KR20140129182A - 아크릴산 제조 방법 - Google Patents

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KR20140129182A
KR20140129182A KR1020147025803A KR20147025803A KR20140129182A KR 20140129182 A KR20140129182 A KR 20140129182A KR 1020147025803 A KR1020147025803 A KR 1020147025803A KR 20147025803 A KR20147025803 A KR 20147025803A KR 20140129182 A KR20140129182 A KR 20140129182A
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제임스 이. 마호니
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노보머, 인코포레이티드
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Abstract

일 양상에 있어서, 본 발명은 고순도 아크릴산을 제공하기 위한 안전하고 효율적인 방법을 망라한다. 소정의 실시형태에 있어서, 본 발명의 방법은 제1장소에서 에틸렌 옥사이드로부터 폴리프로피오락톤을 제조하는 방법, 이 중합체를 제2장소로 수송하는 단계, 및 폴리프로피오락톤을 열분해시켜 글레이셜 아크릴산을 제조하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 중합체를 열분해시키는 단계는 중합 과정과 관련하여 연속적으로 수행되어 SAP을 제조한다.

Description

아크릴산 제조 방법{ACRYLIC ACID PRODUCTION METHODS}
본 출원은 미국 특허 출원 제61/601,707호(출원일: 2012년 2월 22일) 및 미국 특허 출원 제61/605,252호(출원일: 2012년 3월 1일)에 대한 우선권을 주장하며, 이들 각 기초 출원은 그들의 전문이 참조로 본 명세서에 내포된다.
아크릴산(acrylic acid: AA)의 제조 및 이용은 폴리아크릴산계 고흡수성 수지(superabsorbent polymer: SAP)의 수요가 증가함에 따라서 최근 수십년에 상당히 증가하고 있다. SAP는 농업용 응용에서 그리고 기저귀의 제조를 위하여 광범위하게 이용된다. SAP의 성공적인 제조는 고순도 글레이셜 아크릴산(glacial acrylic acid)의 이용을 필요로 한다. 문제는 글레이셜 아크릴산이 저장(혹은 보관) 및 수송에 대해서 안정적이지 않고; 그 물질이 예기치 않은 격렬한 중합 반응을 겪을 수 있다는 사실로부터 초래된다. 아크릴산의 중합은 상당한 열과 압력을 발생시키고, 뜨거운 증기와 중합체를 배출하는 등 매우 격렬할 수 있어, 자가점화를 일으킬 수 있다. 극도로 신속한 압력 증강으로 인해 폭발 위험이 존재한다. 몇몇 사례의 이력은, 격렬한("폭주"(runaway)) 중합으로 인해 아크릴산의 용기가 폭발한 것이 알려져 있다.
글레이셜 AA를 안정화시키기 위하여 각종 수법이 개발되어 있고(예를 들어, 미국 특허 제4,480,116호; 제4,797,504호; 및 제6,403,850호 참조), 대부분의 시판의 AA는 이 목적을 위하여 하이드로퀸 모노메틸 에터(MEHQ)와 용존 산소를 함유한다. 그럼에도 불구하고, 글레이셜 AA의 수송과 저장은 여전히 문제가 있다. 폭주 중합에 대항하여 성공적으로 안정적이더라도, 다이아크릴산이 저장 동안 형성된다. 다이아크릴산의 형성은 화학적 첨가제에 의해 방지될 수 있고 다이아크릴산은 몇몇 응용에서 아크릴산의 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 이들 이유로, 아크릴산을 이용하는 많은 방법은 상업적 등급 AA로부터 글레이셜 AA의 현장 정제(on-site purification)에 의존한다. 이것은 글레이셜 AA를 공급원료로서 이용하는 방법의 복잡성 및 비용에 부가되는 정교한 장비 및 제어뿐만 아니라 전문 기술을 필요로 하는 에너지 집약 공정이다.
또한, 미국 등지에서의 대량의 에탄-풍부 셰일 가스 저장소의 최근의 발견은 화학 산업 및 더욱 구체적으로는 아크릴산의 제조에 영향을 미치는 잠재력을 지닌다. 현재 거의 모든 시판의 아크릴산은 프로필렌 산화로부터 유래된다. 프로필렌은 주로 오일 정제(oil refining)의 생성물이고, 그의 가격과 이용가능성은 원유 가격과 밀접하게 연관되어 있다. 이 때문에, 아크릴산 가격은 근년 극적으로 상승되어 왔다.
안전 및/또는 에너지 효율적인 방식으로 글레이셜 아크릴산(AA)을 수송 및/또는 저장하는 방법에 대한 요구가 남아 있다. 추가적으로, 프로필렌 산화에 의존하지 않는 AA에 대한 대안적인 경로를 제공하는 방법에 대한 요구가 남아 있다.
일 양상에 있어서, 본 발명은 글레이셜 아크릴산의 저장 및 수송의 고유한 문제에 대한 해결책을 제공한다.
