KR20210004276A - 디에스터계 물질의 제조 유닛 및 이를 포함하는 디에스터계 물질의 제조 시스템 - Google Patents

디에스터계 물질의 제조 유닛 및 이를 포함하는 디에스터계 물질의 제조 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 연속 제조 시스템에 관한 것으로, 이에 포함되는 제조 유닛은, 디카르복실산과 1차 알코올의 에스터화 반응이 수행되는 반응장치; 유입된 1차 알코올 및 물의 기액 분리가 수행되는 컬럼; 상기 컬럼의 기상 라인의 열을 회수하는 열교환장치; 상기 열교환장치 후단으로 설치되어 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물을 액화하는 응축기; 및 액화된 1차 알코올 및 물의 혼합물의 층분리가 수행되는 층분리기;를 포함하고, 상기 열교환장치는 반응장치의 원료 투입라인과 열교환되는 제1 열교환기, 공정 내 저온 스트림이 흐르는 라인과 열교환되는 제2 열교환기 및 공정 내 발생된 응축수와 열교환되는 제2 열교환기 중에서 1 이상을 포함하는 디에스터계 물질의 제조 유닛에 관한 발명으로, 냉각제 사용량이 저감될 수 있고 반응기 스팀량을 절감할 수 있으며, 공정 전체 열 효율 개선이 가능하다.

Description

디에스터계 물질의 제조 유닛 및 이를 포함하는 디에스터계 물질의 제조 시스템 {MANUFACTURING UNIT OF DIESTER-BASED MATERIAL AND METHOD OF MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 열교환 시스템이 개선된 디에스터계 물질의 제조 유닛과 이를 포함하는 디에스터계 물질의 제조 시스템에 관한 것이다.
프탈레이트계 가소제는 20세기까지 세계 가소제 시장의 92%를 차지하고 있었으며(Mustafizur Rahman and Christopher S.Brazel "The plasticizer market: an assessment of traditional plasticizers and research trends to meet new challenges" Progress in Polymer Science 2004, 29, 1223-1248 참고), 주로 폴리염화비닐(이하, PVC라 함)에 유연성, 내구성, 내한성 등을 부여하고 용융 시 점도를 낮추어 가공성을 개선하기 위하여 사용되는 첨가물로서, PVC에 다양한 함량으로 투입되어 단단한 파이프와 같은 경질 제품에서부터 부드러우면서도 잘 늘어나 식품 포장재 및 혈액백, 바닥재 등에 사용될 수 있는 연질 제품에 이르기까지 그 어떤 재료보다도 실생활과 밀접한 연관성을 갖으며 인체와의 직접적인 접촉이 불가피한 용도로 널리 사용되고 있다.
그러나 프탈레이트계 가소제의 PVC와 상용성 및 뛰어난 연질 부여성에도 불구하고, 최근 프탈레이트계 가소제가 함유된 PVC 제품의 실생활 사용 시 제품 외부로 조금씩 유출되어 내분비계 장애(환경호르몬) 추정 물질 및 중금속 수준의 발암 물질로 작용할 수 있다는 유해성 논란이 제기되고 있다(N. R. Janjua et al. "Systemic Uptake of Diethyl Phthalate, Dibutyl Phthalate, and Butyl Paraben Following Whole-body Topical Application and Reproductive and Thyroid Hormone Levels in Humans" Environmental Science and Technology 2008, 42, 7522-7527 참조). 특히, 1960년대 미국에서 프탈레이트계 가소제 중 그 사용량이 가장 많은 디에틸헥실 프탈레이트(di-(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)가 PVC 제품외부로 유출된다는 보고가 발표된 이후로 1990년대에 들어 환경호르몬에 대한 관심이 더해져 프탈레이트계 가소제의 인체 유해성에 대한 다양한 연구를 비롯하여 범 세계적인 환경규제가 이루어지기 시작하였다.
이에 많은 연구진들은 프탈레이트계 가소제, 특히 디(2-에틸헥실) 프탈레이트의 유출로 인한 환경호르몬 문제 및 환경규제에 대응하고자, 디(2-에틸헥실) 프탈레이트 제조시 사용되는 무수프탈산이 배제된 새로운 비프탈레이트계 대체 가소제를 개발하거나, 프탈레이트 기반이지만 가소제의 유출이 억제되어 공업용으로 사용될 수 있는 디(2-에틸헥실) 프탈레이트를 대체할 수 있는 프탈레이트계 가소제를 개발하는 것뿐만 아니라, 프탈레이트계 가소제의 유출을 억제하여 인체 위해성을 현저히 줄임은 물론 환경기준에도 부합할 수 있는 유출억제 기술을 개발하고자 연구를 진행해 나가고 있다.
이처럼 디에스터 기반의 가소제로서 기존의 환경적 문제가 있는 디(2-에틸헥실) 프탈레이트를 대체할 수 있는 환경적 문제에서 자유로운 물질들의 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 물성이 우수한 디에스터계 가소제를 개발하는 연구는 물론 이러한 가소제를 제조하기 위한 설비에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있으며, 공정 설계의 측면에서 보다 효율적이고 경제적이며 간소한 공정의 설계가 요구되고 있다.
한편, 위 디에스터계 가소제를 제조하는 공정은 대부분의 산업 현장에서 회분식 공정이 적용되고 있으며, 회분식 공정으로서 반응기 내의 미반응물의 환류와 부반응물의 효율적인 제거를 위한 기액 분리 시스템에 관한 발명(대한민국 공개특허공보 제10-2019-0027622호)과, 회분식 공정의 설비들을 간소화 하기 위하여 1차 직접 에스터화 반응 및 2차 트랜스 에스터화 반응의 설비들을 통합한 시스템에 관한 발명(대한민국 공개특허공보 제10-2019-0027623호)들이 소개되고 있다. 이러한 회분식 공정의 경우 불필요하게 제거되는 열을 활용하는 방안에 관하여 제시되고 있는 방안이 전혀 없으며, 이는 회분식 공정의 특성상 열흐름이 일정하지 못하다는 데에서 기인하며, 이러한 한계로 인해 에너지 소모가 공정을 운영할수록 축적되는 문제가 있는 실정이었다.
