KR20070093139A - 통합적 제조 및 분리 방법 - Google Patents

통합적 제조 및 분리 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20070093139A
KR20070093139A KR1020077017276A KR20077017276A KR20070093139A KR 20070093139 A KR20070093139 A KR 20070093139A KR 1020077017276 A KR1020077017276 A KR 1020077017276A KR 20077017276 A KR20077017276 A KR 20077017276A KR 20070093139 A KR20070093139 A KR 20070093139A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
stream
component
separation
mixture
contaminants
Prior art date
Application number
KR1020077017276A
Other languages
English (en)
Inventor
안드레 바위스
제릿 얀 함센
도미니커스 프레데리커스 멀더
안톤 피에터 웨스터링크
Original Assignee
셀 인터나쵸나아레 레사아치 마아츠샤피 비이부이
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 셀 인터나쵸나아레 레사아치 마아츠샤피 비이부이 filed Critical 셀 인터나쵸나아레 레사아치 마아츠샤피 비이부이
Publication of KR20070093139A publication Critical patent/KR20070093139A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/229—Integrated processes (Diffusion and at least one other process, e.g. adsorption, absorption)
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/92—Chemical or biological purification of waste gases of engine exhaust gases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00—Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/144—Purification; Separation; Use of additives using membranes, e.g. selective permeation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07D—HETEROCYCLIC COMPOUNDS
    • C07D301/00—Preparation of oxiranes
    • C07D301/32—Separation; Purification

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Epoxy Compounds (AREA)

Abstract

본 발명은 부산물이 생성되는 제조 공정 및 다공성 격막을 통한 제 1 성분의 스위핑 성분 스트림으로의 확산에 의해 성분 혼합물로부터 제 1 성분의 분리가 이루어지는 기체 분리 공정을 포함하며, 이때 상기 제조 공정에서 생성된 부산물은 이후 분리 공정에서 스위핑 성분으로 사용되는 것을 특징으로 하는 통합적 제조 및 분리 방법 및 이 방법에 사용하기 위한 산업용 설비에 관한 것이다.
다공성 격막, 스위핑 성분, 스트림, 부산물, 챔버, 유입구, 유출구, 흡착, 멤브레인, 격실

