KR20110089367A - 코얼레서를 통한 액체-액체 분리 공정 - Google Patents
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Abstract
탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 공정은 탄화수소보다 이온성 액체에 대해 더 강한 친화성을 갖는 코얼레서 물질을 사용한다. 코얼레서 물질은 탄화수소 중에 분산된 이온성 액적이 접착할 수 있는 다량의 접촉 면적을 갖는 높은 표면적 물질일 수 있다. 본 공정은 탄화수소 중에 분산된 이온성 액적을 포함하는 혼합물을 코얼레서 물질을 포함하는 코얼레서에 공급함을 포함한다. 본 공정은 이온성 액적의 적어도 일부를 코얼레서 물질에 접착시켜 포착된 액적을 제공함을 포함하는 포착단계, 및 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체함을 포함하는 합체 단계를 포함한다. 포착 및 합체 단계 후에, 상기 합체된 액적은 코얼레서 물질로부터 이탈하여 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하고 탄화수소 유출물을 제공한다.
Description
본 발명은 코얼레서(coalescer)를 사용하여 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 공정에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 코얼레서를 사용하여 탄화수소(예, 이온성 액체 촉매에 의해 촉매화된 알킬화 반응 중에 생성된 생성물)로부터 이온성 액체 촉매를 제거하는 것에 관한 것이다.
미국특허출원 공개번호 제2006/0131209호(이하 "209호 공보")에 기술되어 있는 알킬화 공정은 이온성 액체 촉매의 존재 하에 이소파라핀, 바람직하게 이소펜탄을 올레핀, 바람직하게 에틸렌과 접촉시켜 가솔린 블렌딩 성분을 제조하는 단계를 포함한다. 상기 209호 공보의 내용은 그 전문을 본 명세서에 인용하여 포함한다.
이온성 액체 촉매는 올레핀으로 이소파라핀의 알킬화 및 올레핀의 중합과 같이 경 파라핀과 경 올레핀을 더욱 유리한 생성물로 전환하는 통상적인 공정과 본 신규한 알킬화 공정을 차별화시킨다. 예를 들면 알킬레이트 이소부텐을 C3-C5올레핀으로 알킬화시켜 높은 옥탄가를 갖는 가솔린 컷(gasoline cut)을 만들기 위하여 더욱 광범위하게 사용되는 공정의 두 가지는 황산(H2SO4) 및 불화수소산(HF) 촉매를 사용한다.
상기 209호 공보에 기술된 알킬화 공정에 특히 유용한 이온성 액체 촉매는 여기에 그 전문을 인용하여 포함하는 미국특허출원 공개 제2006/0135839호 ("839호 공보")에 기술되어 있다. 이러한 촉매는 하이드로카빌 치환된 피리디니움 할라이드 및 알루미늄 트리클로라이드 또는 하이드로카빌 치환된 이미다졸리움 할라이드 및 알루미늄 트리클로라이드를 포함하는 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매를 포함한다. 이러한 촉매는 알킬 치환된 피리디늄 할라이드 및 알루미늄 트리클로라이드 또는 알킬 치환된 이미다졸리움 할라이드 및 알루미늄 트리클로라이드를 포함하는 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매를 포함한다. 바람직한 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매는 1-부틸-4-메틸-피리디니움 클로로알루미네이트 (BMP), 1-부틸-피리디늄 클로로알루미네이트 (BP), 1-부틸-3-메틸-이미다졸리움 클로로알루미네이트 (BMIM) 및 1-H-피리디늄 클로로알루미네이트 (HP)를 포함한다.
그러나 이온성 액체 촉매는 독특한 성질을 가지며, 우수한 가솔린 블렌딩 성분 생성물, 개량된 공정 조작성 및 신뢰성, 감소된 조작 비용 등을 달성하기 위하여 이온성 액체 촉매화 알킬화 공정을 더욱 개발하고 개선할 필요가 있다.
이온성 액체 촉매화 알킬화 후에 탄화수소 상으로부터 이온성 액체를 제거하는 효과적이고 효율적인 공정이 필요하다. 일반적으로, 본 공정은 탄화수소의 밀도가 이온성 액체의 밀도보다 더 작은 경우 탄화수소로부터 이온성 액체 촉매가 아닌 임의의 이온성 액체를 분리하는데 사용하기에 충분히 간단하고 효율적이어야 한다.
본 발명은 코얼레서(coalescer)를 사용하여 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 공정을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 명세서에는 코얼레서를 사용하여 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 공정이 기술된다.
하나의 구체예에서, 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 공정은 (a) 탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급하는 단계로서, 상기 탄화수소는 그 내부에 분산된 이온성 액적(liquid droplets)을 가지며, 또한 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며; (b) 상기 이온성 액적의 적어도 일부를 상기 코얼레서 물질에 접착시켜 포착된 액적을 제공하는 단계; (c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계; 및 (d) 상기 합체된 액적을 상기 코얼레서 물질로부터 합체된 액적을 이탈시켜 상기 탄화수소로부터 상기 이온성 액적을 분리하여 탄화수소 유출물을 제공하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 코얼레서 물질은 상기 탄화수소보다 이온성 액체에 대해 더 강한 친화성을 갖는다.
또 다른 구체예에서, 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 공정은 (a) 탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급하는 단계로서, 상기 탄화수소는 그 내부에 분산된 이온성 액적을 가지며, 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며; (b) 상기 이온성 액적의 적어도 일부를 상기 코얼레서 물질에 접착시켜 포착된 액적을 제공하는 단계; (c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계; (d) 상기 합체된 액적을 침전시켜 이온성 액체 층을 제공하는 단계; (e) 상기 코얼레서로부터 상기 이온성 액체층을 제거하는 단계; 및 (f) 상기 코얼레서로부터 상기 탄화수소를 제거하여 탄화수소 유출물을 제공하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 코얼레서 물질은 상기 탄화수소보다 이온성 액체에 대해 더 강한 인력(attraction)을 갖는다.
본 명세서에 기술되는 바와 같은 분리 공정은 이온성 액체 촉매를 재생하는 공정 및 알킬화 공정에 이용할 수 있다. 따라서 이온성 액체 촉매를 재생하는 공정 및 알킬화 공정이 또한 기술된다.
이온성 액체 촉매를 재생하는 공정은 (a) 소모 이온성 액체 촉매(spent ionic liquid catalyst) 및 탄화수소를 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급하는 단계로서, 상기 탄화수소는 그 내부에 분산된 소모 이온성 액적을 가지며, 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며; (b) 상기 소모 이온성 액체 촉매의 적어도 일부를 상기 코얼레서 물질에 접착시켜 포착된 액적을 제공하는 단계; (c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계; (d) 상기 합체된 액적을 침전시켜 소모 이온성 액체 촉매 층을 제공하는 단계; (e) 상기 코얼레서로부터 상기 소모 이온성 액체 촉매 층을 제거하여 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 제공하는 단계; (f) 상기 코얼레서로부터 상기 탄화수소를 제거하여 탄화수소 유출물을 제공하는 단계; 및 (g) 상기 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 재생시켜 재생된 이온성 액체 촉매를 제공하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 코얼레서 물질은 상기 탄화수소보다 상기 소모 이온성 액체 촉매에 대해 더 강한 인력을 갖는다.
