KR20100026134A - 연속 반응 장치 및 이를 이용한 연속 공정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속 반응 장치 및 이를 이용한 연속 반응 공정에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명의 연속 반응 장치는 a) 1종 이상의 반응물 공급부와 회전축을 중심으로 회전 가능하게 연결되어 있고, 상기 반응물 공급부로부터 공급된 반응물의 반응이 진행되는 스피닝 디스크와 상기 디스크 상에서 반응된 생성물을 수집하는 생성물 배출구와 상기 디스크를 회전시키기 위한 구동부를 포함하는 스피닝 디스크 반응 장치; b) 상기 스피닝 디스크 반응장치의 생성물 배출구와 연결된 미반응물을 분리하기 위한 컬럼; c) 상기 컬럼과 연결되어 미반응물을 상기 스피닝 디스크 반응장치의 반응물 공급부에 공급하기 위한 순환로; 및 d) 상기 컬럼과 연결되어 컬럼을 통해 미반응물과 분리된 최종 생성물을 수집하기 위한 생성물 수집부를 포함한다.

중합반응, 에테르화 반응, 스피닝 디스크, 연속 공정, 순환로

Description

연속 반응 장치 및 이를 이용한 연속 공정{Continuous Reactor and the Continuous Process using the same}

본 발명은 연속 반응 장치 및 이를 이용한 연속 공정에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 촉매 여과 및 용매 진공 증류 등의 별도의 공정이 필요 없고, 필요에 따라 미반응물의 순환흐름이 가능하여 높은 전환율을 얻을 수 있는 연속 반응장치 및 이를 이용한 연속 공정에 관한 것이다.

일반적으로 화학반응을 통해 생성물을 얻기 위해서는 반응 장치가 필요하다. 이러한 반응 장치로는 일반적으로 하나의 반응기에 반응물을 첨가한 후 교반 등을 통해 이루어지는 회분식 반응기가 이용된다. 하지만, 회분식 반응기는 연속반응을 위한 공정에는 응용될 수 없으며, 촉매를 사용하는 반응의 경우, 촉매의 분리공정 및 용매의 진공 증류 공정 등이 필수적이어서 대용량이 될수록 비용이 상승되는 문제가 있다. 또한, 반응물의 투입과 동시에 원하는 전환율을 얻을 때까지 회분 반응기에서 반응을 진행하기 때문에, 반응열이 높은 반응의 경우 반응기 운전을 위해 별도의 냉각장치를 구비하여야 하거나, 냉각장치를 구비하지 못하는 경우 원하는 전환율을 얻지 못하고 반응을 종료한 후, 미반응물을 분리하여야 하는 번거로운 점이 있다. 이 경우, 원하는 생산량의 최종 생성물을 얻기 위해서는 짧은 시간 동안 회분 반응기를 여러 번 운전하고, 생성물과 미반응물을 분리해야 하는 번거로운 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 발명자들은 별도의 촉매 분리공정 및 별도의 용매 진공 증류 공정이 필요 없으며, 반응기의 일 회 운전만으로도 원하는 전환율을 얻을 수 있는 반응 장치에 대해 연구하던 중 본 발명을 완성하게 되었다.

이에, 본 발명의 목적은 별도의 촉매 여과 공정 및 별도의 용매 진공 증류 공정이 필요 없고, 최종 전환율이 높은 연속 공정에 적용이 용이한 연속 반응 장치 및 이를 이용한 연속 반응 공정을 제공하는 것이다.

본 발명은 연속 반응 장치 및 이를 이용한 연속 공정을 제공한다.

이러한 연속 반응 장치는 a) 1종 이상의 반응물 공급부와 회전축을 중심으로 회전 가능하게 연결되어 있고, 상기 반응물 공급부로부터 공급된 반응물의 반응이 진행되는 스피닝 디스크와 상기 디스크 상에서 반응된 생성물을 수집하는 생성물 배출구와 상기 디스크를 회전시키기 위한 구동부를 포함하는 스피닝 디스크 반응장치; b) 상기 스피닝 디스크 반응장치의 생성물 배출구와 연결된 미반응물을 분리하기 위한 컬럼; c) 상기 컬럼과 연결되어 미반응물을 상기 스피닝 디스크 반응장치의 반응물 공급부에 공급하기 위한 순환로; 및 d) 상기 컬럼과 연결되어 컬럼을 통해 미반응물과 분리된 생성물을 수집하기 위한 생성물 수집부를 포함한다.