Description

통합적 제조 및 분리 방법{INTEGRATED PREPARATION AND SEPARATION PROCESS}
기술 분야
본 발명은 통합적 분리 및 제조 방법에 관한 것이다.
발명의 배경
화학 업계에서는 기체 혼합물로부터 2종 이상의 성분들을 분리하는데 여러 분리 기술들을 이용하고 있다. 이러한 분리 기술들중 여러 사례들이 당해 기술 분야에 공지되어 있으며, 예를 들면 1999년 John Wiley & Sons, inc. 사에서 출판된 W. Seider et al. 의 저서 "Process Design Principles" 제 5.7 장에서도 발견할 수 있다.
가장 일반적으로 사용되는 기술로는 증류 기술이 있다. 그러나, 이러한 증류기술의 단점은 혼합물로부터 목적 화합물들을 분리해내는데 많은 에너지가 소모된다는 것이다.
이밖에 이용 가능한 다른 기술로는 기체 투과에 의한 멤브레인 분리 기술이 있다. 이 기술에서는, 기체 혼합물을 고압으로 압축하고, 무공질(non-porous)의 멤브레인과 접촉시킨다. 투과물은 멤브레인을 통과하고 저압에서 배출되는 반면, 체류물은 멤브레인을 통과하지 못하고 고압의 공급물에서 유지된다. 이러한 멤브레인 분리법에 대한 사례들은 US-A-5,435,836 및 US-A-6,395,243 에 기술되어 있다. 멤브레인을 통한 기체 분리법을 포함한 상기한 방법들에서는, 멤브레인 통과를 위해 기체 분자들이 멤브레인과 상호작용할 필요가 있다. 그러나 이를 위해서는 멤브레인을 사이에 두고 멤브레인의 체류물편과 투과물편 간에 높은 압력차의 적용이 필요하다. 압력차에 대한 요구 때문에, 상기한 멤브레인 기술은 다량의 스위핑 물질과 고 선택성 멤브레인을 사용하는 경우에 있어서도 압력차 유지를 위해 진공 또는 압력 펌프와 같은 상당량의 에너지와 고가의 장비를 필요로 한다.
1924년의 US-A-1,496,757 에는 확산 격막(partition)을 통한 기체들의 확산, 스위핑 물질에 의한 상기 격막으로부터의 확산 기체 제거 및 확산 기체로부터 스위핑 물질의 제거 단계들을 포함하는 기체 분리 방법이 개시되어 있다. 상기한 방법은 반복된 분별 확산을 원리로 한다. 이 방법은 어떠한 압력차도 전혀 또는 거의 존재하지 않으며, 반면에 하나의 챔버에 지속적으로 첨가되어 다공성 격막 층을 통해 역류 방향으로 확산되는 스위핑용 기체 성분을 사용한 분별 확산에 의해 물질 이동이 제어된다는 점에서 전술한 멤브레인 관련 분리 방법과는 상이하다. 이 방법에는 고가의 선택 투과성 멤브레인의 사용이 필요치 않다.
최근, M.Geboers의 논문 ["FricDiff: A novel concept for the separation of azeotropic mixtures", OSPT Process Technology, PhD projects in miniposter form, published by the National Research School in Process Technology OSPT(2003) page 139] 에는 CO2를 사용한 상호확산에 의해 2-프로판올(IPA)과 물의 공비 증기 혼합물을 분리하는 방법이 개시되어 있다. 후속 단계로, 응축에 의한 2-프로판올과 CO2의 분리가 진행된다.
상기한 방법의 단점은 CO2 스트림으로부터의 생성물 분리 과정과 산업적 규모의 적용시, 스위핑용 기체 스트림의 다량 회수 과정이 필요하다는 것이다.
이에, 전술한 확산-기반 분리 방법의 이용은 제조 과정과의 통합에 의해 개선될 수 있다. 그러므로 본 발명은 통합적 분리 및 제조 방법을 제공하기 위한 것이다.
발명의 개요
따라서, 본 발명은 부산물 생성이 이루어지는 제조 공정; 및 제 1 성분의 다공성 격막을 통한 스위핑 성분 스트림으로의 확산에 의해 성분 혼합물로부터 제 1 성분의 분리가 이루어지는 기체 분리 공정을 포함하는, 통합적 제조 및 분리 방법을 제공하는 것으로, 이 때 제조 공정에서 생성된 부산물은 이후 상기 분리 공정에서 스위핑 성분으로 사용된다.
후속 분리 공정에서 스위핑 성분으로 상기 제조 공정의 부산물을 사용함으로써, 보다 효과적인 부산물 사용이 이루어진다는 점에 통합적 분리 및 제조 방법의 이점이 있다. 제조 공정에서 생성된 부산물이 스위핑 성분으로 사용되므로,"별도의"스위핑 성분이 필요치 않을 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 제 1 성분의 분리가 이루어지는 성분 혼합물이 공비 혼합물인 경우, 상기한 공비 혼합물의 분리를 위한 통상적인 증류 기술이 고 비용 을 요한다는 관점에서 볼 때 특히 유리하다.
본 발명은 또한 상기 방법을 수행하기 위한 산업적 설비(set-up)를 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 개략적인 분리 유닛을 도시한 도면.
도 2는 비교 실시예 1의 배치를 나타내는 개략적 도면.
도 3은 실시예 2의 배치를 나타내는 개략적 도면.
본 발명에서, 통합적 분리 및 제조 방법은 분리 공정에 관련된 1종 이상의 성분들이 또한 제조 공정에 관련된 성분인 방법을 의미한다. 본 발명의 방법에서는, 분리 공정시 스위핑 성분으로 사용된 성분이 제조 공정시 공급물 성분으로 사용된다.
기체 분리 공정이란 상기 분리 공정 중에, 제 1 성분, 성분 혼합물 및 스위핑 성분중 적어도 일부가 분리 공정시 기체 상태에 있음을 의미한다. 상기 제 1 성분, 성분 혼합물 및 스위핑 성분의 적어도 50 wt%가 기체 상태인 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 적어도 80 wt% 그리고 더욱 더 바람직하게는 90-100 wt% 범위가 기체 상태인 것이다. 분리 공정중 모든 성분들이 완전히 기체 상태인 것이 가장 바람직하다. 보통 상온(25℃) 및 상압(1 bar) 하에서 액체 상태인 성분은 다공성 격막을 통한 확산 이전에 예를 들면 승온이나 감압에 의해 기체 상태로 기화될 수 있다. 그러므로, 기체 분리 공정중 확산은 기체 확산이 바람직하다.
분리 공정중 제 1 성분의 다공성 격막을 통한 확산은 소위 분별 확산의 원리에 의거한 것으로 인식되지만, 어떠한 특정 이론에 의해 구속되지는 않는다. 이러한 분별 확산은 1종 이상의 다른 성분 대비, 한 성분의 확산 속도에서의 차이에 기인한 것으로 인식된다. US-A-1,496,757 에도 기술되어 있는 바와 같이, 확산 속도가 상대적으로 빠른 성분이 확산 속도가 느린 성분에 비해 다공성 격막을 보다 신속하게 통과하게 된다. 신속하게 통과한 성분이 스위핑 성분 스트림에 의해 제거될 수 있으며, 그 결과 나머지 성분들로부터 신속한 제 1 성분의 분리가 이루어진다. 상기에서, 신속한 성분은 저속 성분 대비, 스위핑 성분과 함께 보다 높은 이종(binary) 확산 계수를 가진 성분을 의미한다.
스위핑 성분은 다공성 격막을 통해 확산된 제 1 성분을 스위핑할 수 있는 성분을 의미한다. 당해 기술분야의 전문가에게 상기한 목적에 적합한 것으로 공지된 성분이라면 어떠한 것도 가능하다. 분리 공정이 수행되는 온도와 압력에서 적어도 부분적으로 기체상인 성분을 사용하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 분리 공정이 수행되는 온도와 압력에서 거의 기체상인 스위핑 성분을 사용하는 것이고, 더욱 더 바람직한 것은 완전히 기체상인 것을 사용하는 것이다. 실제로는, 본 발명의 수행시 대기압(1 bar)에서 -200 내지 500℃ 범위의 비점을 가진 스위핑 성분을 사용하는 것이 바람직하다. 대기압(1 bar)에서 -200 내지 200℃ 범위의 비점을 가진 스위핑 성분을 사용하는 것이 더욱 바람직하다. 스위핑 성분으로 사용 가능한 성분의 일례로는 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 물, 산소, 산화물류, 질소-함유 화합물류, 알칸류, 알켄류, 알칸올류, 방향족류, 케톤류가 포함된다.
혼합물과 스위핑 성분은 다공성 격막에 의해 분리되고, 이 격막을 통해 제 1 성분이 혼합물로부터 스위핑 성분 스트림으로 확산된다.
다공성 격막은 당해 기술분야의 전문가에게, 반응물과 접촉하도록 하는 공정에 사용하기 적합한 것으로 공지된 어떠한 다공성 물질로도 만들어질 수 있다. 다공성 격막은 확산에 의한 분리가 가능하다면, 흡착이나 흡착 효과와 같이 성분 분리에 도움을 주는 다공성 물질로 만들어질 수 있다.
M Stanoevic의 문헌 [Review of membrane contactors designs and applications of different modules in industry, FME Transactions(2003) 31, 91-98]에 따르면, 두개의 물질 사이에 설치된 멤브레인이 멤브레인 공정시 상기 두 물질간의 이동을 제어할 수 있는 능력을 가지고 있다. 이러한 멤브레인과 달리, 본 발명에 따른 다공성 격막 층은 두 물질 사이에 설치되기는 하지만 관련 종들중 특정한 것의 물질 이동을 제어할 수 있는 능력을 원칙적으로 가지고 있지 않다. 그러므로 이는 공극들을 제공하는 것 이외에, 본질적으로 피분리 종들과 상호작용하는 기능은 없으며, 멤브레인 분리와는 달리, 단지 두 물질간의 혼합을 막는 역할을 할 뿐이다.