알킬화 공정은 (a) 이온성 액체 촉매의 존재 하에 알킬화 반응을 수행하여 알킬화 생성물 및 소모 이온성 액체 촉매를 제공하는 단계; (b) 상기 소모 이온성 액체 촉매 및 상기 알킬화 생성물을 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급하는 단계로서, 상기 알킬화 생성물은 그 내부에 분산된 소모 이온성 액체 촉매를 가지며, 또한 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며; (c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계; (d) 상기 합체된 액적을 침전시켜 소모 이온성 액체 촉매 층을 제공하는 단계; (e) 상기 코얼레서로부터 상기 소모 이온성 액체 촉매 층을 제거하여 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 제공하는 단계; (f) 상기 코얼레서로부터 상기 알킬화 생성물을 제거하여 알킬화 유출물을 제공하는 단계; (g) 상기 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 재생시켜 재생 이온성 액체 촉매를 제공하는 단계 및 (h) 상기 재생 이온성 액체 촉매를 상기 알킬화 반응 단계(a)로 재순환시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 코얼레서 물질은 상기 알킬화 생성물보다 소모 이온성 액체 촉매에 대해 더 강한 인력을 갖는다.
다른 인자 중에서, 본 명세서에 기술된 바와 같은 분리공정은 탄화수소의 벌크 상(bulk phase)에 이온성 액적의 거의 안정한 에멀션의 분리를 가능하게 한다. 여기에서 사용되는 용어 "거의 안정한 에절션"(near stable emulsion)은 상기 벌크 상에 분산된 액적이 충분히 작고 중력으로 에멀션을 분리하는데 약 8 내지 약 12시간 걸리는 에멀션을 언급한다. 본 분리공정은 또한 이온성 액체/탄화수소 에멀션으로부터 더욱 빠르게 분리하는 이온성 액적의 분리를 가능하게 한다. 거의 안정한 에멀션을 형성하는 이온성 액적 및 매우 빠르게 분리하는 이온성 액적은 둘 다 적정한 량의 시간 내에 탄화수소 벌크 상으로부터 분리할 수 있다. 거의 안정한 에멀션을 형성하는 이온성 액적 및 매우 빠르게 분리하는 이온성 액적의 경우, 이러한 량의 시간은 중력 경사분리(gravity decantation)에 의해 가능한 이온성 액체/탄화수소의 분리에 필요한 량의 시간보다 더 적다.
도 1은 연속으로 배열된 다중 단계를 갖는 코얼레서를 사용하여 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 여기에 기술된 공정의 대략적인 예시도이다.
도 2는 평행하게 배열된 다중 단계를 갖는 코얼레서를 사용하여 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 여기에 기술된 공정의 대략적인 예시도이다.
도 3은 실시예 1에서 생성된 탄화수소-이온성 액체 에멀션의 액적 크기 분포를 도시하는 그래프이다.
도 4는 실시예 1에서 생성된 탄화수소-이온성 액체 에멀션을 분리하기 위한 실시예 3에서 사용된 장치의 대략적인 예시도이다.
도 2는 평행하게 배열된 다중 단계를 갖는 코얼레서를 사용하여 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 여기에 기술된 공정의 대략적인 예시도이다.
도 3은 실시예 1에서 생성된 탄화수소-이온성 액체 에멀션의 액적 크기 분포를 도시하는 그래프이다.
도 4는 실시예 1에서 생성된 탄화수소-이온성 액체 에멀션을 분리하기 위한 실시예 3에서 사용된 장치의 대략적인 예시도이다.
탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 공정
가장 넓은 측면에서, 본 공정은 코얼레서 중의 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 것을 포함한다. 코얼레서는 당해 분야에서 두 개의 액체의 분리를 촉진하는 용기로 알려져 있다. 이것은 코얼레서 매체를 사용하여 액체의 중력 침전을 강화한다. 그리하여 코얼레서 중에서 액체 분리는 중력 디캔터(gravity decanter) 중에서 액체 분리보다 훨씬 더 빠르다. 코얼레서는 탄화수소 상에서 현탁된 이온성 액적을 분리하는데 성공적으로 사용할 수 있는 것으로 밝혀졌다.
본 공정에서 사용되는 코얼레서는 탄화수소보다 이온성 액체에 대해 더 강한 친화성을 갖는 코얼레서 물질을 함유한다. 따라서 이온성 액체는 코얼레서 물질에 우선적으로 접착한다.
본 공정에 따르면, 탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급한다. 이온성 액체는 탄화수소 벌크 상에 분산된 액적의 형태이다. 코얼레서 내부에서, 이온성 액적은 코얼레서 물질에 접근하여 접착된다. 코얼레서 물질에 접착된 액적은 여기서 "포착된 액적"(captured droplet)으로 언급된다. 더욱더 포착된 액적은 코얼레서 물질 상에 축적하기 때문에, 이들은 그의 계면 에너지를 최소화하기 위하여 더 큰 액적으로 인력에 의해 합체한다 (즉, 통합 또는 결합한다). 코얼레서 물질에 아직도 부착된 이온성 액체의 이들 큰 액적은 여기에서 "코알레스화 액적"(coalesced droplet)으로 언급된다. 이들의 더 큰 크기 때문에, 합체된 액적이 결국 코얼레서 물질로부터 분리되어 이탈한다. 이러한 분리 및 이탈은 이온성 액체를 탄화수소로부터 분리시킴으로써 탄화수소 유출물을 제공한다.
따라서, 가장 넓은 측면에서, 본 공정은 (a) 탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급하는 단계로서, 상기 탄화수소는 그 내부에 분산된 이온성 액적을 가지며, 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며; (b) 상기 이온성 액적의 적어도 일부를 상기 코얼레서 물질에 접착시켜 포착된 액적을 제공하는 단계; (c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계; 및 (d) 상기 합체된 액적을 코얼레서 물질로부터 이탈시켜 상기 탄화수소로부터 상기 이온성 액적을 분리하여 탄화수소 유출물을 제공하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 코얼레서 물질은 탄화수소보다 이온성 액체에 대해 더 강한 친화성을 갖는다.
일반적으로, 상기 합체된 액적은 중력에 의해 탄화수소 벌크상을 통과하여 코얼레서의 바닥에서 이온성 액체 층을 형성하는 코얼레서의 바닥부분에 침전한다. 탄화수소 벌크 부분은 이러한 이온성 액체 층의 상부에 체류한다. 따라서 본 공정의 추가 양상에 따르면, 이탈된 코알레스화 액적은 이온성 액체 층을 제공한다. 다음에 이러한 이온성 액체 층은 코얼레서로부터 제거할 수 있다. 유사하게, 탄화수소는 코얼레서로부터 제거하여 탄화수소 유출물을 제공할 수 있다.
따라서, 또 다른 면에서 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 공정은 (a) 탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급하는 단계로서, 상기 탄화수소는 그 내부에 분산된 이온성 액적을 가지며, 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며; (b) 상기 이온성 액적의 적어도 일부를 상기 코얼레서 물질에 접착시켜 포착된 액적을 제공하는 단계; (c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계; (d) 상기 합체된 액적을 침전시켜 이온성 액체 층을 제공하는 단계; (e) 상기 코얼레서로부터 상기 이온성 액체층을 제거하는 단계; 및 (f) 상기 코얼레서로부터 상기 탄화수소를 제거하여 탄화수소 유출물을 제공하는 단계를 포함하며, 여기서 상기 코얼레서 물질은 탄화수소보다 상기 이온성 액체에 대해 더 강한 인력을 갖는다.