일 양상에 있어서, 본 발명은 덜 값비싼 공급원료가 아크릴산 제조에 이용될 수 있게 한다.
일 양상에 있어서, 본 발명은 아크릴산 및 그의 유도체에 대한 보다 광범위한 지리적 요구를 충족시키도록 하나의 장소에서 덜 값비싼 공급원료를 이용하는 능력을 제공한다. 예를 들어, 본 발명은 중합체인 폴리프로피오락톤(PPL)을 제조하기 위하여 일산화탄소와 셰일 가스의 C2 성분을 이용하도록 전개될 수 있다.
Figure pct00001
PPL은 글레이셜 AA를 출하(shipping)하거나 저장하는데 부수하는 안전 염려나 품질 하락 없이 연장된 기간 동안 안전하게 수송되고 저장될 수 있는 안정적인 물질이다. 글레이셜 아크릴산이 필요로 될 경우, 본 발명의 방법은 AA 사용 시점에서 폴리프로피오락톤을 분해시키는 단계를 통해서 고순도 형태로 제공한다. 따라서, 본 발명의 소정의 실시형태에서, 본 발명은 안전하고/하거나 덜 값비싸고/덜 값비싸거나 고도로 유연한 방식으로 아크릴산에의 접근을 가능하게 한다.
소정의 실시형태에 있어서, 본 발명의 방법은 이하의 단계들을 포함한다:
- 제1장소에서 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계;
- 폴리프로피오락톤을 단리시키는 단계;
- 단리된 폴리프로피오락톤을 제2장소로 수송하는 단계;
- 아크릴산이 필요로 될 때까지 폴리프로피오락톤을 재고(inventory)에 선택적으로 저장하는 단계; 및
- 폴리프로피오락톤을 열분해시켜 아크릴산을 유리시키는 단계.
소정의 실시형태에 있어서, 본 발명은 아크릴산을 제조하는 방법을 제공하되, 해당 방법은 제1장소에서 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계; 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 단리시키는 단계; 및 단리된 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 제2장소에 아크릴산을 유리시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 본 발명은 아크릴산을 제조하는 방법을 제공하되, 해당 방법은 제1장소에서 형성된 폴리프로피오락톤을 제2장소에서 입수하는 단계; 및 입수된 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 제2장소에 아크릴산을 유리시키는 단계를 포함한다.
도 1은 본 발명의 소정의 실시형태의 개략도;
도 2는 본 발명의 소정의 실시형태에 따른 예시적인 제1 및 제2장소를 도시한 도면;
도 3은 폴리프로피오락톤을 제2장소로 수송하는 단계가 열가소성 프로피오락톤 조성물을 소비자에게 판매될 수 있는 유용한 물품으로 형성하는 단계, 및 본 명세서에 기재된 바와 같이 이어서 처리되어 아크릴산을 제조할 수 있는 다음 소비자 재활용 스트림으로서 유용한 물품을 수집하는 단계를 포함하는 본 발명의 일 실시형태를 도시한 도면;
도 4는 본 발명을 실시하는데 유용한 폴리프로피오락톤의 샘플의 1H NMR 스펙트럼을 도시한 도면.
소정의 실시형태에 있어서, 본 발명은 아크릴산을 제조하는 방법으로서, 해당 방법은 제1장소에서 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계; 상기 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 단리시키는 단계; 및 단리된 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 제2장소에 아크릴산을 유리시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 단리된 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 아크릴산을 유리시키기 전에 단리된 폴리프로피오락톤을 제2장소로 수송하는 단계를 더 포함한다.
소정의 실시형태에 있어서, 본 발명은 아크릴산을 제조하는 방법으로서, 해당 방법은 제1장소에서 형성된 폴리프로피오락톤을 제2장소에서 입수하는 단계; 및 입수된 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 아크릴산을 제2장소에서 유리시키는 단계를 더 포함한다.
소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 단리된 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 아크릴산을 유리시키기 전에 폴리프로피오락톤을 저장하는 단계를 포함한다. 폴리프로피오락톤을 저장하는 단계는 제1장소에서, 제2장소에서, 하나 이상의 다른 장소에서(예컨대, 수송 동안), 또는 이들 장소의 임의의 조합애서 일어날 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤은 제1장소로부터 수송하기 전에 제1장소에서 저장한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤은 그의 적어도 일부를 열분해시키기 전에 제2장소에서 저장한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤은 적어도 1주 동안, 적어도 1개월 동안, 적어도 6개월 동안, 적어도 1년 동안 또는 적어도 2년 동안 저장한다.