따라서, 본 발명의 다공성 격막은 본질적으로는 선택 투과성 멤브레인이 아니다. 멤브레인은 일부 화합물들은 통과시키는 반면에, 다른 화합물들의 통과는 효과적으로 방해하는 격벽(barrier)으로서, 그 통과 여부가 화합물들의 크기나 특성에 의해 결정되는 반투성 격벽이다. 기체 분리 기술에서 사용되는 멤브레인의 일례로는 US-A-5843,209 에 개시된 것들이 있다. 멤브레인들은 상태간 또는 환경간의 물질 수송을 선택적으로 제어한다.
상기한 멤브레인과 달리, 다공성 격막은 상대적인 확산 속도가 다르기는 하지만 모든 성분들이 유동가능한 격벽이다. 다공성 격막에서는, 하나의 챔버에 지속적으로 첨가되고, 다른 챔버를 이탈하여 다공성 격막 층을 통해 역류 방향으로 확산되는 스위핑용 기체 성분을 사용한 분별 확산에 의해 물질 이동이 제어되는 것으로 인식되지만, 어떠한 특정 이론에 의해 구속되지는 않는다.
다공성 격막에 사용되는 물질로는 분리 공정에 사용된 성분에 대해 본질적으로 불활성 또는 불활성인 것이 바람직하다. 실제로, 본 발명은 다공성 격막용 재료로서 여과포, 금속, 플라스틱, 종이, 모래층, 제올라이트, 포옴(foam) 또는 이들의 조합을 사용하여 수행될 수 있다. 그 일례로 망상전신 금속판(expanded metals), 예를 들면 망상전신 스테인레스 스틸, 망상전신 구리, 망상전신 철; 제직 금속류, 예를 들면 제직 구리, 제직 스테인레스 스틸; 면, 울, 린넨; 다공성 플라스틱류, 예를 들면 다공성 PP, PE 또는 PS가 포함된다. 바람직한 구현예에서는, 제직 또는 망상전신 스테인레스 스틸로부터 제조된 다공성 격막이 사용된다.
다공성 격막 층을 통과하는 대류적 유동 용적(m3/s)(층류 또는 푸아이즈유(Poiseuille) 흐름으로 가정할 때)은 하기 수학식 (I)에 의해 정해진다.
수학식 (I)
Figure 112007054512671-PCT00001
상기 식에서, ε은 공극률(공극들이 차지하는 표면적의 비율)을 나타내고, dp 는 공극의 직경을 나타내며, δ는 다공성 층의 두께를 나타내고, ΔP는 다공성 층 통과시 압력 하락분 뿐만 아니라 기체의 물성(점도 및 밀도)을 나타낸다.
바람직한 다공성 물질은 활용가능한 표면적을 최대로 갖도록 하는 고 공극률(ε)을 가지는 것이다. 바람직한 다공성 층은 0.5 이상, 바람직하게는 0.9 이상, 더욱 바람직하게는 0.93 이상의 공극률을 가진다.
다공성 층의 두께는 가능한 얇은 것이 바람직하다. 확산 속도는 다공성 층의 두께에 반비례하고, 따라서 다공성 층의 필요 표면적은 두께에 비례하는 것으로 인식되지만, 특정 이론에 구속되는 것은 아니다.
다공성 격막의 두께는 광범위하게 변할 수 있으며, 예를 들면 1 미터 이상의 두께를 가진 격막부터 1 나노미터 이상의 두께를 가진 격막에 이르기까지 다양하게 할 수 있다. 실제로, 본 발명은 바람직하게는 0.0001 내지 1,000 mm 범위, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 100 mm 범위 및 더욱 더 바람직하게는 0.1 내지 10 mm 범위의 두께를 가지는 다공성 격막을 사용하여 수행될 수 있다. 바람직한 다공성 층은 0.5 내지 1.5 mm 범위, 바람직하게는 0.8 내지 1.2 mm 범위 및 더욱 바람직하게는 0.9 내지 1.1 mm 범위의 두께를 가진다.
다공성 격막에 사용된 공극들의 양, 크기 및 형상은 광범위하게 변할 수 있다. 다공성 격막에 사용된 공극의 형상은 당해 기술분야의 전문가에게 상기한 목적에 적합한 것으로 공지된 형상이라면 어떠한 것도 가능하다. 예를 들어 공극들은 슬릿형, 정방형, 타원형 또는 원형과 같은 형상의 단면을 가질 수 있다. 또는, 단면의 형상은 불규칙할 수 있다. 실제로, 본 발명은 원형의 단면을 가진 공극들을 사용하여 수행하는 것이 바람직할 수 있다. 공극들의 단면 직경도 광범위하게 변할 수 있다. 또한 모든 공극들이 동일한 직경을 가질 필요는 없다. 실제에서는, 최단 직경이 1 nm 내지 10 mm 범위인 단면을 가진 공극들을 사용하여 본 발명을 수행하는 것이 바람직할 수 있다. "최단" 직경은 공극의 단면 내에서 최단 거리를 의미한다. 이러한 직경은 바람직하게는 20 nm 내지 2 mm 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 ㎛ 내지 1,000 ㎛ 범위, 더욱 바람직하게는 10 ㎛ 내지 100 ㎛ 범위 내에 있다.
상기 물질의 공극 직경(dp)은 대류 유동을 방지하기 위해 비교적 작은 것이 바람직하다. 정확한 크기와 비율들은 다공성 층의 두께(δ)와 다공성 층 통과시 압력 하락분(ΔP) 뿐만 아니라 기체의 물성(점도 및 밀도)에 따라 좌우된다.
예를 들어 0.1 nm 내지 100 nm 범위의 소형 직경을 가진 공극들은 압력 차이에 대한 제어가 보다 쉽게 이루어지는 이점을 가지고 있다. 예를 들어 100 nm 내지 1,000 nm 범위의 대형 직경을 가진 공극들은 보다 원활한 분리가 이루어지는 이점을 가지고 있다. 예를 들어 다공성 격막 통과시 10 Pa 정도의 압력 하락분(ΔP)이 있는 경우, 목적하는 확산 유동과 비교하여 상당 수준의 대류 유동을 방지하기 위해서는 공극들의 직경이 10 ㎛ 미만이어야 한다. 1 Pa의 압력 하락분(ΔP)이 있는 경우에는 30 마이크론의 직경을 가진 공극들이 바람직하다. 그러나, 압력 하락분과 공극 직경은 크누션(Knudsen) 확산 체제는 피하도록 선택되어야 한다.
상이한 기체들의 다공성 층을 통과하는 상대적인 확산 속도는 이종 확산 계수의 상대적 크기에 좌우되며, 다공성 물질의 특성과 관련해서는 전혀 또는 단지 소폭으로만 좌우될 뿐이다.
공극들은 또한 굴곡도(tortuosity), 즉 만곡도(crookedness) 면에서 광범위하게 변할 수 있다. 그러나 공극들은 바람직하게는 직선 또는 거의 직선의 형태로, 1 내지 5 범위, 더욱 바람직하게는 1 내지 3 범위의 굴곡도를 가진다.
다공성 격막에 사용된 공극들의 수 또한 광범위하게 변할 수 있다. 바람직하게는 다공성 격막 전체 면적의 1.0 내지 99.9%, 더욱 바람직하게는 40 내지 99% 및 더욱 더 바람직하게는 70 내지 95%가 공극 면적이다. 공극 면적은 공극들의 전체 표면적을 의미한다. 실제로, 본 발명은 성분 혼합물의 기체 용적에 대한 격막내 공극들의 전체 표면적의 비율이 0.01 내지 100,000 ㎡/㎥ 의 범위, 바람직하게는 1 내지 1,000 ㎡/㎥ 범위 내에 있도록 하는 공극들의 수와 공극 크기를 사용하여 수행할 수 있다.
스위핑 성분 스트림의 유동 방향으로의 다공성 격막의 길이 또한 광범위하게 변할 수 있다. 층의 길이가 증가하면, 분리 가설비와 분리 한도 둘다 증가하게 된다. 실제로는, 본 발명은 스위핑 성분 유동 방향에 따라 길이가 바람직하게는 0.01 내지 500 m 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 10 m 범위인 다공성 격막을 사용하여 수행될 수 있다.
분리 유닛 내에서 스위핑 성분 및/또는 성분 혼합물의 체류 시간은 광범위하게 변할 수 있다. 실제로는, 분리 유닛내 스위핑 성분 및/또는 성분 혼합물에 대한 체류 시간으로 1분 내지 5 시간 범위의 시간을 사용하여 본 발명을 수행한다. 체류 시간으로 0.5 내지 1.5 시간 범위를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 방법에서 사용된 스위핑 성분의 속도 또한 광범위하게 변할 수 있다. 실제로, 본 발명은 1 내지 10,000 m/hr 범위, 바람직하게는 3 내지 3,000 m/hr 범위 및 더욱 바람직하게는 10 내지 1,000 m/hr 범위의 스위핑 성분 속도에서 수행될 수 있다. 고정상이 아닌 경우에 있어서는, 성분 혼합물에 대해 유사한 속도가 사용될 수 있다.
다공성 격막을 통과하는 제 1 성분의 확산 유량은 광범위하게 변할 수 있다. 실제로 본 발명은 다공성 격막을 통과하는 제 1 성분의 확산 유량으로 0.03 내지 30 kg/㎡/hr 범위, 바람직하게는 0.1 내지 10 kg/㎡/hr 범위 및 더욱 바람직하게는 0.5 내지 1.5 kg/㎡/hr 범위에서 수행될 수 있다.
실제로, 본 발명은 분리 공정 개시 시에 성분 혼합물 중에 존재하는 제 1 성분의 총량을 기준으로, 10 내지 100 wt%의 제 1 성분을 성분 혼합물로부터 제거함으로써 수행될 수 있다. 바람직하게는 혼합물 중에 존재하는 적어도 30 wt% 및 더욱 바람직하게는 적어도 50 wt%의 제 1 성분이 분리 공정 중에 성분 혼합물로부터 제거된다. 더욱 더 바람직하게는 분리 공정 개시 시에 성분 혼합물 중에 존재하는 제 1 성분의 총량을 기준으로, 70 내지 100 wt%의 제 1 성분이 분리 공정 중에 성분 혼합물로부터 제거된다. 70 내지 100 wt% 범위와 같이 고 비율의 제 1 성분이 성분 혼합물로부터 제거될 때 특히, 다른 성분들 또한 성분 혼합물로부터 스위핑 성분 스트림으로 확산될 수 있다. 이러한 성분들은 공동확산시, 제조 공정 진입 전에 별도의 중간 단계를 통해 제거되거나; 또는 대안으로 이러한 다른 공동확산 성분들은 후속 제조 공정 중에 스위핑 성분 및/또는 확산된 제 1 성분과의 혼합물 형태로 잔류할 수 있다. 상기한 다른 공동확산 성분들은 후속 제조 공정 중에 방출 스트림을 통해 제거하는 것도 가능하다.