본 명세서에 기술된 공정은 이온성 액체 촉매를 촉매로서 사용하는 임의의 공정으로 재순환하기 위해 이온성 액체 촉매를 회수하는데 유용하다. 이온성 액체를 탄화수소로부터 분리한 후, 임의의 반응공정, 예를 들면 알킬화 공정으로 복귀할 수 있다.
이온성 액체 촉매의 독특한 특성 중의 하나는 통상적인 황산 및 불화수소산 촉매보다 알킬화 반응을 촉매화하는데 있어서 훨씬 높은 활성이다.
통상적인 알킬화 공정에서는, 비교적 낮은 촉매 활성 때문에, 다량의 산촉매, 예를 들면 50-60 용적%를 본 시스템에서 사용해야 한다. 그 결과, 산 촉매는 알킬화 반응기에서 연속 상을 형성하는 반면, 탄화수소 반응물 (즉 이소파라핀 및 올레핀)은 산 상에 현탁된 분산 상 또는 작은 액적을 형성한다. 이러한 액체-액체 분산에서, 촉매 연속상과 탄화수소 분산 상 사이의 큰 계면 면적은 통상적인 에멀션화 기술, 예를 들면 고속 교반 및 정적 혼합(static mixing)에 의해 달성할 수 있다.
반면, 이온성 액체 알킬화 공정에서, 훨씬 작은 량의 이온성 액체 촉매는 반응을 높은 선택성으로 촉매화할 필요가 있다. 통상, 5-10 용적%의 이온성 액체 촉매가 이소파라핀과 올레핀 사이의 반응을 촉매화 하는데 충분하다. 이러한 조건 하에, 탄화수소 상은 연속 상을 형성하는 반면, 이온성 액체는 탄화수소 상에 현탁된 분산 상 또는 작은 액적을 형성한다. 이러한 액체-액체 분산은 촉매와 탄화수소 상 사이에 고도로 친밀한 접촉을 필요로 한다. 요컨대 이온성 액체 및 탄화수소 상은 더 큰 알킬화 생성물 품질 및 반응 제어를 위해 이온성 액체와 탄화수소 상 사이의 친밀한 접촉을 달성하도록 에멀션화 시켜야 한다.
알킬화 후, 이온성 액체 및 탄화수소 상은 분리해야 하며, 그의 대부분은 알킬화 생성물이다. 이온성 액체와 탄화수소 상 사이의 큰 밀도 차 때문에, 이온성 액체는 일반적으로 중력 경사분리(gravity decantation)에 의해 탄화수소 상으로부터 분리할 수 있다. 그러나 중력 분리는 에멀션 중의 이온성 액적이 탄화수소 상으로부터 침전하고 적절한 량의 시간 내에 탄화수소 상으로부터 침전하도록 충분히 큰 경우에만 효율적이고 효과적이다. 이온성 액체 촉매화 알킬화 공정은 이온성 액체와 탄화수소 상 사이의 밀접한 접촉을 요구하기 때문에 이온성 액적의 일부는 거의 안정한 에멀션을 형성할 정도로 너무 작은 것으로 밝혀졌다.
따라서, 본 공정은 벌크 탄화수소 상에서 이온성 액체 촉매의 이러한 거의 안정한 에멀션을 분리하는데 특히 유용한 것으로 추가로 밝혀졌다.
본 명세서에 기술된 공정은 적어도 부분적으로 비활성화된 이온성 액체 촉매를 재생하는데 유용하다. 이러한 촉매는 "소모 이온성 액체 촉매"(spent ionic liquid catalyst)로서 언급된다. 소모 이온성 액체 촉매는 부분적으로 비활성화되거나 또는 완전히 비활성화될 수 있다.
이온성 액체 촉매는 탄화수소 예를 들면 알킬화 생성물을 생산하는데 사용할 수 있다. 소모 이온성 촉매를 재생 공정으로 처리하기 위하여, 소모 이온성 액체 촉매는 탄화수소로부터 효율적이고 효과적으로 분리해야 하며, 소모 이온성 액체 촉매에 의해 생산된다. 따라서 임의의 이온성 액체의 경우, 탄화수소 벌크 상에 분산된 소모 이온성 액체 촉매 액적을 갖는 혼합물은 코얼레서 물질를 포함하는 코얼레서에 공급된다. 상기 코얼레서에서, 포착 단계(capture step)는 소모 이온성 액체 촉매의 적어도 일부가 코얼레서 물질에 접착하여 포착된 액적을 제공하는 경우에 일어난다. 상기 논의한 바와 같이 코얼레서 물질은 소모 이온성 액체 촉매 액적이 탄화수소보다 코얼레서 물질에 더욱 용이하게 접착하도록 탄화수소보다 소모 이온성 액체 촉매에 대해 더 강한 인력을 갖는다. 다음에 코얼레서에서, 합체단계는 그의 계면 에너지를 최소화하기 위하여 소모 이온성 액체 촉매의 더 큰 합체된 액적 형태로 인력에 의해 합체(통합 또는 결합)하는 경우에 발생한다. 이어서 이들 합체된 액적은 코얼레서 물질로부터 분리 및 이탈한다. 이들은 탄화수소 상을 통하여 중력에 의해 침전하여 코얼레서 중에 소모 이온성 액체 촉매의 층을 제공한다. 벌크 탄화수소 상은 소모 이온성 액체 촉매 층의 상부에 층으로 체류한다. 이어서 이러한 소모 이온성 액체 촉매층은 코얼레서로부터 제거하여 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 제공할 수 있으며 또한 탄화수소는 코얼레서로부터 제거하여 탄화수소 유출물을 제공할 수 있다. 이러한 분리 후, 상기 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 재생하여 재생 이온성 액체 촉매를 제공할 수 있다.
추가적으로, 본 명세서에 기술된 공정은 알킬화 공정에 도입할 수 있다. 알킬화 공정은 알킬화 생성물을 생산하기 위해 이온성 액체 촉매를 필요로 할 수 있다. 그러나 이온성 액체 촉매는 알킬화 생성물의 벌크 상에서 액적으로 분산되게 체류하며 또한 이러한 알킬화 생성물로부터 분리할 필요가 있다. 알킬화 생성물 내에 분산된 이온성 액체 촉매는 소모 이온성 액체 촉매가 되도록 적어도 부분적으로 비활성화될 수 있다.
상기 공정을 알킬화 공정에 통합하는 경우, 알킬화 반응은 이온성 액체 촉매의 존재 하에 수행하여 알킬화 생성물 및 소모 이온성 액체 촉매를 제공할 수 있다. 임의의 이온성 액체의 경우, 알킬화 생성물의 벌크 상에 분산된 소모 이온성 액체 촉매 액적을 갖는 혼합물은 코얼레서 물질을 포함하는 코얼레서에 공급할 수 있다. 코얼레서에서, 포착단계는 소모 이온성 액체 촉매 액적의 적어도 일부가 코얼레서 물질에 접착하여 포착된 액적을 제공하는 경우에 발생한다. 상기 논의한 바와 같이, 코얼레서 물질은 소모 이온성 액체 촉매가 알킬화 생성물보다 코얼레서 물질에 더욱 용이하게 접착하도록 알킬화 생성물보다 소모 이온성 액체 촉매에 대해 더 강한 인력을 갖는다. 다음에 코얼레서에서, 합체단계는 그의 계면 에너지를 최소화하기 위하여 소모 이온성 액체 촉매의 더 큰 합체된 액적 형태로 인력에 의해 합체(통합 또는 결합)하는 경우에 발생한다. 이어서 이들 더 큰 합체된 액적은 코얼레서 물질로부터 분리 및 이탈한다. 이들은 알킬화 생성물을 통하여 중력에 의해 침전하여 코얼레서 중에 소모 이온성 액체 촉매의 층을 제공한다. 알킬화 생성물은 소모 이온성 액체 촉매 층의 상부에 층으로 체류한다. 이어서 이러한 소모 이온성 액체 촉매 층은 코얼레서로부터 제거하여 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 제공할 수 있으며 또한 알킬화 생성물은 코얼레서로부터 제거하여 알킬화 유출물을 제공할 수 있다. 이러한 분리 후, 상기 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 재생하여 재생 이온성 액체 촉매를 제공할 수 있으며, 이것은 다음에 알킬화 반응로 재순환된다.
