써, 1,3,5-트리옥산의 생산성 을 향상시킬 수 있고 부산물의 생성을 억제할 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명을 두 가지 공정으로 나누어 설명한다.
본 발명의 공정(I)에서는, 1,3,5-트리옥산의 원료가 되는 포름알데히드가 반응기에 공급되고, 여기서 산촉매의 존재하에 가열함으로써 1,3,5-트리옥산이 합성된다. 합성된 1,3,5-트리옥산은 증류탑으로 이행하고, 증류탑 탑정부에 모인 1,3,5-트리옥산을 포함하는 증기는 응축되며, 이 응축액은 환류되고, 일부는 유출액로서 나오게 된다. 유출액에 포함되는 1,3,5-트리옥산을 물에 난용 또는 불용인 용제로 추출한 후, 정류탑으로 옮겨 추출제와 분리하여 정제 1,3,5-트리옥산을 얻는다. 또는, 증류탑내에 물에 난용 또는 불용인 용제를 공급하고, 1,3,5-트리옥산을 추출증류로 분리한 후, 증류탑내로부터 사이드 컷 용액(side-cut liquid)으로서 뽑아 내고, 정류탑에서 추출제와 분리하여, 정제 1,3,5-트리옥산을 얻을 수도 있다.
반응기로부터 증류탑으로 이행한 1,3,5-트리옥산을 포함하는 증기는, 환류 액과 향류접촉하며, 증류탑을 비등하고, 증류탑 탑저액은 반응기로 되돌려보내지 않고, 본 발명에 따른 공정(II)의 증류탑으로 송액한다. 여기서, 취출한 1,3,5-트리옥산을 포함하는 증기는 다시 공정(I)의 증류탑 탑정 또는 상부로 되돌려 보내고, 증류탑 탑저액은 공정(I)의 반응기로 되돌려 보낸다. 한편, 증발시킨 1,3,5-트리옥산을 포함하는 증기는, 1,3,5-트리옥산이나 포름알데히드를 회수하는 공정에 공급하는 것도 가능하다.
본 발명의 공정(I)에서, 1,3,5-트리옥산을 합성하는 반응 원료인 포름알데히드로는, 포름알데히드 가스, 포름알데히드 수용액 및 파라포름알데히드 등을 들 수 있지만, 취급의 용이성 측면에서 포름알데히드 수용액을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 공정(I)에서, 1,3,5-트리옥산의 합성에 사용하는 산 촉매로는, 균일계 촉매가 적합하지만, 고체 산촉매도 사용할 수 있다. 촉매로는, 예를 들면 황산, 인산 등의 광물산, 설폰산, 포스폰산 및 트리플루오로아세트산과 같은 강한 유기산; 강산성 양이온 교환수지, 제올라이트(zeolite), 실리카·알루미나 및 활성 백토 등의 고체 산촉매; 인몰리브덴산이나 인텅스텐산과 같은 헤테로폴리산 등을 들 수 있다.
본 발명에 따른 공정 (I)의 1,3,5-트리옥산의 증류에서, 1,3,5-트리옥산의 추출에 사용되는 용제는, 염화메틸렌, 클로로포름, 사염화탄소, 염화에틸, 염화에틸렌, 염화에틸리덴, 트리클로로에틸렌 등의 할로겐화 지방족 탄화수소, 클로로벤젠, O-디클로로벤젠, O-클로로톨루엔, 염소화나프탈렌 등의 할로겐화 방향족 탄화수소, 벤젠, 톨루엔, 크실렌, 에틸벤젠 등의 방향족 탄화수소이며, 그중에서도 벤젠이 바람직하게 사용될 수 있다.
본 발명의 공정(I)에서 사용되는 반응증류탑으로는 통상적으로 공지된 증류탑이 사용된다. 예를 들면, 반응기와 증류탑이 따로따로 설치되어, 반응기로부터 취출되는 증기가 증류탑 탑저부로 파이프 등을 통해 공급되고, 증류탑 탑저액을 반 응기로 파이프 등을 통해 되돌려 보내는 형태의 반응증류탑을 사용할 수 있다.
반응증류탑의 가열 수단으로는 증기, 열매 및 전기 가열 등의 통상수단을 들 수 있다.
본 발명에 있어서 반응증류탑의 증류탑으로는 선반탑(棚段塔)이나 충전탑 등을 채용할 수 있다. 구체적으로는, 예를 들어 선반탑의 경우, 선반의 형식으로 서 버블 캡, 시브 트레이, 유니플럭스 트레이, 플렉시 트레이, 낫타 후로토 버블 트레이, 밸러스트 트레이(ballast tray), 캐스케이드 트레이(cascade tray), 벤투리 트레이(venturi tray), 깃텔 트레이, 리사이클링 트레이, 제트(Z) 트레이, 터보그리드(TurboGrid) 트레이, 리플 트레이, 듀얼플로우 트레이 및 배플 트레이 등의 선반탑을 들 수 있다.