다른 구체예에서는, 본 발명에 따른 분리 공정을 통상의 증류 및/또는 멤브레인 분리 공정을 비롯한 추가적인 분리 공정과 함께 병행할 수 있다. 예를 들면, 상기 추가적 분리 공정을 이용하여 스위핑 성분과 제 1 성분의 혼합물로부터 기타 다른 공동확산된 성분들을 제거할 수 있다. 또는 제 1 성분 제거 이전 또는 이후, 성분 혼합물로부터 다른 성분들을 제거할 수도 있다. 또한, 추가적 분리 공정을 이용하여 제 1 성분의 적어도 일부가 이미 제거된 성분 혼합물로부터 제 1 성분을 추가 제거할 수도 있다.
제 1 성분은 다공성 격막을 통한 확산에 의해 정지상 혼합물로부터 스위핑 성분 스트림으로 분리될 수 있다. 그러나 상기한 다공성 격막을 통한 확산에 의해 다공성 격막의 한쪽편에 있는 성분 혼합물 스트림으로부터 다공성 격막의 다른 쪽편에 있는 스위핑 성분 스트림으로 분리하는 분리 공정을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 분리 공정은 동류(co-currently) 방향 또는 역류(counter-currently) 방향으로 수행될 수 있다. 그러나 상기한 분리 공정은 성분 혼합물 스트림 및 스위핑 성분 스트림이 서로에 대해 역류 방향으로 흐르도록 하면서 수행하는 것이 바람직하다. 분리 공정은 연속식, 반-배치식 또는 배치식으로 수행될 수 있다. 연속식으로 분리 공정을 수행하는 것이 바람직하다.
스위핑 성분 스트림의 유속은 광범위하게 변할 수 있다. 실제로, 본 발명은 스위핑 성분 스트림의 유속을, 바람직하게는 0.01 내지 300 kmol/hr 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 100 kmol/hr 범위로 이용하여 수행할 수 있다. 성분 혼합물의 특정 흐름에 대한 유속(정지상이 아닌 경우) 또한 광범위하게 변할 수 있다. 실제로, 본 발명은 성분 혼합물의 특정 흐름에 대해 바람직하게는 0.01 내지 300 kmol/hr 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 100 kmol/hr 범위의 유속으로 수행될 수 있다.
분리 공정 중에 적용된 온도는 광범위하게 변할 수 있다. 이러한 온도는 모든 성분들이 확산 공정 중에 완전히 기체상이 되도록 선택하는 것이 바람직하다. 분리 공정 중의 온도가 제조 공정 중의 온도와 동일한 것이 더욱 바람직하다. 실제로, 본 발명은 때론 0 내지 500℃ 범위, 바람직하게는 0 내지 250℃ 범위 및 더욱 바람직하게는 15 내지 200℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
적용된 압력 또한 광범위하게 변할 수 있다. 이러한 압력은 모든 성분들이 확산 공정 중에 완전히 기체상이 되도록 선택하는 것이 바람직하다. 분리 공정 중의 압력이 제조 공정 중의 압력과 동일한 것이 더욱 바람직하다. 실제로, 본 발명은 때론 0.01 내지 200 bar(1 x 103 내지 200 x 105 Pa) 범위, 바람직하게는 0.1 내지 50 bar 범위의 압력에서 수행될 수 있다. 예를 들면, 분리 공정을 대기압(1 atm, 즉 1.01325 bar)에서 수행할 수 있다.
적용된 전체 압력과는 별도로, 다공성 격막 양편의 압력차는 가능한 작도록 유지하는데, 큰 압력차로 인한 물질 이동에 기인하는 다른 어떠한 분리보다 확산에 의한 분리가 우세하다면 다공성 격막의 양편의 압력은 0.0001 내지 0.1 bar 범위와 같이 본질적으로 동일하다. 압력차는 바람직하게 0.0001 내지 0.01 bar 범위, 더욱 바람직하게 0.0001 내지 0.001 bar 범위, 더욱 더 바람직하게 0.0001 내지 0.0001 bar 범위 및 가장 바람직하게는 0.0001 내지 0.0005 bar 범위로 한다. 따라서 다공성 격막 양편의 압력은 거의 동일 또는 본질적으로 동일한 것으로 간주된다.
이는 압력 균형화 수단을 시스템에 추가함으로써, 예를 들면 두개의 유체 스트림중 하나의 압력 피크를 다른 하나로 전달하는 가요성 칸막이를 제공함으로써 바람직하게 달성될 수 있다.
본 발명의 분리 공정은 당해 기술분야의 전문가에게 상기한 목적에 적합한 것으로 공지된 어떠한 장치에서도 수행될 수 있다. 예를 들면, US-A-1,496,757 에 예시된 것과 같은 분리 유닛들이 사용될 수 있다. 제 1 성분의 다공성 격막을 통한 스위핑 성분 스트림으로의 확산에 의해 성분 혼합물로부터 상기 제 1 성분을 분리하는데 적합한 것으로서,
- 제 1 챔버;
- 다공성 격막에 의해 상기 제 1 챔버와 분리된 제 2 챔버;
- 성분 혼합물을 상기 제 1 챔버로 이송하기 위한 제 1 유입구;
- 제 1 성분의 적어도 일부가 상기 제 1 챔버로부터 제거된 이후 성분 혼합물의 잔여물을 배출하기 위한 제 1 유출구;
- 스위핑 성분을 상기 제 2 챔버로 이송하기 위한 제 2 유입구; 및
- 스위핑 성분과 확산된 제 1 성분의 혼합물을 상기 제 2 챔버로부터 배출하기 위한 제 2 유출구를 포함하는 분리 유닛을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 제 1 챔버 및 제 2 챔버는 여러 방식으로 배열될 수 있다. 바람직한 구체예에서는, 하나의 챔버를 튜브의 내부 공간으로 만들고, 다른 챔버는 상기 튜브를 둘러싸는 공간, 바람직하게는 환형 공간으로 만든다.
상기한 구체예는 신규한 것인 바, 본 발명은 또한 제 1 성분의 다공성 격막을 통한 스위핑 성분 스트림으로의 확산에 의해 성분 혼합물로부터 제 1 성분을 분리하는데 적합한 것으로서,
- 외부 튜브; 및
- 다공성 벽을 가지고, 또 제 1 공간이 내부에 존재하고 바깥면과 상기 외부 튜브의 안쪽면 사이에 제 2 공간이 존재하도록, 외부 튜브의 내부에 배치되는 내부 튜브; 및
- 유체를 상기 제 1 공간으로 이송하기 위한 제 1 유입구,
- 유체를 상기 제 1 공간으로부터 배출하기 위한 제 1 유출구,
- 유체를 상기 제 2 공간으로 이송하기 위한 제 2 유입구,
- 유체를 상기 제 2 공간으로부터 배출하기 위한 제 2 유출구를 포함하는 분리 유닛을 제공한다.
상기 유체들은 각기 독립적으로, 바람직하게는 적어도 50 wt%, 더욱 바람직하게는 적어도 80 wt% 및 더욱 더 바람직하게는 90 내지 100 wt% 범위가 기체 상태인 것을 사용한다. 가장 바람직한 유체는 거의 완전히 또는 완전히 기체상인 것이다.
또한 상기 내부 튜브 및 외부 튜브는 본질적으로 동축으로 배치되는 것이 바람직하다. 상기 제 1 공간이 제 1 챔버 또는 제 2 챔버로서 사용되고, 상기 제 2 공간이 각각 제 2 챔버 또는 제 1 챔버로서 사용되는 것도 가능하다. 제 1 공간 뿐만 아니라 제 2 공간 모두 다수의 유입구들과 유출구들을 가질 수 있다. 상기 내부 튜브내에 존재하는 제 1 공간은 단지 하나의 유입구와 단지 하나의 유출구를 가지는 것이 바람직하다. 제 2 공간은 2 이상, 바람직하게는 2 내지 100개의 유입구들 및/또는 유출구들 또는 원형 슬릿의 형상으로 된 하나의 유입구 및/또는 유출구를 가지는 것이 바람직하다.
상기 내부 튜브는 이 내부 튜브의 중심축이 외부 튜브의 중심축과 거의 평행하게 배치되도록 상기 외부 튜브내에 대체로 편심형으로 배치될 수도 있다. 그러나 상기 내부 튜브는 이 내부 튜브의 중심축이 외부 튜브의 중심축과 거의 일치하도록 상기 외부 튜브내에 대체로 동심형으로 배치되는 것이 바람직하다.
상기 튜브들의 단면은 당해 기술분야의 전문가에게 적합한 것으로 공지된 어떠한 형상도 가질 수 있다. 예를 들면 튜브들은 서로 독립적으로 정방형, 장방형, 원형 또는 타원형의 형상으로 된 단면을 가질 수 있다. 튜브들의 단면은 본질적으로 원형인 것이 바람직하다.
다른 바람직한 구체예에서는, 제 1 챔버와 제 2 챔버가 다공성 물질로 된 플레이트들 또는 시트들의 스택들로 형성된 다공성 격막에 의해 분리된다. 상기 스택들에서, 적어도 2개의 플레이트 즉, 다공성 격막 재료를 포함하는 상부 플레이트 및 하부 플레이트는, 한쪽 단부는 차단된 반면 다른쪽 단부는 개방 공간에 유체적으로 연결되어 있는 중간 격실을 제공하는 방식으로 서로 적층되어 있다. 2층 이상을 포함하는 스택들에서는, 각 중간 격실의 인접 측면상의 구멍들이 교대로 차단되어 있다. 따라서 상기 스택은 전술한 바와 같이 제 1 챔버와 제 2 챔버를 분리하며 반면 이 챔버들은 적어도 부분적으로는 스택에 의해 형성된다. 다공성 격막 재료를 포함하는 플레이트들은 예컨대 장방형 같이 적합한 형상이라면 어떠한 것도 가질 수 있으며; 이들은 동일한 형상과 크기를 가지거나 동일하지 않은 것도 가능하다. 플레이트의 한쪽 면이 다른쪽 면보다 길면, 빠르게 유동하는 기체의 흐름이 단 거리를 통과하게 되어 압력 하락이 적어지므로 후자의 경우가 바람직하다.
상기 격실들은 통상 오프셋(offset)이고 다공성 격막을 지지하는 스페이서들 또는 구조체들에 의해 구획된다. 스페이서는 이것에 연결된 상기 다공성 격막 물질과 함께 체류물 또는 스위핑용 격실로 기능할 수 있는 중간 격실을 구획한다. 통상적으로 스위핑용 기체 및 공급용 기체 격실에 대해 상이한 스페이서들을 사용함으로써 압력 하락이 조정될 수도 있다.
인접한 격실들은 이들 사이에 적층 플레이트형 또는 시트형 구조체의 형상으로 된 다공성 격막을 가지고 있어, 두 유체 스트림들에 대한 표면적이 큰 유동 통로를 제공한다. 체류물 및 스위핑용 격실들의 조립체는 교번 방식으로 또는 디자인과 성능 요건을 충족시키는데 필요한 다양한 배열중 어떠한 형태도 취할 수 있다. 스택 배열은 통상 한쪽 단부는 밀폐되고 반대쪽 단부는 다른 격실로의 유체 이동에 의해 경계지어져 있다.
