KR20130086538A

KR20130086538A - 고체 카르복시산 미분체의 분리 방법 및 시스템

Info

Publication number: KR20130086538A
Application number: KR1020127032635A
Authority: KR
Inventors: 줄리안 스튜어트 그레이; 마이클 윌리암 윈터
Original assignee: 데이비 프로세스 테크놀로지 리미티드
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2013-08-02
Also published as: BR112012032774A2; WO2012001390A1; EP2593202A1; CN102985150A; EA201201443A1; GB201011008D0; US9120737B2; MX337975B; EA201201443A8; JP2013534929A; EA024560B1; MX2012013523A; US20130211134A1; TW201209032A

Abstract

본 발명은, 고체 카르복시산 미분체를 포함하는 모액으로부터 상기 미분체를 분리하는 방법으로서, 상기 미분체를 함유하는 모액을 대기압보다 높은 압력에서 침강 드럼에 공급하는 단계; 및 상기 침강 드럼에 공급된 것보다 낮은 농도의 카르복시산 미분체를 가진 모액을 제거하는 단계를 포함하고, 상기 모액의 제거는 상기 미분체를 함유하는 모액이 상기 침강 드럼에 공급되는 지점보다 상부의 지점에서 이루어지는, 카르복시산 미분체의 분리 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 모액으로부터 고체 카르복시산 미분체를 분리하기 위한 시스템으로서, 카르복시산 미분체를 포함하는 모액을 위한 입구와, 상기 입구를 통해 도입되는 상기 모액보다 낮은 농도의 카르복시산 미분체를 가진 모액을 위한 출구를 가진 침강 드럼을 포함하고, 상기 침강 드럼은 대기압보다 높은 압력에서 가동되도록 구성되고, 상기 출구는 상기 침강 드럼에서 상기 입구보다 높은 지점에 위치한, 카르복시산 미분체의 분리 시스템에 관한 것이다.

Description

고체 카르복시산 미분체의 분리 방법 및 시스템{PROCESS AND SYSTEM FOR THE SEPARATION OF SOLID CARBOXYLIC ACID FINES}

본 발명은 모액으로부터 고체 카르복시산 미분체, 바람직하게는 고체 방향족 카르복시산 미분체를 회수하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 모액으로부터 고체 테레프탈산 미분체를 회수하는 방법 및 그러한 분리를 위한 시스템에 관한 것이다.

전형적으로, 크루드 테레프탈산은 p-자일렌의 산화에 의해 제조된다. 상기 산화는 촉매의 존재 하에 아세트산을 용매로서 사용하여 수행된다. 그런 다음, 용액을 단계적으로 냉각시켜 테레프탈산을 결정화한다. 이어서, 테레프탈산은 일반적으로 아세트산, 물, 유기 화합물 및 산화 촉매의 조합인 모액으로부터 분리되어야 한다. 테레프탈산 결정은 일반적으로 여과에 의해 모액으로부터 분리된다. 이 분리 공정은 회전식 진공 필터를 이용하여 수행될 수 있다. 회전식 진공 필터의 예는 특허문헌 US2002/0003117에 기재되어 있다. 모액은 이어서 반응기로 재순환되는 것이 일반적이다.

사용되는 여과 시스템이 일반적으로 대부분의 결정을 모액으로부터 제거하지만, 100% 효과적인 것은 아니므로, 크루드 테레프탈산 입자의 일부는 여과천을 통과하여 모액에 잔류한다. 이러한 고체 입자는 미분체로 알려져 있으며, 여과천의 개구부보다 크기가 작은 것이 일반적이다.

테레프탈산의 제조를 위한 산화 반응의 본질에 따르면, 많은 불순물이 생성된다. 모액이 재순환되기 때문에, 이들 불순물은 모액 중에 누적되고, 따라서 여과 단계 사이에 모액으로부터 퍼지(purge)를 배출하고, 액체는 반응기로 재도입할 필요가 있다. 일반적으로, 퍼지는 필터로부터 모액을 포집하는 드럼의 저부로부터 펌핑된다. 그러나, 모액은 여전히 테레프탈산을 함유하기 때문에, 퍼지를 배출하면 시스템으로부터 테레프탈산을 제거하게 되는데, 이는 생성물의 손실을 나타내고, 따라서 시스템의 경제성을 저하시킨다.

