KR20180021646A - 비닐리덴 클로라이드의 제조방법 - Google Patents

비닐리덴 클로라이드의 제조방법 Download PDF

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KR20180021646A
KR20180021646A KR1020170104377A KR20170104377A KR20180021646A KR 20180021646 A KR20180021646 A KR 20180021646A KR 1020170104377 A KR1020170104377 A KR 1020170104377A KR 20170104377 A KR20170104377 A KR 20170104377A KR 20180021646 A KR20180021646 A KR 20180021646A
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Abstract

본 발명은 1단 이상의 임펠러를 구비하는 연속 교반 탱크 반응기와, 상기 반응기의 교반력 및 알칼리 수용액을 이용함으로써, 상전이 촉매의 첨가 없이도 1,1,2-트리클로로에탄의 탈염화 수소화 반응(dehydrohalogenation)의 반응성을 기존보다 향상시킬 수 있는 비닐리덴 클로라이드의 제조방법에 관한 것이다.

Description

비닐리덴 클로라이드의 제조방법 {Method for preparing vinylidene chloride}
본 발명은 탈할로겐화 수소화 반응(바람직하게, 탈염화 수소화 반응)을 개선하여 반응성을 높일 수 있는 비닐리덴 클로라이드의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 비닐리덴 클로라이드는 1,1,2-트리클로로에탄에 상전이 촉매를 첨가한 후 탈염화 수소화 반응을 통해 제조하고 있다. 상기 비닐리덴 클로라이드는 화학 공정에서 여러 플라스틱 필름 재료를 제조하기 위한 첨가제 또는 단량체와 제초제, 의약품 원료의 전구체로 사용되고 있다.
예를 들어, 미국특허 제02610214호, 일본특허공개 제1981-057721호, 중국특허공개 제100868987호 및 중국특허공개 제100868986호에서는 모두 알칼리 수용액 내 상전이 촉매(phase transfer catalyst)를 이용하여 탈염화 수소화를 진행하였다. 여기서 사용된 상전이 촉매는 4급 암모늄염(quaternary ammonium salt)과 같은 질소염 형태로서 수용액으로 존재하는 NaOH와 유기물인 1,1,2-트리클로로에탄이 잘 섞일 수 있도록 도와주는 역할을 한다.
그러나, 탈염화 수소화 반응의 개선을 위해 첨가하는 상전이 촉매는 가격이 비쌀 뿐만 아니라, 반응 후 반응물에서 이를 정제하여 제거하는데 어려움이 있다. 따라서 상전이 촉매를 사용하지 않으면서도 이보다 개선된 탈염화 수소화 반응성을 갖는 새로운 방법의 개발이 필요하다.
본 발명의 목적은 기존과 같이 반응성 개선을 위한 상전이 촉매의 사용 없이도 탈염화 수소화 반응성을 높일 수 있는 비닐리덴 클로라이드의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 임펠러를 구비한 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)에 1,1,2-트리클로로에탄 및 염기성 수용액을 투입하는 단계; 및
500 내지 3000 W/m3의 교반력에서 1분 내지 60분 동안 탈염화 수소화 반응을 수행하는 단계;
를 포함하는 비닐리덴 클로라이드의 제조방법을 제공한다.
상기 반응기에서 임펠러는 방사형의 러쉬톤 터빈(rushton turbine, radial type), 패들(paddle), 피치드 패들(pitched paddle type, axial type), 프로펠러, 하이드로포일(hydrofoil) 및 파우들러(pfaudler)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 교반 수단을 1단 이상으로 포함하는 것이 바람직하다.
상기 염기성 수용액은 NaOH 2 내지 15 중량% 및 NaCl 0 내지 25 중량%를 포함한 염기성 수용액일 수 있다.
상기 염기성 수용액은 1,1,2-트리클로로에탄 1.0몰에 대하여 1.0 내지 1.5 몰비로 투입하는 것이 바람직하다.
상기 연속 교반 탱크 반응기의 운전 조건은 0 barg 내지 10 barg 압력하에 70 내지 110℃의 온도 조건을 유지하는 것이 바람직하다.
본 발명은 특정 임펠러를 구비한 연속 교반 탱크 반응기를 이용하고, 이와 동시에 교반력을 일정 범위로 적절히 조절함으로써, 1,1,2-트리클로로에탄의 탈염화 수소화 반응성을 향상시킬 수 있는 비닐리덴 클로라이드를 제조하는 효과를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 상기 구성에 따라 1,1,2-트리클로로에탄과 NaOH 수용액만 사용하면 되므로 반응 후 정제가 쉬워 공정의 효율성을 개선할 수 있으며, 가격이 비싼 상전이 촉매를 사용할 필요가 없으므로 경제적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 반응기에 구비된 임펠러 형태를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 비닐리덴 클로라이드의 제조공정도를 간략히 도시한 것이다.
