KR20150105781A - 폴리에스터 폐기물의 재생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폴리에스터 폐기물의 분해공정 및 그 장치에 관한 것으로, 폴리에틸렌테레프탈레이트(polyethyleneterephthalate, PET)를 폴리에스터 원료물질인 디메틸테레프탈레이트(dimethyl terephthalate, DMT)와 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG)로 원료화하는 재생공정 및 그 장치에 관한 것이다. 용융기는 연속식으로 운전할 수 있도록 여러개의 분리된 용융실로 분리되어 있고 단계적으로 분리된 용융실로 이송하기 위한 전동 또는 수동스크류와 체크밸브로 구성된 이송구를 구비하였으며 용융과정에서 증발하기 쉬운 EG를 회수할 수 있는 EG회수용 콘덴서와 용융기의 최종반응물을 제1반응기로 투입이 가능한 고압펌프를 포함하는 연속식용융기를 갖추어, 회분식에 비해 전체 공정시간, 반응시간, 용융기에서 제1반응기로 생성물을 투입하기 위해 제1반응기를 멈추면서 손실되는 에너지를 절약하는 용융기로 인해 전체 반응속도를 높이고 반응시간을 줄여 에너지소모를 최소화로 하여 경제적인 운전이 되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

폴리에스터 폐기물의 재생장치{Feedstock recycling apparatus from polyester wastes}

본 발명은 폴리에스터 폐기물의 재생장치에 관한 것으로, 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET)를 주성분으로 하는 폴리에스터 폐기물로부터 폴리에스터 원료물질인 디메틸테레프탈레이트(DMT)와 에틸렌글리콜(EG)로 원료화하는 재생장치에 관한 것이다.

범용 고분자 물질인 폴리에스터 폴리에틸렌테레프탈레이트(이하, PET라 함)는 반결정성의(semi-crystalline) 고분자로 가격에 비해 열안정성, 투명도, 강도 등의 물성이 우수하고 필름, 음료병, 섬유 등과 같은 다양한 분야에서 많은 효용성을 가지고 있어서 오늘날 소비되는 플라스틱 중 많은 부분을 차지하고 있다. PET의 세계 생산량은 약 4천만톤/년이나 PET 회수율은 약 20%에 그치고 나머지 양은 소각이나 매립으로 처리되고 있어 환경오염을 발생시키고 있다.

이처럼 물리적 재활용이 어려운 현수막과 같은 저급 폴리에스터 폐기물을 화학적으로 해중합 시켜 고분자물질의 원료로 재활용하면 장점들이 많이 있다.

폐 PET의 화학적 재활용 방법이 있는데, 기존의 공정은 다음과 같다.

폴리에스터 폐기물(현수막, 보틀, 자기필름, 맥주병, 올리고머 슬러지 등)을 해중합촉매를 포함하는 에틸렌글리콜(이하, EG라 함) 중에 투입하여 비스-하이드록시테레프탈레이트(bishydroxyethyl terephthalate, BHET) 및 올리고머로 해중합하는 해중합공정과, 이러한 해중합공정을 통하여 부분 글리콜리시스된 제품을 에스터 교환 반응조에 투입하여 에스터 교환 반응촉매와 메탄올(MeOH) 중에서 에스터 교환 반응시켜 디메틸테레프탈레이트(dimethyl terephthalate, DMT)와 에틸렌글리콜(ethylene glycol, EG)를 생성시킨 후, 최종제품인 DMT와 EG로 정제하고, 잔여 메탄올은 반응기로 재순환시키는 결정화 및 증류공정으로 이루어진다.

이상의 공정 중 에스터 교환 반응조에서의 반응에 있어서, 미국등록특허 제5,051,528호(특허문헌 1)에서는 저압에서 과열된 메탄올 기체를 사용하여, 기체로서 DMT, EG, 메탄올이 반응기 상부로 배출되도록 하여 매우 오염이 심한 PET를 처리할 수 있도록 하였다. 즉, 부분 글리콜리시스에 의해 BHET와 올리고머들이 얻어지고 이를 다시 메탄올리시스하여 DMT와 EG가 얻게 되는 것이다. 그러나 부분 글리콜리시스에 의해 BHET까지 해중합되는 반응은 가역 반응이기 때문에 매우 긴 반응시간이 필요하다. 게다가, 이렇게 얻어진 BHET와 올리고머는 기체 메탄올에 의해 다시 해중합되어 DMT와 EG가 형성되나 기상으로 배출되어야 하므로, 고압의 메탄올이 사용될 수 없음에 따라 반응속도가 느리다는 단점이 있었다.

한편, 회분식 또는 연속식 조건에서 PET 메탄올리시스 공정을 실시하기 위한 많은 방법들이 이미 공지되어 있으나, 종래의 기술로서 공지된 PET 메탄올리시스를 위한 방법들은 연속공정 시 고체 폴리에스터 폐기물을 고압으로 운전되는 메탄올리시스 반응기로 공급하는 것이 어렵다는 문제점을 가지고 있으므로, 메탄올리시스는 회분식 공정이 갖는 여러 가지 단점에도 불구하고 회분식으로 이루어지는 경우가 많다.

고압 회분식 공정은 메탄올 농도가 높게 유지됨에 따라 폴리에스터 해중합이 빠르게 일어나지만, 시간이 지남에 따라 제품으로 생성되는 DMT와 EG의 농도 증가에 의해 반응평형 제한에 의해 반응속도가 느려지게 되며, 이에 따라 완전히 DMT와 EG로 해중합이 되지 못하고 약 15% 정도는 올리고머 형태로 남게 되는 것으로 알려져 있다.

반면에 저압 연속식 해중합 공정은 반응기 상부로 DMT와 EG가 제거되기 때문에 반응 평형에 의해 제한을 받지는 않으나 저압이기 때문에 반응액 중 메탄올 농도가 낮게 유지되어 반응 속도가 느리다는 단점을 갖는다.

이를 개선하기 위하여 대한민국등록특허 10-1099009(특허문헌 2, 도 1 참조)에서는 제1반응기에서 글리콜리시스와 메탄올리시스를 동시에 수행하도록 하였으나, 제1반응기가 고압에서 운전하기 때문에 가역적인 원료공급을 위하여 고압용 원료투입기와 같은 별도의 장치가 요구되는 문제점이 있으며, 고압용 원료투입기로부터 이송된 원료물질의 용융 정도가 제어되지 않아 제1반응기에 고상의 원료물질이 혼입되는 단점이 있다.

또한, 대한민국등록특허 10-1347906(특허문헌 3)에서는 상압 조건의 용융기에서 원료물질을 미리 용융시킨 이후에 제1반응기로 공급시키기 때문에, 고상의 원료물질이 혼입되는 단점은 개선되었으나, 여전히 용융기로부터 이송된 원료물질의 용융 정도가 면밀하게 제어되지 않아 해중합 반응 효율이 낮은 문제점이 있으며, 상압의 용융기로부터 상대적으로 고압 조건인 제1반응기로 원료물질 이송이 용이하지 않아 공정 속도가 저하되는 문제점이 발생되어 왔다.

미국등록특허 제5,051,528호 대한민국등록특허 10-1099009 대한민국등록특허 10-1347906

상기와 같은 문제점을 해결하고자, 본 발명의 목적은 폴리에스터(PET) 폐기물의 재생공정에 있어서, 종래의 폐기물 재생공정에 비해 장치를 단순화하고, 반응시간을 줄여 에너지 절감 효과를 이룰 수 있으며, 고순도의 모노머 DMT를 얻을 수 있는 공정을 제공하는데 있다.

구체적으로 본 발명은 첫째, 상압에서 폐 폴리에스터 섬유(현수막)와 같이 부피가 큰 폐기물도 쉽게 투입이 가능하며, 투입된 폐기물의 연속적 용융이 가능한 용융공정을 제공하는데 목적이 있다.

둘째, 상압 용융기에서 해중합 정도가 제어된 반응물을 후속 반응기로 공급함으로써, 폐기물 재생 효율을 증가시키는 데 목적이 있다.

셋째, 자동 이송장치를 이용하여 상압 용융기에서 녹은 반응물을 후속 반응기로 이송시킴으로써, 연속적인 폐기물 재생공정이 실시되도록 하는데 목적이 있다.

넷째, 상압에서 글리콜리시스 반응 및 해중합 반응을 실시할 때 EG가 증발되어 효율이 저하되고 EG의 소모량이 증대되는 문제를 해결하여 효율을 높이는 공정을 제공하는데 목적이 있다.

폴리에스터 폐기물로부터 폴리에스터 원료물질인 디메틸테레프탈레이트와 에틸렌글리콜을 생산하기 위한 폴리에스터 원료화 재생장치에 있어서, 본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치는, 폴리에스터 폐기물, 에틸렌글리콜 및 촉매를 상압에서 공급받아 용융반응물을 생성하며, 상기 용융반응물이 복수개의 용융실을 따라 이송되면서 해중합 반응과 글리콜리시스 반응이 동시에 일어나는 연속식 용융기, 상기 용융기로부터 이송된 생성물을 글리콜리시스 해중합하는 제1반응기, 상기 제1반응기의 상단에 위치하는 에틸렌글리콜 회수 콘덴서, 상기 제1반응기로부터 이송된 생성물을 메탄올리시스 반응시키는 제2반응기, 상기 제2반응기로부터 배출되는 생성물을 정류탑 하단부의 액상과 직접 접촉시켜 메탄올만을 기화시켜 분리하고, 상기 분리된 메탄올을 제2반응기에 재순환시키는 정류탑 및 상기 정류탑에 메탄올을 공급하기 위한 메탄올 저장조를 포함한다.

본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치의 일 실시예에 있어서, 상기 용융기는 2개 이상의 용융실이 연속 배치되며, 상기 복수개의 용융실 사이 또는 상기 용융실과 상기 제1반응기 사이에 자동 이송장치가 구비된 이송구가 설치되어 상기 용융반응물을 상기 용융기에서 상기 제1반응기로 일방향 이송할 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치의 일 실시예에 있어서, 상기 자동 이송장치는 스크류밸브와 체크밸브를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치의 일 실시예에 있어서, 상기 자동 이송장치는 유량계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치의 일 실시예에 있어서, 상기 복수개의 용융실 중 적어도 하나에는 센서(미도시)가 더 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치의 일 실시예에 있어서, 상기 센서는 상기 용융실 내 수용된 상기 용융반응물의 온도, 점도 및 레벨 중 하나 이상의 데이터를 측정할 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치의 일 실시예에 있어서, 상기 자동 이송장치는 상기 센서로부터 측정된 데이터를 공급받아 상기 용융반응물의 이송 속도를 조절하는 제어부가 더 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치의 일 실시예에 있어서, 상기 용융기는 상기 용융기가 승온되면서 증발된 에틸렌글리콜을 회수하는 에틸렌글리콜 회수용 콘덴서가 구비될 수 있다.

보다 상세하게는, 본 발명은 연속식 용용기 및 자동 이송장치를 구비하여, 후속 반응기의 온도나 압력을 조절하지 않은 상태에서도 용융기로부터 용융반응물의 연속적인 이송 및 투입이 가능하도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 이와 같이 연속적인 이송 및 투입이 가능해짐에 따라, 에너지 저감 및 공정 시간 등의 측면에서 유리하여 약 20%이상 생산효율을 올릴 수 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 연속식 융융기의 복수개의 용융실 각각에는 증발되는 에틸렌글리콜을 냉각하여 회수하는 에틸렌글리콜 회수 장치(콘덴서)가 구비된 것을 특징으로 한다.

본 발명은 폴리에스터(PET) 폐기물의 재생공정에 있어서, 종래의 폐기물 재생공정에 비해 장치를 단순화하고, 반응시간을 줄여 에너지 절감 효과를 이룰 수 있으며, 고순도의 모노머 DMT를 얻을 수 있는 효과가 있다.

구체적으로 본 발명은 첫째, 상압에서 폐 폴리에스터 섬유(현수막)와 같이 부피가 큰 폐기물도 쉽게 투입이 가능하며, 투입된 폐기물의 연속적 용융이 가능한 장점이 있다.

둘째, 상압 용융기에서 해중합 정도가 제어된 반응물을 후속 반응기로 공급함으로써, 폐기물 재생 효율을 증가시킬 수 있다.

셋째, 자동 이송장치를 이용하여 상압 용융기에서 용융된 반응물을 후속 반응기로 이송시킴으로써, 연속적인 폐기물 재생공정을 실시할 수 있다.

넷째, 상압에서 글리콜리시스 반응 및 해중합 반응을 실시할 때 EG가 증발되어 효율이 저하되고 EG의 소모량이 증대되는 문제를 해결하여 폐기물 재생 효율을 증가시킬 수 있다.

도 1은 종래의 폴리에스터 폐기물 원료화 장치의 개략도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 폴리에스터 폐기물 원료화 장치의 개략도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 연속식 용융기와 제1반응기의 개략도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 연속식 용융기 평면도를 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 연속식 용융기의 자동 이송장치의 개략도를 나타낸 것이다.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 기술을 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달 될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 또한 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

환경 및 에너지 효율을 개선하기 위하여 폐기물 재생공정을 실시함에 있어서, 종래의 폴리에스터 폐기물의 재생공정은 공정 시간이 비교적 길고, 재생효율이 높지 않아 폐기물 재생공정을 실시한다고 하더라도 경제적으로 큰 이득이 없어 상업적으로 적용하기에 어려움이 있었다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 상압에서 운전되는 별도의 용융기를 설치하여 폐기물 원료물질을 용융시킨 이후 후속 반응을 실시하는 종래 기술(도 1; 특허문헌 3)이 개발되었다고 하더라도, 단일 챔버의 용융기로 구성되어 폐기물 원료물질 이송 시 후속 반응기로 고상 원료물질이 혼입되는 문제점, 폐기물 원료물질의 연속적인 공급 및 용융 및 후속 반응에 의한 폐기물 재생공정의 반응시간이 길고 재생 효율이 높지 않다는 문제점 등을 개선하기 위한 기술이 요구되는 실정이었다.

본 발명은 전술된 문제점을 개선하여 폐기물 재생 공정시간을 단축하면서도 재생 효율을 향상시키기 위한, 폴리에스터 폐기물의 재생장치에 관한 것으로 이하 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.

폴리에스터 폐기물로부터 폴리에스터 원료물질인 디메틸테레프탈레이트와 에틸렌글리콜을 생산하기 위한 폴리에스터 원료화 재생장치에 있어서,

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치는, 연속식 용융기(100), 제1반응기(200), 에틸렌글리콜 회수 콘덴서(170), 제2반응기(30), 정류탑(40) 및 메탄올 저장조(65)를 포함한다.

구체적으로 설명하면, 본 발명에 따른 연속식 용융기(100)는 폴리에스터 폐기물, 에틸렌글리콜 및 촉매를 상압에서 공급받아 용융반응물을 생성하는 챔버이며, 연속식 용융기(100) 내에서 원료물질인 폴리에스터 폐기물의 용융 및 용융반응물의 1차 글리콜리시스 해중합 반응이 동시에 일어날 수 있다.

이때 연속식 용융기(100)는 복수개의 용융실로 구성되는데, 보다 구체적으로 연속식 용융기(100)는 적어도 2개 이상의 용융실이 연속 배치되도록 구성되며, 폴리에스터 폐기물의 용융 및 용융반응물의 1차 글리콜리시스 해중합 반응의 효율을 증대시키기 위하여 4개 이상의 용융실이 연속 배치되는 것이 바람직 할 수 있다.

여기서, 복수개의 용융실 각각의 사이에는 자동 이송장치(120)가 구비된다. 자동 이송장치(120)는 용융반응물을 연속식 용융기(100)로부터 후속 반응기인 제1반응기(200)로 일방향 이송시킬 수 있다. 자동 이송장치(120)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 스크류밸브(121)를 포함하여 구성됨에 따라, 용융반응물의 일방향 강제 이송을 가능하게 하는 것일 수 있다. 또한, 자동 이송장치(120)는 도 5에 도시된 바와 같이 체크밸브(125)를 더 포함하여 구성되며, 이에 따라 각각의 용융실에 수용된 용융반응물의 레벨(높이) 차이에 의하여 용융반응물이 이전 용융실로 역류되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 자동 이송장치(120)는 각각의 용융실 사이의 용융반응물의 이송 속도를 제어할 수 있도록 유량계(미도시)를 더 포함하도록 구성될 수 있다.

그리고, 복수개의 용융실 중 적어도 하나의 용융실에는 센서(미도시)가 더 설치될 수 있다. 이때 센서는 용융실 내 수용된 용융반응물의 온도, 점도 및 레벨(높이) 중 하나 이상의 데이터를 측정할 수 있으며, 자동 이송장치(120)에는 이와 같이 측정된 데이터를 공급받아 용융반응물의 이송 속도를 제어하는 제어부(미도시)가 더 설치될 수 있다. 이때 제어부에 의한 제어는 프로그래밍화 된 자동제어 및 데이터에 따라 수동 작동되는 수동제어를 모두 포함할 수 있다.

일례로, 용융실 센서에 의하여 측정된 용융반응물의 온도가 원료물질의 용융이 실시되는 온도에 도달되지 못하거나 측정된 용융반응물의 점도가 원료물질이 해중합 되었을 때의 점도에 비하여 높은 경우, 용융반응물의 이송 속도를 늦추고 별도의 승온장치(미도시)를 이용하여 각각의 용융실(101~104) 또는 전체 연속식 용융기(100)를 승온시키도록 제어할 수 있다. 또한, 용융실 센서에 의하여 측정된 용융반응물의 레벨이 과도하게 높은 경우, 해당 용융실에 공급되는 용융반응물의 이송 속도를 늦추거나 해당 용융실로부터 배출되는 용융반응물의 이송 속도를 증가시켜 용융실 내 수용된 용융반응물의 용량이 과도하지 않고 일정 수용량이 유지되도록 제어할 수 있다.

보다 구체적인 일례로 본 발명에 따른 연속식 용융기(100)가 제1~제4용융실(101, 102, 103, 104)의 4개의 용융실로 구성되는 경우에 대하여 설명하면, 제1용융실(101)의 일측에는 폐기물 원료물질을 공급받는 투입구가 형성되며, 제1용융실(101)에서는 원료물질의 공급과 공급된 원료물질의 용융이 주로 이루어진다.

본 발명에 따른 연속식 용융기(100)는 상압에서 운전되는 반응기로서 제1용융실(101)로 원료투입이 자유롭다. 폐 현수막과 같이 부피가 큰 섬유와 같은 원료도 쉽게 투입할 수 있도록 하였고 고압이 아니므로 반응이 진행되는 중에도 조심스럽게 원료를 투입할 수 있다. 이때 제1용융실(101)에는 아연이나 납 등의 초산염을 촉매로 사용하고 폴리에스터 폐기물와 에틸렌글리콜을 무게비로 1 : 1~1.2로 투입할 수 있다. 또한 상기 무게비는 상압에서 화학양론적으로 폐 PET에 비해 3배정도의 과량의 EG를 투입한 것과 같으며, 촉매를 투입하여 PET를 올리고머로 분해되도록 한다.

이와 같이 폴리에스터 폐기물, 에틸렌글리콜 및 촉매를 상압에서 제1용융실(101)에 투입되어 용융된 이후, 제1~제4용융실(101, 102, 103, 104)을 거치면서 상기 용융반응물의 용융과 글리콜리시스 반응이 동시에 일어날 수 있다.

구체적으로, 제1/제2용융실(101, 102) 사이, 제2/제3용융실(102, 103) 사이 및 제3/제4용융실(103, 104) 사이에는 본 발명에 따른 자동 이송장치(120)가 구비되어 있어 각각 용융실(101~104)을 거쳐 용융반응물의 이송이 가능하도록 구성되어 있으며, 자동 이송장치(120)의 스크류밸브(121)에 의하여 용융반응물이 일방향 이송되었다가 체크밸브(125)의 개폐, 미개폐 또는 반개폐 상태에 따라 이송 속도가 조절되는 것일 수 있으며, 체크밸브(125)는 도 5에 도시된 바와 같이 스프링에 의하여 개폐가 조절되는 판체크밸브일 수도 있다.

또한, 마지막 용융실인 제4용융실(104)은 후속 반응기인 제1반응기(200)와 연결될 수 있다. 이때 제4용융실(104)과 제1반응기(200) 사이에도 본 발명에 따른 자동 이송장치(120)가 구비되어 제4용융실(104)로부터 제1반응기(200)로 용융반응물을 이송시킬 수 있으며, 제4용융실(104)과 제1반응기(200) 사이에는 고압펌프(150)가 더 설치되어 용융반응물의 이송을 보다 효과적으로 실시할 수도 있다. 다만, 제4용융실(104)과 제1반응기(200) 사이에 고압펌프(150)가 설치되는 경우에는 자동 이송장치(120)의 설치가 생략될 수도 있으며, 고압펌프(150)와 자동 이송장치(120)가 동시에 설치되는 경우에 고압펌프(150)는 자동 이송장치(120)의 전방 또는 후방 위치에 배치되는 것이 모두 가능하다.

여기서, 제1용융실(101)에서 원료물질이 용융되어 용융반응물이 생성된 이후, 용융반응물은 제2, 제3 및 제4용융실(102, 103, 104)을 거쳐 이송되면서 용융반응물 중 일부가 해중합 상태로 전환되는 1차 글리콜리시스 해중합 반응이 계속하여 이루어질 수 있다. 그리고, 마지막 용융실인 제4용융실(104)의 용융반응물은 주로 올리고머 상태일 수 있으며, 일부 용융반응물이 Dimer, Trimer 또는 BHET로 전환되어 혼합된 상태일 수 있다.

전술된 바와 같이 구성되는 연속적 용융기(100)는 융융기의 내부를 복수개의 융융실로 나누어 용융반응물의 반응시간을 늘리고, 각각의 용융실 사이에 자동 또는 수동 스크류밸브(121)와 체크밸브(125)를 설치하여 스크류를 통해 용융반응물을 일방향으로 강제 이송할 수 있고, 체크밸브(125)를 이용하여 이송된 반응물이 원위치로 돌아오는 것을 차단할 수 있는 장점이 있다. 게다가 이와 같이 제1용융실(101)로부터 제1반응기(200)까지 단계적인 용융반응물의 이송을 실시함에 따라 제1반응기(200)로 공급되는 용융반응물의 용융 및 해중합 상태를 제어할 수 있는 장점이 있으며, 동시에 제1반응기(200)의 압력, 온도 등의 조건에 무관하게 연속적으로 용융반응물의 이송이 가능한 장점이 있다. 또한, 이로써 에너지와 시간 등의 측면에서 유리하여 종래기술 대비 약 20%이상의 재생 효율을 증가시킬 수 있는 것을 특징으로 한다.

한편, 연속식 용융기(100)에는 용융기(100)가 승온되면서 증발된 에틸렌글리콜을 냉각시켜 회수하는 에틸렌글리콜 회수용 콘덴서(170)가 구비될 수 있다. 이러한 에틸렌글리콜 회수용 콘덴서(170)는 각각의 용융실 중 적어도 하나 이상에 구비될 수 있다. 이때 에틸렌글리콜 회수용 콘덴서(170)에서 회수된 에틸렌글리콜은 응축되었다가 필요시 연속식 용융기(100) 내부로 에틸렌글리콜을 재공급할 수 있다. 또한, 연속식 용융기(100)에 구비된 에틸렌글리콜 회수용 콘덴서(170)는 제1반응기(200)에 연결된 에틸렌글리콜 회수 콘덴서(11)와 별도로 설치된 장치일 수도 있으며, 또는 동일 장치일 수도 있다.

이어, 연속식 용융기(100)의 마지막 반응실(일례; 제4반응실)로부터 용융반응물이 제1반응기(200)로 이송되면, 제1반응기(200)는 주로 올리고머 상태의 용융반응물을 BHET로 해중합한다. 구체적으로 제1반응기(200)에서는 글리콜리시스 반응이 진행되는데 보통 섭씨 180-230℃에서 해중합이 일어나며 고압이 아닌 3-4기압에서 반응이 진행된다. 왜냐하면 이전 반응기인 연속식 용융기(100)에서 용융반응물이 이미 올리고머로 분해되었기 때문에 고압반응이 불필요하기 때문이다.

제1반응기(200)에서 글리콜리시스 반응이 완결되면, 제1반응기(200) 상단에 위치하는 에틸렌글리콜 회수 콘덴서(11)를 통해 과량의 EG를 회수하여 연속식 용융기(100)로 다시 보내 1차 글리콜리스의 반응에 EG를 사용할 수 있다.

제1반응기(200)의 상단에 위치하는 에틸렌글리콜 회수 콘덴서(11)는 상기 제1반응기(200)의 생성물 중 과량의 에틸렌글리콜을 회수하는 것을 특징으로 한다. 구체적으로, 연속식 용융기(100)에서의 글리콜리시스 반응 후에 제1반응기(200)로 이송된 올리고머를 해중합함에 있어서는 과량의 EG가 글리콜리시스 반응에는 도움이 되지만 그 생성된 반응물을 그대로 제2반응기(30)로 투입되면 제2반응기(30)에서 메탄올리스를 할 때 과량의 EG로 인하여 반응속도가 늦어지는 문제가 발생한다. 즉, 제2반응기(30)의 메탄올리시스 반응에서 과량의 EG가 우선적으로 증발하여야 하므로 그 만큼 시간과 에너지가 소모된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 제1반응기(200)에서 글리콜리시스 반응이 끝난 후에 과량의 EG를 에틸렌글리콜 회수 콘덴서(11)를 통해 회수하는 것이다.

전술된 바와 같이 제1반응기(200)에 연결된 에틸렌글리콜 회수 콘덴서(11)는 이전 반응기인 연속식 용융기(100)에 연결된 에틸렌글리콜 회수용 콘덴서(170)와 동일 장치일 수 있으며, 또는 각각 별도로 설치된 상이한 장치일 수도 있다.

또한 제1반응기(200)에 연결된 에틸렌글리콜 회수 콘덴서(11)에서 회수된 에틸렌글리콜은 연속식 용융기(100)로 보내어 재사용할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1반응기(200)의 상단에 위치하는 에틸렌글리콜 회수 콘덴서(11)를 통해 회수된 에틸렌글리콜은 연속식 용융기(100)로 보내져 1차 글리콜리시스 해중합반응에 투입될 수 있다.

다음으로, 제1반응기(200)에서 상기 콘덴서(11)에 의해 에틸렌글리콜이 회수된 생성물은 제2반응기(30)로 이송되어 메탄올리시스 반응할 수 있다. 구체적으로, 제1반응기(200)에서 상기 콘덴서(11)에 의해 에틸렌글리콜이 회수된 생성물은 제2반응기(30)로 이송되어 메탄올리스 반응함으로써, 에틸렌글리콜의 양이 최소로 남아 있도록 하여 반응속도와 반응시간을 획기적으로 줄여 에너지 소모를 최소화하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2반응기(30)는 제1반응기(200)로부터 이송된 반응물을 제2반응기(30) 하단부의 기포분산기(31)로부터 공급되는 메탄올로 메탄올리시스 반응시켜 해중합 반응을 완료함과 동시에 기상(gas-phase)으로 반응 생성물을 배출함으로써 불순물을 상당히 포함한 폴리에스터 폐기물도 처리할 수 있는 특징이 있다.

또한 본 발명의 정류탑(40)은 제2반응기(30)의 생성물을 정류탑(40) 하단부의 액상과 직접 접촉시켜 메탄올만을 기화시켜 분리하는 역할을 하며, 분리된 메탄올과 메탄올 저장조(65)로부터 정류탑(40) 상단부로 공급되어 기화된 원료 메탄올의 혼합물을 제2반응기(30)로 재순환시키는 역할도 한다.

본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치는 상기 분리된 메탄올의 일부를 메탄올 저장조(65)로 저장하기 위한 역압조절기(80); 상기 정류탑(40)의 액상으로부터 디메틸테레프탈레이트를 결정화하는 결정화조(50); 상기 결정화된 디메틸테레프탈레이트를 분리하는 고액분리기(55); 상기 고액분리기(55)와 연결되어 분리된 EG 리치한 메탄올 액상으로부터 상단부에서는 메탄올을 분리하여 메탄올 저장조(65)로 저장할 수 있다. 상기 고액분리기(55)는 필터프레스나 원심분리기와 같은 고액분리기이며, 이때 분리된 EG가 리치한 메탄올은 정류탑(60)에 의해 끊는 점이 낮은 메탄올를 증발시켜 메탄올저장조로 보내고 남은 EG는 용융기에 재투입하는 방법으로 EG를 회수하여 재사용할 수 있다. 여기서 EG가 리치한 메탄올 액상이란, EG을 고농도로 포함하는 메탄올 또는 이를 포함하는 액상을 의미하는 것일 수 있다.

이하, 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 보다 상세하게 설명하나, 이는 발명의 구성 및 효과를 이해시키기 위한 것 일뿐, 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다.

본 발명의 폴리에스터 원료화 재생장치 및 그 재생방법에 있어서, 일 실시예인 4개의 용융실이 구비된 폴리에스터 원료화 재생장치를 중심으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 현수막과 같은 폐폴리에스터(PET) 원료와 촉매를 연속식 용융기(100)의 제1용융실(101)에 투입한다. 다음으로 EG를 투입하되, 폐PET와 EG의 무게비가 1:1 되도록 투입하고 약 190℃에서 1시간 반응시킨다. 그러면 폐PET는 유동체의 올리고머로 분해된다.

이 생성물은 이송밸브(26)를 열어 제2용융실(102)로 이송시킨다. 이때 이송이 끝나면 이송밸브(26)는 자동으로 닫힌다. 제2용융실(102)로 이송된 용융반응물은 계속하여 해중합 반응이 일어나면서 올리고머가 Dimer 또는 Trimer 등으로 일부 전환된다.

일정 시간이 되면 다시 스크류 전동모터(127)를 작동시키고 체크밸브(125)를 열어 제3용융실(103)로 이송시킨다. 이송된 용융반응물은 제3용융실(103)에서도 해중합 반응하게 되고, 이어 일정시간 후에 다시 스크류 전동모터(127)를 작동시키고 체크밸브(125)를 열어 제4용융실(104)로 이송시킨다. 제4용융실(104)에서도 해중합 반응이 계속 진행되어 용융반응물의 일부가 BHET 모노머나 Dimer 등으로 해중합된다.

다음으로 주로 올리고머 상태인 용융반응물을 고압펌프(150)를 작동시켜 제4반응실로부터 제1반응기(200)로 보내 용융반응물을 BHET로 해중합한다. 이 해중합은 올리고머를 글리콜리시스 반응을 통해 BHET로 해중합하기 때문에 보통은 1시간이내에 가능하고 반응 압력도 1-4기압에서 반응이 진행된다. 제1반응기(200)에서의 해중합이 종료되면 이송밸브(13)를 열어 EG 회수 콘덴서(11)을 통해 EG를 회수하고, 이후 회수된 EG을 다시 연속식 용융기(100)로 보낸다. 이때 최초 제1용융실(101)에서 투입된 EG의 30-50%, 즉 투입한 3당량 중 최대한 많은 양을 회수할 수 있고, 바람직하게는 1-1.5 당량을 회수한다.

다음 제1반응기(200) 내에 있는 생성물을 제2반응기(30)로 이송한다. 제2반응기(30)에서는 메탄올리시스가 진행되며 메탄올로 인해 BHET가 DMT와 EG로 분해된다. 이때 EG의 양이 기존의 방법에 비해 현저하게 줄어들었기 때문에 반응시간과 반응속도가 빠르게 진행된다. 일반적으로 30리터를 메탄올리시스 할 때는 4시간 정도에 반응이 진행되었지만 EG를 회수한 경우는 2시간에서 2시간 30분 안에 반응이 종결되었다. 즉 30%-50% 까지 메탄올리시스 반응시간이 줄어들어 에너지 소모가 줄어드는 효과가 있다.

그 이후 제2반응기(30)에서 배출된 기상의 반응 생성물은 이송관(35)에 의해 정류탑(40)으로 이송되어 정류탑(40) 하단부에 있는 액상과 직접 접촉 시켜 DMT와 EG를 액화시키고, 메탄올은 기화되도록 한다. 즉, 분해된 DMT와 EG는 메탄올과 함께 증발되어 정류탑(40)으로 보내져서 정류탑(40) 하단부에 DMT와 EG가 모아지고 메탄올은 기화되어 다시 제2반응기(30)로 돌아온다.

이렇게 폐PET를 폴리에스터 원료물질인 DMT와 EG로 원료화하는 재생공정은 PET의 재생효율이 우수하다. 구체적으로, 종래의 용융기(10)를 사용하는 경우보다 본 발명에 따른 연속식 용융기(100)를 사용할 때 PET 재생효율의 비교 실험결과, PET 재생효율이 10%이상 모노머 DMT 생성량이 증가하였다. 이는 연속식 용융기(100)를 운전하면서 용융 및 해중합 반응시간을 늘리고, 해중합 효율을 증가시켰기 때문이다.

또한, 본 발명에 따른 폴리에스터 원료화 재생장치에 따르면, 총 공정 시간도 종래기술 대비 약 20-30% 단축되었다. 이는 제1반응기(200)의 온도 또는 압력 상태에 무관하게 용융된 올리고머를 연속적으로 연속식 용융기(100)에서 제1반응기(200)로 이송시킬 수 있기 때문이다.

또한, PET 재생효율을 향상시키고, 재생 공정 시간을 단축함에 따라, 에너지 소모 비용이 20%정도 절약할 수 있는 장점이 있다.

10: 종래 용융기 11: 에틸렌글리콜 회수 콘덴서
20: 제1반응기 30: 제2반응기
31: 기포분산기 40: 정류탑
50: 결정화조 55: 고액분리기
60: 증류탑 65: 메탄올 저장조
70: 순환압축기 80: 역압조절기
12, 13, 26, 36: 이송밸브
25, 35, 45, 46: 이송관
100: 연속식 용융기 101: 제1용융실
102: 제2용융실 103: 제3용융실
104: 제4용융실 120: 자동 이송장치
121: 스크류밸브 125: 체크밸브
127: 스크류 전동모터 150: 고압펌프
170: 에틸렌글리콜 회수 콘덴서 200: 제1반응기

Claims (8)

1. 폴리에스터 폐기물로부터 폴리에스터 원료물질인 디메틸테레프탈레이트와 에틸렌글리콜을 생산하기 위한 폴리에스터 원료화 재생장치에 있어서,
   폴리에스터 폐기물, 에틸렌글리콜 및 촉매를 상압에서 공급받아 용융반응물을 생성하며, 상기 용융반응물이 복수개의 용융실을 따라 이송되면서 1차 글리콜리시스 해중합 반응되는 연속식 용융기;
   상기 용융기로부터 이송된 생성물이 2차 글리콜리시스 해중합되는 제1반응기;
   상기 제1반응기의 상단에 위치하는 에틸렌글리콜 회수 콘덴서;
   상기 제1반응기로부터 이송된 생성물을 메탄올리시스 반응시키는 제2반응기;
   상기 제2반응기로부터 배출되는 생성물을 정류탑 하단부의 액상과 직접 접촉시켜 메탄올만을 기화시켜 분리하고, 상기 분리된 메탄올을 제2반응기에 재순환시키는 정류탑; 및
   상기 정류탑에 메탄올을 공급하기 위한 메탄올 저장조(65);
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리에스터 원료화 재생장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 용융기는 2개 이상의 용융실이 연속 배치되며, 상기 복수개의 용융실 사이 또는 상기 용융실과 상기 제1반응기 사이에 자동 이송장치가 구비된 이송구가 설치되어 상기 용융반응물을 상기 용융기에서 상기 제1반응기로 일방향 이송하는 폴리에스터 원료화 재생장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 자동 이송장치는 스크류밸브와 체크밸브를 포함하는 폴리에스터 원료화 재생장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 자동 이송장치는 유량계를 더 포함하는 폴리에스터 원료화 재생장치.
5. 제2항에 있어서,
   상기 복수개의 용융실 중 적어도 하나에는 센서(미도시)가 더 설치되는 폴리에스터 원료화 재생장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 센서는 상기 용융실 내 수용된 상기 용융반응물의 온도, 점도 및 레벨 중 하나 이상의 데이터를 측정하는 폴리에스터 원료화 재생장치.
7. 제5항에 있어서,
   상기 자동 이송장치는 상기 센서로부터 측정된 데이터를 공급받아 상기 용융반응물의 이송 속도를 조절하는 제어부가 더 설치되는 폴리에스터 원료화 재생장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 용융기에는 상기 용융기가 승온되면서 증발된 에틸렌글리콜을 회수하는 에틸렌글리콜 회수용 콘덴서가 구비되는 폴리에스터 원료화 재생장치.

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