상이한 장소 간의 가격차는 한 장소에서 폴리프로피오락톤을 형성하고, 폴리프로피오락톤을 열분해시켜 상이한 장소에서 아크릴산을 유리시키는 것이 유리할 수 있다. 폴리프로피오락톤을 안전하게 저장하고 수송하는 능력은 원료의 비용이 제2장소보다 낮은 제1장소에서 폴리프로피오락톤의 형성을 가능하게 하고, 이어서 제2장소로 수송하여 후속의 열분해를 실시하여 아크릴산을 유리시킬 수 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 본 발명의 방법은 폴리프로피오락톤이 제조되는 장소(즉, 제1장소)와 폴리프로피오락톤의 적어도 일부가 열분해되는 장소(즉, 제2장소)가 적어도 100마일 떨어져 있는 것을 특징으로 한다. 소정의 실시형태에 있어서, 제1장소와 제2장소는 100 내지 12,000마일 떨어져 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 제1장소와 제2장소는 적어도, 250마일, 적어도 500마일, 적어도 1,000마일, 적어도 2,000 또는 적어도 3,000마일 떨어져 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 제1장소와 제2장소는 약 250 내지 약 1,000마일, 약 500 내지 약 2,000마일 떨어지거나, 약 2,000 내지 약 5,000마일 떨어지거나, 또는 약 5,000 내지 약 10,000마일 떨어져 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 제1장소와 제2장소는 상이한 국가에 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 제1장소와 제2장소는 상이한 대륙에 있다.
본 발명의 방법이 폴리프로피오락톤을 제1장소에서 제2장소로 수송하는 단계를 포함하는 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 100마일 이상의 거리만큼 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 500마일 이상, 1,000마일, 2,000마일 또는 5,000마일 이상의 거리만큼 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 100 내지 12,000마일의 거리만큼 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 약 250 내지 약 1000마일, 약 500 내지 약 2,000마일, 약 2,000 내지 약 5,000마일, 또는 약 5,000 내지 약 10,000마일의 거리만큼 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 제1국가에서 제2국가로 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 제1대륙에서 제2대륙으로 이동시키는 단계를 포함한다.
소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 북아메리카로부터 유럽으로 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 북아메리카로부터 아시아로 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 미국으로부터 유럽으로 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 미국으로부터 아시아로 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 중동으로부터 아시아로 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 중동으로부터 유럽으로 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 사우디 아라비아로부터 아시아로 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 폴리프로피오락톤을 사우디 아라비아로부터 유럽으로 이동시키는 단계를 포함한다.
소정의 실시형태에 있어서, 수송하는 단계는 트럭, 기차, 탱커, 바지선, 선박 및 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 수단에 의해 폴리프로피오락톤을 이동시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 전술한 바와 같은 단계들을 포함하되, 미리 결정된 일자에, 제1장소에서의 에틸렌의 가격은 제2장소에서의 에틸렌의 가격보다 낮다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 전술한 바와 같은 단계들을 포함하되, 미리 결정된 일자에, 제1장소에서의 에틸렌의 가격은 제2장소에서의 프로필렌의 가격보다 낮다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 전술한 바와 같은 단계들을 포함하되, 미리 결정된 일자에, 제1장소에서의 셰일 가스의 C2 성분의 가격은 제2장소에서의 에틸렌의 가격보다 낮다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 전술한 바와 같은 단계들을 포함하되, 미리 결정된 일자에, 제1장소에서의 셰일 가스의 C2 성분의 가격은 제2장소에서의 프로필렌의 가격보다 낮다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 전술한 바와 같은 단계들을 포함하되, 미리 결정된 일자에, 제1장소에서의 에탄의 가격은 제2장소에서의 에탄의 가격보다 낮다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 전술한 바와 같은 단계들을 포함하되, 미리 결정된 일자에, 제1장소에서의 에탄의 가격은 제2장소에서의 프로판의 가격보다 낮다. 미리 결정된 일자는 폴리프로피오락톤의 형성이 일어나는 일자 전의 15 내지 365일(15일과 365일도 포함), 15 내지 180일(15일과 180일도 포함), 30 내지 90일(30일과 90일도 포함), 30 내지 60일(30일과 60일도 포함), 또는 60 내지 90일(60일과 90일도 포함)의 어느 한 날일 수 있다.
상이한 장소 간의 가격차이는 셰일 플레이 또는 바신(shale play or basin)으로부터 에탄에 대한 제1장소의 접근(access) 때문에 일어난다. 접근은 셰일 가스에 대한 근접성(physical proximity)을 통해서, 또는 셰일 가스를 제공하는 파이프라인에 대한 접근을 통해서 행해질 수 있다. 소정의 실시형태에 있어서, 상이한 장소 간의 가격차이는, 셰일 플레이 또는 바신에 대한 제1장소의 근접성 때문에 일어난다. 소정의 실시형태에 있어서, 제1장소는 셰일 플레이 또는 바신의 600마일, 450마일, 300마일 또는 150마일 이내에 위치된 것을 특징으로 한다. 예를 들어, [Platts World Shale Resources Map]을 참조한다.
