KR20060122448A - 테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법 - Google Patents

Abstract

개시된 테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법은, 반응기에서 파라자일렌, 금속 촉매 및 용매인 초산을 공기 중에서 산화시킴으로써 생성되는 테레프탈산 제조공정시 발생하는 물과 초산을 포함하는 부산물로부터 공비제를 사용하여 공비증류를 통해 초산을 회수시키는 공비증류탑과, 이 공비증류탑의 상부로 배출되는 기상의 유기물질과 물을 응축시키는 응축기와, 이 응축기를 거쳐 액화된 유기물질과 물을 분리하는 분리드럼을 구비하는 장치로부터, 공비증류탑의 하부로 배출되는 초산의 온도를 냉각시키는 열교환기를 구비하고, 이 열교환기 튜브 사이드로 공비증류탑의 하부로 배출되는 고온의 초산을 유입하며 열교환기 쉘 사이드로 분리드럼에서 분리된 저온의 유기물질을 유입시켜 유기물질을 예열한 후 공비증류탑으로 환류시키는 것을 특징으로 한다. 이와 같이 분리드럼에서 분리된 유기물질을 예열시켜 공비증류탑으로 환류시키면, 공비 증류탑에 공급되는 스팀의 양을 줄일 수 있고 공비증류탑 내부가 안정되도록 기여할 수 있는 장점이 있다.

테레프탈산, 유기물질, 환류, 예열, 열교환기

Description

테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법{Reflux method of the organic materials in the manufacturing of terephtalic acid}

도 1은 종래 통상적 증류를 이용한 초산의 회수 방법을 나타낸 공정도,

도 2는 종래 공비제를 사용하여 공비증류를 통한 초산의 회수 방법을 나타낸 공정도,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법을 나타낸 공정도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100... 공비증류탑 110... 응축기

120... 분리드럼 130... 히터

140... 열교환기 L1~L8... 도관

본 발명은 테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 파라 자일렌(para-Xylene)의 산화반응시 발생하는 부산물 중에서 공비제(azeotropic agent)를 사용하여 분리된 유기물질을 환류시키는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 테레프탈산(Terephtalic acid) 제조공정은 파라 자일렌을 코발트, 망간 및 브롬 촉매하에서 산화시키는 산화공정과 불순물을 제거하는 정제공정으로 구성되어 있다.

산화공정에서 생산된 테레프탈산은 불순물이 많아 제품으로서 가치가 떨어지기 때문에, 정제공정에서 테레프탈산에 포함되어 있는 불순물을 환원반응을 통해 재거해 주어 순수한 테레프탈산(Purified Terephtalic Acid; PTA)를 얻게 된다.

산화공정에서 생산되는 테레프탈산은 용매로서 초산의 존재하에, 파라 자일렌을 금속 촉매와 반응시켜 얻게 된다.

파라 자일렌과 금속 촉매의 반응시 물과 메틸아세테이트(Methylacetate) 등이 부산물로서 생성되는데, 용매인 초산의 원가는 테레프탈산 제조원가에 중요한 비중을 차지하므로 이들 부산물에서 초산을 효율적으로 분리하는 기술에 대해 많은 연구개발이 진행되고 있다.

일반적으로 초산을 물에서 분리 회수하는 방법으로는, 통상적 증류(Conventional Distillation), 공비 증류(Azeotropic Distillation), 화학 처리 및 흡착의 방법 등이 있으나, 경제적인 이유로 증류를 이용한 초산의 분리 회수 방법이 보편적으로 사용되고 있다.

도 1은 종래 통상적 증류를 이용한 초산의 회수 방법을 나타낸 공정도이다.

도면을 참조하면, 종래 통상적 증류를 이용한 초산을 회수하기 위한 장치는 초산과 물을 증류를 통하여 분리하기 위한 분리탑(1)과 분리탑(1)의 상부로 배출되 는 가스를 응축시키는 응축기(2)와 응축기(2)를 거친 액상의 물과 초산을 분리 시키는 집수조(3)와 분리탑(1)에 스팀(Steam)을 공급하기 위한 히터(4)로 구성되어 있다. 분리탑에 유입되는 도관(L1)에는 테레프탈산 제조공정의 반응기를 거친 부산물로서 물과 초산이 유입되고 있다.

초산의 끓는점은 118℃이며 물의 끓는점은 100℃이기 때문에 액과 증기의 조성의 차가 적기 때문에, 공비제를 투입하지 않고 초산을 회수하기 위해서는 분리탑(1)의 트레이 단수를 증가시켜야 하며, 환류비(Reflux ratio)를 3~6 정도로 높게 유지 시켜야 하는 문제점이 있다.

또한, 이와 같이 높은 환류비 때문에 에너지는 물 1 톤을 증발시키는데 필요한 에너지의 4~7배 가량 더 필요하게 된다.