시스템의 경제성을 개선하려는 시도에서 퍼지 스트림으로부터 테레프탈산을 회수하는 방법이 제안되었다. 한 가지 제안은 특허문헌 EP 0882009에 기재되어 있는데, 여기서 모액은 재순환 분획과 퍼지 분획으로 분할된다. 제안된 방법에 있어서, 퍼지 분획은 미분체의 제거를 위해 여과 유닛에서 고체-액체 분리 처리된다. 이어서, 모액은 증발기에서 농축된 다음 반응기로 반송된다. 미분체를 제거함으로써 증발기에 대한 부하가 감소되고, 반응기로 재순환될 수 있는 방향족 카르복시산 미분체의 회수와 함께 더 많은 양의 용매를 회수할 수 있다.

이 구성은 테레프탈산의 손실을 줄일 수 있지만, 추가적 장치의 제공과 가동으로 인해 상기 방법의 투자비와 가동비가 증가된다. 그러나, 가동비가 회수되는 테레프탈산의 양에 비해 크기 때문에, 상기 제안은 플랜트의 유효 가동기간에 걸쳐 실질적인 비용 이점을 제공하지 못할 수 있다.

공동 게류중인 영국 특허출원 제1008412.7호, 제1010856.1호 및 제1010857.9호에는, 카르복시산 결정, 바람직하게는 방향족 카르복시산 결정을 그것들이 형성되는 슬러리로부터 분리하는 공정을 압력 필터, 바람직하게는 회전식 압력 필터를 사용하여 유리하게 수행할 수 있다고 제안되어 있다. 가압 상태에서 필터를 가동하면 모액 포집 드럼을 가압 상태에 있도록 할 수 있다. 이것은 펌프를 사용하여 퍼지를 배출하지 않아도 될 뿐 아니라 용기의 저부로부터 퍼지를 제거하지 않아도 되는 것을 의미한다. 이 방법은 드럼이 드럼의 저부에 고체 미분체를 침강시키는 중력 분리 장치로서 작용할 수 있게 할 것이다. 그러면, 퍼지는 침강된 미분체의 레벨 상부에서 배출될 수 있기 때문에, 고체를 함유하지 않을 것이며, 따라서 시스템에 손실을 주지 않는다. 후속적으로, 침강된 미분체는 회수될 수 있다.

본 발명의 목적은 모액으로부터 고체 카르복시산 미분체, 바람직하게는 고체 방향족 카르복시산 미분체를 효율적으로 회수하는 방법 및 시스템을 제공하는 것이다

본 발명에 따르면, 고체 카르복시산 미분체를 포함하는 모액으로부터 상기 미분체를 분리하는 방법으로서,

상기 미분체를 함유하는 모액을 대기압보다 높은 압력에서 침강 드럼에 공급하는 단계; 및

상기 침강 드럼에 공급된 것보다 낮은 농도의 카르복시산 미분체를 가진 모액을 제거하는 단계

를 포함하고,

상기 모액의 제거는 상기 미분체를 함유하는 모액이 상기 침강 드럼에 공급되는 지점보다 상부의 지점에서 이루어지는, 카르복시산 미분체의 분리 방법이 제공된다.

본 발명의 제2 측면에 따르면, 모액으로부터 고체 카르복시산 미분체를 분리하기 위한 시스템으로서,

카르복시산 미분체를 포함하는 모액을 위한 입구와, 상기 입구를 통해 도입되는 상기 모액보다 낮은 농도의 카르복시산 미분체를 가진 모액을 위한 출구를 가진 침강 드럼

을 포함하고,

상기 침강 드럼은 대기압보다 높은 압력에서 가동되도록 구성되고, 상기 출구는 상기 침강 드럼에서 상기 입구보다 높은 지점에 위치한,

카르복시산 미분체의 분리 시스템이 제공된다.

본 발명의 바람직한 방법 및 시스템에 있어서, 상기 카르복시산 미분체는 방향족 카르복시산 미분체이다.

본 발명의 바람직한 방법 및 시스템에 있어서, 상기 모액과 미분체를 위한 입구의 상부에 있는 출구를 통해 침강 드럼으로부터 제거되는 모액의 스트림은 실질적으로 카르복시산 미분체를 함유하지 않는다.