도 3은 비교예 1 내지 5 및 실시예 1의 상전이 촉매의 첨가 유무 및 교반력 차이에 따른 반응속도를 비교하여 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 1 및 실시예 1~2에 대하여, 교반력에 따른 반응속도를 비교하여 나타낸 것이다.
이하에서, 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명의 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 탈염화 수소화 반응의 반응성을 높이는 비닐리덴 클로라이드의 제조 방법에 대하여, 보다 상세하게 설명한다.
발명의 일 구현예에 따르면, 임펠러를 구비한 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)에 1,1,2-트리클로로에탄 및 염기성 수용액을 투입하는 단계; 및 500 내지 3000 W/m3의 교반력에서 1분 내지 60분 동안 탈염화 수소화 반응을 수행하는 단계;를 포함하는 비닐리덴 클로라이드의 제조방법이 제공된다.
즉, 기존 방법은 탈염화 수소화 반응의 반응성을 높이기 위해 4급 암모늄염(quaternary ammonium salt)과 같은 상전이 촉매(phase transition catalyst)를 이용하였다.
하지만, 본 발명의 실험 결과에 따르면, 비닐리덴 클로라이드를 제조하기 위한 탈염화 수소화 반응에서 상전이 촉매를 사용하는 것보다 교반력를 높이는 것이 반응성을 높이는데 더 효과적이라는 것을 확인하고, 본 발명을 완성하였다.
구체적으로, 본 발명은 비닐리덴 클로라이드를 제조하는 과정을 수행하기 위해 염화물 반응물로서 1,1,2-트리클로로에탄과 염기성 수용액을 준비한다.
특히, 본 발명에서는 탈염화 수소화 반응을 수행하기 위해, 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)를 사용하는데, 이러한 반응기의 교반력을 적절히 조절함으로써, 기존과 같은 상전이 촉매를 사용하지 않고도 반응물과 염기성 수용액의 반응만으로도 우수한 탈염화 수소화 반응성을 나타낼 수 있다. 이때, 상기 연속 교반 탱크 반응기의 경우 다단 반응기일 수 있고, 임펠러를 구비하는 것을 특징으로 한다. 또한 상기 반응기는 1종 이상 구비될 수 있으며, 이들이 서로 연결되어 연속 공정이 진행될 수 있다. 상기 반응기에는 정류기가 연결될 수 있다.
또한, 본 발명의 명세서에서 임펠러는 상기 연속 교반 탱크 반응기의 상부로부터 연결되어 마련되며, 교반 축에 형성된 교반 수단을 의미한다. 또한 상기 교반 축은 반응기에서 임펠러를 회전시키기 위한 구동 축을 포함한 구동부를 포함할 수 있으며, 상기 구동 축은 이 분야에 잘 알려진 방법에 따라 구동될 수 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 탈염화 수소화 반응은 액-액 2상 반응(Liquid-Liquid biphasic reaction)으로서, 반응 후 생성물인 비닐리덴 클로라이드를 반응기의 상부로 보내는 것이 중요하다. 따라서, 본 발명에서는 반응기에 포함된 임펠러의 회전 및 교반력을 조절함에 따라, 기존 대비 더욱 효과적인 방법으로 비닐리덴 클로라이드를 얻은 다음, 이를 반응기의 상부로 보내어 쉽게 회수할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 교반력을 높이는 형태라면 여러 형태의 임펠러 타입이 모두 사용 가능하고, 이러한 임펠러를 구비한 반응기를 사용하여 반응성을 개선할 수 있다.
예를 들어, 상기 반응기에서 임펠러는 방사형의 러쉬톤 터빈(rushton turbine, radial type), 패들(paddle), 피치드 패들(pitched paddle type, axial type), 프로펠러, 하이드로포일(hydrofoil) 및 pfaudler로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 교반 수단을 1단 이상으로 포함하는 것이 바람직하다. 상기 임펠러를 1단 이상 포함하는 것은, 반응기의 교반 축을 중심으로 1단 또는 1단 이상의 다단의 교반 수단이 구비되는 장치를 의미한다. 상기 패들은 90도 3-6 블레이드 패들(3-6 blade Paddle at 90°) 타입을 포함할 수 있다.
상기 임펠러는 반응기 상부로부터 연결 설치되어 교반 축을 중심으로 1단 이상으로 포함될 수 있다. 일례로, 상기 임펠러는 반응기에서 1단 또는 2단으로 구비될 수 있다. 상기 임펠러가 1단으로 반응기에 구비되는 경우 반응기의 교반 축의 하단에 임펠러가 포함될 수 있다. 또한, 상기 임펠러가 2단으로 반응기에 구비되면, 반응기의 교반 축이 이등분 되는 지점의 상단 및 하단에 포함될 수 있다.
또한, 상기 임펠러는, 러쉬톤 터빈(rushton turbine, radial type), 패들(paddle), 또는 피치드 패들(pitched paddle type, axial type)을 단독 또는 1종 이상 조합하여 교반 축을 중심으로 1단 또는 2단으로 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 임펠러가 포함된 반응기의 일례는 도 1에 도시된 바와 같다.
도 1에서, (a)는 반응기의 교반 축을 중심으로 상단 및 하단에 모두 피치드 패들 타입을 임펠러로서 구비한 예이고(2단 구성); (b)는 반응기의 교반 축을 중심으로 상단에는 패들 타입을 임펠러로 구비하고, 하단에는 피치드 패들 타입을 임펠러로 구비한 예이고(2단 구성); (c)는 반응기의 교반 축을 중심으로 상단에는 피치드 패들 타입을 임펠러로 구비하고, 하단에는 패들 타입을 임펠러로 구비한 예이고(2단 구성); (d)는 반응기의 교반 축을 중심으로 상단 및 하단에 모두 패들 타입을 임펠러로 구비한 예이고(2단 구성); (e)는 반응기의 교반 축을 중심으로 하단에 피치드 패들 타입을 임펠러로 구비한 예이고(1단 구성); (f)는 반응기의 교반 축을 중심으로 하단에 패들 타입을 임펠러로 구비한 예이다(1단 구성). 상기 임펠러 중에서 피치드 패들은 내부 균열도를 높이는 효과가 우수하고 OH-전환율을 높임으로써, 비닐리덴 클로라이드의 생성효과가 우수하다. 또한, 상기 피치드 패들을 임펠러로 사용하면, 탈염화 수소화 반응으로 제조된 비닐리덴 클로라이드를 원활하게 반응기의 상부로 보내어 쉽게 회수할 수 있다. 또한, 상기 임펠러 중에서 패들 타입은 반응속도를 높이는 효과가 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 임펠러의 사용으로 입자가 작은 반응물의 균일한 효과를 부여하고, 고체 NaCl을 고르게 분산시킬 수 있으며, 원활한 생성물의 회수 및 연속 교반 탱크 반응기의 채널링을 방지할 수 있다.
이러한 임펠러는 피치드 패들 및 패들 타입을 선택하여 1단 또는 2단으로 형성하는 것이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 상기 반응기에서 임펠러는 피치드 패들을 1단 혹은 2단으로 포함한다. 이에, 도 1에서 (a) 및 (e)의 예가 가장 바람직하다.
또한, 본 발명은 상기 임펠러를 구비한 연속 교반 탱크 반응기를 사용함과 동시에, 임펠러의 교반력을 일정 범위로 조절하여, 반응성을 향상시키는 것을 특징으로 한다. 즉, 반응기에 임펠러를 포함하더라도, 그 교반력이 조절되지 않으면, 반응성이 너무 떨어지거나, 반응공정이 비효율적일 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 500 내지 3000 W/m3의 교반력에서 1분 내지 60분 동안 탈할로겐화 수소화 반응 (즉, 탈염화 수소화 반응)을 수행하는 것이 바람직하다. 더 바람직하게, 상기 교반력은 1000 내지 3000 W/m3일 수 있다. 이때, 상기 교반력이 500 W/m3 미만이면 너무 느린 교반으로 인해 탈염화 수소화 반응의 향상을 기대할 수 없고, 상기 교반력이 3000 W/m3 이상이면 빠른 교반력에 비해 반응 효과가 미미한 문제가 있다. 이때, 본 발명의 명세서에서 "W/m3"의 단위는 반응기의 교반력을 나타내기 위한 것으로서, 반응기에 구비된 임펠러의 교반 동력 밀도를 의미할 수 있다.
그리고, 상기 연속 교반 탱크 반응기의 운전 조건은 0 barg 내지 10 barg 압력하에 70 내지 110℃의 온도 조건을 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 상기 염기성 수용액은 NaOH 2 내지 15 중량% 및 NaCl 0 내지 25 중량%를 포함한 염기성 수용액일 수 있다.
예를 들어, 상기 염기성 수용액은 NaOH 2 중량% 및 NaCl 25 중량%를 포함하는 수용액일 수 있고, 또는 NaOH 15 중량%를 포함하는 수용액일 수 있다.