게다가, 통상적인 증류에서는 이와 같이 많은 에너지를 소모하면서도 폐수로 배출되는 도관(L2)에 0.5~0.8 wt%의 초산이 함유되며, 분리탑(1)의 하부로 배출되는 도관(L3)에도 5~10 wt%의 물이 함유되어 있다.

한편, 분리탑에 소모되는 에너지를 줄이며, 물속에 함유되어 있는 초산을 최대한 회수하기 위하여 공비제를 사용하여 공비증류를 통한 초산의 회수방법이 알려져 있다.

도 2는 종래 공비제를 사용하여 공비증류를 통한 초산의 회수 방법을 나타낸 공정도이다.

도면을 참조하면, 종래 공비제를 사용하여 공비증류를 통한 초산을 회수하기 위한 장치는 초산과 물을 공비증류를 통하여 분리하기 위한 증류탑(10)과 이 증 류탑(10)의 상부로 배출되는 가스를 응축시키는 응축기(20)와 응축기(20)를 거친 액상의 유기물질과 물을 분리시키는 유수분리조(30)와 증류탑(10)에 스팀(Steam)을 공급하기 위한 히터(40) 및 상기 증류탑의 하부로 배출된 초산의 온도를 냉각시켜주는 열교환기(50)로 구성되어 있다.

이와 같은 종래 기술에서는 공비제를 물과 초산의 혼합물에 투입하여, 물과 공비제의 공비혼합물을 형성하여 물의 끓는 온도보다 낮은 온도에서 공비혼합물이 끓는 원리를 이용하여 증류탑(10)에 소요되는 에너지를 줄일 수 있는 장점이 있다. 종래 기술에서 언급되고 있는 공비제로는 이소부틸아세테이트(iso-butyl-acetate), n-부틸아세테이트(n-butyl-acetate) 등이 있다.

그러나 종래 공비제를 사용하여 초산을 회수하는 방법에 있어서, 유수분리조(30)에서 분리된 약 40℃~60℃의 유기물질이 증류탑 상부로 바로 환류되기 때문에 증류탑(10)에 사용되는 스팀의 사용량이 증가하게 되고, 저온의 유기물질이 증류탑(10) 상부로 유입됨에 따라 증류탑(10) 내부가 불안정하게 되는 문제점이 발생하게 된다.

또한, 공비증류탑 하부로 배출되는 약 120℃~130℃의 초산은 열교환기(50)를 통과하여 냉각되는데, 이때 고온의 초산을 냉각시키기 위해 과다한 냉각수의 사용이 필요로 하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 증류탑 내부에 사용되는 스팀의 사용량을 최소화시키고, 증류탑 내부의 안정을 도모할 수 있 고, 열교환 매체로서의 냉각수의 사용을 줄일 수 있는 테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명에 따른 테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법은, 반응기에서 파라자일렌, 금속 촉매 및 용매인 초산을 공기 중에서 산화시킴으로써 생성되는 테레프탈산 제조공정시 발생하는 물과 초산을 포함하는 부산물로부터 공비제를 사용하여 공비증류를 통해 초산을 회수시키는 공비증류탑과, 상기 공비증류탑의 상부로 배출되는 기상의 유기물질과 물을 응축시키는 응축기와, 상기응축기를 거쳐 액화된 유기물질과 물을 분리하는 분리드럼을 구비하는 장치로부터, 상기 공비증류탑의 하부로 배출되는 초산의 온도를 냉각시키는 열교환기를 구비하고, 상기 열교환기 튜브 사이드(tube side)로 상기 공비증류탑의 하부로 배출되는 고온의 초산을 유입하며 상기 열교환기 쉘 사이드(shell side)로 상기 분리드럼에서 분리된 저온의 유기물질을 유입시켜 유기물질을 예열한 후 상기 공비증류탑으로 환류시키는 것을 특징으로 한다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법을 나타낸 공정도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 테레프탈산 제조공정시 초산을 회수하는 장치는 테레프탈산 제조공정시 발생하는 물과 초산을 포함한 부산물로부터 공비제를 사용하여 공비증류를 통해 초산을 회수시키는 공비증류탑(100)과, 상기 공비증류탑(100)의 상부로 배출되는 기상의 유기물질과 물을 응축시키는 응축기(110)와, 상기 응축기(110)를 거친 액상의 유기물질과 물을 분리하는 분리드럼(120)과, 상기 공비증류탑(100)에 스팀을 공급하여 주는 히터(130) 및 상기 공비증류탑(100)의 하부로 배출되는 초산의 온도를 냉각시키는 열교환기(140)를 구비한다.

여기서, 상기 열교환기(140) 튜브 사이드(미도시)로 상기 공비증류탑(100)의 하부로 배출되는 고온의 초산을 유입하며 상기 열교환기(140) 쉘 사이드(미도시)로 상기 분리드럼(120)에서 분리된 저온의 유기물질을 유입시켜 유기물질을 예열한 후 상기 공비증류탑(100)으로 환류시킨다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 유기물질의 환류 방법을 상세히 설명하도 록 한다.