이온성 액적
본 명세서에서 사용되는 용어 "이온성 액체"는 양이온 및 음이온의 조합으로서 전적으로 이온으로 이루어진 액체를 언급한다. 용어 "이온성 액체"는 저온 이온성 액체를 포함하며, 이것은 일반적으로 100℃ 이하의 융점 및 심지어 실온 이하의 융점을 갖는 유기 염이다.
이온성 액체는, 예를 들면, 알킬화 및 중합 반응에서뿐만 아니라 이량체화, 올리고머화, 아세틸화, 올레핀 상호교환 (olefin metathesis), 및 공중합 반응에서 촉매로서 사용하기에 적합할 수 있다. 본 구체예는 임의의 이온성 액체 촉매에 대하여 유용하다.
한 가지 종류의 이온성 액체는 융합된 염 조성물이며, 이들 조성물은 저온에서 용융되며 또한 촉매, 용매, 및 전해질로서 유용하다. 이러한 조성물은 성분들의 혼합물이며, 이들은 성분들의 개개 융점 이하의 온도에서 액체이다.
가장 통상적인 이온성 액체는 유기 기본 양이온 및 무기 또는 유기 음이온으로부터 제조된 것들이다. 가장 통상적인 유기 양이온은 암모늄 양이온이지만 포스포늄 및 설포늄 양이온이 또한 흔히 사용된다. 피리미디늄 및 이미다졸리움의 이온성 액체가 아마 가장 흔히 사용되는 양이온이다. 음이온은, 제한되지 않지만, BF4-, PF6-, 할로알루미네이트 예를 들어 Al2Cl7- 및 Al2Br7-, [(CF3SO2)2N]-, 알킬 설페이트 (RSO3 -), 카르복실레이트 (RCO2 -) 및 많은 다른 것을 포함한다. 산 촉매 반응을 위해 가장 촉매적으로 관심이 있는 이온성 액체는 암모늄 할라이드 및 루이스 산 (예를 들어 AlCl3, TiCl4, SnCl4, FeCl3 등)으로부터 유도된 것들이다. 클로로알루미네이트 이온성 액체는 산 촉매화 반응을 위해 가장 흔히 사용되는 이온성 액체 촉매 시스템이다.
이러한 저온 이온성 액체 또는 융융 융합된 염의 예는 클로로알루미네이트 염이다. 알킬 이미다졸리움 또는 피리미디늄 클로라이드는 예를 들면 알루미늄 트리클로라이드 (AlCl4)와 혼합하여 융합 클로로알루미네이트 염을 형성할 수 있다.
탄화수소 벌크 상에 존재하는 이온성 액적은 크기가 변할 수 있다. 본 공정의 한 구체예에서, 이온성 액적은 약 1 내지 약 1000 마이크론의 직경을 가질 수 있다. 또 하나의 구체예에서, 이온성 액적은 약 4 마이크론 내지 약 200 마이크론의 직경을 가질 수 있다. 또 다른 구체예에서, 이온성 액적은 약 50 마이크론 또는 그 이상의 직경을 가질 수 있다. 다른 구체예에서, 이온성 액적은 약 5 마이크론 또는 그 이상의 직경을 가질 수 있다.
액적 크기는 이온성 액체가 탄화수소 내에 분산되는 방식에 의존한다. 예를 들면, 이온성 액체가 이온성 액체 촉매인 경우, 일부 반응에서 이온성 액체는 연속으로 교반되는 탱크 반응기 (CSTR)에서 반응물과 접촉하여 탄화수소 생성물을 제공할 수 있다. 다른 반응의 경우, 이온성 액체는 노즐을 통하여 분산되어 반응물을 접촉할 수 있다. 노즐 분산은 일반적으로 CSTR에 존재하는 것보다 작은 이온성 액적을 제공한다. 실제로 CSTR에서 이온성 액적은 약 50 마이크론 이상의 직경을 가질 수 있는 반면, 노즐에 의해 생산된 이온성 액적은 약 5 마이크론 이상의 직경을 가질 수 있다.
이온성 액적은 구형일 수 있다. 그러나 이온성 액적, 특히 큰 이온성 액적은 구형이 아닐 수 있다. 따라서 여기서 사용되는 용어 "직경"(diameter)은 구형 액적의 직경 및 비구형 액적의 가장 긴 치수를 언급한다.
일반적으로, 이온성 액적은 코얼레서에 들어가는, 탄화수소와 이온성 액체를 포함하는 혼합물 0 내지 약 10 용적%를 포함할 수 있다. 하나의 구체예에서, 이온성 액적은 또한 코얼레서에 들어가는, 탄화수소와 이온성 액체를 포함하는 혼합물 약 1 내지 약 10 용적%를 포함할 수 있다.
하나의 구체예에서,상기 이온성 액체는 이온성 액체 촉매이다. 여기에 기술된 공정들은 알루미늄 클로라이드 등의 적어도 하나의 알루미늄 할라이드, 적어도 하나의 4급 암모늄 할라이드 및/또는 적어도 하나의 아민 할로하이드레이트, 및 적어도 하나의 구리 화합물을 포함하는 촉매 조성물을 사용할 수 있다. 이러한 촉매 조성물 및 그의 제조법은 미국특허 제5,750,455호에 기술되어 있으며, 그 전문을 본 명세서에 인용하여 포함한다.
대안적으로, 이온성 액체 촉매는 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매일 수 있다. 예를 들면, 이온성 액체 촉매는 피리디늄 또는 이미다졸리움 기본 클로로알루미네이트 이온성 액체일 수 있다. 이들 이온성 액체는 지방족 암모늄 클로로알루미네이트 이온성 액체 (예, 트리부틸-메틸-암모늄 클로로알루미네이트)보다 에틸렌과 이소펜탄의 알킬화에 훨씬 더 효과적인 것으로 밝혀졌다. 이온성 액체 촉매는 (1) 하기 화학식 A의 하이드로카빌 치환된 피리디늄 할라이드 및 알루미늄 트리클로라이드를 포함하는 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매 또는 (2) 하기 화학식 B의 하이드로카빌 치환된 이미다졸리움 할라이드 및 알루미늄 트리클로라이드를 포함하는 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매일 수 있다. 이러한 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매는 1 몰 당량의 하이드로카빌 치환된 피리디늄 할라이드 또는 하이드로카빌 치환된 이미다졸륨 할라이드를 2몰 당량의 알루미늄 트리클로라이드와 결합시켜 제조할 수 있다. 이온성 액체 촉매는 또한 (1) 하기 화학식 A의 알킬 치환된 피리디늄 할라이드 및 알루미늄 트리클로라이드를 포함하는 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매 또는 (2) 하기 화학식 B의 알킬 치환된 이미다졸리움 할라이드 및 알루미늄 트리클로라이드를 포함하는 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매일 수 있다. 이러한 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매는 1 몰 당량의 알킬 치환된 피리디늄 할라이드 또는 알킬 치환된 이미다졸리움 할라이드를 2몰 당량의 알루미늄 트리클로라이드와 결합시켜 제조할 수 있다.