상기한 격실들은 유체 스트림에는 유체적으로 연결되고 반면에 개별적인 반대쪽 유체 스트림 방향으로는 밀폐되어 두 유체 공급물 스트림이 분리되도록 분리용 용기 내에 적절히 위치된다. 상기 두 유체 스트림들의 공급물들은 분리용 용기의 교대의 면들에 교차 유동 배열로 즉, 서로를 향해 수직 유동 또는 교차 유동 방향으로 도착하도록 공급되는 것이 바람직하다. 그 결과 선을 벗어난 흐름(즉, 동일선상의 흐름이 아닌)을 야기시켜 용기 유체 유입구와 유출구 구멍으로 더욱 용이하게 공급될 수 있게 된다.
적합한 분리 장치는 용기 한쪽 면에 근접 배치된 제 1 유체 유입구 구멍 및 용기 반대쪽면에 근접 배치된 제 1 유체 유출구 구멍; 용기 한쪽 면에 근접 배치된 제 2 유체 유입구 구멍 및 용기 반대쪽면에 근접 배치된 제 2 유체 유출구 구멍을 구비한 용기를 포함하며; 상기 제 1 및 제 2 유입구 및 유출구는 개별적으로, 상기 제 1 유입구를 통해 용기에 진입하고 제 1 유출구를 통해 진출하는 제 1 유체 스트림과 상기 제 2 유입구를 통해 용기에 진입하고 제 2 유출구를 통해 진출하는 제 2 유체 스트림의 유체 방향이 본질적으로 서로에 대해 수직이 되도록 위치하고; 두 유체들 사이의 다공성 격막은, 제 1 유체 스트림 방향으로 밀폐되는 반면 제 2 유체 스트림에는 유체적으로 연결됨으로써 다공성 물질로 된 상부 플레이트와 하부 플레이트에 의해 적어도 부분적으로 구획되고 이들 사이에 적어도 부분적으로 위치하는 제 1 스트림을 위한 외부 유동 공간과, 상부 플레이트와 하부 플레이트의 반대쪽면들에 의해 적어도 부분적으로 구획되고 이들 사이에 적어도 부분적으로 위치하는 제 2 스트림을 위한 내부 유동 공간을 형성하여 상기 외부 유동 공간으로부터 상기 내부 유동 공간으로의 유체 흐름을 방지하는 플레이트형 구조체들의 스택을 포함한다. 스택형 분리 장치 사용시 이점은 다수의 병렬식 격실들이 교차 유동으로 공급물 스트림과 스위핑용 기체 스트림에 교대로 연결되어 있어서, 비교적 밀집된 배열의 큰 표면적을 제공한다는 것이다.
이하에서는 도 1과 관련하여 본 발명이 예시되어 있다. 도 1은 본 발명에 따른 분리 유닛의 입체 개요도이다. 도 1에는 외부 튜브(101)와 내부 튜브(102)를 구비하되, 이때 상기 내부 튜브는 외부 튜브 내에 공축 배열되어 있어, 제 1 공간(103)이 상기 내부 튜브(102) 내부에 존재하고, 제 2 공간(104)이 상기 내부 튜브(102)의 외표면과 상기 외부 튜브(101)의 내표면 사이에 존재하도록 구성되며; 상기 제 1 공간으로의 유입구(105) 및 제 1 공간으로부터의 유출구(106); 및 상기 제 2 공간으로의 유입구(107) 및 상기 제 2 공간으로부터의 유출구(108)를 구비하며; 상기 내부 튜브가 다공성 벽(109)을 가지는 분리 유닛이 도시되어 있다.
또다른 바람직한 구체예에서는, 다수의 분리 유닛들을 구비한 분리 장치에서 분리 공정이 수행된다. 바람직하게는 하나의 분리 장치에 대해 2 내지 100,000개 범위, 더욱 바람직하게는 1,00 내지 10,000개 범위의 분리 유닛들이 사용된다. 상기한 분리 장치는 신규한 것인 바, 본 발명은 또한 제 1 성분의 다공성 격막을 통한 스위핑 성분 스트림으로의 확산에 의해 성분 혼합물로부터 상기 제 1 성분을 분리하는데 적합한 둘 이상의 분리 유닛들을 포함하는 분리 장치를 제공하며, 이때 각 분리 유닛은
- 제 1 챔버;
- 다공성 격막에 의해 상기 제 1 챔버와 분리된 제 2 챔버;
- 성분 혼합물을 상기 제 1 챔버로 이송하기 위한 제 1 유입구;
- 제 1 성분의 적어도 일부가 상기 제 1 챔버로부터 제거된 이후 성분 혼합물의 잔여부를 배출하기 위한 제 1 유출구;
- 스위핑 성분을 상기 제 2 챔버로 이송하기 위한 제 2 유입구; 및
- 스위핑 성분과 확산된 제 1 성분의 혼합물을 상기 제 2 챔버로부터 배출하기 위한 제 2 유출구를 구비할 수 있다.
상기 분리 유닛들은 당해 기술분야의 전문가에 의해 상기한 목적에 적합한 것으로 공지된 어떠한 방식으로도 분리 장치내에 배열될 수 있다. 분리 유닛들은 분리 장치내에 서로 직렬식 또는 병렬식으로 배열되는 것이 바람직하다. 일례로 분리 유닛들은 한 어레이내에 직렬식으로 배열될 수 있다. 이러한 직렬 배열된 분리 유닛들의 어레이를 사용하는 경우, 한쪽 면에서 발생하는 압력 손실은 개별적으로 성분 혼합물 또는 스위핑 성분의 중간 스트림에 의해 보충되는 것이 바람직하다.
유리한 구체예는, 둘 이상의 분리 유닛들이 동일한 제 1 챔버 또는 제 2 챔버를 공유하도록 둘 이상의 분리 유닛들의 제 1 챔버 또는 제 2 챔버들이 함께 섞이는 것이다.
예를 들면, 본 발명은
- 대체로 수직 연장된 용기,
- 다공성 벽을 구비하고, 그 중앙 종축에 평행하게 용기내에 배치되며, 상단부는 상부 튜브 플레이트에 고정되어 상부 튜브 플레이트 위에 있는 최상단 유체 챔버와 유체 소통 상태에 있고, 하단부는 하부 튜브 플레이트에 고정되어 하부 튜브 플레이트 아래에 있는 최하단 유체 챔버와 유체 소통 상태에 있는 복수의 튜브들,
- 제 1 유체를 상기 최상단 유체 챔버로 제공하기 위한 공급 수단 및
- 상기 최하단 유체 챔버 내에 배치된 배출 유출구,
- 제 2 유체를 상부 튜브 플레이트, 하부 튜브 플레이트, 튜브의 외표면 및 용기 벽 사이의 공간으로 제공하기 위한 공급 수단 및
- 튜브의 외표면과 용기 벽 사이의 공간으로부터의 배출 유출구를 구비한 다관식 분리 장치를 제공한다.
상기 유체들은 각기 독립적으로, 바람직하게는 적어도 50 wt%, 더욱 바람직하게는 적어도 80 wt% 및 더욱 더 바람직하게는 90 내지 100 wt% 범위가 기체 상태인 것을 사용한다. 가장 바람직한 유체는 거의 완전히 또는 완전히 기체상인 것이다.
성분 혼합물은 예를 들면 상기 튜브들의 내부 공간으로 또는 튜브들의 외표면과 용기 벽의 내표면 사이 공간으로 공급될 수 있으며; 스위핑용 기체는 개별적으로 튜브의 외표면과 용기 벽의 내표면 사이 외부 공간 또는 튜브들의 내부 공간으로 공급될 수 있다.
제조 공정에서는, 1종 이상의 반응물들이 반응하여 1종 이상의 산물 및 적어도 1종의 부산물을 생성할 수 있다. 반응이란 상기 스위핑 성분이 화학적으로 변화하는 것을 의미한다. 예를 들면, 스위핑 성분은 화학적으로 분할하여 2종 이상의 별도의 산물을 생성하거나 또는 스위핑 성분은 1종 이상의 다른 성분들과 반응하여 1종 이상의 산물들을 생성할 수 있다. 가능한 반응들을 예시하면, 수화반응, 탈수반응, 수소화반응, 탈수소화반응, 산소화반응, 가수분해반응, 에스테르화반응, 아민화반응, 탄산화반응, 카르보닐화반응, 카르복실화반응, 탈황반응, 탈아민화반응, 축합반응, 첨가반응, 중합반응, 교환반응, 제거반응, 재배치반응, 불균등화반응, 산-염기, 텔로머화반응, 이성체화반응, 할로겐화반응, 탈할로겐화반응 및 니트로화반응이 있으며, 이들로만 한정되지는 않는다. 적용된 반응 조건은 광범위하게 변할 수 있으며, 당해 기술분야의 전문가에게 상기한 반응에 적합한 것으로 공지된 것을 사용할 수 있다. 실제로, 본 발명은 바람직하게는 -100 내지 500℃ 범위, 더욱 바람직하게는 0 내지 300℃ 범위의 온도와 바람직하게는 0.0001 내지 100 bar 범위, 더욱 바람직하게는 1 내지 50 bar 범위의 압력에서 수행할 수 있다. 당해 기술분야의 전문가에게 상기 반응에 적합한 것으로 공지된 반응기라면 어떠한 종류도 사용 가능하다. 반응기 종류를 예시하면, 연속식 교반 반응기, 슬러리 반응기 또는 튜브 반응기가 있다.
제조 공정에서 하나 이상의 반응들은 임의로는 촉매의 존재하에서 수행될 수 있다. 당해 기술분야의 전문가에게 특정 반응에 적합한 것으로 공지된 어떠한 촉매도 사용될 수 있다. 이러한 촉매는 균질 또는 불균질일 수 있으며 예를 들면 용액, 슬러리 중에 또는 고정상으로 존재할 수 있다. 촉매는 별도의 유닛에서 제거될 수 있다.
본 발명의 방법에서 각 단계들은 연속식, 반-배치식 또는 배치식으로 수행될 수 있다. 예를 들어, 분리 공정은 연속식 또는 반-배치식으로 수행될 수 있는 반면, 후속되는 제조 공정은 배치식으로 수행될 수 있다. 바람직한 구체예에서는, 모든 단계들을 연속식으로 수행한다. 따라서 본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법으로 연속식인 방법을 제공한다.
통합적 분리 및 제조 방법은
- 제 1 성분의 다공성 격막을 통한 스위핑 성분 스트림으로의 확산에 의해 성분 혼합물로부터 제 1 성분을 분리하기에 적합한 것으로서, 하나 이상의 제 1 챔버들, 다공성 격막에 의해 상기 제 1 챔버 또는 챔버들과 분리된 하나 이상의 제 2 챔버들, 하나 이상의 유입구들 및 하나 이상의 유출구들을 구비한 하나 이상의 분리 유닛들을 포함하는 분리 장치, 및
- 하나 이상의 유입구들 및 하나 이상의 유출구들을 구비하되, 적어도 하나의 유출구가 반응 부산물 스트림을 포함하고, 하나 이상의 제조 유닛들의 상기한 부산물 유출구가 하나 이상의 분리 유닛들의 하나 이상의 유입구들에 직접 또는 간접적으로 연결되어 있는 하나 이상의 반응기들을 포함하는 산업 설비에서 수행하는 것이 바람직하다.
바람직한 구체예에서, 통합적 제조 및 분리 방법은
a) 1종 이상의 반응물들을 반응시켜 산물, 적어도 1종의 부산물 및 적어도 1종의 오염물을 함유하는 반응 혼합물을 수득하는 단계;