또한, 연속식 공정으로서, 2기 이상의 반응기를 직렬로 연결하여 반응부를 구성하고 있는 공정에 관한 발명(대한민국 등록특허공보 제10-1663586호)도 소개되고 있으나, 공정 내 폐기되는 열의 활용에 대한 대안의 제시는 없는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0027622호 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0027623호 대한민국 등록특허공보 제10-1663586호
본 발명은 연속적으로 디에스터계 물질을 제조하는 공정에 적용되는 디에스터계 물질의 제조 유닛으로 열을 회수하는 라인과 회수되는 열을 공급할 라인의 선정을 통해 최적화된 열교환 시스템을 적용함으로써, 고온수 또는 스팀의 생산 및 원료 또는 정제탑으로 투입되는 저온 스트림의 예열에 활용함에 따른 에너지 소모량 저감, 그리고 응축에 필요한 냉각제 사용량 저감을 통해 전체 공정의 경제성을 현저히 개선할 수 있는 디에스터계 물질의 제조 시스템을 제공하고자 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템에 포함되는 제조 유닛으로, 디카르복실산과 1차 알코올의 에스터화 반응이 수행되는 반응용기와, 상기 반응용기로 반응물을 공급하는 원료 투입라인과, 기화된 1차 알코올 및 물이 컬럼으로 배출되도록 반응용기 상단에 설치된 기상 배출라인을 포함하는 반응장치; 상기 기상 배출라인으로부터 유입된 1차 알코올 및 물의 기액 분리가 수행되는 컬럼 본체와, 액화된 알코올 풍부 스트림이 상기 반응장치로 유출되도록 컬럼 본체 하부에 설치된 액상 라인과, 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물 스트림이 유출되도록 컬럼 본체 상부에 설치되고 층분리기로 연결되는 기상 라인을 포함하는 컬럼; 상기 컬럼의 기상 라인 상에 설치되어 기상 라인의 열을 회수하는 열교환장치; 상기 컬럼의 기상 라인 상에 설치되되 열교환장치 후단으로 설치되어 라인 내 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물을 액화하는 응축기; 및 액화된 1차 알코올 및 물의 혼합물의 유기층 및 수층으로의 층분리가 수행되는 분리 탱크와, 분리된 유기층이 상기 컬럼 본체 측상부로 배출되도록 설치된 유기층 라인과, 수층이 배출되는 수층 라인을 포함하는 층분리기;를 포함하는 것인 디에스터계 물질의 제조 시스템을 제공한다.
상기 열교환장치는, 상기 컬럼의 기상 라인의 열이, 상기 원료 투입라인으로 전달되도록 설치된 제1 열교환기, 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템 내 저온 스트림이 흐르는 라인으로 전달되도록 설치된 제2 열교환기 및 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템 내에서 발생된 응축수로 전달되도록 설치된 제3 열교환기 중에서 1 이상을 포함하는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1반응부, 제1반응부의 생성물이 정제되는 제1정제부, 정제된 제1반응부의 생성물과 제1반응부의 원료 알코올과 상이한 알코올의 투입으로 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 제2반응부 및 제2반응부의 생성물이 정제되는 제2정제부를 포함하는 디에스터계 물질의 연속 제조 방법으로, 상기 제1반응부에는 직렬로 연결된 2 이상의 제조 유닛이 포함되며, 상기 제조 유닛에서는, 반응장치에서, 디카르복실산과 1차 알코올의 에스터화 반응으로 미반응물인 1차 알코올과 부반응물인 물이 기화되는 단계; 컬럼 내에서, 하부로부터 상기 기화된 1차 알코올 및 물이 상승하고, 상부로부터 액상의 1차 알코올이 하강하여, 기액 분리되고, 상기 컬럼 상부로 기상의 1차 알코올 및 물이 배출되는 단계; 상기 기상의 1차 알코올 및 물이 갖는 열을 회수하는 단계; 및 열이 회수된 상기 1차 알코올 및 물을 응축하여 층분리하는 단계;를 포함하는 공정이 수행되는 디에스터계 물질의 제조 방법을 제공한다.
상기 회수된 열은, 상기 디카르복실산 및 1차 알코올이 반응장치로 투입되기 전에 가열하는 데에 사용되는 용도, 상기 제1정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인, 제2반응부의 원료 투입라인 및 제2정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 라인을 가열하는 데에 사용되는 용도 및 공정 내에서 발생된 응축수를 가열하는 데에 사용되는 용도 중에서 1 이상에 적용되는 것이다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1반응부, 제1반응부의 생성물이 정제되는 제1정제부, 정제된 제1반응부의 생성물과 제1반응부의 원료 알코올과 상이한 알코올의 투입으로 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 제2반응부 및 제2반응부의 생성물이 정제되는 제2정제부를 포함하고, 상기 제1반응부는 2 이상의 직렬로 연결된 전술한 제조 유닛을 포함하며, 상기 열교환장치는 상기 원료 투입라인으로 전달되도록 설치된 제1 열교환기, 상기 제1정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인, 제2반응부의 원료 투입라인 및 제2정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 라인으로 전달되도록 설치된 제2 열교환기 및 공정 내에서 발생된 응축수로 전달되도록 설치된 제3 열교환기 중에서 1 이상을 포함하는 것인 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템을 제공한다.
본 발명은 개선된 열교환 시스템을 적용함으로써, 고온수의 생산 및 원료나 저온 스트림의 예열에 활용함에 따른 에너지 소모량 저감, 그리고 응축에 필요한 냉각제 사용량 저감을 통해 전체 공정의 경제성을 현저히 개선할 수 있다.
도 1은 기존의 디에스터계 물질의 제조 공정을 나타낸 공정도이다.
도 2는 회분식 공정에서 컬럼으로 회수되는 환류 라인으로서, 도 1의 P 위치에서의 시간에 따른 열 유량을 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛을 나타낸 공정도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛으로 열교환 장치의 일 예(제1 열교환기)를 나타낸 공정도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛으로 열교환 장치의 일 예(제2 열교환기)를 나타낸 공정도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛으로 열교환 장치의 일 예(제3 열교환기)를 나타낸 공정도이다.
도 7는 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛으로 열교환 장치의 일 예(제1 열교환기 및 제2 열교환기)를 나타낸 공정도이다.
도 8는 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛으로 열교환 장치의 일 예(제1 열교환기 및 제3 열교환기)를 나타낸 공정도이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛으로 열교환 장치의 일 예(제2 열교환기 및 제3 열교환기)를 나타낸 공정도이다.
도 10은 본 발명의 추가의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛을 나타낸 공정도이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛은, 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템에 포함되는 것으로서, 디카르복실산과 1차 알코올의 에스터화 반응이 수행되는 반응용기와, 상기 반응용기로 반응물을 공급하는 원료 투입라인과, 기화된 1차 알코올 및 물이 컬럼으로 배출되도록 반응용기 상단에 설치된 기상 배출라인을 포함하는 반응장치; 상기 기상 배출라인으로부터 유입된 1차 알코올 및 물의 기액 분리가 수행되는 컬럼 본체와, 액화된 알코올 풍부 스트림이 상기 반응장치로 유출되도록 컬럼 본체 하부에 설치된 액상 라인과, 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물 스트림이 유출되도록 컬럼 본체 상부에 설치되고 층분리기로 연결되는 기상 라인을 포함하는 컬럼; 상기 컬럼의 기상 라인 상에 설치되어 기상 라인의 열을 회수하는 열교환장치; 상기 컬럼의 기상 라인 상에 설치되되 열교환장치 후단으로 설치되어 라인 내 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물을 액화하는 응축기; 및 액화된 1차 알코올 및 물의 혼합물의 유기층 및 수층으로의 층분리가 수행되는 분리 탱크와, 분리된 유기층이 상기 컬럼 본체 측상부로 배출되도록 설치된 유기층 라인과, 수층이 배출되는 수층 라인을 포함하는 층분리기;를 포함한다.