또한, 충전탑 충전물로는 링(ring)형, 새들(saddle)형, 딕손링(Dikson ring), 맥마혼 패킹(Macmahon packing), 스프레이 팩(spray pack), 파나 팩(PANA pack), 굿드로이 패킹, 스테드만 패킹, 크로스스파이럴 패킹 등을 사용할 수 있다.
유출되는 1,3,5-트리옥산중의 미반응 포름알데히드 함유량을 감소시켜 1,3,5-트리옥산을 농축하기 위해서는 반응증류탑의 증류 단수가 많은 것이 바람직하다. 증류탑 탑정부에 응축기를 설치하여, 주로 1,3,5-트리옥산과 물로 이루어진 탑정의 증기를 부분 또는 모두 응축시킨다. 응축액의 일부를 환류하면서 운전하는데, 1,3,5-트리옥산 증류에 사용하는 반응증류탑의 압력은 상압하, 가압하, 감압하 어느 것이라도 좋다. 반응기는 그 압력하에서 1,3,5-트리옥산과 물을 공비 할 수 있는 온도 이상으로 조작한다.
유출액중의 1,3,5-트리옥산은 물에 난용 또는 불용인 유기용제로 추출되고, 정류탑에서 정제된다.
증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액은 종래 반응기로 되돌려졌다. 반응기로 되돌려진 1,3,5-트리옥산은 그 일부가 포름알데히드로 되어 반응기내 포름알데히드 농도가 증대한다. 포름알데히드 농도가 증대하면, 1,3,5-트리옥산 합성에서의 부반응인 카니차로 반응이 진행하기 쉬워져, 반응기내 포름산 및 메탄올 부산물의 양이 증대한다. 그 결과, 1,3,5-트리옥산의 합성에 지장이 생긴다.
본 발명에서는, 1,3,5-트리옥산을 함유하는 반응증류탑 탑저액으로부터 1,3,5-트리옥산을 회수함으로써, 최종적으로 반응기로 되돌아오는 1,3,5-트리옥산의 양을 감소시킬 수 있기 때문에, 반응기의 포름알데히드 농도를 낮출 수 있고, 카니차로 반응에 의한 부산물의 생성을 억제할 수 있다.
본 발명의 공정(II)에 있어서, 증류탑 탑저부에 존재하는 용액중의 1,3,5-트리옥산은 물과의 공비증류로 1,3,5-트리옥산을 회수한다. 특히, 플래쉬 증류를 사용하는 것이 바람직하다.
1,3,5-트리옥산의 회수에 사용하기 위한 증류탑의 압력은 상압하, 가압하, 감압하 어느 것이라도 좋다. 탑저부의 온도는, 그 압력하에서 1,3,5-트리옥산과 물을 공비할 수 있는 온도 이상으로 조작한다.
공정(II)의 증류에서 증발한 1,3,5-트리옥산 증기는 공정(I)의 증류탑으로 회수된다.
공정(I)의 증류탑 탑저액을 직접 반응기에 되돌리지 않고, 추가로 공정(II)로 증류함으로써, 공정(II)의 증류탑 탑저액중의 1,3,5-트리옥산의 양을 감소시킬 수 있다. 따라서, 공정(II)의 증류탑 탑저액을 반응기로 되돌림으로써, 반응기와 증류탑을 순환하는 1,3,5-트리옥산의 양을 감소시키는 것이 가능해진다. 그 결과, 반응기내의 포름알데히드 농도를 낮출 수 있기 때문에, 카니차로 반응을 억제할 수 있고, 따라서 포름산 및 메탄올의 생성량을 감소시킬 수 있다.
이어, 본 발명의 일례로서 도 1에 기초하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
반응증류탑은 본 발명에 따른 공정(I)의 반응기(1)과 증류탑(2)로 구성되어 있다. 공급로(a)로부터 1,3,5-트리옥산의 원료가 되는 포름알데히드 용액이 반응기(1)로 공급된다. 반응기(1)에서 합성된 1,3,5-트리옥산을 함유하는 증기는, 공급로(b)를 거쳐 증류탑(2)에 공급되고, 1,3,5-트리옥산은 증류탑 탑정으로부터 유출된다.
이어, 1,3,5-트리옥산을 함유하는 증류탑(2)의 탑저액은, 반응기(1)로는 직접 되돌아가지 않고, 공급로(c)를 거쳐 본 발명에 따른 공정(II)의 증류탑(3)에 공급된다. 본 발명에 따른 공정(II)의 증류탑(3)에 공급된 용액으로부터 플래쉬 증류에 의해 증발한 1,3,5-트리옥산은 공급로(d)를 거쳐 본 발명에 따른 공정(I)의 증류탑(2)의 탑정 또는 상부로 되돌려진다.
증류탑(2)의 탑정부에서, 1,3,5-트리옥산 및 물을 주성분으로 하는 증기는 응축되어 경로(f)를 따라 환류된다. 일부 응축액은 공급로(e)를 거쳐 1,3,5-트리옥산 추출 공정으로 공급되어 1,3,5-트리옥산을 함유하는 추출액을 얻는다.