b) 상기 반응 혼합물로부터 부산물을 분리하여 부산물 및 산물과 적어도 1종의 오염물을 함유하는 혼합물을 수득하는 단계; 및
c) 상기 오염물의 다공성 격막을 통한 부산물 스트림으로의 확산에 의해 산물과 오염물의 혼합물로부터 오염물을 기체 분리하여 오염물과 부산물의 혼합물 스트림 및 정제된 산물 스트림을 수득하는 단계를 포함한다.
임의로, 상기 단계 c)에서 수득된 산물은 예를 들면 증류 방법들에 의해 추가 정제될 수 있다.
상기한 방법에서, 단계 a)는 제조 공정에 대해 전술한 바와 같이 수행될 수 있으며, 단계 c)는 분리 공정에 대해 전술한 바와 같이 수행될 수 있다.
단계 b)에서의 분리는 당해 기술분야의 전문가에게 상기한 목적에 적합한 것으로 공지된 어떠한 방법으로도 수행될 수 있다. 바람직한 방법으로는 기체-액체 분리 및 증류가 포함된다.
또다른 바람직한 구체예에서, 통합적 제조 및 분리 방법은
a) 1종 이상의 반응물들을 반응시켜 산물, 적어도 1종의 미반응 반응물, 적어도 1종의 부산물 및 적어도 1종의 오염물을 함유하는 반응 혼합물을 수득하는 단계;
b) 상기 반응 혼합물을 분리하여 부산물 스트림, 미반응 반응물과 오염물의 혼합물 스트림 및 정제된 산물 스트림을 수득하는 단계; 및
c) 오염물의 다공성 격막을 통한 부산물 스트림으로의 확산에 의해 미반응 반응물과 오염물의 혼합물중 적어도 일부로부터 오염물을 기체 분리하여 오염물과 부산물의 혼합물 스트림 및 정제된 미반응 반응물 스트림을 수득하는 단계를 포함한다.
임의로, 상기 단계 b)에서 수득된 산물 및 단계 c)의 미반응 반응물은 예를 들면 증류 방법들에 의해 추가 정제될 수 있다.
상기한 방법에서, 단계 a)는 제조 공정에 대해 전술한 바와 같이 수행될 수 있으며, 단계 c)는 분리 공정에 대해 전술한 바와 같이 수행될 수 있다.
미반응 반응물을 정제할 수 있는 전술한 방법은 미반응 반응물이 반응으로 재순환되는 통합적 제조 및 분리 방법에 사용하는 것이 유리할 수 있다. 통상적으로 상기한 미반응 반응물의 재순환용 스트림에 있는 오염물들은 방출 스트림에 의해 제거된다. 본 발명에 따른 방법에 의해 상기한 미반응 반응물로부터 오염물을 제거함으로써 소량 방출 스트림이 유리하게 사용될 수 있다. 분리 유닛에 진입하는 미반응 반응물과 오염물의 스트림은 상기 단계 b)에서 수득된 미반응 반응물과 오염물의 혼합물중 일부이거나, 또는 단계 b)에서 수득된 혼합물 전체일 수 있다. 단계 b)에서 수득된 미반응 반응물과 오염물의 혼합물중 일부만이 단계 c)에서 분리되는 경우에 있어, 이 일부분은 바람직하게는 단계 b)에서 분리되는 전체 혼합물의 0.1 내지 50 wt% 범위, 더욱 바람직하게는 0.1 내지 30 wt% 범위이다. 단계 b) 및 단계 c)에서 수득된 미반응 반응물과 오염물의 혼합물중 일부만을 사용하는 것은 소형 분리 유닛을 사용할 수 있다는 점에서 유리하다. 이러한 소형 분리 유닛은 기존의 산업 설비에 편입시키기 용이하다. 단계 b) 및 단계 c)에서 수득된 미반응 반응물과 오염물의 혼합물 전체를 사용하는 것은 더 많은 오염물이 제거될 수 있다는 점과 방출 스트림이 더욱 감소될 수 있다는 점에서 유리하다.
본 발명의 방법은 광범위하게 적용가능하다. 예를 들면, 알켄을 산소가 불활성 기체로 오염된 산소와 반응시켜 이산화탄소가 부산물로서 제조되는 알킬렌 옥시드 제조 방법에 본 방법을 사용할 수 있다.
그러므로 본 발명은 또한,
a) 알켄을 불활성 기체로 오염된 산소와 반응시켜 알킬렌 옥시드, 미반응 알켄, 이산화탄소 및 불활성 기체를 함유하는 반응 혼합물을 수득하는 단계;
b) 상기 반응 혼합물을 분리하여 이산화탄소 스트림, 알켄과 불활성 기체의 혼합물 스트림 및 정제된 알킬렌 옥시드 스트림을 수득하는 단계; 및
c) 불활성 기체의 다공성 격막을 통한 이산화탄소 스트림으로의 확산에 의해 미반응 알켄과 불활성 기체의 혼합물중 적어도 일부로부터 불활성 기체를 기체 분리하여 불활성 기체와 이산화탄소의 혼합물 스트림 및 정제된 알켄 스트림을 수득하는 단계를 포함하는, 알킬렌 옥시드 제조 방법을 제공한다.
상기 알켄은 탄소수 2 내지 10의 알켄인 것이 바람직하다. 바람직한 일례로는 에텐, 프로펜, 부텐류 및 펜텐류가 포함된다. 본 발명의 방법을 탄소수 2 내지 10의 대응 알킬렌 옥시드를 제조하는데 사용하는 것이 바람직하다. 바람직한 것을 예시하면, 에틸렌 옥시드, 프로필렌 옥시드, 부틸렌 옥시드류 및 펜틸렌 옥시드류가 있다. 이외에도, 알켄류의 혼합물은 대응 알킬렌 옥시드류의 혼합물로 전환될 수 있다. 가장 바람직한 것은 에텐이나 프로펜 또는 이들의 혼합물이 에틸렌 옥시드, 프로필렌 옥시드 또는 이들의 혼합물로 전환되는 방법이다. 필요하다면, 상기한 것들 이외에도, 추가의 희석용 기체, 예를 들면 메탄을 사용할 수도 있다. 이러한 희석용 기체로서 예컨대 US-A-5,519,152 에 예시된 것을 사용하는 것도 가능하다. 상기한 것들 이외에, 추가로 균질 또는 불균질 촉매도 상기 방법에 사용할 수 있다.
이산화탄소가 상기 방법에서 부산물로 제조될 수 있다. 불활성 기체를 예시하면 질소 또는 아르곤이 가능하다. 바람직한 불활성 기체는 아르곤이다.
알칸을 스위핑용 기체로 사용하는 다른 방법에서, 본 발명은 또한 수소의 다공성 격막을 통한 알칸 스트림으로의 확산에 의해 수소, 메탄 및 이산화탄소의 혼합물로부터 수소를 기체 분리하여 알칸과 수소의 혼합물 및 메탄과 이산화탄소의 정제된 혼합물을 수득하는 방법을 제공한다.
상기한 알칸은 2 내지 10개의 탄소 원자들을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 알칸의 바람직한 일례로는 에탄, 프로판 및 부탄류가 포함된다.
이하 본 발명은 후술된 비-한정적 실시예들에 의해 예시되어 있다.
비교 실시예 1
본 비교 실시예에서는, 에텐을 아르곤으로 오염된 산소와 반응시켜 에틸렌 옥시드(EO)를 제조한다. 반응 이후, 반응 혼합물은 흡착성의 차이를 이용하여 혼합물을 분리하는 분리기로 이송되어, 반응 혼합물은 에틸렌 옥시드-풍부 스트림 및 에텐 재순환용 스트림으로 분리된다. 상기 에텐 재순환용 스트림은 추가로 부산물인 이산화탄소와 오염물인 아르곤을 포함한다. 아르곤의 축적 방지를 위해 방출 스트림이 본 공정으로부터 배출된다. 이러한 방법이 도 2에 도시되어 있다.
본 방법은 컴퓨터 모델을 통해 설계되었다. 이러한 컴퓨터 모델에서, 본 방 법의 스트림들은 공정으로부터 배출되는 방출 스트림이 3.5 kmol/hr의 아르곤을 포함하도록 배치된다. 이 경우, 방출 스트림은 추가로 8.5 kmol/hr의 에텐을 포함하는 것으로 밝혀졌다. 본 방법에 희석제로서 메탄을 첨가한다. 본 방법은 컴퓨터 모델을 통해 설계된 바, 하기 표 1에 요약된 방출 스트림이 산출된다.
표 1: 도 2에 도시된 비교 실시예 1에 있어서 방출 스트림의 조성
성분 몰 비율(%) 몰 유동 속도(kmol/h)
CO2 6.25 2.5
Ar 8.75 3.5
C2H4 21.25 8.5
CH4 63.75 25.5
실시예 2
본 발명의 방법에 따른 본 실시예에서는 이후 아르곤을 다공성 격막을 통해 CO2 스트림으로 확산시켜 제거하는 본 발명의 기체 분리 유닛에서 방출 스트림을 추가로 분리한다는 점을 제외하고는 상기 비교 실시예 1에서 기술된 바와 같이 에틸렌 옥시드 제조공정을 수행한다.
본 방법은 도 3에 도시되어 있다.
본 방법은 컴퓨터 모델을 통해 설계되었다. 이러한 컴퓨터 모델에서, 약 35℃의 온도 및 약 1 bar의 압력에서 기체 분리를 수행하였으며; 기체 분리기의 길이는 1.53 m 이고 다공성 격막의 두께는 1 mm 이었으며; 기체 용적 대비 다공성 격막내 공극들의 전체 표면적은 100 ㎡/㎥ 이었다. 상기 비교 실시예 1에서 방법 수행중에 배출되었던 CO2 스트림(순수한, 450kmol/h)이 본 실시예에서는 아르곤-함유 방출 스트림에 역류 방향으로 공급된다. 그 결과, 상기 방출 스트림(1)에 비해 아르 곤 농도가 낮아진 새로운 방출 스트림(4)과 새로운 재순환용 스트림(2)이 산출된다. 이 스트림들은 본 공정으로부터 배출되는 새로운 방출 스트림(4)이 3.5 kmol/hr의 아르곤을 포함하도록 배치된다. 이 경우, 새로운 방출 스트림은 하기 표 2에 개시된 바와 같이 7.8 kmol/hr의 에텐을 포함한다. 도 3에 도시된 잔여 스트림에 대한 흐름들이 하기 표 3 및 표 4에 요약되어 있다.
표 2: 실시예 2와 관련한 새로운 방출 스트림(4)의 조성
성분 몰 비율(%) 몰 유동 속도(kmol/h)
CO2 6.25 411.9
Ar 8.75 3.5
C2H4 21.25 7.8
CH4 63.75 26.8
표 3: 실시예 2와 관련하여 표 3에 도시된 해당 흐름들
스트림 번호 FCO2(kmol/h) FAr(kmol/h) FC2H4(kmol/h) FCH4(kmol/h) FC2H4/FAr 비(-)
1 3.00 4.20 10.20 30.60 2.43
2 41.10 0.70 2.43 3.77 3.49
3 450.00 - - - -
4 411.90 3.50 7.77 26.83 2.22
표 4: 실시예 2와 관련한 새로운 재순환용 스트림(2)의 조성
성분 몰 비율(%) 몰 유동 속도(kmol/h)
CO2 86 41.10
Ar 1 0.70
C2H4 5 2.43
CH4 8 3.77
본 발명에 따른 기체 분리 기술을 이용하면, 방출 스트림내 에텐의 손실을 8.5kmol/h에서 7.8kmol/h로 감소시키는 것이 가능하다.