반응기에서 배출된 물과 초산을 포함한 부산물이 도관(L1)을 통하여 공비증류탑(10) 내부로 유입되며, 물은 또 다른 도관(L2)을 통해 유입된 공비제인 이소부틸아세테이트와 공비혼합물을 형성하게 된다.

여기서, 본 발명에 있어서 공비제의 일 예로서는 이소부틸아세테이트가 사용되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 부산물에는 메틸아세테이트와 미반응된 파라 자일렌 등이 소량 포함될 수 있다.

상기 공비증류탑(100)의 상부로 증기로 배출되어지는 도관(L3)에는 물과 유기물질이 배출되어 지고, 공비증류탑(100)의 하부로 배출되어지는 도관(L7)에는 초산과 소량의 물이 배출되어 반응기(미도시)로 회수되어 진다.

여기서, 상기 유기물질에는 공비제인 이소부틸아세테이트, 소량의 메틸아세테이트, 미반응의 파라 자일렌이 포함될 수 있다.

그리고 상기 공비증류탑(100)의 상부로 증발한 물과 유기물질은 응축기(110)를 통과하여 응축된 후에 분리드럼(12)에서 비중차이에 의해 분리되어 물은 도관(L4)을 통해 폐수 처리되고, 유기물질은 도관(L6)을 통해 공비증류탑(10)으로 환류된다.

다음으로, 상기 분리드럼(120)에서 분리된 유기물질은 열교환기(140)의 쉘 사이드를 통과한 후에 예열되어 상기 공비증류탑(100)으로 환류된다.

상기 공비증류탑(100)의 하부로 배출되는 고온의 초산은 상기 열교환기(140) 의 튜브 사이드를 통과한 후에 냉각되어 반응기로 회수된다.

상기 분리드럼(120)에서 분리된 유기물질은 약 40℃~60℃의 저온이므로, 저온인 상태로 상기 공비증류탑(100)에 직접 유입되면 상기 공비증류탑(100)에 스팀을 공급해 주는 히터(130)의 부하가 늘어나게 되고, 상기 공비증류탑(100) 내부에 온도편차로 인한 시스템의 불안정을 야기할 수 있게 된다.

또한, 상기 공비증류탑(100)의 하부로 배출되는 도관(L7)에는 약 120℃~130℃의 고온의 초산이 유입되며 이러한 고온의 초산은 반응기로 직접 회수하지 못하기 때문에, 별도의 냉각수를 공급하여 고온의 초산을 냉각시켜야만 하는 문제점이 있다.

그러나 상기 열교환기(140)에서 냉각수를 냉각매체로 사용하지 않고, 상기 분리드럼(120)에서 분리되는 환류 도관(L5)으로 유입되는 약 40℃~60℃의 저온의 유기물질을 냉각매체로 사용하여 고온의 초산과 열교환시키면, 저온의 유기물질이 열교환된 후에 공비증류탑(100)의 상부로 환류되는 도관(L6)에는 약 60℃~80℃의 예열된 유기물질이 유입되며, 상기 공비증류탑(100)의 하부 도관(L7)으로 배출되는 120℃~130℃의 고온의 초산은 저온의 유기물질과 열교환된 후에 약 80℃~100℃로 냉각되어 반응기로 회수되어 지게 된다(L8).

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법은 다음과 같은 효과를 제공한다.

첫째, 공비증류탑으로 환류되는 유기물질을 예열시킴으로써 증류탑 내부에 사용되는 스팀의 사용량을 최소화시키고, 증류탑 내부의 안정을 도모할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 고온의 초산을 냉각시키는 열교환 매체로서의 냉각수의 사용을 줄일 수 있어 에너지를 절약하는 장점이 있다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (1)

1. 반응기에서 파라자일렌, 금속 촉매 및 용매인 초산을 공기 중에서 산화시킴으로써 생성되는 테레프탈산 제조공정시 발생하는 물과 초산을 포함하는 부산물로부터 공비제를 사용하여 공비증류를 통해 초산을 회수시키는 공비증류탑과, 상기 공비증류탑의 상부로 배출되는 기상의 유기물질과 물을 응축시키는 응축기와, 상기응축기를 거쳐 액화된 유기물질과 물을 분리하는 분리드럼을 구비하는 장치로부터 유기물질을 환류하는 방법에 있어서,

   상기 공비증류탑의 하부로 배출되는 초산의 온도를 냉각시키는 열교환기를 구비하고, 상기 열교환기 튜브 사이드로 상기 공비증류탑의 하부로 배출되는 고온의 초산을 유입하며 상기 열교환기 쉘 사이드로 상기 분리드럼에서 분리된 저온의 유기물질을 유입시켜 유기물질을 예열한 후 상기 탈수탑으로 환류시키는 것을 특징으로 하는,

   테레프탈산 제조공정시 유기물질의 환류 방법.

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