또한, 상기 염기성 수용액은 1,1,2-트리클로로에탄 1.0 몰에 대하여 1.0 내지 1.5 몰비로 투입하는 것이 바람직하다. 상기 염기성 수용액의 사용량이 1.0 몰비 미만이면 1,1,2-트리클로로에탄의 전환율이 감소하는 문제가 있고, 1.5 몰비를 초과하면 부산물이 다량 발생하는 문제가 있다.
또한, 본 발명에서 탈염화 수소화 반응이 완료되면, 반응기에서 비닐리덴 클로라이드를 회수한 후, 정제 공정을 거쳐 최종 제품을 얻을 수 있다.
상기 비닐리덴 클로라이드의 정제 공정은 크게 제한되지 않고, 이 분야에 잘 알려진 방법에 따라 수행될 수 있다.
이러한 본 발명의 방법에 따르면, 90% 이상의 수율 및 99% 이상의 순도를 갖는 비닐리덴 클로라이드를 용이하게 얻을 수 있다.
한편, 본 발명에서 비닐리덴 클로라이드를 제조하는 과정은 도 2의 공정을 일례를 들어 진행될 수 있다.
도 2에 도시된 바대로, 본 발명에서는 임펠러를 구비한 연속 교반 탱크 반응기(10)를 2개를 준비하고, 이들을 연결 설치한다. 또한 상기 반응기(10)에는 정류기(20)가 연결될 수 있다.
구체적으로, 본 발명은 1,1,2-트리클로로에탄 및 염기성 수용액을 상기 반응기(10)에 공급하고 탈염화 수소화 반응을 진행한다. 상술한 바대로, 탈염화 수소화 반응은 액-액 2상 반응(Liquid-Liquid biphasic reaction)으로서, interfacial reaction kinetics/interfacial area에 의해 비닐리덴 클로라이드(VDC)가 기체 형태로 생성된다. 그리고, 생성된 비닐리덴 클로라이드 기체는 상부 정류기(rectifier) 및 액화를 거쳐 보관될 수 있다.
또한, 상기 도면에서 구체적으로 도면 부호를 기재하지 않았지만, 상기 반응기에서 1단으로 포함된 임펠러는 피치드 패들이다.
이하에서, 본 발명에 따른 실시예를 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.
[비교예 1]
0.5L CSTR type 반응기에 NaOH 10중량% 및 NaCl 18 중량%를 포함하는 염기성 수용액 300mL 및 1,1,2-트리클로로에탄 100g을 넣고, 339 W/m3의 교반력을 가해준 후 30분 동안 탈염화 수소화 반응을 수행하여 비닐리덴 클로라이드를 제조하였다.
[비교예 2 내지 5]
상기 비교예 1의 반응 조건에서, 알칼리 수용액의 3000 ppm에 해당하는 하기의 상전이 촉매(phase transition catalyst, 이하 PTC)를 첨가하는 것을 제외하고 비교예 1과 동일한 방법으로 비닐리덴 클로라이드를 제조하였다.
*비교예 2: BTBAC, Benzyltributyl ammonium chloride
*비교예 3: BTMAC, Benzyltrimethyl ammonium chloride
*비교예 4: BTEAC, Benzyltriethyl ammonium chloride
*비교예 5: MTOAC, Methyltri-n-octyl ammonium chloride
[실시예 1]
방사형의 러쉬톤 터빈(rushton turbine, radial type)이 구비된 0.5L CSTR type 반응기에 NaOH 10 중량% 및 NaCl 18 중량%를 포함하는 염기성 수용액 300mL 및 1,1,2-트리클로로에탄 100g을 넣고, 1398 W/m3의 교반력을 가해준 후 30분 동안 탈염화 수소화 반응을 수행하여 비닐리덴 클로라이드를 제조하였다.
이때, 상기 연속 교반 탱크 반응기의 운전 조건은 1 barg 압력하에 80℃의 온도 조건을 유지하였다.
[실험예 1]
PTC 종류 및 교반력에 따른 반응 속도 비교
상기 비교예 1 내지 5와 실시예 1의 탈염화 수소화 반응 속도를 측정하여 그 결과를 비교하였다 (도 3).
도 3에서 보면, 비교예 1의 경우 낮은 교반력으로 인해 반응성이 낮았다. 그리고, 비교예 2 내지 5의 경우 낮은 교반력에서는 PTC를 첨가해야만 반응 속도가 증가하였다.
반면, 본 발명의 실시예 1은 교반력을 1398 W/m3으로 높임으로써, PTC를 넣지 않아도 반응 속도가 증가함을 확인하였다.
[실시예 2]
교반력을 1398 W/m3에서 2674 W/m3로 증가시키는 것을 제외하고는, 실시예 1과 동일한 방법으로 탈염화 수소화 반응을 수행하여 비닐리덴 클로라이드를 제조하였다.
[실험예 2]
교반력 차이에 의한 반응 속도 비교
비교예 1 및 실시예 1~2에 대하여, 교반력에 따른 반응속도를 비교하였고 그 결과를 도 4에 나타내었다.
도 4에서 보면, 실시예 1 내지 2와 같이 교반력이 증가할수록 비교예 1보다반응 속도가 더 빨라지는 것을 확인하였다.
[실시예 3 내지 8]
연속 교반 탱크 반응기에서 임펠러 타입에 따른 반응 패턴과 혼합 시간에 따른 전환율을 확인하는 실험을 진행하였다.
* 반응 조건: 생성물의 석출 조건은 NaOH 10 중량% 및 NaCl 18 중량%를 포함하는 염기성 수용액 6L(분당 100ml의 유량) 및 1,1,2-트리클로로에탄 1.5L(분당 25ml의 유량)을 사용하여, 1 barg 압력하에 80℃의 온도에서 연속 교반 탱크 반응기를 운전시켰다.
Pitched paddle type (Pi), Paddle type (Pa)
임펠러 조건 rpm P/V
(W/m3)		 반응시간 반응물
실시예3 Pi/Pi 860 1200 60분 NaOH 10%/NaCl18% 6L
(100ml/min)
1,1,2-trichlroethane
1.5L (25ml/min)
실시예4 Pa/Pi 680
실시예5 Pi/Pa 710
실시예6 Pa/Pa 640
실시예7 Pi 1020
실시예8 Pa 740
임펠러 조건 전환율 (OH-) 혼합 시간 (s)
실시예3 Pi/Pi 87.3% 6.1
실시예4 Pa/Pi 83.1% 30.0
실시예5 Pi/Pa 85.4% 7.2
실시예6 Pa/Pa 85.1% 6.6
실시예7 Pi 87.2% 5.6
실시예8 Pa 83.0% 7.2
표 1에서, OH- 전환율은 20~60분 전환율 수치의 평균(최대 표준편차 : 5%)을 타낸 것이다. 또한, 혼합 시간은 반응기 내 높이에 따른 임의의 세 지점에서의 농도 표준편차가 1e-5이하가 되는 시점을 나타낸다.
상기 표 1의 결과를 통해, 실시예 3 내지 8은 전반적으로 전환율이 우수하였다. 또한, 전환율이 좋은 순서는 Pi/Pi ≒ Pi(실시예 3, 7) > Pi/Pa ≒ Pa/Pa (실시예 5, 6) > Pa/Pi ≒ Pa (실시예 4, 8)이었다. 상기 결과로부터, 피치드 패들형이 반응기의 1단 또는 2단 중 상단에 있을 때 반응 전환율이 높음을 알 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들은 연속 교반 탱크 반응기의 채널링을 방지할 수 있어서, 모두 원활하게 비닐리덴 클로라이드가 반응기의 상부로 이동되어 정류기를 통해 일련의 과정을 거쳐 용이하게 회수할 수 있었다.

Claims (5)

  1. 임펠러를 구비한 연속 교반 탱크 반응기(CSTR)에 1,1,2-트리클로로에탄 및 염기성 수용액을 투입하는 단계; 및
    500 내지 3000 W/m3의 교반력에서 1분 내지 60분 동안 탈염화 수소화 반응을 수행하는 단계;
    를 포함하는 비닐리덴 클로라이드의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기에서 임펠러는 방사형의 러쉬톤 터빈(rushton turbine, radial type), 패들(paddle), 피치드 패들(pitched paddle type, axial type), 프로펠러, 하이드로포일(hydrofoil) 및 파우들러(pfaudler)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 교반 수단을 1단 이상으로 포함하는 비닐리덴 클로라이드의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 염기성 수용액은 NaOH 2 내지 15 중량% 및 NaCl 0 내지 25 중량%를 포함한 염기성 수용액인 비닐리덴 클로라이드의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 염기성 수용액은 1,1,2-트리클로로에탄 1.0몰에 대하여 1.0 내지 1.5 몰비로 투입하는 비닐리덴 클로라이드의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 연속 교반 탱크 반응기의 운전 조건은 0 barg 내지 10 barg 압력하에 70 내지 110℃의 온도 조건을 유지하는 비닐리덴 클로라이드의 제조방법.
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