Claims (6)

  1. 부산물이 생성되는 제조 공정; 및
    제 1 성분의 다공성 격막을 통한 스위핑 성분 스트림으로의 확산에 의해 성분 혼합물로부터 제 1 성분의 분리가 이루어지는 기체 분리 공정을 포함하는 통합적 제조 및 분리 방법으로서,
    상기 제조 공정에서 생성된 부산물이 이후 분리 공정에서 스위핑 성분으로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다공성 격막 양편의 압력이 본질적으로 대등한 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    a) 1종 이상의 반응물들을 반응시켜 산물, 적어도 1종의 부산물 및 적어도 1종의 오염물을 함유하는 반응 혼합물을 수득하는 단계;
    b) 상기 반응 혼합물로부터 부산물을 분리하여 부산물 및 산물과 적어도 1종의 오염물을 함유하는 혼합물을 수득하는 단계; 및
    c) 오염물의 다공성 격막을 통한 부산물 스트림으로의 확산에 의해 산물과 오염물의 혼합물로부터 오염물을 기체 분리하여 오염물과 부산물의 혼합물 스트림 및 정제된 산물 스트림을 수득하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    a) 1종 이상의 반응물들을 반응시켜 산물, 적어도 1종의 미반응 반응물, 적어도 1종의 부산물 및 적어도 1종의 오염물을 함유하는 반응 혼합물을 수득하는 단계;
    b) 상기 반응 혼합물을 분리하여 부산물 스트림, 미반응 반응물과 오염물의 혼합물 스트림 및 정제된 산물 스트림을 수득하는 단계; 및
    c) 오염물의 다공성 격막을 통한 부산물 스트림으로의 확산에 의해 미반응 반응물과 오염물의 혼합물중 적어도 일부로부터 오염물을 기체 분리하여 오염물과 부산물의 혼합물 스트림 및 정제된 미반응 반응물 스트림을 수득하는 단계를 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    a) 알켄을 불활성 기체로 오염된 산소와 반응시켜 알킬렌 옥시드, 미반응 알켄, 이산화탄소 및 불활성 기체를 함유하는 반응 혼합물을 수득하는 단계;
    b) 상기 반응 혼합물을 분리하여 이산화탄소 스트림, 알켄과 불활성 기체의 혼합물 스트림 및 정제된 알킬렌 옥시드 스트림을 수득하는 단계; 및
    c) 불활성 기체의 다공성 격막을 통한 이산화탄소 스트림으로의 확산에 의해 미반응 알켄과 불활성 기체의 혼합물중 적어도 일부로부터 불활성 기체를 기체 분리하여 불활성 기체와 이산화탄소의 혼합물 스트림 및 정제된 알켄 스트림을 수득 하는 단계를 포함하는 방법.
  6. - 제 1 성분의 다공성 격막을 통한 스위핑 성분 스트림으로의 확산에 의해 성분 혼합물로부터 제 1 성분을 분리하기에 적합한 것으로서, 하나 이상의 제 1 챔버들, 다공성 격막에 의해 상기 제 1 챔버 또는 챔버들로부터 분리된 하나 이상의 제 2 챔버들, 하나 이상의 유입구들 및 하나 이상의 유출구들을 구비한 하나 이상의 분리 유닛들을 포함하는 분리 장치, 및
    - 하나 이상의 유입구들 및 하나 이상의 유출구들을 구비하되, 적어도 하나의 유출구가 반응 부산물 스트림을 포함하고, 상기한 부산물 유출구가 하나 이상의 상기 분리 유닛의 하나 이상의 유입구들에 직접 또는 간접적으로 연결되어 있는 하나 이상의 반응기들을 포함하는 산업용 설비.
KR1020077017276A 2004-12-31 2005-12-27 통합적 제조 및 분리 방법 KR20070093139A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP04107076.4 2004-12-31
EP04107076 2004-12-31