[화학식 A]
[화학식 B]
상기 식에서,
R은 H, 메틸,에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 또는 헥실 그룹이며,
X는 할로알루미네이트이며,
R1 및 R2은 H, 메틸,에틸, 프로필, 부틸, 펜틸 또는 헥실 그룹이며, 여기서 R1 및 R2은 동일하거나 동일하지 않을 수 있다. 하나의 구체예에서 할로알루미네이트는 클로로알루미네이트이다.
이온성 액체 촉매는 또한 이들 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매의 혼합물일 수 있다. 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매의 예는 1-부틸-4-메틸-피리디늄 클로로알루미네이트 (BMP), 1-부틸-피리디늄 클로로알루미네이트 (BP), 1-부틸-3-메틸-이미다졸륨 클로로알루미네이트 (BMIM), 1-H-피리디늄 클로로알루미네이트 (HP), 및 N-부틸피리미디늄 클로로알루미네이트 (C5H5NC4H9Al2Cl7) 및 그의 혼합물이다.
금속 할라이드는 조촉매로서 사용하여 촉매 활성 및 선택성을 개량할 수 있다. 이러한 목적을 위해 흔히 사용되는 화합물은 본 명세서에 그 전문을 인용하여 포함하는 Roebuck and Evering (Ind. Eng. Chem. Prod. Res, Develop., Vol. 9, 77, 1970)에 발표된 바와 같은 NaCl, LiCl, KCl, BeCl2, CaCl2, BaCl2, SiCl2, MgCl2, PbCl2, CuCl, ZrCl4 및 AgCl를 포함한다. 특히 유용한 금속 할라이드는 CuCl, AgCl, PbCl2, LiCl, 및 ZrCl4이다. 또 다른 유용한 금속 할라이드는 AgCl3이다.
HCl 또는 임의의 브뢴스테드 산은 이온성 액체 기본 촉매의 전체 산성을 증가시킴으로써 촉매의 활성을 증강하는데 효과적인 공촉매로서 사용할 수 있다. 본 공정이 실시에 유용한 이러한 공촉매(co-catalyst) 및 이온성 액체 촉매의 사용은 미국 특허출원 공개 제2003/0060359호 및 제2004/0077914호에 기술되어 있으며, 이의 기술내용은 그 전문을 본 명세서에 인용하여 포함한다. 이온성 액체 촉매의 촉매 활성을 증강하는데 사용될 수 있는 다른 공촉매는 IVB 금속 화합물을 포함한다. 하나의 구체예에서, 상기 공촉매는 본 명세서에 그 전문을 인용하여 포함하는 Hirschauer 등의 미국특허 제6,028,024호에 기술된 바와 같은 TiCl3, TiCl4, TiBr3, ZrBr4, HfC4, 및 HfBr4, 등의 IVB 금속 할라이드를 포함한다.
탄화수소
코얼레서에 보내진 탄화수소는 생성물, 반응물, 또는 그의 혼합물일 수 있다. 예를 들면 탄화수소는 알킬화 생성물일 수 있다.
탄화수소 유출물
본 공정의 하나의 구체예에서, 탄화수소 유출물 (즉 이온성 액체로부터 분리 후 탄화수소)는 20ppm 이하의 이온성 액체를 포함한다. 또 하나의 구체예에서, 탄화수소 유출물은 40ppm 이하의 이온성 액체를 포함한다. 또 다른 구체예에서, 탄화수소 유출물은 10ppm 이하의 이온성 액체를 포함한다.
코얼레서 물질
코얼레서 물질은 탄화수소보다 이온성 액체에 대해 더 강한 인력을 갖는다. 코얼레서 물질의 표면 특성은 코얼레서 물질이 이온성 액체에 의해 완전히 습윤될 수 있도록 하여야 한다.
코얼레서 물질은 높은 비표면적을 갖는 것이 유리하며, 따라서 코얼레서 물질은 제거해야 하는 가정 작은 액적에 접근하는 크기의 구공 또는 개구를 가져야 한다. 높은 비표면적은 이온성 액적에 대해 더 많은 접촉 면적을 제공하여 이온성 액적이 코얼레서 물질에 접착하는 가능성을 증가시킨다. 따라서, 높은 비표면적은 또한 코알레스화 액적 형태로 증가된 수의 포착된 액적을 제공한다.
여기에 기술된 공정에 유용한 코얼레서 물질은 글래스 비이드, 스테인레스 스틸 금속 충전물, 섬유유리, 고분자 섬유, 세라믹 막, 및 그의 혼합물을 포함한다. 예를 들면, 코알레스 물질은 섬유유리일 수 있다. 섬유유리 및 고분자 섬유는 그의 높은 비표면적 때문에 특별히 효과적인 코얼레서 물질인 것으로 밝혀졌다.
체류 시간
본 명세서에 기술된 공정에서 이온성 액체/탄화수소 혼합물의 체류 시간(residence time)은 약 2시간 미만일 수 있다. 그러나 여기에 기술된 공정에서 이온성 액체/탄화수소 혼합물의 체류 시간은 또한 약 1분 내지 약 20분일 수 있다. 하나의 구체예에서, 여기에 기술된 공정에서 이온성 액체/탄화수소 혼합물의 체류 시간은 또한 약 1분 내지 약 7분일 수 있다.
체류 시간은 이온성 액적의 량 및 크기 및 코얼레서 물질의 비표면적에 의존한다. 높은 비표면적 물질 예를 들어 섬유유리 및 고분자 섬유는 더 적은 체류 시간을 필요로 할 것이다.
다중 단계
코얼레서 물질의 다중 단계(multiple stages)는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는데 사용할 수 있다. 다중 단계는 연속으로, 평행하게 또는 이들 둘 다로 배열할 수 있다.
연속으로 배열된 경우, 다중 단계의 각각은 상이한 유형의 콜알레서 물질 또는 동일 유형의 코얼레서 물질을 포함할 수 있다. 코얼레서 물질의 유형이 다양한 단계에서 변하는지 또는 동일하게 체류하는지 여부에 따라 다중 단계 각각의 코얼레서 물질은 상이한 크기의 구공 또는 개구를 가질 수 있다. 초기 단계에서 코얼레서 물질은 큰 액적을 포착하는데 적합한 크기의 구공 또는 개구를 가질 수 있다. 나중 단계에서, 코얼레서 물질은 작은 액적을 포착하는데 적합한 크기의 구공 또는 개구를 가질 수 있다. 또한, 특별한 단계에서 포착 및 코알레스화 된 이온성 액체의 일부는 이온성 액체/탄화수소 혼합물을 다음 단계로 보내기 전에 제거할 수 있다.