상기 열교환장치는, 상기 컬럼의 기상 라인의 열이 상기 원료 투입라인으로 전달되도록 설치된 제1 열교환기, 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템 내 저온 스트림이 흐르는 라인으로 전달되도록 설치된 제2 열교환기 및 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템 내에서 발생된 응축수를 가열하는 데에 전달되도록 설치된 제3 열교환기 중에서 1 이상을 포함하는 것이다.
도 1은 기존 디에스터계 물질의 제조 공정에 적용되는 공정도를 나타낸다. 반응장치(1)에서는 에스터화 반응이 수행되며 동시에 알코올과 물이 기화되어 기상 배출라인(1a)을 통해 컬럼(2)로 투입되고, 컬럼(2)에서는 기상의 알코올 및 물이 층분리기(4)로부터 환류되는 유기층 라인(4a)에 의해 공급되는 액상의 알코올과 접촉하면서 기액 분리가 수행된다. 분리되지 않은 기상의 물 및 알코올은 컬럼의 기상 라인(2a)을 통해 배출되고 이는 기상 라인(2a) 상에 응축기(3)를 설치하여 냉각 및 액화 후에 층분리기(4)에서 층분리를 통해 다시 반응장치(1)로 되돌려 보내되, 컬럼(2)에서의 기액 분리를 위해 컬럼(2) 상부로 환류된다.
한편, 이 유기층 라인(4a) 내 스트림의 열 유량을 살펴보면, 도 1에 도시된 유기층 라인(4a)의 P 위치에서의 시간에 따른 열유량을 나타낸 도 2의 그래프와 같이 변화폭이 상당히 심하여, 일반적으로는 열을 회수할 수 있는 시스템이 아니었고, 이에 컬럼(2)의 상부 기상 라인(2a)에 존재하는 열은 전량 응축기에서 버려지는 시스템을 적용하고 있다.
본 발명에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛은 연속 공정에 적용되는 것으로서, 환류되는 라인 내 스트림의 열 유량이 일정하다는 점으로부터 컬럼 상부로 배출되는 스트림의 열을 회수하여 활용하고자 착안된 것이며, 이러한 열교환 시스템을 적용함으로써, 원료의 예열 및/또는 공정 내 응축수를 이용한 고온수 또는 스팀 생산을 통해 에너지 생산성을 증대시키고, 후단의 응축기에서 사용되는 냉각제 사용량을 절감하는 효과를 기대할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛(10)을 도시한 공정도로서 설비로는 디에스터계 물질이 제조되는 디카르복실산과 1차 알코올의 에스터화 반응이 수행되는 반응장치(11)와, 반응 중 기화된 미반응물인 알코올과 부반응물인 물을 끌어올려 기액분리가 수행되는 컬럼(12)과, 컬럼 상부로 배출되는 기상 라인(121)의 열을 회수하는 열교환장치(16)와, 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물을 층분리기로 도입하기 전에 액화시키기 위한 응축기(15)와, 액화된 1차 알코올 및 물의 혼합물을 층분리를 통해서 분리하는 층분리기(14)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제조 유닛(10)은 반응장치(11)를 포함하며, 이 반응장치(11)는 디카르복실산과 1차 알코올의 에스터화 반응이 수행되는 반응용기(110)와, 기화된 1차 알코올 및 물이 컬럼으로 배출되도록 반응용기(110) 상단에 설치된 기상 배출라인(111)을 포함한다.
상기 반응장치(11)는 또한 원료인 디카르복실산과 1차 알코올을 투입하는 원료 투입라인(113)과, 복수 개의 제조 유닛이 구비된 경우, 다음 제조 유닛의 반응 장치로 또는 단일 제조 유닛인 경우나 복수 개의 제조 유닛이 구비된 경우에 있어서 마지막 제조 유닛인 경우, 정제부로 생성물을 보내는 생성물 라인(112)도 구비된 것일 수 있다.
다만, 상기 원료 투입라인(113)은 최초 제조 유닛일 경우 전단에 프리믹서(미도시)를 더 설치하여 프리믹서로 원료들을 투입하여 반응장치로 공급할 수 있고, 하나의 원료 투입라인으로 라인 믹싱을 수행하여 공급할 수도 있으며, 원료별 다른 투입라인으로 공급할 수도 있다. 원료의 투입 방법은 반응장치 내 원료가 공급될 수 있는 방법이라면 특별히 제한되지는 않는다.
또한, 상기 제조 유닛(10)은 컬럼(12)을 포함하며, 상기 반응장치(11)와 기상 배출라인(111)을 통해서 연결되는 컬럼(12)은 기상 배출라인(111)으로부터 유입된 1차 알코올 및 물의 기액 분리가 수행되는 컬럼 본체(120)와, 액화된 알코올 풍부 스트림이 상기 반응장치로 유출되도록 컬럼 본체(120) 하부에 설치된 액상 라인(122)과, 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물 스트림이 유출되도록 컬럼 본체(120) 상부에 설치되고 층분리기(14)로 연결되는 기상 라인(121)을 포함한다.
상기 반응장치(11)에서는 반응용기(110) 내에서 에스터화 반응이 수행되는데, 이 반응은 약 150℃ 내지 230℃의 온도에서 디카르복실산과 1차 알코올을 원료로 하여 수행될 수 있다. 원료인 상기 디카르복실산은 테레프탈산, 프탈산, 이소프탈산 및 사이클로헥산 디카르복실산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것일 수 있으며, 다른 원료인 상기 1차 알코올은 알킬 탄소수가 3 내지 10일 수 있다.
상기의 원료를 활용하여 에스터화 반응을 시키는 경우, 에스터화 반응의 반응온도는 원료로 적용될 수 있는 알킬 탄소수가 3 내지 10인 1차 알코올의 비점보다 높은 온도일 수 있기 때문에, 반응 중 1차 알코올의 기화는 필연적으로 발생된다. 또한, 1차 알코올의 기화로 반응물이 반응용기 내에서 지속적으로 감소하는 문제가 발생하며 이로 인해 1차 알코올을 이론상 당량비 이상으로 과량 투입하여 반응을 수행한다.
이에 따라 적용될 수 있는 반응부(특히, 후술하는 제조 시스템 내 제1반응부) 내 디카르복실산과 1차 알코올의 몰비율은 1:2 내지 1:5일 수 있고, 과도한 양의 알코올 투입에 의해 발생되는 불필요한 환류에 따른 에너지 손실을 방지하기 위한 것일 수 있고, 반응의 전환율 달성과 최소한의 체류시간 제어 측면에서 필요한 알코올 초과량을 고려한 것일 수 있으며, 바람직하게는 1:2 내지 1:4일 수 있고, 이를 최적으로 반영하기 위해서는 1:2.5 내지 1:4의 몰 비율이 적용될 수 있다.
또, 에스터화 반응은 생성물로서 물이 부반응물로 생성되는데, 물의 생성은 반대로 역반응을 가속화하여 목표 전환율의 달성을 방해하는 원인이 될 수 있어, 이를 반응용기로부터 제거하는 것 역시 중요할 수 있다.