당업자라면, 가격이 특정 기간(예컨대, 하루) 전체를 통해서 변동한다고 해도 이러한 자료가 보고된 가격(예컨대, 1일 가격)을 지니고, 그것이 의도된 가격이라는 것을 인지할 것이다. 이러한 가격은 상업적 소스, 예컨대, 플래츠(Platts)(에틸렌, 프로필렌을 포함), 아이시스(ICIS)(에틸렌, 프로필렌을 포함함)에 대한 참조에 의해 찾을 수 있다. 당업자라면, 이러한 자료가 지리적 및/또는 정치적 및/또는 기타 고려사항(예컨대, 개별 국가, 예를 들어, 중국, 미국, 사우디 아라비아 혹은 브라질, 또는 보다 큰 지역, 예컨대, 북서유럽 또는 보다 작은 지역)에 의해 규정될 수 있는 지역마다의 가격을 보고하는 것을 마찬가지로 인지할 것이며, 또한 당업자라면 협의할 적절한 가격인 임의의 주어진 장소를 이해할 것이다.
이러한 가격차 때문에, 폴리프로피오락톤을 제1장소로부터 제2장소에서 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 아크릴산을 유리시키기를 의도하는 상대방에게 수출하는 것이 유리할 수 있다. 이와 같이 해서, 소정의 실시형태에 있어서, 본 발명은, 제1장소에서 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계; 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 단리시키는 단계; 및 단리된 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 아크릴산을 유리시키기 위한 제2장소로 급송하는(dispatching) 단계를 포함하는 방법을 제공한다. 이 급송은 궁극적으로 아크릴산으로 열분해시키기 위하여 폴리프로피오락톤을 전달하도록 의도된 임의의 행위의 형태(예컨대, 수송, 수출, 판매를 위한 제공)를 취할 수 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 유리된 아크릴산이 글레이셜 아크릴산인 것을 특징으로 한다. 소정의 실시형태에 있어서, 유리된 글레이셜 아크릴산은 SAP 등과 같은 아크릴산 중합체의 제조에 직접 이용하기에 적합한 순도로 이루어져 있다.
소정의 실시형태에 있어서, 제1단계에서 제조된 폴리프로피오락톤이 액체인 것을 특징으로 한다. 소정의 실시형태에 있어서, 이러한 액체 폴리프로피오락톤 조성물은 상당량의 비교적 저분자량 올리고머를 지닌다. 소정의 실시형태에 있어서, 제조된 폴리프로피오락톤의 수평균 분자량(MN)은 약 200 g/㏖ 내지 약 10,000 g/㏖이다. 소정의 실시형태에 있어서, 제조된 폴리프로피오락톤의 MN은 약 5,000 g/㏖ 미만, 약 3,000 g/㏖ 미만, 약 2,500 g/㏖ 미만, 약 2,000 g/㏖ 미만, 약 1,500 g/㏖ 미만, 약 1,000 g/㏖ 미만 또는 약 750 g/㏖ 미만이다. 소정의 실시형태에 있어서, 제조된 폴리프로피오락톤은 2 내지 약 10개의 단량체 단위를 함유하는 올리고머를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 이러한 올리고머는 환식 올리고머를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 환식 올리고머는 평균 약 2개의 단량체 단위, 약 3개의 단량체 단위, 약 4개의 단량체 단위, 약 5개의 단량체 단위, 약 6개의 단량체 단위, 약 10개까지의 단량체 단위, 또는 이들 물질의 둘 이상의 혼합물을 함유한다.
소정의 실시형태에 있어서, 제1단계에서 제조된 폴리프로피오락톤은 고체인 것을 특징으로 한다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 방법은 벌크로 용이하게 취급될 수 있도록 고체 폴리프로피오락톤을 펠릿화하는 추가의 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 고체 폴리프로피오락톤 조성물은 상당한 비율의 고분자량 중합체 사슬을 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 이러한 고분자량 폴리프로피오락톤은 약 10,000 g/㏖ 내지 약 1,000,000 g/㏖의 MN을 지니는 것을 특징으로 한다. 소정의 실시형태에 있어서, 고분자량 폴리프로피오락톤은 약 10,000 g/㏖ 이상, 약 20,000 g/㏖ 이상, 약 50,000 g/㏖ 이상, 약 70,000 g/㏖ 이상, 약 100,000 g/㏖ 이상, 약 150,000 g/㏖ 이상, 약 200,000 g/㏖ 이상 또는 약 300,000 g/㏖ 이상의 MN을 지니는 것을 특징으로 한다.
소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계는 베타 프로피오락톤(BPL)을 중합하는 단계를 포함한다. 중합은 BPL을 카복실레이트 중합 개시제와 접촉시킴으로써 달성될 수 있다. 초기 과정은 이러한 카복실레이트를 중합체 사슬 내로 공유결합적으로 편입시킨다. 소정의 실시형태에 있어서, 본 발명은 이 결합된 개시제의 잠재적으로 바람직하지 않은 효과에 대한 해결책을 제공한다: 즉, PPL이 해중합되어 아크릴산을 제공할 경우, 중합 개시제에 대응하는 카복실산은 또한 유리될 수도 있고, 또한 생성된 아크릴산 내에서 오염물로서 작용할 수도 있다. 따라서, 소정의 실시형태에 있어서, BPL을 중합하는 단계는 BPL을 아크릴레이트 음이온을 포함하는 중합 촉매와 접촉시키는 단계를 포함한다. 이러한 중합체는 결합된 개시제로부터 기인되는 비-아크릴레이트 물질이 중합체로부터 생성된 후속의 아크릴산 스트림을 오염시키지 않을 것이라는 이점을 지닌다.