도 1은 연속으로 배열된 다중 단계를 갖는 여기에 기술된 공정의 구체예를 예시한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 탄화수소의 벌크 상에 분산된 이온성 액적을 갖는 혼합물 1은 코얼레서 10에 공급된다. 코얼레서는 코얼레서 물질의 여러 단계 2a, 2b, 2c를 포함한다. 혼합물은 먼저 단계 2a를 만난다. 단계 2a에서 이온성 액적의 적어도 일부의 포착 및 합체가 발생하여 포착 및 합체된 액적을 제공한다. 이온성 액체/탄화수소 혼합물 1a는 단계 2a를 나와 단계 2b에 들어가는 반면, 코알레스화 이온성 액적의 일부는 스트림 5a로서 이온성 액체/탄화수소 혼합물로부터 이탈한다. 단계 2b에서, 포착 및 합체되지 않은 이온성 액적의 적어도 일부의 포착 및 합체가 발생하여 추가적인 포착된 액적 및 합체된 액적을 제공한다. 이온성 액체/탄화수소 혼합물 1b는 단계 2b를 나와 단계 2c에 들어가는 반면, 코알레스화 이온성 액적의 일부는 스트림 5b로서 이온성 액체/탄화수소 혼합물로부터 이탈한다. 단계 2c에서, 포착 및 합체되지 않은 이온성 액적의 적어도 일부의 포착 및 합체가 발생하여 더욱 포착된 액적 및 합체된 액적을 제공한다.
단계 2a, 2b의 코얼레서 물질로부터 이탈하며 또한 스트림 5a 및 5b로서 이온성 액체/탄화수소 혼합물로부터 이탈하지 않은 코알레스화 액적은 물론, 단계 2c의 코얼레서 물질로부터 이탈하는 합체된 액적은, 탄화수소 및 이온성 액체의 스트림 1c에서 최종 단계로부터 나온다. 이러한 스트림 1c는 코얼레서의 침전 구역 6에 들어간다. 침전구역 6에서, 합체된 액적은 중력으로 인하여 탄화수소를 통하여 떨어져서 침전 구역의 바닥에서 이온성 액체 층 7로 침전한다. 스트림 5a 및 5b로부터 이온성 액체는 이온성 액체 층 7과 결합하며, 이는 코얼레서 10을 나와 이온성 액체 스트림 5c를 제공한다. 탄화수소는 침전 구역 6을 나와 탄화수소 유출물 4를 제공한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 코얼레서 10은 침전 구역 6에서 코얼레서 물질의 추가 단계 3을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 단계 3은 탄화수소 유출물 4에서 코얼레서 10을 나오는 것으로부터 단계 2a,2b,2c에서 포착 및 코알레스화 되지않은 임의의 이온성 액적을 방지하는데 유용하다. 이것은 단계 2a, 2b, 2c와 동일한 방식으로 이온성 액적을 포착 및 합체하는 작용을 한다.
평행하게 배열되는 경우, 다중 단계는 여기에 기술된 바와 같은 공정의 전체 용적을 증가시킬 수 있다.
도 2는 평행하게 배열된 다중 단계를 갖는 여기에 기술된 공정의 구체예를 예시한다. 도 2에 도시된 바와 같이 탄화수소의 벌크 상에서 분산된 이온성 액적을 갖는 혼합물 21은 코얼레서 20에 공급된다. 코얼레서 20은 평행하게 배열된 코얼레서 물질의 다중 단계 22a,22b를 포함한다. 도 2에서 다중 단계 22a, 22b은 제거해야 할 가장 작은 액적의 크기에 접근하는 구공 크기를 갖는, 세라믹 막, 고분자 섬유, 또는 섬유유리 등의 코얼레서 물질 29로부터 만든 다공성 파이프이다. 혼합물은 파이프 22a, 22b에 들어가서 파이프 벽을 통하여 진행하며, 여기서 이온성 액적은 코얼레서 물질 29에 의해 포착되어 합체된 액적 형태로 합체되는 포착된 액적을 제공한다. 이어서 합체된 액적을 포함하는 혼합물은 수직으로 위치하는 코얼레서 물질 28a, 28b을 향하여 파이프 22a, 22b 외측으로 유동한다. 예를 들면, 혼합물은 스트림 31에서 파이프 22a에 들어가며 스트림 32, 33에서 코얼레서 물질 29를 통하여 진행한다. 혼합물로부터 이온성 액적이 코얼레서 물질 29로 만든 파이드 22a의 벽에서 포착 및 합체된 후, 이온성 액체/탄화수소 혼합물 및 합체된 액적은 스트림 34, 35에서 파이프 22a 외측으로 유동한다. 스트림 34는 수직으로 위치한 코얼레서 물질 28b을 향하여 유동하며 또한 스트림 35는 수직으로 위치한 코얼레서 물질 28b를 향하여 유동한다. 탄화수소 상에서 혼입되는 추가적인 이온성 액적은 수직으로 위치한 코얼레서 물질 28a, 28b에서 포착 및 합체된다. 합체된 액적은 탄화수소 및 이온성 액체의 스트림 36, 37에서 수직으로 위치한 코얼레서 물질 28a, 28b로부터 나온다. 스트림 36, 37은 침전 구역 26에 들어가며 여기서 합체된 액적은 중력으로 인하여 탄화수소를 통하여 낙하하며 침전 구역의 바닥에서 이온성 액체 층 27에서 침전한다. 다공성 파이프로부터 합체된 이온성 액체의 더 큰 액적은 스트림 25a에서 이온성 액체/탄화수소 혼합물로부터 이탈한다. 스트림 25a로부터 이온성 액체는 이온성 액체 층 7과 결합하며, 이는 코얼레서 20을 나와서 이온성 액체 스트림 25b을 제공한다. 탄화수소는 침전 구역 26을 나와서 탄화수소 유출물 24를 제공한다.
도 2에 도시된 바와 같이 코얼레서 20은 침전 구역 26에서 코얼레서 물질의 추가 단계 23을 추가로 포함할 수 있다. 이러한 단계 23은 탄화수소 유출물 24에서 코얼레서 20을 나오는 것으로부터 수직으로 위치한 코얼레서 물질 28a, 28b 및 코얼레서 물질 29의 다공성 파이프에서 포착 및 합체되지 않은 임의의 이온성 액적을 방지하는데 유용하다. 이것은 수직으로 위치한 코얼레서 물질 28a, 28b 및 다공성 파이프 중의 코얼레서 물질 29와 동일한 방식으로 이온성 액적을 포착 및 합체하는 작용을 한다.
침전 구역
침전 구역(settling zone) 또는 침전구역(들)은 단일 단계를 갖는 코얼레서 또는 다중 단계를 갖는 코얼레서 중에 존재할 수 있다. 침전 구역은 낮은 와류(turbulence)을 갖는 파이프일 수 있다. 예를 들면, 이것은 낮은 와류를 갖는 파이프일 수 있다. 와류는 침전 구역에서 바람직하지 않은데, 그 이유는 합체된 액적을 파괴하여 과미세한 이온성 액적을 탄화수소 형태로 재분산함으로써, 본 공정의 목적을 방해할 수 있기 때문이다. 침전 구역은 코알레스화 액적이 중력에 의해 탄화수소의 벌크 상으로부터 침전할 수 있으며, 따라서 이들은 반응기를 나올 수 있는 영역을 제공한다. 일반적으로, 코알레스화 액적은 침전 구역의 바닥 부분에서 이온성 액체 층을 형성한다.