즉, 상기 반응장치(11)에서는 반응 중 발생된 기상의 물을 제거하여야 하고, 필연적으로 기화된 1차 알코올을 다시 액화하여 반응장치로 되돌려야 하는 작업이 필수적이며, 이에 따라 반응장치(11) 상부에 컬럼(12)이 설치된다.
상기 컬럼(12)에서는 기화된 1차 알코올과 물의 기액분리를 수행하는데, 반응용기(110) 상단의 기상 배출라인(111)으로부터 컬럼(12) 컬럼 본체(120)의 하부로 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물이 유입되고, 유입된 기상의 혼합물이 컬럼(12)의 컬럼 본체(120) 내에서 상승하며, 컬럼(12)의 측상부로부터 하강하는 액상의 1차 알코올과 접촉하면서 1차 알코올은 컬럼 본체(120) 하부로, 물은 컬럼 본체(120) 상부로 분리되는 것일 수 있다. 여기서, 상기 컬럼(12) 상부로부터 하강하는 액상의 1차 알코올은 후단의 층분리기(14)로부터 공급되는 것일 수 있다.
반응장치(11)에서 기화된 1차 알코올과 물은 1차적으로 컬럼(12)에서 기액 분리를 통해 분리되고 액화된 1차 알코올은 액상 라인(122)을 통해 다시 반응용기(110)로 공급되어 반응에 참여할 수 있다. 또한, 여전히 기상인 물과 분리되지 않은 1차 알코올의 혼합물 기체는 컬럼 상부의 기상 라인(121)을 통해 배출되며, 이 때 기상 라인(121)으로 배출되는 내부 기상 혼합물 스트림의 온도는 약 130℃ 내지 180℃일 수 있으며, 일부 1차 알코올이 액화되어 다시 반응장치로 되돌아 가기는 하나, 여전히 1차 알코올이 과량일 수 있고, 이에 물에 대한 1차 알코올의 중량비는 약 1 이상일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제조 유닛(10)은 상기 컬럼의 기상 라인(121)의 열을 회수하여 공정 내 다른 열 공급이 필요한 곳으로 전달하기 위한 열교환장치(16)를 포함하며, 상기 열교환장치(16)는 컬럼(12)의 기상 라인(121) 상에 설치된다.
상기 컬럼(12)으로부터 기상 라인(121)을 통해 배출되는 기상의 물과 1차 알코올의 혼합물 스트림은 종국적으로 액화되어 1차 알코올은 환류되어야 하고 물은 제거되어야 하는 것으로서, 열이 제거되어야 하는 스트림이다. 또한, 이 기상 라인(121)은 약 130℃ 내지 180℃로 상당히 고온의 스트림이므로 여기에 내재된 열을 폐기하는 것은 상당한 에너지 손실일 수 있다.
그러나 기존의 회분식 공정에서는 열 유량이 일정치 못하다는 문제로 응축기만으로 열을 제거하여 상당한 에너지 손실이 있었고, 연속식 공정의 경우에도 열을 회수하여 공급할 수 있는 라인의 선정이나 활용 방안에 대해서는 전혀 제안되지 못한 실정이다.
이에 따라, 본 발명에서는, 에너지 활용의 효율성을 증대하기 위하여, 폐기되는 열을 회수하여 적절한 위치에 공급하는 열교환 시스템을 특징으로 한다. 구체적으로, 본 발명의 열교환장치(16)는 전술한 것처럼 컬럼(12)의 상부에 설치된 기상 라인(121)으로부터 열을 회수하는 것이며, 여기서 회수된 열은 상기 반응장치(11)의 원료 투입라인(113)에 공급되거나, 공정(후술하는 제조 시스템) 내 저온 스트림이 흐르는 라인에 공급되거나, 공정(후술하는 제조 시스템) 내 발생된 응축수를 다시 가열하여 고온수 또는 스팀을 생산하는 데에 사용된다.
구체적으로, 본 발명의 제조 유닛이 포함되는 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템은 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1반응부, 제1반응부의 생성물이 정제되는 제1정제부, 정제된 제1반응부의 생성물과 제1반응부의 원료 알코올과 상이한 알코올의 투입으로 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 제2반응부 및 제2반응부의 생성물이 정제되는 제2정제부를 포함할 수 있다.
이 경우, 상기 컬럼 상부의 기상 라인상에 설치된 열교환장치는 제조 시스템 내 저온 스트림과 열교환하도록 설치되는 것일 수 있고, 상기 저온 스트림은, 제1정제부 및 제2정제부 내 존재하는 정제탑들의 투입라인이거나 제2반응부의 원료 투입라인일 수 있으며, 이 라인들에 열을 공급하도록 설치될 수 있다. 상기 제1정제부 및 제2정제부에 구비된 정제탑들의 경우 정제탑에 투입되는 스트림은 온도가 낮고, 탑 내부에서는 정제를 위해 가열되는 것이 일반적이므로, 이 투입라인으로 열을 공급할 경우 전체 공정의 열 효율이 향상될 수 있다.
또한, 전술한 것과 같이 제조 유닛 내의 원료 투입라인과의 열교환 및/또는 제조 시스템 내 유틸리티(고온수 또는 스팀)의 생산에 이러한 열교환 시스템을 적용하는 경우, 유틸리티(고온수 또는 스팀) 생산성이 향상될 수 있고 후단에 필수적으로 수행되는 응축시 필요한 냉각제 사용량이 저감될 수 있으며, 폐기되는 열을 활용하는 관점에서 전체 공정의 에너지 효율이 증가할 수 있다.
상기 제조 유닛(10)은 층분리기(14)를 포함하며, 상기 컬럼(12)과 컬럼의 기상 라인(121)을 통해서 연결되는 층분리기(14)는 컬럼(12)의 상부로 배출된 기상이 열교환장치(16) 및 응축기(15)를 경유하여 액화된 유기층 및 수층으로의 층분리가 수행되는 분리 탱크(14)와, 분리된 유기층이 배출되는 유기층 라인(141)과, 수층이 배출되는 수층 라인(142)을 포함한다.
나아가, 상기 제조 유닛(10)은 열교환장치(16)를 경유한 컬럼 상부의 기상 라인(121) 내 스트림이 층분리기(14)로 투입되기 전에 가급적 전량 액화될 수 있도록 냉각 및 응축이 수행되는 응축기(15)를 포함하며, 이 응축기(15)는 컬럼(12)의 기상 라인(121) 상에 설치되는데, 열교환장치(16)에 의해 충분히 열이 회수된 후 라인 내 스트림이 냉각 및 응축될 수 있도록 열교환장치(16) 후단으로 설치된다. 이렇게 액화된 액상의 1차 알코올 및 물은 층분리기(14)의 분리 탱크(140) 내에서 1차 알코올의 유기층과 물의 수층으로 층분리가 수행된다.
상기 유기층의 1차 알코올은 유기층 라인(141)을 통해서 컬럼(12)으로 재순환될 수 있으며, 컬럼(12)에서 기액 분리가 수행될 수 있도록 컬럼 본체(120) 측상부로 투입될 수 있고, 이 때의 유기층 라인(141) 내 1차 알코올의 스트림 온도는 약 40℃ 내지 95℃일 수 있다. 기존 회분식 공정에서는 이 유기층 라인 내 열 유량이 일정치 않았으나, 연속식 공정에서는 열 유량이 안정적이며, 이에 컬럼 상부의 기상 라인(121)에서 열교환이 가능할 수 있다.