또한, 이러한 연속 공정은 상기 반응 장치를 이용하여 행하는 적어도 한 종류의 액체 반응물을 포함하는 반응의 연속 공정으로, 상기 반응물 공급부로 적어도 한 종류의 액체 반응물을 공급하고, 상기 반응 장치의 구동부를 작동하여 상기 스피닝 디스크를 회전시키면서 상기 반응물 공급부로부터 스피닝 디스크 상에 액체 반응물을 공급해 반응을 진행하고, 상기 디스크 상의 반응을 거친 미반응물과 생성 물이 생성물 배출구로 배출하고, 상기 생성물 배출구로 배출된 미반응물과 생성물을 컬럼을 거쳐 분리하고, 분리된 미반응물은 상기 순환로를 통해 반응물 공급부로 공급하고, 분리된 생성물은 생성물 수집부로 수집하는 과정을 포함한다.

즉, 본 발명에 의한 연속 반응 장치는 별도의 촉매 분리공정 및 별도의 용매 진공 증류 공정이 필요 없고, 미반응물의 순환을 통해, 스피닝 디스크 상의 짧은 체류 시간만으로는 원하는 전환율을 얻을 수 없는 반응에 널리 응용이 가능하다. 또한, 본 발명에 의한 연속 공정은 공정 조작의 형태에 따라 반응열 및 전환율의 제어가 간편하다.

본 발명의 연속 반응 장치는 별도의 촉매 분리공정 및 용매 진공 증류 작업이 필요하지 않고, 미반응물을 다시 순환시켜 반응에 참여케 하여, 최종 전환율이 높고, 반응물의 주입과 생성물의 분리 등이 하나의 반응 장치에서 일어나 연속 공정에 유용하게 적용될 수 있다. 또한, 본 발명의 연속 반응 장치를 이용한 연속 공정은 공정 조작의 형태에 따라 반응열의 제어가 간편하고, 순환흐름의 조절을 통해 전환율의 제어가 간편하여, 여러 가지 단량체를 이용한 중합반응이나 에테르 반응에 유용하게 사용할 수 있다.

이하, 본 발명의 구체적인 구현예 및 실시예를 통하여 발명의 구성 및 효과를 보다 상세히 설명하기로 한다. 그러나 하기의 구현예 및 실시예는 발명을 보다 명확하게 이해시키기 위한 것일 뿐이며, 발명의 권리범위가 하기 구현예 및 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연속 반응 장치를 도시한 것이다. 상기 연속 반응 장치(100)는 a) 1종 이상의 반응물 공급부(12)와 회전축(14)을 중심으로 회전 가능하게 연결되어 있고, 상기 반응물 공급부로부터 공급된 반응물의 반응이 진행되는 스피닝 디스크(16)와 상기 디스크 상에서 반응된 생성물을 수집하는 생성물 배출구(20)와 상기 디스크를 회전시키기 위한 구동부(예를 들면, 모터)(18)를 포함하는 스피닝 디스크 반응장치; b) 상기 스피닝 디스크 반응장치의 생성물 배출구와 연결된 미반응물을 분리하기 위한 컬럼(30); c) 상기 컬럼과 연결되어 미반응물을 상기 스피닝 디스크 반응장치의 반응물 공급부에 공급하기 위한 순환로(40); 및 d) 상기 컬럼과 연결되어 컬럼을 통해 미반응물과 분리된 생성물을 수집하기 위한 생성물 수집부(50)를 포함한다.

한편, 상기 구현예에 따른 연속 반응 장치는 연속 공정 또는 연속 순환 공정을 선택적으로 진행 하기 위해 순환로를 차단하는 밸브(42)를 추가로 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 밸브(42)는 순환로(40)와 컬럼(30) 사이에 설계될 수 있다. 공정 설계의 필요에 따라 미반응물을 연속공정의 반응물 공급부로 추가 시킬 필요가 없는 경우에 밸브를 잠구어 순환로를 차단하여 사용할 수 있다. 바람직하게는 스피닝 디스크 상에서 짧은 시간의 체류 시간 만으로도 원하는 전환율을 얻을 수 있는 공정에서 유용하게 사용될 수 있다.

한편, 상기 일구현예에 의한 연속 반응 장치는 스피닝 디스크가 동일한 회전 축을 중심으로 상단에서 하단으로 2 내지 10개 수직 배열된 형태일 수 있다. 특히, 전환율이 낮고 반응 표면적과 반응물의 잔류시간을 증가시켜 미반응물의 양을 최소화하고자 하는 경우에 설계될 수 있다. 이때, 스피닝 디스크 상에서 반응된 생성물 및 미반응된 반응물을 이동시키기 위한 경로를 제공하는 각 스피닝 디스크 하단에 구비된 가이드 부재가 추가로 구비될 수 있다.