상기 입구보다 높은 지점에서 제거되는 모액은 퍼지 스트림일 수 있고, 그러한 구성에 있어서 카르복시산의 제조용으로 반응기로 반송되도록 모액이 제거될 수 있는 제2 출구가 제공될 수 있다. 또 다른 구성에 있어서, 상기 입구보다 높은 지점에서 제거되는 모액은, 침강 드럼으로부터 제거된 후 분리되어 일부는 퍼지로서 제거되고 일부는 반응기로 재순환되는 스트림이다. 일반적으로, 모액의 일부만이 출구로부터 제거되고, 벌크(bulk)는 미분체와 함께 반응기로 반송된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 방법 및 시스템은 임의의 결정질 카르복시산에 대해 사용하기에 적합하지만, 방향족 카르복시산 미분체의 분리에 특히 적합하다. 특히, 본 발명의 방법 및 시스템은 아세트산을 포함하는 모액으로부터 크루드 테레프탈산 미분체를 분리하거나, 또는 물을 포함하는 모액으로부터 순수한 테레프탈산 미분체를 분리하는 데 적합하다. "순수한 테레프탈산"이라 함은 1회 이상의 정제 공정을 거친 테레프탈산을 의미하며, 따라서 테레프탈산이 형성되는 반응기로부터 인출된 크루드 테레프탈산보다 더 순수하다. 또한, 본 발명의 방법 및 시스템은 크루드 이소프탈산을 함유하는 스트림으로부터 크루드 이소프탈산을 분리하는 데 특히 유용하다. 이소프탈산과 관련하여 "크루드" 및 "순수하다"는 용어는 테레프탈산과 관련하여 앞에 기재된 것에 상응하는 의미를 가진다.

침강 드럼은 대기압보다 높은 임의의 적합한 압력을 가질 수 있다.

본 발명에 의하면, 설치와 가동에 많은 비용이 드는 장치를 필요로 하지 않고 미분체를 모액으로부터 효율적으로 분리할 수 있다. 추가의 장치가 필요하지 않기 때문에, 모든 회수된 생성물은 상기 방법에 대한 직접적인 비용 절감이 된다.

하나의 구성에 있어서, 침강 드럼은 미분체의 침강을 촉진시키는 하나 이상의 구조물을 포함할 수 있다. 그러한 구조물은 해당 기술 분야에 잘 알려져 있다. 하나의 구성에 있어서, 상기 장치는 틸트형(tilted) 플레이트를 포함할 수 있다. 상기 플레이트의 경사각(angle of tilt)은 상기 장치의 가동이 최적화될 수 있도록 조절될 수 있다. 플레이트의 각도는 수동적으로 또는 자동적으로 조절될 수 있다. 상기 조절은 공정을 중단시키지 않고서 수행되는 것이 바람직할 것이다.

벌크 카르복시산 결정을 필터에서 제거하기 위한 벌크 공정에 있어서, 촉매와 같은 물질이 시스템으로부터 상실되지 않도록 방지하기 위해 필터 케익을 세척하여 제거하는 것이 통상적이다. 필터 케익을 세척하는 데 사용되는 용매는 일반적으로 카르복시산 결정을 필터에 도입할 때의 슬러리화용 용매와 동일한 용매이다. 그러나, 세척 용매는 산화 반응으로부터 누적되는 불순물을 함유하지 않으며, 따라서 청정한 것으로 간주된다. 일반적으로 이러한 깨끗한 스트림은 불순물을 함유하여 깨끗하지 않은 것으로 간주되는, 반응기로부터의 모액과는 별도로 유지된다.

전통적으로, 이러한 깨끗한 스트림과 오염된 스트림을 별도로 유지하는 것이 중요했고, 따라서 그러한 스트림은 필터를 통과한 후, 각각 분리되어 용기에 이송되었다. 이어서, 시스템으로부터 깨끗한 스트림을 전혀 배출하지 않고서 오염된 스트림으로부터 퍼지를 배출한다. 그러나, 2개의 분리된 용기 및 관련된 배관 등을 구비해야 하는 필요성은 상기 방법의 투자비와 가동비를 가중시킨다.

그러나, 본 발명에 있어서는, 침강 드럼에 배플(baffle)을 제공하여 침강 드럼을 두 측면, 즉 오염측과 청정측으로 효과적으로 분리할 수 있다. 따라서, 바람직한 구성에 있어서, 침강 드럼은 배플을 포함한다. 이러한 구성에 있어서, 모액과 미분체의 입구는 오염측에 위치하고, 카르복시산 미분체 함량이 감소된 모액용 출구도 오염측에 위치한다. 깨끗한 세척 용매는 별도의 입구를 통해, 상기 침강 드럼의 청정측에 공급될 수 있다.

오염측으로부터의 모액은 배플을 오버플로우(overflow)할 수 있지만, 바람직한 구현예에 있어서, 언더플로우가 미분체의 침강을 촉진시키도록 제공될 것이다. 오염측으로부터의 모액과 청정측에서의 세척 용매의 혼합은 최소일 것이다.