또한, 상기 수층의 물은 수층 라인(142)을 통해 분리 탱크(14)로부터 배출되는데, 이 때 배출되는 물은 공정 내 생성수로써 추가 분리시설을 통해 스팀을 생산하는 데에 활용될 수 있으며, 물을 반응장치(11)에서 제거한 후의 활용에 대하여 특별히 제한하는 것은 아니다.
도 4 내지 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 유닛의 일 예를 나타낸 것으로서 열교환 시스템이 적용되는 방식의 예를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하여 열교환 시스템의 일 예를 설명한다. 여기서 열교환장치는 제1 열교환기(16a)를 포함하도록 설치된 것이며, 컬럼(12)의 기상 라인(121)의 열이 상기 원료 투입라인(113)으로 전달되도록 설치된 것일 수 있다. 상기 원료 투입라인(113)을 반응용기(110)로 바로 연결하지 않고, 컬럼(12)의 기상 라인(121) 상에 설치된 열교환장치 내에서 서로 교차할 수 있도록 경유하여 설치될 수 있다. 이 경우 응축되어야 하는 기상 라인(121)으로부터는 열을 제거함으로써 후단의 응축기(15)에서의 냉각제 사용량을 저감할 수 있고, 약 150℃ 내지 230℃로 반응이 수행되는 반응계 내 투입되기 전 원료를 일정 온도까지 예열할 수 있어 반응기에서 사용되는 스팀량 또한 저감할 수 있다.
도 5를 참조하여 열교환 시스템의 다른 일례를 설명한다. 여기서 열교환장치는 제2 열교환기(16b)를 포함하도록 설치된 것이며, 컬럼(12)의 기상 라인(121)의 열이 공정(제조 시스템) 내 다른 라인으로 전달되도록 설치된 것일 수 있다. 즉, 제조 시스템 내 저온 스트림(LT stream)에 전달되는 것일 수 있는데, 여기서 저온 스트림은 제1정제부와 제2정제부 내 존재하는 정제탑으로 투입되는 투입라인이 있을 수 있고, 제2반응부의 원료 투입라인이 있을 수 있다.
도 6을 참조하여 열교환 시스템의 다른 일례를 설명한다. 여기서 열교환장치는 제3 열교환기(16c)를 포함하도록 설치된 것이며, 상기 컬럼(12)의 기상 라인(121)의 열을 이용하여 공정 내에서 발생된 응축수 또는 응축물(Condensate)을 가열하는 데에 전달되도록 설치된 것일 수 있다.
디에스터계 물질의 전체 제조 공정에서는, 반응용기(11)를 가열하는 스팀, 정제 공정에서 컬럼 투입 전 특정 온도로의 가열을 위한 스팀, 중화 공정에서의 필요 온도까지 가열하기 위한 고온수 등 상당량의 유틸리티(고온수(HW) 또는 스팀(steam) 등의 가열원)가 필요하다. 또한, 제조 공정 내에서는 전술한 층분리기(14)로부터 발생되는 수층의 반응 생성수나, 정제 공정으로부터 발생되는 폐수 등 상당량의 응축수가 발생하기도 한다. 이에 공정 내 발생되는 다량의 응축수(Condensate)를 상기 열교환장치(16)를 경유토록 하여, 고온수(HW) 또는 스팀(steam)을 생산하는 데에 활용함으로써, 응축수 폐기량 저감과 함께 공정 내 유틸리티의 생산성 향상에 큰 역할을 할 수 있다.
도 7 내지 9의 경우 또 다른 열교환 시스템의 일례들을 나타낸다. 여기서 열교환장치(16a, 16b, 16c)는 상기 도 4 내지 6에 도시된 열교환 시스템의 복합 시스템이 적용되는 것일 수 있다. 다시 말해서, 2개의 열교환기로서 상기 컬럼의 기상 라인(121)의 열이 상기 원료 투입라인(113)으로 전달되도록 설치된 제1 열교환기(16a), 제조 시스템 내 저온 스트림으로 전달되도록 설치된 제2 열교환기(16b) 및 상기 컬럼의 기상 라인(121)의 열이 제조 시스템(공정) 내에서 발생된 응축수를 가열하는 등 유틸리티를 생산하는 데에 전달되도록 설치된 제3 열교환기(16c) 중에서 포함할 수 있다.
이 경우 컬럼의 기상 라인(121)으로부터 회수할 수 있는 열을 원료 투입라인(113)에 공급하는 양과 제조 시스템 내 저온 스트림과 유틸리티 생산에 사용할 수 있는 양을 적절히 조절할 수 있고, 상기 제1 열교환기(16a), 제2 열교환기(16b) 및 제3 열교환기(16c)의 순서는 무관할 수 있다.
다만, 예를 들어, 제1 열교환기(16a) 후단에 제2 열교환기(16b)를 설치하거나(도 7 참조), 제1 열교환기(16a) 후단에 제3 열교환기(16c)를 설치하거나(도 8 참조), 제2 열교환기(16b) 후단에 제3 열교환기(16c)를 설치하는 것(도 9 참조)과 같이, 가급적 원료 예열에 활용한 후, 저온 스트림과의 열교환 후, 그리고 유틸리티 생산에 활용하는 순서로 열교환 시스템을 적용하는 것이 전체 열교환 효율 측면에서 바람직할 수 있다.
전술한 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 열교환 시스템이 적용된 디에스터계 물질의 제조 유닛을 제조 공정에 적용할 경우, 전체적인 공정 내 유틸리티 활용성이 증대될 수 있고, 에너지 사용의 효율성이 크게 향상될 수 있다.
본 발명의 추가의 일 실시예에 따르면, 상기 제조 유닛(20)은, 상기 열교환장치 후단에, 1차 알코올과 물을 포함하는 혼합물 스트림에서 액상과 기상의 분리가 수행되는 플래쉬드럼 본체와, 액화된 1차 알코올을 포함하는 액상이 컬럼 또는 반응장치로 배출되도록 설치된 플래쉬드럼 하부라인과, 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물 스트림이 층분리기로 배출되도록 설치된 플래쉬드럼 상부라인이 구비된 플래쉬 드럼;을 더 포함할 수 있으며, 이 경우, 상기 컬럼의 기상 라인은 상기 플래쉬드럼 본체의 측면부로 연결되며, 상기 응축기는 상기 플래쉬드럼 상부라인 상에 설치될 수 있다.