Figure pct00002
소정의 실시형태에 있어서, BPL을 중합하는 단계는, BPL을, 비휘발성 물질의 음이온을 포함하는 중합 촉매와 접촉시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 이러한 비휘발성 개시제로 만들어진 PPL은 생성된 아크릴산 스트림을 오염시킬 수 있는 보다 적은 휘발성 부산물을 생성하므로 바람직하다. 소정의 실시형태에 있어서, 이러한 실시형태에서 이용되는 비휘발성 개시제는 폴리산을 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리산은 중합체성 물질, 또는 산-작용화된 고체를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리산은 폴리카복실산을 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리산은 설폰산을 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리산은 카복실산기와 설폰산기의 둘 모두를 포함한다.
소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계는 에틸렌 옥사이드를 일산화탄소와 반응시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계는 에틸렌 옥사이드를 카보닐화시켜 프로피오락톤을 제공하며, 이어서 이 프로피오락톤은 이어서 중합되어 PPL을 제공하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, BPL은 단리되지 않고 동일 반응개소에서 중합되어 PPL을 제공한다.
소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계는 에틸렌 옥사이드와 이산화탄소의 교번 공중합을 수행하는 단계를 포함한다.
Figure pct00003
반응식 1
소정의 실시형태에있어서, 폴리프로피오락톤을 열분해시키는 단계는, PPL을100℃ 이상, 150℃ 이상, 175℃ 이상, 200℃ 이상 또는 약 220℃ 이상의 온도로 가열하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 열분해시키는 단계는 불활성 분위기 중에서 PPL을 가열하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 열분해시키는 단계는 감압 하에 PPL을 가열하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 열분해시키는 단계는 해중합 촉매의 존재 하에 PPL을 가열하는 단계를 포함한다.
소정의 실시형태에 있어서, 본 발명의 방법은 열분해시키는 단계로부터 아크릴산을 단리시키는 추가의 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 아크릴산을 단리시키는 단계는 열분해시키는 단계로부터 방출된 기체 스트림으로부터 산을 응축시키는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 아크릴산은 단리되지 않지만, 중합 반응기 내로 직접 도입되고, 여기서 (예컨대, 음이온 혹은 라디칼 올레핀 중합방법에 의해) 폴리아크릴산으로 중합된다.
소정의 실시형태에 있어서, PPL을 열분해시키는 단계는 (예컨대, 공급 배취 반응기(fed batch reactor) 혹은 기타 연속 유동 반응기 형태로) 연속적으로 수행된다. 소정의 실시형태에 있어서, 연속 열분해 공정은 연속 중합 공정에 연결되어 반응기의 소비 속도에 정합하는 숙도로 AA를 제공한다. 소정의 실시형태에 있어서, 이 방법은 중합 반응기의 아크릴산 공급물로 혹은 이로부터 안정화제의 첨가 및/또는 제거를 필요로 하지 않는다고 하는 이점을 지닌다.
소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 제2장소로 수송하는 단계는 이하의 하위단계들을 포함한다:
- 열가소성 프로피오락톤 조성물을, 소비자에게 판매될 수 있는 유용한 물품으로 형성하는 하위단계, 및
- 유용한 물품을 다음 소비자 재활용 스트림으로서 수집하는 하위단계.
재활용 스트림은 이어서 위에서 기재된 바와 같이 처리되어 아크릴산을 제공할 수 있다. 도 3은 이러한 실시형태의 개략도를 도시한다.
따라서, 소정의 실시형태에 있어서, 본 발명은 이하의 단계들을 포함하는 방법을 망라한다:
- 폴리프로피오락톤 중합체를 형성하는 단계;
- 폴리프로피오락톤을 포함하는 유용한 물품을 제작하는 단계;
- 폴리프로피오락톤을 포함하는 물품을 다음 소비자 재활용 스트림으로서 수집하는 단계; 및
- 폴리프로피오락톤을 열분해시켜 아크릴산을 유리시키는 단계.
소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤으로부터 유용한 물품을 제작하는 단계는 소비자 포장 물품을 제조하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 소비자 포장 물품은 병, 1회용 식품 용기, 발포용품, 블리스터 팩(blister pack) 등을 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 유용한 물품은 필름, 예컨대, 농업용 필름, 또는 포장용 필름을 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 유용한 물품은 성형된 플라스틱 물품, 예컨대, 식기류, 플라스틱 장난감, 냉각기, 양동이, 소비재, 예컨대, 전자기기, 자동차 부품, 스포츠용품 등 내의 플라스틱 부품을 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 이용 가능한 물품은 현재 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리스타이렌, PVC 등과 같은 열가소성 수지로 만들어진 수많은 물품 중 어느 하나를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 유용한 물품은 섬유 혹은 직물을 포함한다.