예비 여과
여기에 기술된 공정은 예비 여과 단계(pre-filteration step)를 추가로 포함할 수 있다. 이러한 여과 단계는 혼합물을 코얼레서로 공급하기 전에 탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 혼합물을 여과함을 포함한다. 이러한 예비 여과 단계는 혼합물로부터 고체 미립자를 제거하며 또한 하류 코얼레서가 충전(plugging) 또는 오염(fouling)되는 것을 방지한다. 고체 미립자를 제거하는데 유용하며 또한 적절한 구공 크기를 갖는 당해 분야에 알려진 어떠한 유형의 장치는 예비 여과 단계에서 사용할 수 있다. 예를 들면 셀프-크리링 필터, 카트리지 필터, 또는 가드 베드는 예비 여과 단계에서 사용할 수 있다.
다음 실시예들은 본 공정 및 그의 이점을 더욱 예시하기 위하여 제공된다. 이들 실시예는 단지 예시적인 것이며, 제한을 두지 아니한다.
실시예
실시예
1:
탄화수소
및
이온성
액체
상의
에멀션화
효과적인 알킬화 반응을 위해 공급물 탄화수소와 이온성 액체 촉매상 사이의 밀접한 접촉을 제공하기 위하여, 노즐이 장착된 냉유동 유닛이 사용되었다. 실험은 탄화수소로서 대략 90 용적%의 2,2,4-트리메틸 펜탄(TMP)를 또한 촉매상으로서 대략 10 용적%의 이온성 액체를 사용하는 주위 조건에서 수행하였다. 두 개의 가로막 펌프(diaphragm pump)를 사용하여 노즐을 통하여 관형 반응기 내로 탄화수소 및 촉매 상을 공급하였다. TMP로 충전된 관형 반응기의 상부에 설치된 이 노즐은 내부 혼합 챔버를 구비하였다. 탄화수소 및 촉매 공급물은 두 개의 별개의 입구로부터 공급되며, 내부 챔버에서 밀접하게 혼합하고, 미세 및 거의 안정한 에멀션을 생산하는 출구를 나왔다. 단독인 경우, 중력에 의해 자연적으로 분리된 에멀션은 매우 미세한 액적을 나타내면서 통상 완전히 분리하는데 8 내지 12시간을 걸리면서, 생산하였다. 거친 액적 크기 분포 측정은 크기 몇 마이크로미터의 액적의 생산을 확인하는 도 3에 도시된다.
실시예
2:
탄화수소
-
이온성
액체
에멀션
분리를
위한
하이드로
-
사이클론
실시예 1에서 논의된 바와 같은 스프레이에 의해 생산된 탄화수소-이온성 에멀션을 분리하기 위하여, 글래스 하이드로-사이클론을 사용하였다. 그러나 다량의 이온성 액적은 이 분리기에서 침전하였지만, 탄화수소는 상당량의 혼입된 액적을 함유하였다. 따라서 에멀션의 매우 비효율적인 분리가 있었다. 매우 흐린 탄화수소 유출물은 본 시스템이 고정 상태에 도달한 후에 얻어졌다.
실시예
3:
탄화수소
-
이온성
액체
에멀션
분리를
위한
3
단계
코얼레서
실시예 1에서 논의된 바와 같은 스프레이 노즐에 의해 생산된 탄화수소-이온성 에멀션을 분리하기 위하여, 도 4에 도시된 바와 같이, 각 단계가 상이한 물질로 충전된 3단계 코얼레서 장치를 사용하였다.
이러한 코얼레서 40의 각 단계는 직경 3 인치 및 길이 33인치를 갖는 글래스 파이프이며, 이는 약 5분의 체류 시간을 제공한다. 각 단계 41a, 41b, 41c는 직경 3 인치 및 길이 24 인치를 갖는 코얼레서 물질 42a, 42b, 42c를 포함하였으며, 따라서 단계 41a, 41b, 41c에서 약 9 인치의 침전 구역 43a, 43b, 43c를 이탈하였다. 이러한 침전 구역 43a, 43b, 43c는 코알레스화 이온성 액적을 하방으로 침전시키는데 필요하였다. 코얼레서 물질 42a, 42b, 42c는 코얼레서 물질 42a, 42b, 42c 내에 구공 또는 개구의 크기에 상관하지 않고 상당히 느슨하게 충전하였다. 그러나 구공 또는 개구의 대부분은 100 마이크론 이상이었다. 제1 단계 41a에서 코얼레서 물질 42a는 스테인리스 스틸인 반면, 제2 및 제3 단계 41b, 41c에서 코얼레서 물질 42b, 42c는 각각 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 및 파이버글래스이었다. 세 개의 단계 41a, 41b, 41c는 탄화수소가 세 개의 단계 41a, 41b, 41c를 연속적으로 통과하는 방식으로 배열하였다.
탄화수소-이온성 액체 에멀션은 파이프 44를 통하여 제1 단계 41a 내로 공급하였다. 합체된 액적은 침전 구역 43a에서 이온성 액체의 층 내로 침전되었으며, 이는 침전 구역 43a의 바닥으로부터 파이프 45를 통하여 연속적으로 배출하였다. 임의의 체류 이온성 액체를 포함하는 탄화수소는 제1 단계 41a를 나와서 파이프 46을 통하여 제2 단계 41b에 들어갔다. 합체된 액적은 침전 구역 43b에서 이온성 액체의 층 내로 침전하였으며, 이는 침전 구역 43b의 바닥으로부터 파이프 47을 통하여 연속적으로 배출하였다. 임의의 체류 이온성 액체를 포함하는 탄화수소는 제2 단계 41b를 나와서 파이프 48을 통하여 제3 단계 41c에 들어갔다. 합체된 액적은 침전 구역 43c에서 이온성 액체의 층으로 침전하였으며, 이는 침전 구역 43c의 바닥으로부터 파이프 49를 통하여 연속적으로 배출하였다. 임의의 체류 이온성 액체를 포함하는 탄화수소는 파이프 50을 통하여 제3 단계 41c를 나왔다.
이들 코얼레서 물질의 성능을 평가하기 위하여, 탄화수소 샘플은 샘플링 포트 51a, 51b, 51c를 통하여 각 단계의 말단으로부터 취하였으며 또한 탄화수소 샘플의 이온성 액체 함량을 결정하였다. 시스템이 고정 상태에 도달한 후에, 각 단계에서 측정된 이온성 액체 함량은 제1 단계로부터 대략 1000 ppwm, 제2 단계로부터 대략 200ppm, 또한 제3 단계로부터 대략 90 ppwm으로 매우 일정하게 유지하였다. 제3 단계 41c로부터 탄화수소 상 유출물은 흐리게 관찰되었으며, 이는 많은 미세 이온성 액적이 탄화수소 상에 체류하였음을 나타낸다. 이 실시예는 코얼레서 물질 42a, 42b, 42c가 이온성 액체를 효과적으로 분리하지 않았음을 보여주었는데, 그 이유는 코얼레서 물질 42a, 42b, 42c가 충전되지 않아 제거해야 할 가장 작은 액적의 크기보다 더 작은 구공 및 개구를 감소하였기 때문이다.