첨부 도면을 참조하여 실시예의 형태로 본 발명을 설명하기로 한다.

본 발명에 의하면, 모액으로부터 고체 카르복시산 미분체, 바람직하게는 고체 방향족 카르복시산 미분체를 효율적으로 회수하는 방법 및 시스템이 제공된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 구성에 따른 침강 드럼의 개략도이다.

당업자는 상기 도면이 도식적인 것이며, 상업적 플랜트에서는 환류 드럼, 펌프, 진공 펌프, 압축기, 가스 재순환 압축기, 온도 센서, 압력 센서, 압력 방출 밸브, 컨트롤 밸브, 유량 제어기, 레벨 제어기, 홀딩 탱크, 저장 탱크, 등과 같은 추가적 장치 품목이 필요할 수 있음을 이해할 것이다. 그러한 부수적인 장치의 제공은 본 발명의 부분을 형성하는 것은 아니며, 통상적 화학공학적 관례에 따른다.

예로서, 본 발명의 방법 및 시스템을, 아세트산으로부터 테레프탈산의 분리를 참조하여 설명하기로 한다.

침강 드럼(1)은 압력 필터로부터의 테레프탈산 미분체를 포함하는 모액이 라인(3)을 통해 첨가되는 입구(2)를 포함한다. 미분체는 침강 드럼에서 침강되어 출구(4)를 통해 제거되어 라인(5)을 통해 산화 반응기로 반송된다. 퍼지는 출구(6)로부터 배출되어 라인(7)을 통해 용매 스트리퍼(stripper)로 이송된다. 침강 드럼은 그 드럼을 청정측(9)과 오염측(10)으로 효과적으로 분리하는 배플(8)을 포함한다. 필터에서의 세척 공정에서 나온 깨끗한 용매는 라인(11) 및 입구(12)를 통해 침강 드럼에 공급된다.

본 발명을, 이하의 비제한적 예를 참조하여 설명하기로 한다.

실시예 1

테레프탈산을 포함하는 모액은 도 1의 라인(3)을 통해 침강 드럼(1)에 공급된다. 일어나게 되는 고체 침강의 양은 스트림 내 고체의 입도 분포에 의해 결정된다는 것이 이해될 것이다. 전형적으로, 모액 스트림에 나타나는 테레프탈산 고체 분포는 표 1에 제시된 바와 같다.

입자 크기 (㎛)	<50	50~100	100~200	>200
질량%	10%	30%	40%	20%

침강 속도를 계산하는 방법으로는 여러 가지가 알려져 있다. 그중 하나는 아래와 같은 스토크 법칙(Stokes Law)을 이용하는 것이다.

Uo = d²ㆍgㆍ(ρS-ρL) / (18ㆍμ)

식에서:

Uo = 침강 속도(m/s)

d = 입자 크기(m)

g = 중력 상수(9.81m/s²)

ρS = 고체의 밀도(kg/㎥)

ρL = 액체의 밀도(kg/㎥)

μ = 액체 속도(Ns/㎡)

(참고자료: Coulson & Richardson, Chemical Engineering, Volume 2(3^rd Etition), 94쪽, 식 3.19).

직경이 50㎛인 테레프탈산 입자에 있어서, 모액 스트림에서의 침강 속도는 약 1.5mm/s이다.

이 실시예에서, 침강 드럼(1)의 크기와 내부 배플(8)의 위치는 침강 드럼 내에서 1.5mm/s 미만의 스트림(7)의 상방향 속도(Vo)가 얻어지도록 설정된다.

따라서, 50㎛보다 큰 모든 입자는 아래쪽으로 침강하여 스트림(5)을 통해 드럼에서 배출된다.

상기 입도 분포에 의거하여, 스트림(7) 중의 고체 유량은 스트림(3)의 고체 유량의 10%에 불과하다.

얻어지는 상기 스트림의 조성은 표 2에 상세히 제시되어 있다.

스트림 번호	3	11	7	5
설명	필터로부터의 모액	필터로부터의 세척액	용매 스트리퍼 로의 퍼지	산화 반응기 로의 재순환
유량 (kg/h)
고체	745	12	11	746
액체	148255	24721	22339	150637
합계	149000	24733	22350	151383
고체(%w/w)	0.50	0.05	0.05	0.49

비교예 2

이 예는 2개의 스트림(모액과 세척액)이 하나의 용기에서 단순히 혼합되는 종래 기술의 효과를 나타낸다. 용해된 불순물을 제거하기 위해 소정량의 액이 공정으로부터 퍼지되고, 용해되지 않은 모든 고체(대부분 테레프탈산 고체를 포함함)도 공정으로부터 소실되는데, 이것은 비효율성을 나타내며, 증가된 p-자일렌 사용량을 통해 추가적 가동비를 초래한다. 이 구성에 대한 스트림 조성을 표 3에 나타낸다. 스트림 번호는 실시예 1의 스트림에 대응한다.