소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 포함하는 물품을 다음 소비자 재활용 스트림으로서 수집하는 단계; 및 폴리프로피오락톤을 열분해시켜 아크릴산을 유리시키는 단계는, 열분해 단계 전에 비-폴리프로피오락톤 성분으로부터 폴리프로피오락톤 성분을 분리하는 하위 단계; 폴리프로피오락톤을 포함하는 물품을 파쇄(shredding), 분쇄(grinding) 혹은 용융시키는 단계; 파쇄, 분쇄 혹은 용융된 물질을 건조시키는 하위 단계; 및/또는 폴리프로피오락톤-함유 물질을 처리해서 비-폴리프로피오락톤 성분, 예컨대, 착색제, 충전제, 첨가제 등을 제거하는 하위 단계 등과 같은 하나 이상의 부가적인 하위 단계를 포함한다.
소정의 실시형태에 있어서, 폴리프로피오락톤을 포함하는 물품을 다음 소비자 재활용 스트림으로서 수집하는 단계는 폴리프로피오락톤을 포함하는 재활용 설비 혹은 소비자에게 반송하기 위한 표시를 물품에 제공하는 단계를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 이러한 표시는 PPL과 관련된 번호 표시기를 포함한다. 소정의 실시형태에 있어서, 상기 표시는SPI(Society of the Plastics Industry) 재활용 코드를 포함한다.
실시예
이하의 실시예는 본 발명의 소정의 양상들의 비제한적인 기술 상세를 제공한다.
실시예 1 내지 3: 에틸렌 옥사이드로부터 폴리프로피오락톤을 통한 아크릴산의 실험실-규모 제조
이 실시예에서, 본 발명의 방법에서의 이용성을 갖는 하나의 화학적 수순은 작은 실험실 규모에서 수행된다.
Figure pct00004
단계 1: EO 카보닐화 BPL 의 중합.
건조 질소 하에, 300㎖ 파르(Parr) 고-압력 반응기에 촉매 1([(TPP)Al(THF)2][Co(CO)4], 286㎎, 0.3 m㏖) 및 85㎖의 건조, 탈산소화된 THF를 주입하였다. 이 반응기를 45℃로 가열하고, 500 rpm에서 교반하고 나서 CO를 이용해서 150 psi로 가압하였다. 반응기 온도가 안정화된 후, 13.5g의EO(306 m㏖)를 600 psi의 CO 하에 주입하였다. 이 반응 혼합물을 EO 주입 후 210분 동안 600 psi에서 유지하고 나서, CO 압력을 서서히 주위 압력으로 배기시켰다. 촉매 2의 용액을 이어서 질소 하에 반응기(PPNTFA, 1.98g, 염화메틸렌 5㎖ 중 3.0 m㏖)에 첨가하였다. 이 혼합물을 이 반응기 속에서 45℃에서 16시간 동안 교반하였다. MeOH 중 1% HCl 33㎖의 첨가에 의해 중합을 중지시켰다. 이어서 MeOH 250㎖를 첨가하여 중합체를 석출시켰다. 반응기를 비우고 CHCl3 20㎖로 세척하였다. 수집한 반응 혼합물 및 세척액을 합하여, 여과시켜 백색 고체를 수득하였다. 이 고체를 MeOH 100㎖로 세척하고, CHCl3 40㎖ 중에 용해시키고 나서, MeOH 300㎖ 중에 재석출시켰다. 이 석출물을 여과시키고 MeOH 200㎖로 세척 후, 진공 오븐 속에서 40℃에서 16시간 동안 건조시켜, PPL 15.51g을 제공하였다. 중합체의 프로톤 NMR 스펙트럼(CDCl3)은 도 4에 도시되어 있다.
단계 2: 폴리프로피오락톤의 열분해
50㎖ 둥근 바닥 플라스크에서, 모래 10g, 단계 1로부터의 폴리(프로피오락톤) 2.0g 및 MEHQ(하이드로퀴논 모노메틸 에터) 8.6㎎을 배합하고, 이 혼합물을 자석 교반봉으로 교반하였다. 상기 플라스크를 트랜스퍼 어댑터 브리지(transfer adapter bridge)에 의해 MEHQ 8.4㎎을 수용하고 있는 다른 50㎖ 둥근 바닥 플라스크에 접속하였다. 이 전체 시스템을 진공 하에 설치하고, 압력이 500 mTorr에 도달했을 때 폐쇄하였다. 중합체를 수용하고 있는 상기 플라스크를 이어서 가열 맨틀에 배치하고, 210℃로 가열하는 한편, 상기 수용하고 있는 플라스크를 드라이 아이스/아세톤 욕 속에 침지하였다. 아크릴산이 가열된 플라스크 속에서 중합체의 열분해로부터 유리되었고, 상기 수용하고 있는 플라스크를 진공으로 전환시켰다. 가열은 추가의 액체가 상기 수용하고 있는 플라스크에 응축되지 않을 때 정지시켰다. 열분해의 종료 시, 맑은 액체 1.39g을 상기 수용하고 있는 플라스크로부터 회수하였다. 이 액체의 GC 분석은, 이 액체가 적어도 99.4% 순도의 아크릴산인 것을 나타내었다.