상기와 같이 제조 유닛에 플래쉬 드럼이 도입되는 경우에는 열교환장치를 통과하면서 일부 기상이 응축되어 라인 내에서 존재하는 액상을 특별한 조작 없이 간편하게 분리할 수 있고, 플래쉬 드럼을 통해 환류되는 알코올은 비교적 온도가 높아 반응계의 열 효율이 보다 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
도 10은 플래쉬 드럼이 도입된 본 발명의 추가의 일 실시예에 따른 제조 유닛(20)을 나타낸다. 상기 플래쉬 드럼(27)은 컬럼(22)과 기상 라인(221)을 통해 연결되며 상기 열교환장치(26)에 의해 일부 액화된 1차 알코올과 물을 포함하는 혼합물 스트림이 기액 분리되는 플래쉬드럼 본체(230)와, 액화된 1차 알코올을 포함하는 액상이 배출되는 플래쉬드럼 하부라인(232)과, 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물 스트림이 층분리기(24)로 배출되도록 설치된 플래쉬드럼 상부라인(271)이 구비된 것일 수 있다. 이 때, 응축기(25)는 상기 플래쉬드럼 상부라인(271) 상에 설치될 수 있다.
상기 플래쉬 드럼(27)은 플래쉬드럼 본체(270) 내부에서 기액 분리를 수행할 수 있고, 간단한 설비 및 처리를 통해서 많은 양의 1차 알코올을 반응기로 되돌릴 수 있다. 이 때 액화된 1차 알코올은 플래쉬드럼 하부라인(272)을 통해서 반응장치(21) 또는 컬럼(22)를 통해 반응계로 회수될 수 있는데, 플래쉬 드럼(27)으로부터 회수되는 1차 알코올은 온도가 응축 및 냉각에 의한 경우 대비 높은 온도이기 때문에, 반응장치(21)로 회수되더라도 반응계 내 온도 변화를 최소화할 수 있으며, 1차적으로 일부 1차 알코올을 분리해 내기 때문에 응축기의 냉각수 사용량을 저감할 수도 있어, 상기 플래쉬 드럼(27)의 도입을 통해 얻을 수 있는 에너지 절감 효과가 상당할 수 있다.
본 발명의 추가의 일 실시예에 따른 제조 유닛(20)은 1차 알코올을 환류시키는, 즉 재순환시키는 라인으로, 플래쉬 드럼(27)의 플래쉬드럼 하부라인(272)과 층분리기(24)의 유기층 라인(241)이 있다. 이 재순환 라인들은 1차 알코올을 반응장치(21)로 되돌림에 있어서 다양한 위치로 연결이 가능하며, 상기 플래쉬드럼 하부라인(272)은, 컬럼 본체(220) 측상부, 컬럼 본체(220) 측하부 및 반응용기(210)로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 위치로 연결되며, 상기 유기층 라인(241)은 플래쉬드럼 본체(270) 측부, 컬럼 본체(220) 측상부, 컬럼 본체(220) 측하부 및 반응용기(210)로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 위치로 연결된다.
이 때, 상기 플래쉬드럼 하부라인(272)과 유기층 라인(241) 중 어느 하나는 상기 컬럼(22)의 컬럼 본체(220) 측상부로 연결될 필요가 있으며, 이는 컬럼(22)의 컬럼 본체(220) 내에서 하부에서는 기상이 상승하고 상부에서는 액상이 하강하여야 기액 분리가 수행될 수 있기 때문이다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조 시스템은, 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1반응부, 제1반응부의 생성물이 정제되는 제1정제부, 정제된 제1반응부의 생성물과 제1반응부의 원료 알코올과 상이한 알코올의 투입으로 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 제2반응부 및 제2반응부의 생성물이 정제되는 제2정제부를 포함하고, 상기 제1반응부는 2 이상의 직렬로 연결된 전술한 제조 유닛을 포함한다.
또, 상기 열교환장치는 상기 원료 투입라인으로 전달되도록 설치된 제1 열교환기, 상기 제1정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인, 제2반응부의 원료 투입라인 및 제2정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 라인으로 전달되도록 설치된 제2 열교환기 및 공정(제조 시스템) 내에서 발생된 응축수로 전달되도록 설치된 제3 열교환기 중에서 1 이상을 포함하는 것이다.
전술한 디에스터계 물질의 제조 유닛은 전체 공정 관점에서 보면 '반응부'의 일부를 구성하는 1개의 유닛일 수 있고, 본 발명에서는 디에스터계 물질의 제조를 위한 연속 공정 중 직렬로 이와 같은 제조 유닛이 2 이상 연결되며, 바람직하게 3 내지 6일 수 있고, 3 내지 5개가 연결되는 것이 적절할 수 있다.
상기 제조 유닛(10, 20)들이 2 이상으로 연결될 때에는 반응장치(11, 21)에서 제조된 생성물이 생성물 라인(112, 212)을 통해서 배출되어 다음 제조 유닛으로 이동할 수 있고, 첨부된 도면 내 표시된 “…”은 2 이상의 제조 유닛이 결합될 수 있음을 표현한 것으로 해석될 수 있다.
구체적으로 상기 디에스터계 물질의 연속 제조 공정은 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1반응부 및 제1반응부의 생성물이 정제되는 제1정제부를 포함하는 제1 제조 시스템과, 추가의 알코올 투입을 통해 생성된 디에스터와 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 제2반응부 및 제2반응부의 생성물이 정제되는 제2정제부를 포함하는 제2 제조 시스템을 포함할 수 있으며, 이 외에도 폐수처리부나 혼합 알코올 분리부 등도 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제조 유닛은 특히 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1 제조 시스템 내의 제1반응부에 관한 것일 수 있으나, 후단의 제1정제부, 제2반응부 및 제2정제부가 함께 연결되어 있지 않더라도, 본 발명에 따른 제조 유닛에 적용되는 것과 같은 열교환 시스템이 적용될 수 있는 공정이라면 특별히 제한되지 않을 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 디에스터계 물질의 제조방법은, 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1반응부, 제1반응부의 생성물이 정제되는 제1정제부, 정제된 제1반응부의 생성물과 제1반응부의 원료 알코올과 상이한 알코올의 투입으로 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 제2반응부 및 제2반응부의 생성물이 정제되는 제2정제부를 포함하는 디에스터계 물질의 연속 제조 방법으로, 상기 제1반응부에는 직렬로 연결된 2 이상의 제조 유닛이 포함되며, 상기 제조 유닛에서는, 반응장치에서, 디카르복실산과 1차 알코올의 에스터화 반응으로 미반응물인 1차 알코올과 부반응물인 물이 기화되는 단계; 컬럼 내에서, 하부로부터 상기 기화된 1차 알코올 및 물이 상승하고, 상부로부터 액상의 1차 알코올이 하강하여, 기액 분리되고, 상기 컬럼 상부로 기상의 1차 알코올 및 물이 배출되는 단계; 상기 기상의 1차 알코올 및 물이 갖는 열을 회수하는 단계; 및 열이 회수된 상기 1차 알코올 및 물을 응축하여 층분리하는 단계;를 포함하는 공정이 수행된다.
이 때, 상기 회수된 열은, 상기 디카르복실산 및 1차 알코올이 반응장치로 투입되기 전에 가열하는 데에 사용되는 용도, 상기 제1정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인, 제2반응부의 원료 투입라인 및 제2정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 라인을 가열하는 데에 사용되는 용도 및 공정 내에서 발생된 응축수를 가열하는 데에 사용되는 용도 중에서 1 이상에 적용되는 것이다.
상기 제조 방법은 전술한 디에스터계 물질의 제조 유닛을 포함하는 제조 시스템에서 수행되는 것이다. 상기 제조 시스템 및 제조 방법에 적용되는 제조 유닛과 이의 열교환 시스템에 관한 설명은 전술한 것과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
실시예
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
하기 실시예 및 비교예에서는 상용 공정모사 프로그램 ASPEN PLUS 내 CONTINUOUS MODELER를 이용하여 본 발명에 따른 디에스터계 물질의 연속식 제조방법에 따른 공정 시스템을 시뮬레이션 하였다.
실험예 1
상기 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 함에 있어서, 도 1에 도시된 제조 유닛을 3개 결합하고 도 3에 도시된 제조 유닛을 1개 결합하여 총 4개의 제조 유닛이 결합된 제조 시스템으로 시뮬레이션을 하였다. 도 3에 도시된 제조 유닛의 순서는 하기 표 1에 나타낸 것과 같이 적용하되, 적용된 열교환장치 또한 하기 표 1에 나타낸대로 적용하여 시뮬레이션 하였다.
원료 물질로서 디카르복실산은 테레프탈산, 1차 알코올은 2-에틸헥산올, 이 두 원료의 몰 비율은 1:3로 하였고, 유기층 라인(141)으로 배출되는 1차 알코올을 포함하는 유기층의 온도는 40℃가 되도록 셋팅하였으며, 응축기(15)에서 소모된 냉각제의 양 및 전체 제조 시스템 내 스팀 사용량을 확인하였다. 하기 표 1의 수치는 비교예 1을 100%로 하였을 때의 상대 값(%)이다.
본 발명에 따른 제조유닛의 위치 열교환 대상 적용 도면 냉각제 사용량 스팀 사용량
비교예 1 X X 도 1 100 100
실시예 1-1 1st 제1반응부의 원료 투입라인 도 4 78 50
실시예 1-2 2nd 제2반응부의 원료 투입라인 도 5 95 90
실시예 1-3 3rd 정제탑 투입라인 도 5 96 92
실시예 1-4 2nd 정제탑 투입라인 도 5 88 73
상기 표 1을 참조하면, 4개의 제조 유닛 중 1개라도 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 유닛을 적용하여 열교환 시스템을 활용하는 경우에는 냉각제 사용량 및 스팀 사용량이 크게 절감될 수 있음을 확인할 수 있다.
실험예 2
상기 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 함에 있어서, 도 1에 도시된 제조 유닛을 3개 결합하고 도 3에 도시된 제조 유닛을 1개 결합하여 총 4개의 제조 유닛이 결합된 제조 시스템으로 시뮬레이션을 하였다. 도 3에 도시된 제조 유닛의 순서는 하기 표 2에 나타낸 것과 같이 적용하되, 적용된 열교환장치 또한 하기 표 2에 나타낸대로 적용하여 시뮬레이션 하였다.
원료 물질로서 디카르복실산은 테레프탈산, 1차 알코올은 2-에틸헥산올, 이 두 원료의 몰 비율은 1:3로 하였고, 유기층 라인(141)으로 배출되는 1차 알코올을 포함하는 유기층의 온도는 40℃가 되도록 셋팅하였으며, 응축기(15)에서 소모된 냉각제의 양 및 전체 공정에서 유틸리티(고온수 또는 스팀)를 생산하는 데에 소모된 에너지량을 확인하였다. 하기 표 2의 수치는 비교예 1을 100%로 하였을 때의 상대 값(%)이다.
본 발명에 따른 제조유닛의 위치 열교환 대상 적용 도면 냉각제 사용량 유틸리티 생산에 필요한 에너지량
비교예 1 X X 도 1 100 100
실시예 2-1 2nd 저압스팀 생산 도 6 86 83
실시예 2-2 3rd 저압스팀 생산 도 6 89 87
실시예 2-3 2nd 고온수 생산 도 6 66 58
실시예 2-4 3rd 고온수 생산 도 6 78 73
상기 표 2를 참조하면, 4개의 제조 유닛 중 1개라도 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 유닛을 적용하여 열교환 시스템을 활용하는 경우에는 냉각제 사용량과 공정 내에서 유틸리티를 생산하는 데에 사용되는 에너지가 크게 절감될 수 있음을 확인할 수 있다.
실험예 3
상기 프로그램을 이용하여 시뮬레이션 함에 있어서, 도 1에 도시된 제조 유닛 2개 또는 3개와 도 3에 도시된 제조 유닛 1개 또는 2개를 결합하여 총 4개의 제조 유닛이 결합된 제조 시스템으로 시뮬레이션을 하였다. 도 3에 도시된 제조 유닛의 순서는 하기 표 3에 나타낸 것과 같이 적용하되, 적용된 열교환장치 또한 하기 표 3에 나타낸대로 적용하여 시뮬레이션 하였다.
원료 물질로서 디카르복실산은 테레프탈산, 1차 알코올은 2-에틸헥산올, 이 두 원료의 몰 비율은 1:3로 하였고, 유기층 라인(141)으로 배출되는 1차 알코올을 포함하는 유기층의 온도는 40℃가 되도록 셋팅하였으며, 응축기(15)에서 소모된 냉각제의 양, 반응용기에 투입된 스팀량, 전체 제조 시스템 내 스팀 사용량 및 전체 공정에서 유틸리티(고온수 또는 스팀)를 생산하는 데에 소모된 에너지량을 확인하였다. 하기 표 3의 수치는 비교예 1을 100%로 하였을 때의 상대 값(%)이다.
본 발명에 따른 제조유닛의 위치 열교환 대상 적용
도면		 냉각제 사용량 스팀 사용량 유틸리티 생산에 필요한 에너지량
비교예 1 X X 도 1 100 100 100
실시예 3-1 3rd 제1반응부 원료 투입라인 &저압스팀 생산 도 8 89 81 97
실시예 3-2 2nd & 3rd 정제탑 투입라인 &저압스팀 생산 도 9 78 73 87
실시예 3-3 2nd & 3rd 정제탑 투입라인 &저압스팀 생산 도 9 83 92 83
상기 표 3을 참조하면, 4개의 제조 유닛 중 1개라도 본 발명의 일 실시예에 따른 제조 유닛을 적용하여 열교환 시스템을 활용하는 경우에는 냉각제 사용량과 스팀 사용량, 그리고 공정 내에서 유틸리티를 생산하는 데에 사용되는 에너지가 크게 절감될 수 있음을 확인할 수 있다.
1, 11, 21: 반응장치 110, 210: 반응용기
1a, 111, 211: 기상 배출라인 112, 212: 생성물 라인
113, 213: 원료 투입라인
2, 12, 22: 컬럼 120, 220: 컬럼 본체
121, 221: 기상 라인 122, 222: 액상 라인
4, 14, 24: 층분리기 140, 240: 분리 탱크
141, 241: 유기층 라인 142, 242: 수층 라인
5, 15, 25: 응축기
16, 26: 열교환장치 16a: 제1 열교환기
16b: 제2 열교환기 16c: 제3 열교환기
27: 플래쉬 드럼 270: 플래쉬드럼 본체
271: 플래쉬드럼 상부라인 272: 플래쉬드럼 하부라인
LT stream: 저온 스트림 Condensate: 응축수
HW/Steam: 고온수/스팀

Claims (11)

  1. 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템에 포함되는 제조 유닛으로,
    디카르복실산과 1차 알코올의 에스터화 반응이 수행되는 반응용기와, 상기 반응용기로 반응물을 공급하는 원료 투입라인과, 기화된 1차 알코올 및 물이 컬럼으로 배출되도록 반응용기 상단에 설치된 기상 배출라인을 포함하는 반응장치;
    상기 기상 배출라인으로부터 유입된 1차 알코올 및 물의 기액 분리가 수행되는 컬럼 본체와, 액화된 알코올 풍부 스트림이 상기 반응장치로 유출되도록 컬럼 본체 하부에 설치된 액상 라인과, 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물 스트림이 유출되도록 컬럼 본체 상부에 설치되고 층분리기로 연결되는 기상 라인을 포함하는 컬럼;
    상기 컬럼의 기상 라인 상에 설치되어 기상 라인의 열을 회수하는 열교환장치;
    상기 컬럼의 기상 라인 상에 설치되되 열교환장치 후단으로 설치되어 라인 내 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물을 액화하는 응축기; 및
    액화된 1차 알코올 및 물의 혼합물의 유기층 및 수층으로의 층분리가 수행되는 분리 탱크와, 분리된 유기층이 상기 컬럼 본체 측상부로 배출되도록 설치된 유기층 라인과, 수층이 배출되는 수층 라인을 포함하는 층분리기;를 포함하고,
    상기 열교환장치는, 상기 컬럼의 기상 라인의 열이,
    상기 원료 투입라인으로 전달되도록 설치된 제1 열교환기,
    디에스터계 물질의 연속 제조 시스템 내 저온 스트림이 흐르는 라인으로 전달되도록 설치된 제2 열교환기 및
    디에스터계 물질의 연속 제조 시스템 내에서 발생된 응축수로 전달되도록 설치된 제3 열교환기 중에서 1 이상을 포함하는 것인 디에스터계 물질의 제조 유닛.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템은 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1반응부, 제1반응부의 생성물이 정제되는 제1정제부, 정제된 제1반응부의 생성물과 제1반응부의 원료 알코올과 상이한 알코올의 투입으로 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 제2반응부 및 제2반응부의 생성물이 정제되는 제2정제부를 포함하고,
    상기 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템 내 저온 스트림이 흐르는 라인은 상기 제1정제부 및 제2정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인과 제2반응부의 원료 투입라인을 포함하는 것인 디에스터계 물질의 제조 유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열교환장치는 상기 컬럼의 기상 라인 상에,
    제1 열교환기 및 제2 열교환기;
    제1 열교환기 및 제3 열교환기; 또는
    제2 열교환기 및 제3 열교환기가 순차로 설치된 것을 포함하는 것인 디에스터계 물질의 제조 유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제조 유닛은, 상기 열교환장치 후단에,
    1차 알코올과 물을 포함하는 혼합물 스트림에서 액상과 기상의 분리가 수행되는 플래쉬드럼 본체와, 액화된 1차 알코올을 포함하는 액상이 컬럼 또는 반응장치로 배출되도록 설치된 플래쉬드럼 하부라인과, 기상의 1차 알코올 및 물의 혼합물 스트림이 층분리기로 배출되도록 설치된 플래쉬드럼 상부라인이 구비된 플래쉬 드럼;을 더 포함하고,
    상기 컬럼의 기상 라인은 상기 플래쉬드럼 본체의 측면부로 연결되며,
    상기 응축기는 상기 플래쉬드럼 상부라인 상에 설치되는 것인 디에스터계 물질의 제조 유닛.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 컬럼의 기상 라인 내 스트림의 온도는 130℃ 내지 180℃인 것인 디에스터계 물질의 제조 유닛.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디카르복실산은 테레프탈산, 프탈산, 이소프탈산 및 사이클로헥산 디카르복실산으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 것인 디에스터계 물질의 제조 유닛.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 1차 알코올은 알킬 탄소수가 3 내지 10인 것인 디에스터계 물질의 제조 유닛.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에스터화 반응은 150℃ 내지 230℃의 온도에서 수행되는 것인 디에스터계 물질의 제조 유닛.
  9. 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1반응부, 제1반응부의 생성물이 정제되는 제1정제부, 정제된 제1반응부의 생성물과 제1반응부의 원료 알코올과 상이한 알코올의 투입으로 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 제2반응부 및 제2반응부의 생성물이 정제되는 제2정제부를 포함하는 디에스터계 물질의 연속 제조 방법으로,
    상기 제1반응부에는 직렬로 연결된 2 이상의 제조 유닛이 포함되며, 상기 제조 유닛에서는,
    반응장치에서, 디카르복실산과 1차 알코올의 에스터화 반응으로 미반응물인 1차 알코올과 부반응물인 물이 기화되는 단계;
    컬럼 내에서, 하부로부터 상기 기화된 1차 알코올 및 물이 상승하고, 상부로부터 액상의 1차 알코올이 하강하여, 기액 분리되고, 상기 컬럼 상부로 기상의 1차 알코올 및 물이 배출되는 단계;
    상기 기상의 1차 알코올 및 물이 갖는 열을 회수하는 단계; 및
    열이 회수된 상기 1차 알코올 및 물을 응축하여 층분리하는 단계;를 포함하는 공정이 수행되고,
    상기 회수된 열은, 상기 디카르복실산 및 1차 알코올이 반응장치로 투입되기 전에 가열하는 데에 사용되는 용도,
    상기 제1정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인, 제2반응부의 원료 투입라인 및 제2정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 라인을 가열하는 데에 사용되는 용도 및
    공정 내에서 발생된 응축수를 가열하는 데에 사용되는 용도 중에서 1 이상에 적용되는 것인 디에스터계 물질의 제조 방법.
  10. 직접 에스터화 반응이 수행되는 제1반응부, 제1반응부의 생성물이 정제되는 제1정제부, 정제된 제1반응부의 생성물과 제1반응부의 원료 알코올과 상이한 알코올의 투입으로 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 제2반응부 및 제2반응부의 생성물이 정제되는 제2정제부를 포함하고,
    상기 제1반응부는 2 이상의 직렬로 연결된 제1항의 제조 유닛을 포함하며,
    상기 열교환장치는 상기 원료 투입라인으로 전달되도록 설치된 제1 열교환기,
    상기 제1정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인, 제2반응부의 원료 투입라인 및 제2정제부 내 포함된 정제탑의 투입라인으로 이루어진 군에서 선택된 1 이상의 라인으로 전달되도록 설치된 제2 열교환기 및
    공정 내에서 발생된 응축수로 전달되도록 설치된 제3 열교환기 중에서 1 이상을 포함하는 것인 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제조 유닛은 3개 내지 6개가 직렬로 연결된 것인 디에스터계 물질의 연속 제조 시스템.
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