특히 상기의 다단의 스피닝 디스크를 포함하는 연속 반응 장치의 경우, 스피닝 디스크 개수에 따라 원하는 전환율을 달성할 수 있는 경우, 운전시 밸브(42)를 잠구어 순환되는 미반응물의 공급 없이 사용될 수 있다.

또한, 상기 구현예에 따른 연속 반응 장치는 스피닝 디스크 표면에 1개 이상의 반응물 배출구를 포함할 수 있다. 1 개 이상의 반응물 배출구를 포함하는 연속 반응 장치의 스피닝 디스크의 횡단면은 도 2에 도시되어 있다. 반응물 배출구를 포함하는 연속 반응 장치의 경우, 공급되는 액체 반응물이 스피닝 디스크 상에서 얇게 필름층을 이루어, 유효반응면적이 넓게 되어 반응물의 반응속도 및 전환율을 높게 할 수 있다. 바람직하게는 상기 스피닝 디스크의 반응물 배출구는 상기 스피닝 디스크 중심을 기준으로 2개의 동심원 형태로 배열되어 있고, 이중 하나의 동심원 형태로 배열된 반응물 배출구는 상기 디스크의 중심으로부터 디스크 반경의 1/3 되는 거리만큼 이격되어 있고, 다른 하나의 동심원 형태로 배열된 반응물 배출구는 상기 디스크중심으로부터 디스크 반경의 2/3 되는 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다.

일 구현예에 따른 연속 반응 장치는 스피닝 디스크 표면에 촉매층, 개시제 또는 이들의 혼합물이 코팅될 수 있다. 이때 코팅되는 촉매는 중합반응의 경우 통상의 금속촉매 또는 금속담지 촉매를 포함할 수 있고, 그 종류가 특별히 한정되지 않는다. 또한, 개시제일 경우, 중합반응에 사용되는 통상의 중합반응 개시제가 사용될 수 있다. 또한 코팅두께는 반응을 진행할 수 있는 정도면 특별히 한정되지 않는다.

또한, 연속 반응 장치의 스피닝 디스크 표면에 촉매코팅층을 고정시키기 위한 메쉬 캡을 포함할 수 있다. 촉매코팅층을 고정시키기 위한 메쉬 캡을 사용하면, 반응에 사용된 촉매를 교환하여 내부 디스크의 재사용을 가능하게 한다.

촉매를 고정시키는 것이 불가능하거나, 촉매나 반응물이 접착제와 반응성을 보이는 경우, 혹은 소성에 의한 성형이 어려운 촉매를 사용해야 하는 경우에는 디스크 표면에 홈 또는 돌기를 형성할 수 있다. 이때, 스피닝 디스크 표면의 홈 또는 돌기는 회전돌기 형태, 원형태, 또는 불규칙 나선형태를 포함한다. 상기와 같이 홈 또는 돌기가 형성된 디스크의 실제 사용시에는 홈 또는 돌기에 촉매를 채워서 사용할 수 있다.

상기의 구현예들에 의한 연속 반응 장치에 있어서, 컬럼은 생성물 배출구로 배출된 미반응물과 생성물의 분리를 위한 것으로서, 분리를 위한 고정상이 패킹된 베드 형태일 수 있다. 이때, 컬럼 안에 패킹되는 고정상은 미반응물과 최종생성물에 따라 고정상의 통과 간격이 넓은 것이면 어느 것이든 구성의 한정 없이 선택될 수 있다

한편, 본 발명은 또 다른 구현예에 따라 상기의 반응 장치를 이용한 연속 반응 공정을 제공한다. 상기 공정은 적어도 한 종류의 액체 반응물을 포함하는 반응의 연속 공정으로, 상기 반응물 공급부로 적어도 한 종류의 액체 반응물을 공급하고, 상기 반응 장치의 구동부를 작동하여 상기 스피닝 디스크를 회전시키면서 상기 반응물 공급부로부터 스피닝 디스크 상에 액체 반응물을 공급해 반응을 진행하고, 상기 디스크 상의 반응을 거친 미반응물과 생성물이 생성물 배출구로 배출하고, 상기 생성물 배출구로 배출된 미반응물과 생성물을 컬럼을 거쳐 분리하고, 분리된 미반응물은 상기 순환로를 통해 반응물 공급부로 공급하고, 분리된 생성물은 생성물 수집부로 수집하는 과정을 포함한다.