실시예 2: 중합 개시제로서의 아크릴레이트의 용도
Figure pct00005
이 실시예는, PPN 아크릴레이트가 중합 촉매로서 이용된 것을 제외하고, 실시예 1에 기재된 조건 하에 수행한다. 제조된 폴리프로피오락톤은 아크릴레이트 말단기들을 함유하고, 그의 열분해는 오로지 아크릴산만을 유리시킨다.
실시예 3: 안정적인 아크릴산 전구체로서의 폴리프로피오락톤의 저장
이 실시예는, 폴리프로피오락톤이 열분해 전에 실온에서 1년 동안 공기 중에서 저장되는 것을 제외하고, 실시예 1에 기재된 조건 하에 수행된다. 생성된 아크릴산의 수율과 품질은 실시예 1과 다르지 않다.
실시예 4: 아크릴산 공급 체인의 파일럿 스케일(pilot scale) 구현.
이 실시예에서, 본 발명의 공급 체인 혁신은 파일럿 스케일에서 입증된다.
셰일 가스 플레이 부근에 있는 제1반응기에는 셰일 가스-유래된 C2 생성물 스트림으로부터 유래된 에틸렌 옥사이드를 75 kg/시간으로 공급한다. 제1반응기는 반응기 용적에 존재하는 베타 프로피오락톤 1.5M 농도에서 정상 상태 조건에서 작동된다. 부가적으로, 15 ㏖/시간의 촉매 1[(TPP)Al(THF)2][Co(CO)4]을 함유하는 4850 ℓ/시간의 용매를 반응기에 공급한다. 이 반응기는 일산화탄소의 600 psig 압력에서 유지하고, 또한 공급물과 용매가 적어도 2.5시간의 체류시간(예컨대, 적어도 15,000ℓ 용적)을 지니는 크기로 되어 있다. 이들 조건 하에, 약 1740 ㏖/시간의 베타-프로피오락톤을 함유하는 반응 스트림이 제조된다(125 kg/시간).
베타-락톤 스트림은 분리 유닛으로 지향되고, 해당 분리 유닛에서 해당 스트림을 용매와 촉매를 함유하는 촉매 재활용 스트림과, 프로피오락톤과 용매를 함유하는 베타 프로피오락톤 스트림으로 분리시킨다. 촉매 재활용 스트림은 제1반응기로 되돌리고, 베타 프로피오락톤 스트림은 제2반응기로 공급하되, 여기에서 PPN-아크릴레이트(촉매 2a)와 접촉된다. 제2반응기는, 락톤의 전부가 체류 시간 동안 소비되는 촉매 로드와 소정 온도에서 반응물이 유지되는 적어도 30분의 체류 시간(예컨대, 1250ℓ 용적)을 지니는 크기로 되는 플러그 유동 반응기(plug flow reactor)이다. 제2반응기는 대략 1740 ㏖/시간의 폴리프로피오락톤(123 ㎏/시간)을 생산한다. 플러그 유동 반응기의 유출물은 염산과 메탄올로 처리되어 중합체를 석출시킨다. 석출된 중합체는 펠릿화되어 아크릴산 전구체로서 판매를 위해 제공된다.
펠릿은 화물선에 의해 아크릴산 최종-사용자의 설비로 1,500마일 수송되며, 이 설비에서 재고에 저장된다.
재고는 유동상 반응기에 연결된 호퍼를 공급하는데 이용된다. 유동상 반응기는 150℃에서 건조 질소로 스위핑되고(sweep), 시간당 500㎏의 폴리프로피오락톤 펠릿의 속도로 호퍼로부터 공급된다. 유동상으로부터의 질소 스위핑은 응축 단계로 지향되어, 대략 480 kg/시간의 속도로 액체 글레이셜 아크릴산의 스트림을 생산한다.
본 명세서에 기재된 본 발명의 실시형태들은 본 발명의 원리의 적용을 단지 예시하는 것으로 이해되어야 한다. 예시된 실시형태의 상세에 대한 본 명세서에서의 언급은 청구항들의 범위를 제한하도록 의도된 것이 아니며, 청구항들 자체는 본 발명에 대한 필수로서 간주되는 특징들을 기술한다.