실시예
4:
탄화수소
-
이온성
액체
에멀션
분리를
위한
섬유유리
기본
코얼레서
실시예 1에서 논의된 바와 같은 스프레이 노즐에 의해 생산된 탄화수소-이온성 에멀션을 분리하기 위하여, 밀집되게 충전된 섬유유리를 갖는 코얼레서를 사용하였다. 이러한 코얼레서에서, 파이버글래스 중의 구공은 10 마이크론 미만이었다. 따라서 이러한 코얼레서 물질은 미세 액적을 차단하고 합체하는 높은 가능성 및 매우 큰 비표면적을 가졌다. 공급물 스트림에 존재하는 고체입자에 의해 충전 및 오염으로부터 이러한 코얼레서 물질을 보호하기 위하여, 10 마이크론 미만의 구공 크기를 갖는 프리필터(prefilter)는 코얼레서 상류에 설치하였다. 공급물로서 실시예 1의 탄화수소-이온성 액체 에멀션을 사용하여, 코얼레서의 출구에서 수집된 탄화수소는 투명한 결정이었다. 코얼레서의 출구에서 수집된 탄화수소의 이온성 액체 함량은 약 30ppwm으로 측정하였다.
본 공정은 그의 구체예와 관련하여 설명되었지만, 첨부한 특허청구범위의 정신 및 범주를 벗어나지 않고 구체적으로 설명되지 않은 부가, 삭제, 변형 및 치환이 이루어질 수 있는 것으로 당업자들에게 인식될 것이다.
Claims (24)
- (a) 탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 혼합물을 코얼레서(coalescer)에 공급하는 단계-상기 탄화수소는 그 내부에 분산된 이온성 액적을 가지며, 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며-;
(b) 상기 이온성 액적의 적어도 일부를 상기 코얼레서 물질에 접착시켜 포착된 액적을 제공하는 단계;
(c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계; 및
(d) 합체된 액적을 코얼레서 물질로부터 이탈시켜 상기 탄화수소로부터 이온성 액적을 분리하여 탄화수소 유출물을 제공하는 단계를 포함하며,
상기 코얼레서 물질은 탄화수소보다 이온성 액체에 대해 더 강한 친화성을 갖는, 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 코얼레서 물질이 글래스 비이드, 스테인레스 스틸 금속 충전물, 섬유유리, 고분자 섬유, 세라믹 막, 및 그의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 코얼레서 물질이 섬유유리인 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 탄화수소 유출물이 20ppm 이하의 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
추가로 상기 이탈된 합체된 액적이 이온성 액체 층을 제공하며, 또한 (e) 상기 코얼레서로부터 상기 이온성 액체층을 제거하는 단계, 및 (f) 상기 코얼레서로부터 상기 탄화수소를 제거하여 탄화수소 유출물을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - (a) 탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급하는 단계로서, 상기 탄화수소는 그 내부에 분산된 이온성 액적(liquid droplets)을 가지며, 또한 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며;
(b) 상기 이온성 액적의 적어도 일부를 상기 코얼레서 물질에 접착시켜 포착된 액적을 제공하는 단계;
(c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계;
(d) 상기 합체된 액적을 침전시켜 이온성 액체 층을 제공하는 단계;
(e) 상기 코얼레서로부터 상기 이온성 액체층을 제거하는 단계; 및
(f) 상기 코얼레서로부터 상기 탄화수소를 제거하여 탄화수소 유출물을 제공하는 단계를 포함하며,
상기 코얼레서 물질은 상기 탄화수소보다 이온성 액체에 대해 더 강한 인력을 갖는, 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 이온성 액적이 약 1 내지 약 1000 마이크론의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 이온성 액적이 약 4 마이크론 내지 약 200 마이크론의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 제6항에 있어서,
상기 이온성 액적이 약 50 마이크론 이상의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 이온성 액적이 약 5 마이크론 이상의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 탄화수소 유출물이 40ppm 이하의 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 탄화수소 유출물이 20ppm 이하의 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 제6항에 있어서,
상기 탄화수소 유출물이 10ppm 이하의 이온성 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 제6항에 있어서,
상기 코얼레서 물질이 글래스 비이드, 스테인레스 스틸 금속 충전물, 섬유유리, 고분자 섬유, 세라믹 막, 및 그의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 제14항에 있어서,
상기 코얼레서 물질이 섬유유리인 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 제6항에 있어서,
상기 이온성 액체가 이온성 액체 촉매인 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 이온성 액체 촉매가 클로로알루미네이트 이온성 액체 촉매인 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 이온성 액적이 탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 혼합물 0 내지 약 10 용적%를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 혼합물이 약 2시간 미만의 코얼레서 내의 체류시간을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
탄화수소 및 이온성 액체를 포함하는 상기 혼합물이 약 1분 내지 약 20분의 코얼레서 내의 체류시간을 갖는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 코얼레서가 다중 단계의 코얼레서 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 탄화수소가 생성물, 반응물 및 그의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 탄화수소로부터 이온성 액체를 분리하는 방법. - (a) 소모 이온성 액체 촉매 및 탄화수소를 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급하는 단계로서, 상기 탄화수소는 그 내부에 분산된 소모 이온성 액적(liquid droplets)을 가지며, 또한 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며;
(b) 상기 소모 이온성 액체 촉매 액적의 적어도 일부를 상기 코얼레서 물질에 접착시켜 포착된 액적을 제공하는 단계;
(c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계;
(d) 상기 합체된 액적을 침전시켜 소모 이온성 액체 촉매 층을 제공하는 단계;
(e) 상기 코얼레서로부터 상기 소모 이온성 액체 촉매 층을 제거하여 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 제공하는 단계;
(f) 상기 코얼레서로부터 상기 탄화수소를 제거하여 탄화수소 유출물을 제공하는 단계; 및
(g) 상기 소모 이온성 액체 촉매를 재생시켜 재생된 이온성 액체 촉매를 제공하는 단계를 포함하며,
상기 코얼레서 물질은 상기 탄화수소보다 상기 소모 이온성 액체 촉매에 대해 더 강한 인력을 갖는, 이온성 액체 촉매를 재생하는 방법. - (a) 이온성 액체 촉매의 존재 하에 알킬화 반응을 수행하여 알킬화 생성물 및 소모 이온성 액체 촉매를 제공하는 단계;
(b) 상기 소모 이온성 액체 촉매 및 상기 알킬화 생성물을 포함하는 혼합물을 코얼레서에 공급하는 단계로서, 상기 알킬화 생성물은 그 내부에 분산된 소모 이온성 액체 촉매를 가지며, 또한 상기 코얼레서는 코얼레서 물질을 포함하며;
(c) 상기 포착된 액적을 합체된 액적 형태로 합체하는 단계;
(d) 상기 합체된 액적을 침전시켜 소모 이온성 액체 촉매 층을 제공하는 단계;
(e) 상기 코얼레서로부터 상기 소모 이온성 액체 촉매 층을 제거하여 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 제공하는 단계;
(f) 상기 코얼레서로부터 상기 알킬화 생성물을 제거하여 알킬화 유출물을 제공하는 단계;
(g) 상기 소모 이온성 액체 촉매 스트림을 재생시켜 재생 이온성 액체 촉매를 제공하는 단계; 및
(h) 상기 재생 이온성 액체 촉매를 상기 알킬화 반응 단계(a)로 재순환시키는 단계를 포함하며,
상기 코얼레서 물질은 상기 알킬화 생성물보다 소모 이온성 액체 촉매에 대해 더 강한 인력을 갖는, 알킬화 방법.
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