증류탑(2) 탑저액에 비해 1,3,5-트리옥산 농도가 저하된, 본 발명에 따른 공정(II)의 증류탑(3) 탑저액은 공급로(g)로부터 반응기(1)로 되돌려진다.
이러한 공정들을 거침으로써, 종래의 방법에 비해 메탄올, 포름산 등의 부산물의 생성을 억제하면서 1,3,5-트리옥산을 효율적으로 수득할 수 있다. 즉, 반응기(1)로 되돌려지는 1,3,5-트리옥산의 양이 감소함으로써 반응기(1)내의 포름알데히드 농도를 낮출 수 있고, 따라서 반응기(1)내에서 카니차로 반응이 일어나기 어려워져 포름산 및 메탄올 생성량이 감소한다.
실시예
이어, 실시예 및 비교예에 의해 본 발명을 설명한다. 본 발명은 이들 실시 예로 한정되지 않으며, 발명의 요지 범위내에서 적절히 변경하여 실시할 수 있다.
실시예 1
도 1의 장치를 사용하여, 반응기(1)에 포름알데히드 농도가 65.0%인 수용액을 800 ㎝3/h로 공급하고, 반응액중에서 황산농도가 2.0%이 되도록 하였다. 스팀 4.0 ㎏/h로 가열하여 본 발명에 따른 공정(I)의 증류탑(2)(선반탑: 탑지름 30 mm, 20 단, 시브 트레이가 설치된 오르다쇼)에 증기를 공급하였다.
반응액을 가열하였더니 생성된 1,3,5-트리옥산이 반응액으로부터 증발하였다. 합성된 1,3,5-트리옥산을 포함하는 증기는 본 발명에 따른 공정(I)의 증류탑(2)으로 이행하였다. 1,3,5-트리옥산 함유 증기는 탑정에서 응축되고, 증류탑 탑정으로 공급로(f)를 따라 환류되며, 반응기(1)의 액면이 일정해지도록, 일부는 경로(e)로부터 계외로 취출하였다. 본 발명에 따른 공정(I)의 증류탑(2) 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액을 직접 반응기(1)로 되돌려 보내지 않고, 본 발명에 따른 공정(II)의 증류탑(3)에 공급하였다. 본 발명에 따른 공정(I)의 증류탑(2) 탑저부의 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액을 스팀 0.1 ㎏/h로 가열하여 본 발명에 따른 공정(II)의 증류탑(3)에 공급하였다. 가열하였더니, 본 발명에 따른 공정(II)의 증류탑(3)내 용액중 일부인 1,3,5,트리옥산이 물과 공비하였다. 발생한 증기는 본 발명에 따른 공정(I)의 증류탑(2) 탑정부로 되돌려 보냈다. 운전개시로부터 20 시간 경과후의 결과는 다음과 같았다. 경로(e)로부터 취출된 유출액의 유량은 800 ㎝3/h이었고, 1,3,5-트리옥산: 24.0 %, 메탄올: 0.6 %, 포름산: 0.4 %이었다. 이때 반응기(1)의 포름알데히드 농도는 53.0 %이었다.
비교예 1
실시예 1과 동일한 반응기(1) 및 증류탑(2)을 사용하였다. 단, 증류탑(2) 탑저액을 전량 반응기(1)로 되돌려 보냈다. 반응기(1)에 공급하는 원료액의 조성 및 그 유량, 촉매에 사용하는 황산은 실시예 1과 동일하게 하였다. 가열을 위한 스팀량은 실시예 1과 동일하도록 4.1 ㎏/h로 하였다. 운전개시로부터 20 시간 경과후, 경로(e)로부터 취출된 유출액의 유량은 800 ㎝3/h이었고, 1,3,5-트리옥산: 23.5 %, 메탄올: 0.7 %, 포름산: 0.5 %이었다. 이때 반응기(1)의 포름알데히드 농도는 54.5 %이었다.
비교예 1과 비교한 바, 실시예 1에서는 1,3,5-트리옥산의 1 패스 생성율이 2% 향상하였고 부반응을 16% 억제할 수 있어, 본 발명에 의한 반응 효율의 개선 및 부반응의 억제 효과가 크다는 것을 확인할 수 있었다.
본 발명에 의해 1,3,5-트리옥산을 효율적으로 합성할 수 있으며, 카니차로 반응에 의한 부산물의 생성을 억제하는 것이 가능해진다.
Claims (4)
- 반응기와 증류탑을 구비한 반응 증류탑을 이용하여 1,3,5-트리옥산을 제조하는 방법에 있어서, 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액으로부터 1,3,5-트리옥산을 회수하는 것을 특징으로 하는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법.
- 제 1 항에 있어서, 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 공비증류에 의해 회수하는 것을 특징으로 하는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 반응증류탑으로 회수하는 것을 특징으로 하는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법.
- 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 반응기와 증류탑을 구비한 반응 증류탑을 이용하여 1,3,5-트리옥산을 제조하는 방법에 있어서, 증류탑 탑저부에 존재하는 1,3,5-트리옥산을 포함하는 용액으로부터 1,3,5-트리옥산을 반응증류탑으로 회수하는 것을 특징으로 하는 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법.
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