상기와 같은 연속 공정은 스피닝 디스크 상의 짧은 체류 시간 동안에 원하는 전환율의 반응을 얻을 수 없을 때, 유용하게 쓰일 수 있다. 즉, 미반응물을 분리 후 다시 반응을 시키기 위해서는 시간적인 간격이 소요되지만, 상기 구현예에 의한 연속 공정의 경우, 계속적으로 미반응물이 순환로를 통해 반응물 공급부로 순환됨으로서, 전체 공정 내내, 전환율이 1 로 유지될 수 있다. 따라서, 같은 원리로 반응열이 지나치게 높아, 아주 짧은 시간 밖에 디스크 상에서 반응시켜 운전할 수 밖에 없는 반응의 경우 최종 전환율을 높이기 위해, 가급적 스피닝 디스크 상에서의 체류 시간을 짧게 운전하고, 미반응물은 컬럼을 통해 거치면서, 자연히 열이 식게 되고, 순환로를 통해 다시 반응물 공급부로 공급되어 궁극적으로 연속 공정의 전환율 1을 달성할 수 있게 된다.

따라서, 상기 연속 공정은 스피닝 디스크 반응 장치를 이용하면서, 체류 시 간을 짧게 운전할 수 밖에 없었던 반응이나, 단순 공정을 통해서는 원하는 전환율을 얻을 수 없었던 반응에 유용하게 적용될 수 있다.

따라서, 상기 연속 공정은 중합반응 또는 에테르화 반응에서 선택되는 어느 하나의 반응에 적용될 수 있다. 이 때, 상기 중합반응은 액상중합반응, 기상중합반응 또는 자유라디칼 중합반응을 포함할 수 있고, 그 반응 종류가 특별히 한정되지 않는다. 예를 들면, 에테르화 반응의 경우 적어도 하나의 올레핀과 알코올을 반응물질로 하여 상기 반응물 공급부로 공급한 후, 상기 디스크 상의 반응을 거친 미반응물과 생성물이 생성물 배출구로 배출되고, 배출구로 배출된 미반응물과 생성물을 컬럼을 거쳐 분리되고, 분리된 미반응물은 상기 순환로를 통해 반응물 공급부로 공급되고, 분리된 최종 생성물은 수집부로 수집되어, 연속 공정을 통해 전환율이 1이 유지될 수 있다. 이때 상기 스피닝 디스크 표면은 제올라이트 촉매가 코팅된 형태일 수 있다. 또한, 상기 올레핀은 탄소수 2 내지 4의 알켄 또는 알킨일 수 있고, 알코올은 탄소수 1 내지 8의 저급알코올일 수 있다. 또한, 상기 연속 공정에서 자유라디칼 중합반응을 진행하는 경우, UV 광원을 제공하기 위한 램프가 더 연속 반응 장치에 추가로 구비될 수 있다.

보다 구체적인 실시예에 따라 상기 연속 공정은 메탄올 및 이소부틸렌(isobutylene)을 반응물로 하여, 메틸 터셔리 부틸 에테르(Methyl tert-butyl ether;MTBE)를 생성하는 반응에 응용될 수 있다. 이때, 상기 반응의 촉진을 위해 MTBE 제조공정에 쓰일 수 있는 촉매가 스피닝 디스크 상에 코팅된 형태로 공정이 진행될 수 있다. 이 때 상기 촉매는 산 양이온 교환수지(acid cation exchange resin) 촉매가 코팅될 수 있다.

한편, 상기 연속 공정은 순환로를 차단하는 밸브를 잠구어 미반응물의 순환 흐름이 없이 연속하여 반응을 진행할 수 있다. 일 회의 공정을 통해서도 원하는 전환율을 얻을 수 있는 반응에 유용하게 적용될 수 있다.

한편, 상기 연속 공정에 있어서, 스피닝 디스크의 회전 속도는 중력가속도의 1 내지 100배(즉, G = 1 내지 100)가 되도록 디스크의 반지름에 따라 아래 식에 따라 결정한다.

[식 1]

디스크의 회전속도는 디스크의 반지름 외에도 반응 장치에 적용되는 반응의 종류, 반응물 및 생성물의 물성, 디스크 표면에 코팅된 촉매 또는 개시제의 물성, 반응시간 등에 따라 조절될 수 있다.

상기 연속 공정에서 반응물의 투입은 디스크 표면에서의 체류시간을 고려하여 결정하며, 반응물의 디스크 표면 체류시간은 0.1 초 내지 1 초가 바람직하다.

도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 연속 반응 장치의 종단면을 간략히 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 연속 반응 장치에 있어서, 스피닝 디스크 표면에 반응물 배출구를 포함하는 스피닝 디스크의 횡단면을 간략히 도시한 것이다.