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070093139A true KR20070093139A (ko) 2007-09-17

Family

ID=34930203

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077017276A KR20070093139A (ko) 2004-12-31 2005-12-27 통합적 제조 및 분리 방법

Country Status (9)

Country Link
US (1) US20090131692A1 (ko)
EP (1) EP1830944A1 (ko)
JP (1) JP2008526473A (ko)
KR (1) KR20070093139A (ko)
CN (1) CN101102832A (ko)
CA (1) CA2592589A1 (ko)
TW (1) TW200635657A (ko)
WO (1) WO2006069992A1 (ko)
ZA (1) ZA200704715B (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2336222A1 (en) * 2009-12-17 2011-06-22 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Process for treating lignocellulosic biomass material
CN110237650B (zh) * 2019-06-24 2021-08-06 浙江天采云集科技股份有限公司 一种乙烯直接氧化制环氧乙烷中反应循环气的FTrPSA分离方法
EP4209488A4 (en) * 2020-09-01 2024-05-22 Chiyoda Corporation PROCESS FOR PRODUCING ETHYLENE OXIDE
CN112142577B (zh) * 2020-09-23 2022-04-29 浙江工业大学 一种无金属催化氧化系统、氧气氧化方法以及应用于苯甲酸衍生物的生产方法
CN114534418B (zh) * 2022-02-18 2023-11-28 阳光氢能科技有限公司 气液分离器和制氢系统

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US341293A (en) * 1886-05-04 Half to geoege hancock
US1496757A (en) * 1920-07-26 1924-06-03 Goodyear Tire & Rubber Process of separating gases
US2699836A (en) * 1951-10-15 1955-01-18 Phillips Petroleum Co Separation of gases by diffusion
US4220535A (en) * 1978-08-04 1980-09-02 Monsanto Company Multi-zoned hollow fiber permeator
IN165859B (ko) * 1985-05-01 1990-01-27 Halcon Sd Group Inc
US4879396A (en) * 1985-05-01 1989-11-07 Scientific Design Company, Inc. Selective extraction of CO2 and argon from ethylene oxide recycle system
TW314512B (ko) * 1993-09-20 1997-09-01 Shell Int Research
US5435836A (en) * 1993-12-23 1995-07-25 Air Products And Chemicals, Inc. Hydrogen recovery by adsorbent membranes
CA2212835C (en) * 1996-08-14 2005-03-15 Bend Research, Inc. Vapor permeation system
NO308398B1 (no) * 1997-06-06 2000-09-11 Norsk Hydro As Fremgangsmate for utforelse av katalytiske eller ikke-katalytiske prosesser hvori oksygen er ±n av reaktantene
US5837034A (en) * 1997-06-23 1998-11-17 Praxair Technology, Inc. Process for reducing carbon production in solid electrolyte ionic conductor systems
US6248931B1 (en) * 1999-06-30 2001-06-19 Uop Llc Membrane process for the recovery of halides from hydrocarbon-containing streams
US6414202B1 (en) * 2000-08-30 2002-07-02 Membrane Technology And Research, Inc. Membrane-augmented manufacture of propylene derivatives
US6963018B2 (en) * 2000-10-03 2005-11-08 Savvas Vasileiadis Integrated processes for olefin and polyolefin production

Also Published As

Publication number Publication date
ZA200704715B (en) 2008-09-25
US20090131692A1 (en) 2009-05-21
WO2006069992A1 (en) 2006-07-06
EP1830944A1 (en) 2007-09-12
CA2592589A1 (en) 2006-07-06
TW200635657A (en) 2006-10-16
JP2008526473A (ja) 2008-07-24
CN101102832A (zh) 2008-01-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1515790B1 (en) Processes using solid perm-selective membranes in multiple groups for simultaneous recovery of specified products from a fluid mixture
US8114192B2 (en) Gas separation processes using membrane with permeate sweep to recover reaction feedstocks
JP6061947B2 (ja) 親水性膜一体化オレフィン水和プロセス
JP6464105B2 (ja) 一体型膜反応器を用いたオレフィン水和プロセス
JP2007055970A (ja) メタノール製造用反応器及びメタノール製造方法
KR20070093139A (ko) 통합적 제조 및 분리 방법
EP2012903A2 (en) Device to separate olefins from paraffins and to purify olefins and use thereof
KR20070093140A (ko) 통합적 분리 및 제조 방법
EP2208719A1 (en) Process for the production of lower alcohols by olefin hydration
JP2008526472A5 (ko)
EP4015069A1 (en) Process for economical production of polymers from non-polymer-grade monomers
US20100218675A1 (en) Gas separation apparatus
Bere et al. Direct O2 Epoxidation of Propylene by the Membrane Reactor Loaded with Ag–Sr Catalyst

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid