KR20170074653A - 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치 - Google Patents

스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 동시에 생산하면서도 에너지 사용량을 줄일 수 있는 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치가 개시된다. 상기 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법은, (a) 촉매 하에서 에틸벤젠 및 큐멘을 탈수소화 반응시키는 단계; (b) 상기 반응에 의한 반응 생성물로부터 열을 회수하는 단계; (c) 상기 (b)단계를 거친 반응 생성물의 적어도 일부에서 기체상을 분리하여 압축부로 보내고, 액체상에서 물을 포함하는 응축수를 분리하고, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 회수하는 단계; (d) 상기 (c) 단계를 거친 반응 생성물 중 기체상의 적어도 일부를 압축 및 냉각시켜, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 저비점 성분은 기체상으로 분리하고, 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘을 포함하는 액체상은 상기 (c) 단계로 되돌리는 단계; (e) 상기 (c) 단계에서 회수된 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부를, 스타이렌을 포함하는 유분과 미반응 큐멘을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 단계; (f) 상기 (e) 단계의 스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 스타이렌을 회수하고, 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계; (g) 상기 (f) 단계의 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 에틸벤젠을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 벤젠 및 톨루엔을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계; (h) 상기 (e) 단계의 미반응 큐멘을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 큐멘을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계; 및 (i) 상기 (h) 단계의 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 알파메틸스타이렌을 회수하고, 잔류 고비점 성분을 증류 분리하는 단계;를 포함한다.

Description

스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PREPARING OF STYRENE AND ALPHAMETHYL STYRENE CONCURRENT}
본 발명은 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 동시에 생산하면서도 에너지 사용량을 줄일 수 있는 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치에 관한 것이다.
하기 반응식 1에 나타낸 바와 같이, 고온 및 스팀 존재 하에서 에틸벤젠(ethyl benzene; EB)을 촉매 탈수소화 반응시켜 스타이렌(Styrene monomer; SM)을 생산하는 것은, 널리 알려진 일반적인 스타이렌의 제조 방법이다. 도 1은 통상적인 스타이렌의 제조 공정도로서, 스타이렌(SM)은, 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 에틸벤젠(EB)을 탈수소화(Dehydrogenation) 반응 시킨 후, 응축 및 분별 증류 등의 과정을 거침으로써 제조되는 것을 알 수 있다. 이 때, 끓는점이 상대적으로 낮은 벤젠(Benzene; BZ, 끓는점: 80.09 ℃)과 톨루엔(Toluene; TOL, 끓는점: 110.63 ℃)은, 증류탑의 상부를 통해 배출 및 이송된 후 후속 과정을 거쳐 분리되며, 끓는점이 상대적으로 높은 스타이렌(SM, 끓는점: 145.16 ℃)은, 증류탑의 하부를 통해 배출 및 이송된 후 마찬가지로 후속 과정을 거쳐 분리된다.
[반응식 1]
Figure pat00001
또한, 내열 ABS(Acrylonitrile butadiene styrene)의 주요 원재료로 사용되는 알파메틸스타이렌(a-methylstyrene; AMS)은, 현재 대부분 페놀 공정의 부산물로 얻어지고 있는데, 해마다 그 수요가 증가하고 있으며, 그밖에, 하기 반응식 2에 나타낸 바와 같이, 에틸벤젠과 구조가 유사한 큐멘(cumene, CM)의 탈수소화 반응에 의해서도 알파메틸스타이렌(AMS)을 얻을 수 있다.
[반응식 2]
Figure pat00002
이와 같이, 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 각각 제조하는 방법들은 널리 알려져 있지만, 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 제조할 수 있는 공정은 존재하지 않는다. 그리고 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 생산할 경우, 분리공정의 구성에 따라 에너지 사용량이 크게 차이 날 수 있다. 따라서, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 각각 별개로 제조하는 경우의 번거로움을 줄이면서도 과다하게 소모되는 에너지량을 감소시키는 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 제조할 수 있는 방법의 개발이 요구된다.
대한민국 특허공개 10-2015-0088892호
앞서 살펴본 바와 같이, 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 각각 제조하는 방법들은 널리 알려져 있지만, 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 제조할 수 있는 공정은 존재하지 않고, 공정의 구성에 따라 에너지 사용량의 차이가 크다. 이와 같은 문제점에 의한 개발 자체의 어려움을 극복하여, 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 제조함으로써 얻을 수 있을 것으로 예상되는 저비용 고효율 등의 장점을 살릴 수 있는 방안이 모색되어야 한다.
따라서, 이를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 동시에 제조하면서도 에너지 사용량을 줄여 경제성을 향상시킬 수 있는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, (a) 촉매 하에서 에틸벤젠 및 큐멘을 탈수소화 반응시키는 단계; (b) 상기 반응에 의한 반응 생성물로부터 열을 회수하는 단계; (c) 상기 (b)단계를 거친 반응 생성물의 적어도 일부에서 기체상을 분리하여 압축부로 보내고, 액체상에서 물을 포함하는 응축수를 분리하고, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 회수하는 단계; (d) 상기 (c) 단계를 거친 반응 생성물 중 기체상의 적어도 일부를 압축 및 냉각시켜, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 저비점 성분은 기체상으로 분리하고, 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘을 포함하는 액체상은 상기 (c) 단계로 되돌리는 단계; (e) 상기 (c) 단계에서 회수된 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부를, 스타이렌을 포함하는 유분과 미반응 큐멘을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 단계; (f) 상기 (e) 단계의 스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 스타이렌을 회수하고, 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계; (g) 상기 (f) 단계의 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 에틸벤젠을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 벤젠 및 톨루엔을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계; (h) 상기 (e) 단계의 미반응 큐멘을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 큐멘을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계; 및 (i) 상기 (h) 단계의 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 알파메틸스타이렌을 회수하고, 잔류 고비점 성분을 증류 분리하는 단계;를 포함하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 촉매 하에서 에틸벤젠 및 큐멘의 탈수소화 반응이 수행되는 반응기; 상기 반응에 의한 반응 생성물로부터 열을 회수하는 열 교환기; 상기 열이 회수된 반응 생성물의 적어도 일부에서 기체상을 분리하여 압축부로 보내고, 액체상에서 물을 포함하는 응축수를 분리하고, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분이 회수되는 디캔터; 상기 분리된 기체상의 적어도 일부를 압축 및 냉각시켜, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 저비점 성분은 기체상으로 분리하고, 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘을 포함하는 액체상은 회수하는 것으로서, 압축기, 열교환기 및 드럼으로 이루어진 압축부; 상기 디캔터로부터 공급된 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부를, 스타이렌을 포함하는 유분과 미반응 큐멘을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 SM/CM 분리탑; 상기 SM/CM 분리탑에서 분리된 스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 스타이렌을 회수하고, 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 EB/SM 분리탑; 상기 EB/SM 분리탑에서 분리된 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 에틸벤젠을 회수하여 상기 반응기로 되돌려 보내고, 벤젠 및 톨루엔을 포함하는 유분을 증류 분리하는 TOL/EB 분리탑; 상기 SM/CM 분리탑에서 분리된 미반응 큐멘을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 큐멘을 회수하여 상기 반응기로 되돌려 보내고, 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 증류 분리하는 CM/AMS 분리탑; 및 상기 CM/AMS 분리탑에서 분리된 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 알파메틸스타이렌을 회수하고, 잔류 고비점 성분을 포함하는 유분을 증류 분리하는 AMS/Heavies 분리탑;을 포함하는 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치에 의하면, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 동시에 제조하면서도 에너지 사용량을 줄일 수 있고, 원재료와 제품의 시장 가격에 따라 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 생산비율을 다르게 하여 경제성을 향상시킬 수 있다. 그리고 기존의 스타이렌만의 제조가 가능했던 공정을 개조하여, 적은 투자비용으로 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조가 가능하다.
도 1은 통상적인 스타이렌의 제조 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치를 설명하기 위한 공정도이다.
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 스타이렌 및 알파메틸스타이렌의 제조 공정도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치를 설명하기 위한 공정도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법은, (a) 촉매 하에서 에틸벤젠(ethyl benzene; EB) 및 큐멘(cumene; CM)을 탈수소화 반응시키는 단계, (b) 상기 반응에 의한 반응 생성물로부터 열을 회수하는 단계, (c) 상기 (b)단계를 거친 반응 생성물의 적어도 일부에서 기체상을 분리하여 압축부로 보내고, 액체상에서 물을 포함하는 응축수(또는 응축물, condensate)를 분리하고, 스타이렌(Styrene; SM) 및 알파메틸스타이렌(alpha-Methyl Styrene; AMS)을 포함하는 유분을 회수하는 단계, (d) 상기 (c) 단계를 거친 반응 생성물 중 기체상의 적어도 일부를 압축 및 냉각시켜, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 저비점 성분은 기체상으로 분리하고, 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘을 포함하는 액체상은 상기 (c) 단계로 되돌리는 단계, (e) 상기 (c) 단계에서 회수된 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부를, 스타이렌을 포함하는 유분과 미반응 큐멘을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 단계, (f) 상기 (e) 단계의 스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 스타이렌을 회수하고, 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 단계, (g) 상기 (f) 단계의 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 에틸벤젠을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 벤젠(Benzene; BZ) 및 톨루엔(Toluene; TOL)을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계, (h) 상기 (e) 단계의 미반응 큐멘을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 큐멘을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계 및 (i) 상기 (h) 단계의 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 알파메틸스타이렌을 회수하고, 잔류 고비점 성분을 증류 분리하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따라 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 제조하기 위해서는, 먼저, (a) 촉매 하에서 에틸벤젠 및 큐멘을 탈수소화 반응시킨다. 즉, (a) 단계에서는, 기존에는 존재하지 않던 에틸벤젠과 큐멘을 하나의 반응기(100)에 공급하는 방법을 이용함으로써, 상기 에틸벤젠과 큐멘이 동시에 각각 탈수소화 반응에 의해 스타이렌과 알파메틸스타이렌이 된다.
상기 에틸벤젠 및 큐멘의 탈수소화 반응에 첨가되는 촉매는, 상기 에틸벤젠과 큐멘을 탈수소화시켜 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 얻을 수 있도록 하는 것을 제한 없이 사용할 수 있으며, 그 예로는, 철산화물, 팔라듐, 플래티늄, 알루미늄산화물, 규소산화물, 루데늄, 레니윰, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 세륨, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 비스무스, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 구리, 아연, 비소, 안티몬, 크롬철, 코발트 및 이들의 혼합물 등이 있다. 한편, 상기 반응기(100)에 공급되는(또는, 탈수소화 반응에 사용되는) 에틸벤젠과 큐멘의 비율은, 중량비로 약 0.1 ~ 10 : 1이며, 시장의 가격상황에 따라 유연하게 변동될 수 있다.
상기 탈수소화 반응은 300 내지 800 ℃, 바람직하게는 550 내지 650 ℃의 온도 하에서 수행되며, 또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 탈수소화 반응 시 공급되는 스팀(steam)은 반응의 안정성 및 선택도를 향상시키기 위한 것으로서, 그 사용량은 몰비(mole ratio)로 스팀 : 반응물(에틸벤젠 및 큐멘) = 3 ~ 20 : 1, 바람직하게는 6 ~ 12 : 1이다.
다음으로, 상기 (a) 단계의 탈수소화 반응에 의한 생성물이 반응기(100)로부터 배출되면, (b) 상기 반응에 의한 반응 생성물로부터 열(heat)을 회수하는 과정이 수행되며, 이 때, 상기 반응 생성물은 열 교환기(Heat exchanger, 200)에서 약 15 내지 60 ℃, 바람직하게는 약 50 내지 60 ℃까지 냉각된다. 한편, 상기 반응 생성물로부터 회수된 열은, 공정 내부에서 필요한 에너지로 사용되거나 외부 공정에 사용될 수 있다.
상기 (b) 단계의 반응 생성물로부터 열을 회수한 후에는, (c) 상기 열이 회수된 반응 생성물의 적어도 일부에서 기체상을 분리하여 압축부(Compression Part, 300)로 보내고, 액체상에서 물을 포함하는 응축수를 분리하고, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 회수한다. 상기 (c) 단계의 공정은 디캔터(Decanter, 400)에서 수행되며, 상기 분리되는 응축수는 공정 내에서 재활용되거나 폐기 처리될 수 있다.
계속해서, (d) 상기 (c) 단계를 거친 반응 생성물 중 기체상의 적어도 일부를 압축 및 냉각시켜, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 저비점(低沸点) 성분은 기체상(또는, 기상)으로 분리하고(즉, Light gas를 분리), 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘을 포함하는 유효 성분을 액체상으로 다시 회수하여 상기 (c) 단계의 디캔터(400)로 되돌려 보낸다. 이 때, 상기 압축부(400)에서는 상기 반응 생성물을 약 1.5 내지 5.5 KCA(kgf/cm2a), 바람직하게는 약 1.5 내지 2.5 KCA의 압력이 될 때까지 압축시킨다. 한편, 상기 압축부는 압축기, 열 교환기 및 드럼으로 구성된다.
다음으로, (e) 상기 (c) 단계에서 회수된(다시 말해, 상기 디캔터(400)로부터 공급된) 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부를, 스타이렌을 포함하는 유분과 미반응 큐멘을 포함하는 유분으로 증류 분리한다. 상기 (e) 단계의 공정은 SM/CM 분리탑(500)에서 수행되는 것으로서, 끓는점이 스타이렌(SM, 끓는점: 145.16 ℃)에 비해 상대적으로 높은 큐멘(CM, 끓는점: 152.41 ℃)을 포함하는 유분은 상기 SM/CM 분리탑(500)의 하부로 배출되고, 스타이렌을 포함하는 유분은 상기 SM/CM 분리탑(500)의 상부를 통해 배출된다. 그리고 상기 SM/CM 분리탑(500)의 압력은 0.01 내지 5 KCA, 바람직하게는 0.1 내지 1 KCA이다.
다음으로, (f) 상기 (e) 단계의 스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 스타이렌을 회수하고, 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분으로 증류 분리한다. 상기 (f) 단계의 공정은 EB/SM 분리탑(600)에서 수행되는 것으로서, 끓는점이 에틸벤젠(EB, 끓는점: 136.2 ℃)에 비해 상대적으로 높은 스타이렌(SM, 끓는점: 145.16 ℃)은 상기 EB/SM 분리탑(600)의 하부로 배출되어 회수되고, 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분은 상기 EB/SM 분리탑(600)의 상부를 통해 배출된다. 그리고 상기 EB/SM 분리탑(600)의 압력은 0.01 내지 6 KCA, 바람직하게는 0.1 내지 1 KCA이다.
다음으로, (g) 상기 (f) 단계의 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 에틸벤젠을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 벤젠 및 톨루엔을 포함하는 유분을 증류 분리한다. 상기 (g) 단계의 공정은 TOL/EB 분리탑(620)에 수행되는 것으로서, 끓는점이 톨루엔(Touluene, 끓는점: 110.63 ℃)에 비해 상대적으로 높은 에틸벤젠(EB, 끓는점: 136.2 ℃)은 상기 TOL/EB 분리탑(620)의 하부로 회수되어 탈수소화 반응이 수행되는 반응부(또는, 반응기(100))로 되돌려 보내지고, 벤젠과 톨루엔을 포함하는 유분은 상기 TOL/EB 분리탑(620)의 상부를 통해 배출된다. 이들 벤젠과 톨루엔은 탈수소 반응과 분리과정에서 생성된 부산물이지만, 추가적인 설비를 이용해 회수되면 유용하게 쓰일 수 있다. 그리고 상기 TOL/EB 분리탑(620)의 압력은 0.01 내지 7 KCA, 바람직하게는 1 내지 2 KCA이다.
계속해서, (h) 상기 (e) 단계의 미반응 큐멘을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 큐멘을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 증류 분리한다. 상기 (h) 단계의 공정은 CM/AMS 분리탑(520)에서 수행되는 것으로서, 끓는점이 알파메틸스타이렌(AMS, 끓는점: 165.5 ℃)보다 상대적으로 낮은 큐멘(Cumene, 끓는점: 152.41 ℃)은 상기 CM/AMS 분리탑(520)의 상부로 회수되어 반응부(또는, 반응기(100))로 되돌려 보내지고, 상기 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분은 상기 CM/AMS 분리탑(520)의 하부를 통해 배출된다. 그리고 상기 CM/AMS 분리탑(520)의 압력은 0.01 내지 8 KCA, 바람직하게는 0.1 내지 1 KCA이다.
마지막으로, (i) 상기 (h) 단계의 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 알파메틸스타이렌을 회수하고, 잔류 고비점 성분을 포함하는 유분을 증류 분리한다. (i) 단계의 공정은 AMS/Heavies 분리탑(700)에서 수행되는 것으로서, 끓는점이 잔류 고비점 성분(끓는점: 165.5 ℃ 초과)보다 상대적으로 낮은 알파메틸스타이렌(AMS, 끓는점: 165.5 ℃)은 상기 AMS/Heavies 분리탑(700)의 상부로 회수되고, 잔류 고비점 성분(끓는점: 165.5 ℃ 초과)은 상기 AMS/Heavies 분리탑(700)의 하부로 배출된다. 그리고 상기 AMS/Heavies 분리탑(700)의 압력은 0.01 내지 9 KCA, 바람직하게는 0.5 내지 1.5 KCA이다.
한편, 상기 (e) 단계 이후에 수행되는 (f) 단계의 스타이렌 회수 및 (i) 단계의 알파메틸스타이렌 회수는 동시에 수행되는 것이지만, 사용자의 필요에 의해 (f) 단계의 스타이렌 회수 또는 (i) 단계의 알파메틸스타이렌 회수 중 어느 하나가 먼저 수행될 수 있는 등, 선후 관계에 대한 특별한 제약은 없다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법을 이용하면, 하나의 반응기에 에틸벤젠 및 큐멘을 공급하는 등의 과정을 거침으로써, 스타이렌((f) 단계에서 회수) 및 알파메틸스타이렌((i) 단계에서 회수)을 동시에 생산할 수 있을 뿐만 아니라, 시장의 가격상황에 따라 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 생산 비율을 다르게 하여 경제성을 높일 수도 있다. 또한, 폐기될 수 있는 미반응 에틸벤젠이나 미반응 큐멘을 회수하여 원료로 재사용 할 수 있기 때문에, 공정의 생산성을 높이고 원료를 절감할 수 있다.
계속해서, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치를 간략히 설명한다. 본 발명에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치는, 촉매 하에서 에틸벤젠 및 큐멘의 탈수소화 반응이 수행되는 반응기(100), 상기 반응에 의한 반응 생성물로부터 열을 회수하는 열 교환기(200), 상기 열이 회수된 반응 생성물의 적어도 일부에서 기체상을 분리하여 압축부로 보내고, 액체상에서 물을 포함하는 응축수를 분리하고, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분이 회수되는 디캔터(400), 상기 분리된 기체상의 적어도 일부를 압축 및 냉각시켜, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 저비점 성분은 기체상으로 분리하고, 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘을 포함하는 액체상은 회수하는 것으로서, 압축기, 열교환기 및 드럼으로 이루어진 압축부(300), 상기 디캔터(400)로부터 공급된 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부를, 스타이렌을 포함하는 유분과 미반응 큐멘을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 SM/CM 분리탑(500), 상기 SM/CM 분리탑(500)에서 분리된 스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 스타이렌을 회수하고, 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 EB/SM 분리탑(600), 상기 EB/SM 분리탑(600)에서 분리된 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 에틸벤젠을 회수하여 상기 반응기(100)로 되돌려 보내고, 벤젠 및 톨루엔을 포함하는 유분을 증류 분리하는 TOL/EB 분리탑(620), 상기 SM/CM 분리탑(500)에서 분리된 미반응 큐멘을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 큐멘을 회수하여 상기 반응기로 되돌려 보내고, 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 증류 분리하는 CM/AMS 분리탑(520) 및 상기 CM/AMS 분리탑(520)에서 분리된 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 알파메틸스타이렌을 회수하고, 잔류 고비점 성분을 포함하는 유분을 증류 분리하는 AMS/Heavies 분리탑(700)을 포함한다.
한편, 본 발명에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치와 관련한 세부 설명은, 상기 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법에 설명한 내용에 준한다.
이상 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치를 이용하면, 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 생산하면서도 소모되는 에너지량을 감소시킬 수 있다. 이와 같은 에너지 사용량의 감소는, 공정 내 증류탑, 특히, SM/CM 분리탑(500), CM/AMS 분리탑(520) 및 EB/SM 분리탑(600) 각각의 리보일러(reboiler)에서 사용되는 에너지량의 감소로부터 확인할 수 있는데(하기 실시예 참조), 이는, 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘의 끓는점 차이가 작고, 서로 간의 상대 휘발도에 영향을 주기 때문에, 이들을 어떠한 순서와 방법으로 분리하는 지에 따라 소비되는 에너지량의 차이가 발생하기 때문이다.
또한, 본 발명에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치를 이용하면, 에너지를 적게 사용하면서 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 생산할 수 있다. 그리고 원재료와 제품의 시장 가격에 따라 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 생산비율을 다르게 하여 경제성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 기존의 스타이렌만의 제조가 가능했던 공정을 개조하여, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조가 가능하기 때문에, 적은 투자비용으로 알파메틸스타이렌을 제조할 수 있다.
본 발명은, 그간 존재하지 않던 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 제조할 수 있는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 이는 기존 공지 기술들로부터 용이하게 유추하기 어려울 뿐만 아니라, 분리 공정의 설계에 따라 에너지 사용량이 과다할 경우에는, 오히려 기존 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 독립적으로 제조하던 기술보다 경제성이 저하될 우려가 있는 만큼, 공정 구성 등에 있어 각별한 주의를 요하는 기술이라 할 수 있어, 관련 업계에 미치는 본 발명의 영향은 적지 않다고 할 수 있다. 즉, 본 발명은 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 동시에 제조하면서도 분리 공정의 구성에 따라 과도하게 소모되는 에너지 사용량을 줄이고, 생산량은 보다 유연하게 조절할 수 있는 것이며, 또한 이와 같은 본 발명의 공정은, 기존 스타이렌과 알파메틸스타이렌을 독립적으로 제조하던 공정을 개조한다면, 적은 투자 비용으로도 구성할 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변경 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예 1] 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조
도 2에 도시된 바와 같이, 반응기, 열 교환기, 압축부, 디캔터, SM/CM 분리탑, CM/AMS 분리탑, EB/SM 분리탑, TOL/EB 분리탑 및 AMS/Heavies 분리탑으로 구성된 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치에, 원료인 에틸벤젠 및 큐멘을 하기 표 1과 같은 양으로 반응기에 공급한 후, 상기 장치들을 이용하여 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 동시에 제조하였다.

 투입량(kg/hr) 전환율(%) 선택도(%)
에틸벤젠 큐멘 에틸벤젠 큐멘 에틸벤젠 큐멘
실시예 1 185,448 99,680 74.2 74.8 94.6 93.8
비교예 1 185,440 99,680 74.2 74.8 95.7 94.5
[비교예 1] 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 제조
도 3은 본 발명의 비교예에 따른 스타이렌 및 알파메틸스타이렌의 제조 공정도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 표 1과 같은 양의 에틸벤젠 및 큐멘을 반응기(10)에 원료로서 공급하고, 디캔터(20)에서 배출되는 물질들이 EB/SM 분리탑(30)으로 이송되고, 이로부터 배출되는 물질들이 다음 증류탑(40)으로 이송되어 상부로 스타이렌(SM)이 배출 및 회수되고, 나머지 큐멘 및 알파메틸스타이렌 등의 물질들은 하부로 배출되어 CM/AMS 분리탑(50)으로 이송되는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 수행하여, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌이 순차적으로 제조되었다.
[실시예 1, 비교예 1] 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 제조 시 사용되는 에너지량 평가
스타이렌 및 알파메틸스타이렌이 제조되는 상기 실시예 1 및 비교예 1의 각 공정에서 사용된 에너지량, 정확하게는 각 증류탑의 리보일러에서 사용된 에너지량 및 스타이렌(SM)과 알파메틸스타이렌(AMS)의 최종 생산량을 하기 표 2에 나타내었다.
최종생산량(kg/hr) 리보일러 에너지 사용량(Gcal/hr)
SM AMS EB/TOL 분리탑 EB/SM 분리탑 SM/CM 분리탑 CM/AMS 분리탑 AMS/Heavies 분리탑 계
실시예 1 130,120 699,52 0.63 7.44 10.84 3.07 1.31 23.29
비교예 1 131,632 70,408 0.63 27.17 13.13 4.66 1.31 46.90
상기 표 2에 나타낸 바와 같이, 동일한 원재료를 투입할 경우, 실시예 1 및 비교예 1의 제품(SM 및 AMS) 생산량은 유사하지만, 실시예 1의 경우, 정제 과정에 이용되는 증류탑의 리보일러 에너지 사용량은, 비교예 1에 비하여 확연하게 감소된 것을 확인할 수 있다. 이는, 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘의 끓는점 차이가 작고, 서로 간의 휘발도에 영향을 주기 때문에, 이들을 어떠한 순서와 방법으로 분리하는 지에 따라 소비되는 에너지량의 차이가 발생하게 되는 것이며, 본 발명에 따른 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법 및 장치에 의한 실시예 1은 그에 최적화 된 것이라 할 수 있다.
100: 반응기
200: 열 교환기
300: 압축부
400: 디캔터
500: SM/CM 분리탑
520: CM/AMS 분리탑
600: EB/SM 분리탑
620: TOL/EB 분리탑
700: AMS/Heavies 분리탑

Claims (13)

  1. (a) 촉매 하에서 에틸벤젠 및 큐멘을 탈수소화 반응시키는 단계;
    (b) 상기 반응에 의한 반응 생성물로부터 열을 회수하는 단계;
    (c) 상기 (b)단계를 거친 반응 생성물의 적어도 일부에서 기체상을 분리하여 압축부로 보내고, 액체상에서 물을 포함하는 응축수를 분리하고, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 회수하는 단계;
    (d) 상기 (c) 단계를 거친 반응 생성물 중 기체상의 적어도 일부를 압축 및 냉각시켜, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 저비점 성분은 기체상으로 분리하고, 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘을 포함하는 액체상은 상기 (c) 단계로 되돌리는 단계;
    (e) 상기 (c) 단계에서 회수된 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부를, 스타이렌을 포함하는 유분과 미반응 큐멘을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 단계;
    (f) 상기 (e) 단계의 스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 스타이렌을 회수하고, 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계;
    (g) 상기 (f) 단계의 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 에틸벤젠을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 벤젠 및 톨루엔을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계;
    (h) 상기 (e) 단계의 미반응 큐멘을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 큐멘을 회수하여 반응부로 되돌려 보내고, 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 증류 분리하는 단계; 및
    (i) 상기 (h) 단계의 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 알파메틸스타이렌을 회수하고, 잔류 고비점 성분을 증류 분리하는 단계;를 포함하는 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 (f) 단계의 스타이렌 회수 및 (i) 단계의 알파메틸스타이렌 회수는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 탈수소화 반응에 사용되는 에틸벤젠과 큐멘의 비율은, 중량비로 0.1 ~ 10 : 1인 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 탈수소화 반응은 300 내지 800 ℃의 온도 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 촉매는 철산화물, 팔라듐, 플래티늄, 알루미늄산화물, 규소산화물, 루데늄, 레니윰, 오스뮴, 로듐, 이리듐, 세륨, 몰리브덴, 텅스텐, 바나듐, 비스무스, 마그네슘, 칼륨, 칼슘, 구리, 아연, 비소, 안티몬, 크롬철, 코발트 및 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 (b) 단계의 반응 생성물은 15 내지 60 ℃까지 냉각되는 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 (c) 단계를 거친 반응 생성물은 1.5 내지 5.5 KCA의 압력이 될 때까지 압축되는 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 방법.
  8. 촉매 하에서 에틸벤젠 및 큐멘의 탈수소화 반응이 수행되는 반응기;
    상기 반응에 의한 반응 생성물로부터 열을 회수하는 열 교환기;
    상기 열이 회수된 반응 생성물의 적어도 일부에서 기체상을 분리하여 압축부로 보내고, 액체상에서 물을 포함하는 응축수를 분리하고, 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분이 회수되는 디캔터;
    상기 분리된 기체상의 적어도 일부를 압축 및 냉각시켜, 수소 및 이산화탄소를 포함하는 저비점 성분은 기체상으로 분리하고, 스타이렌, 알파메틸스타이렌, 에틸벤젠 및 큐멘을 포함하는 액체상은 회수하는 것으로서, 압축기, 열교환기 및 드럼으로 이루어진 압축부;
    상기 디캔터로부터 공급된 스타이렌 및 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부를, 스타이렌을 포함하는 유분과 미반응 큐멘을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 SM/CM 분리탑;
    상기 SM/CM 분리탑에서 분리된 스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 스타이렌을 회수하고, 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분으로 증류 분리하는 EB/SM 분리탑;
    상기 EB/SM 분리탑에서 분리된 미반응 에틸벤젠을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 에틸벤젠을 회수하여 상기 반응기로 되돌려 보내고, 벤젠 및 톨루엔을 포함하는 유분을 증류 분리하는 TOL/EB 분리탑;
    상기 SM/CM 분리탑에서 분리된 미반응 큐멘을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 큐멘을 회수하여 상기 반응기로 되돌려 보내고, 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분을 증류 분리하는 CM/AMS 분리탑; 및
    상기 CM/AMS 분리탑에서 분리된 알파메틸스타이렌을 포함하는 유분의 적어도 일부에서 알파메틸스타이렌을 회수하고, 잔류 고비점 성분을 포함하는 유분을 증류 분리하는 AMS/Heavies 분리탑;을 포함하는 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 SM/CM 분리탑의 압력은 0.01 내지 5 KCA인 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치.
  10. 청구항 8에 있어서, 상기 EB/SM 분리탑의 압력은 0.01 내지 6 KCA인 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치.
  11. 청구항 8에 있어서, 상기 TOL/EB 분리탑의 압력은 0.01 내지 7 KCA인 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 AMS/Heavies 분리탑의 압력은 0.01 내지 9 KCA인 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치.
  13. 청구항 8에 있어서, 상기 CM/AMS 분리탑의 압력은 0.01 내지 8 KCA인 것을 특징으로 하는, 스타이렌과 알파메틸스타이렌의 동시 제조 장치.
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