Claims (27)

  1. 아크릴산을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    제1장소에서 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계;
    상기 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 단리시키는 단계; 및
    단리된 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 제2장소에 아크릴산을 유리시키는 단계를 포함하는, 아크릴산의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열분해 전에 상기 단리된 폴리프로피오락톤을 상기 제2장소로 수송하는 단계를 더 포함하는, 아크릴산의 제조방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 수송하는 단계는 상기 폴리프로피오락톤을 100마일 이상의 거리만큼 이동시키는 단계를 포함하는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  4. 아크릴산을 제조하는 방법으로서, 상기 방법은,
    제1장소에서 형성된 폴리프로피오락톤을 제2장소에서 입수하는 단계; 및
    입수된 상기 폴리프로피오락톤의 적어도 일부를 열분해시켜 아크릴산을 상기 제2장소에서 유리시키는 단계를 더 포함하는, 아크릴산의 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해 전에 상기 폴리프로피오락톤을 저장하는 단계를 더 포함하는, 아크릴산의 제조방법.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1장소와 상기 제2장소는 100 내지 12,000마일 떨어져 있는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1장소와 상기 제2장소는, 적어도 250마일, 적어도 500마일, 적어도 1,000마일, 적어도 2,000마일 또는 적어도 3,000마일 떨어져 있는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  8. 제5항에 있어서, 상기 폴리프로피오락톤을 저장하는 단계는 상기 제1장소에서 일어나는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  9. 제5항에 있어서, 상기 폴리프로피오락톤을 저장하는 단계는 상기 제2장소에서 일어나는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  10. 제5항에 있어서, 상기 저장하는 단계는 상기 폴리프로피오락톤을 적어도 1주 동안 저장하는 단계를 포함하는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 저장하는 단계는 상기 폴리프로피오락톤을 적어도 1개월 동안 저장하는 단계를 포함하는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 저장하는 단계는 상기 폴리프로피오락톤을 적어도 6개월 동안 저장하는 단계를 포함하는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 결정된 일자에, 상기 제1장소에서의 에틸렌의 가격은 상기 제2장소에서의 에틸렌의 가격보다 낮되, 상기 미리 결정된 일자는 상기 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계가 일어나는 일자 전의 15 내지 180일(15일 및 180일 포함) 중 어느 한 날인 것인, 아크릴산의 제조방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 미리 결정된 일자는 상기 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계가 일어나는 일자 전의 30 내지 90일(30일 및 90일 포함) 중 어느 한 날인 것인, 아크릴산의 제조방법.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 결정된 일자에, 상기 제1장소에서의 에틸렌의 가격은 상기 제2장소에서의 프로필렌의 가격보다 낮되, 상기 미리 결정된 일자는 상기 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계가 일어나는 일자 전의 15 내지 180일(15일 및 180일 포함) 중 어느 한 날인 것인, 아크릴산의 제조방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 미리 결정된 일자는 상기 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계가 일어나는 일자 전의 30 내지 90일(30일 및 90일 포함) 중 어느 한 날인 것인, 아크릴산의 제조방법.
  17. 제13항에 있어서, 상기 제1장소는 셰일 플레이 또는 바신(shale play or basin)의 300마일 이내에 위치된 것을 특징으로 하는 아크릴산의 제조방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 제1장소는 셰일 플레이 또는 바신의 150마일마일에 위치된 것을 특징으로 하는 아크릴산의 제조방법.
  19. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 폴리프로피오락톤을 형성하는 단계는 에틸렌 옥사이드를 일산화탄소와 반응시키는 단계를 포함하는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 에틸렌 옥사이드를 일산화탄소와 반응시키는 단계는 상기 에틸렌 옥사이드를 카보닐화하여 프로피오락톤을 형성하는 단계를 포함하는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  21. 제20항에 있어서, 상기 베타 프로피오락톤을 중합시키는 단계를 더 포함하는, 아크릴산의 제조방법.
  22. 제19항에 있어서, 상기 에틸렌 옥사이드를 일산화탄소와 반응시키는 단계는 상기 에틸렌 옥사이드를 금속 카보닐 화합물과 접촉시키는 단계를 포함하는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  23. 제19항에 있어서, 상기 에틸렌 옥사이드를 일산화탄소와 반응시키는 단계는 에틸렌 옥사이드를 일산화탄소와 공중합시키는 단계를 포함하는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  24. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해에 의해 유리된 아크릴산은 글레이셜 아크릴산(glacial acrylic acid)인 것인, 아크릴산의 제조방법.
  25. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열분해에 의해 유리된 아크릴산을 아크릴산 중합에 공급하는 추가의 단계를 더 포함하는, 아크릴산의 제조방법.
  26. 제25항에 있어서, 상기 아크릴산은 상기 아크릴산의 단리 및 저장 없이 상기 아크릴산 중합에 직접 공급되는 것인, 아크릴산의 제조방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 열분해 속도는 상기 아크릴산 중합에서의 중합 속도와 정합되는 것인, 아크릴산의 제조방법.
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