스트림 번호	3	11	7	5
설명	필터로부터의 모액	필터로부터의 세척액	용매 스트리퍼 로의 퍼지	산화 반응기 로의 재순환
유량 (kg/h)
고체	745	12	114	643
액체	148255	24721	25946	147030
합계	149000	24733	26060	147673
고체(%w/w)	0.50	0.05	0.44	0.44

전형적으로는, 스트림(3)의 15%가 공정으로부터 퍼지되지만, 스트림(3, 11)은 서로 혼합되기 때문에, 스트림(11)의 15%도 불필요하게 퍼지된다.

따라서, 실시예 1과 비교하면, 퍼지 스트림에서 소실되는 고체의 양은 114kg/h이고, 스트림(5, 7)에서의 고체 농도는 용기가 완전히 혼합되기 때문에 동일하다.

실시예 1과 비교예 2를 비교하면, 실시예 1의 퍼지(스트림(7))에서의 테레프탈산 고체의 손실량은 비교예 2에 비해 90% 넘게 감소되었다.

또한, 스트림(7)의 유량은 거의 15% 만큼 감소되었는데, 이것은 이러한 퍼지 스트림에서 공정에 사용된 하류 장치의 추가적 투자비 절감을 가져올 것이다.

Claims

고체 카르복시산 미분체(fines)를 포함하는 모액으로부터 상기 미분체를 분리하는 방법으로서,
상기 미분체를 함유하는 모액을 대기압보다 높은 압력에서 침강 드럼(settlement drum)에 공급하는 단계; 및
상기 침강 드럼에 공급된 것보다 낮은 농도의 카르복시산 미분체를 가진 모액을 제거하는 단계
를 포함하고,
상기 모액의 제거는 상기 미분체를 함유하는 모액이 상기 침강 드럼에 공급되는 지점보다 상부의 지점에서 이루어지는,
카르복시산 미분체의 분리 방법.
모액으로부터 고체 카르복시산 미분체를 분리하기 위한 시스템으로서,
카르복시산 미분체를 포함하는 모액을 위한 입구와, 상기 입구를 통해 도입되는 상기 모액보다 낮은 농도의 카르복시산 미분체를 가진 모액을 위한 출구를 가진 침강 드럼
을 포함하고,
상기 침강 드럼은 대기압보다 높은 압력에서 가동되도록 구성되고, 상기 출구는 상기 침강 드럼에서 상기 입구보다 높은 지점에 위치한,
카르복시산 미분체의 분리 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 카르복시산 미분체가 방향족 카르복시산 미분체인, 카르복시산 미분체의 분리 방법 또는 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
모액용 입구의 상부에 있는 출구에서 상기 침강 드럼으로부터 제거되는 상기 모액의 스트림이 실질적으로 카르복시산 미분체를 포함하지 않는, 카르복시산 미분체의 분리 방법 또는 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정질 카르복시산 미분체가 크루드 테레프탈산 미분체 또는 순수한 테레프탈산 미분체인, 카르복시산 미분체의 분리 방법 또는 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 결정질 카르복시산 미분체가 크루드 이소프탈산 미분체 또는 순수한 이소프탈산 미분체인, 카르복시산 미분체의 분리 방법 또는 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 침강 드럼이 상기 미분체의 침강을 촉진시키는 하나 이상의 구조물을 포함하는, 카르복시산 미분체의 분리 방법 또는 시스템.
제7항에 있어서,
침강을 촉진시키는 상기 구조물이 틸트형(tilted) 플레이트를 포함하는, 카르복시산 미분체의 분리 방법 또는 시스템.
제8항에 있어서,
상기 플레이트의 경사각이 조절가능한, 카르복시산 미분체의 분리 방법 또는 시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 침강 드럼이, 상기 드럼을 오염측(dirty side)과 청정측(clean side)으로 분할하는 배플(baffle)을 포함하는, 카르복시산 미분체의 분리 방법 또는 시스템.
제10항에 있어서,
입구를 통해 상기 드럼의 상기 청정측으로 세척 용매가 공급되는, 카르복시산 미분체의 분리 방법 또는 시스템.