<도면의 간단한 설명>

100 : 연속 반응 장치

10 : 반응기 12 : 반응물 공급부

14 : 회전축 16 : 스피닝 디스크

17 : 반응물 배출구

18 : 구동부

20 : 생성물 배출구

30 : 컬럼

40 : 순환로 42 : 밸브

50 : 생성물 수집부

Claims (16)

1. a) 1종 이상의 반응물 공급부와

   회전축을 중심으로 회전 가능하게 연결되어 있고, 상기 반응물 공급부로부터 공급된 반응물의 반응이 진행되는 스피닝 디스크와

   상기 디스크 상에서 반응된 생성물을 수집하는 생성물 배출구와

   상기 디스크를 회전시키기 위한 구동부를 포함하는 스피닝 디스크 반응장치;

   b) 상기 스피닝 디스크 반응장치의 생성물 배출구와 연결된 미반응물을 분리하기 위한 컬럼;

   c) 상기 컬럼과 연결되어 미반응물을 상기 스피닝 디스크 반응장치의 반응물 공급부에 공급하기 위한 순환로; 및

   d) 상기 컬럼과 연결되어 컬럼을 통해 미반응물과 분리된 최종 생성물을 수집하기 위한 생성물 수집부를 포함하는 연속 반응 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 연속 공정 또는 연속 순환 공정을 선택적으로 진행하기 위해 순환로를 차단하는 밸브를 추가로 포함하는 연속 반응 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스피닝 디스크는 동일한 회전축을 중심으로 상단에서 하단으로 2 내지 10 개 수직 배열된 것인 반응 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 스피닝 디스크는 디스크 표면에 1개 이상의 반응물 배출구를 포함하는 것인 반응 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 스피닝 디스크는 내부에 또 다른 반응에 이용하기 위한 내부 디스크를 포함하는 것인 반응 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 스피닝 디스크는 디스크 표면에 촉매층, 개시제 또는 이들의 혼합물이 코팅된 것인 반응 장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 스피닝 디스크는 표면에 촉매코팅층을 고정시키기 위한 메쉬 캡을 포함하는 것인 반응 장치.
8. 제 1항에 있어서, 상기 컬럼은 미반응물 및 최종 생성물의 분리를 위한 고정상이 패킹된 것인 반응장치.
9. 제 1 항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 반응 장치를 이용하여 행하는 적어도 한 종류의 액체 반응물을 포함하는 반응의 연속 공정으로,

   상기 반응물 공급부로 적어도 한 종류의 액체 반응물을 공급하고,

   상기 반응 장치의 구동부를 작동하여 상기 스피닝 디스크를 회전시키면서 상기 반응물 공급부로부터 스피닝 디스크 상에 액체 반응물을 공급해 반응을 진행하고,

   상기 디스크 상의 반응을 거친 미반응물과 생성물이 생성물 배출구로 배출하고,

   상기 생성물 배출구로 배출된 미반응물과 생성물을 컬럼을 거쳐 분리하고,

   분리된 미반응물은 상기 순환로를 통해 반응물 공급부로 공급하고,

   분리된 생성물은 생성물 수집부로 수집하는 과정을 포함하는 연속 공정.
10. 제 9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 액체 반응물을 포함하는 반응은 중합반응 또는 에테르화 반응에서 선택되는 어느 하나인 연속 공정.
11. 제 9항에 있어서, 상기 중합반응은 액상중합반응, 기상중합반응 또는 자유라디칼 중합반응을 포함하는 것인 연속 공정.
12. 제 9항에 있어서, 상기 에테르화 반응은 메탄올 및 이소부틸렌(isobutylene)을 반응물로 하여, 메틸 터셔리 부틸 에테르(Methyl tert-butyl ether;MTBE)를 생성하는 것인 연속 공정.
13. 제 12 항에 있어서, 상기 스피닝 디스크 표면에 산 양이온 교환수지 촉매를 코팅하여 진행되는 연속 공정.
14. 제 9 항에 있어서, 순환로를 차단하는 밸브를 잠구어 미반응물의 순환 흐름이 없이 연속하여 반응을 진행하는 연속 공정.
15. 제 9항에 있어서, 상기 스피닝 디스크는 하기 계산식 1에 따른 G가 1 내지 100배가 되는 회전 속도로 동일 회전축을 중심으로 회전하는 것인, 연속 공정.

    [계산식 1]

    

    상기 식에서, G는 중력가속도의 배수이고, r은 디스크의 반지름(m)이고, rpm은 회전속도(회/분)이다.
16. 제 9항에 있어서, 상기 반응물의 스피닝 디스크 표면 체류시간은 0.1 초 내지 1 초인 연속 공정.

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