KR20210025009A - 경질 아크릴레이트의 정제 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 메탄올 또는 에탄올에 의한 아크릴산의 직접적 에스테르화에 의한, 경질 (메트)아크릴산 에스테르의 제조에 관한 것이다.
더욱 특히 본 발명의 주제는, 비점이 아크릴산의 것과 근접하고 이에 따라 정제 방법에서 문제가 되는 알킬 알콕시프로피오네이트 부산물이 풍부한 분획의 측면 배출을 포함하는 증류 컬럼을 사용하는 미정제 반응 혼합물의 공비 증류를 포함하는 C1-C2 알킬 아크릴레이트의 회수/정제 방법에 관한 것이다.
더욱 특히 본 발명의 주제는, 비점이 아크릴산의 것과 근접하고 이에 따라 정제 방법에서 문제가 되는 알킬 알콕시프로피오네이트 부산물이 풍부한 분획의 측면 배출을 포함하는 증류 컬럼을 사용하는 미정제 반응 혼합물의 공비 증류를 포함하는 C1-C2 알킬 아크릴레이트의 회수/정제 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 상응하는 경질 알코올에 의한 (메트)아크릴산의 직접적 에스테르화에 의한, 경질 (메트)아크릴산 에스테르, 예컨대 메틸 또는 에틸 (메트)아크릴레이트의 제조에 관한 것이다.
더욱 특히 본 발명의 주제는, 비점이 아크릴산의 것과 근접하고 이에 따라 정제 공정에서 문제가 되는 알킬 알콕시프로피오네이트 부산물이 풍부한 분획을 배출하는 (drawing off) 사이드 스트림 (side stream) 을 포함하는 증류 컬럼을 사용하는 미정제 반응 혼합물의 공비 증류를 포함하는 C1-C2 알킬 아크릴레이트의 회수/정제 방법이다.
알코올과 (메트)아크릴산 사이의 에스테르화 반응을 수행함으로써 (메트)아크릴산 에스테르를 제조하는 것이 공지되어 있다. 이러한 반응은 물의 생성과 함께 평형화된 촉매 반응이다. 이는 또한 불순물을 생성하는 부반응을 동반한다.
평형을 이동시키기 위해 생성된 물을 제거하고, 불순물을 제거하고, 미반응 반응물질을 리사이클시키는 것이 필요하다.
이를 위해, 증류 및/또는 추출의 세트, 정치에 의한 분리가 일반적으로 수행되는데, 이는 특히 공비 혼합물의 존재의 결과로서 모두 시행하기에 비교적 복잡하고, 에너지와 관련하여 비용이 많이 든다.
경질 (메트)아크릴산 에스테르, 특히 C1-C2 알킬 아크릴산 에스테르의 생산 동안 발생하는 문제는 편의를 위해, 메탄올에 의한 아크릴산의 에스테르화에 의해 수득된 메틸 아크릴레이트의 예를 기초로 이제 제시될 것이다. 그러나, 본 발명에 의해 제시된 문제 및 해결책은 에스테르화 반응에서의 에탄올의 사용에 적용될 수 있다.
메틸 아크릴레이트의 생산 동안 부반응으로써, 미반응 아크릴산은 올리고머, 예컨대 3-아크릴로일옥시프로피온산 (n = 2) 또는 3-아크릴로일옥시-3-프로폭시프로피온산 (n = 3) 을 형성할 수 있는데, 이는 아크릴산의 것보다 높은 비점을 갖는 중질 부산물이다.
다른 부반응으로서, 마이클 부가 (Michael addition) 는 마이클 부가물을 생성할 수 있고; 특히, 이미 형성된 메틸 아크릴레이트와 메탄올 사이의 마이클 부가는 메틸 메톡시프로피오네이트의 형성을 야기한다.
메틸 메톡시프로피오네이트 (MMP) 는, 이의 비점 (142 ℃ 대기 P) 이 생성된 메틸 아크릴레이트의 것 (80 ℃ 대기 P) 을 크게 초과하기 때문에 "중질" 부산물이고, 이는 에스테르화 반응이 진행됨에 따라, 아크릴산의 올리고머와 동시에 유의한 양으로 형성된다.
메틸 메톡시프로피오네이트는 아크릴산의 것에 근접한 증기압을 나타내기 때문에 문제를 제기한다. 이의 이점은 아크릴산의 것 (144 ℃ 대기 P) 에 근접하고, 이는 물과 공비혼합물을 형성할 수 있다. 이는 주로 미반응 아크릴산을 위한 리사이클 루프에서 농축될 것이다. 이후 아크릴산의 유의한 상실을 야기할 수 있는, 이러한 리사이클 루프의 퍼징 (purging) 을 수행하는 것이 필요하다. 또한, MMP 는 아크릴산 올리고머에 비해 중질 부산물 중 가장 경질이고; 이는 메틸 아크릴레이트의 최종 정제를 방해할 수 있고, 최종품의 품질에 불리하게 영향을 줄 수 있다.
메틸 메톡시프로피오네이트의 형성을 제한하기 위하여, 과량의 산을 사용해 감압 하에 에스테르화 반응을 수행하는 것이 문헌 US 6 025 520 에서 제안되었다. 이러한 조건은 에스테르화 반응의 수율 및 선택성을 개선하고, 원하는 에스테르의 정제를 위한 라인에 문제가 되는, 메탄올의 부가에 의해 생성된 중질 부산물, 예컨대 메틸 메톡시프로피오네이트의 형성을 유의하게 감소시킬 수 있게 한다.
문헌 WO 2015/063388 에 기재된 방법은 산이 알코올에 대해 과량이고 시공 속도 (hourly space velocity) 가 높은 조건 하에, 대기압에서 에스테르화 반응을 수행함으로써 통상적인 고정층 반응기 기술에서 메틸 또는 에틸 (메트)아크릴레이트의 합성 동안 알킬 알콕시프로피오네이트의 형성을 유의하게 감소시키는 것을 제안하고 있다.
그러나, 공정의 물질 균형에 불리하고 (퍼지 동안 출발 물질의 상실) 정제 라인에 불리한 (높은 순도를 달성하기 위한 복잡성), 메틸 아크릴레이트의 합성 동안 형성된 메틸 메톡시프로피오네이트를 제거하는 것에 대한 요구가 여전히 존재한다.
놀랍게도, 본 발명자들은 사이드 스트림 배출이 제공되는 단일 증류 컬럼에서 수행되는 반응 혼합물의 공비 증류 동안 사이드 스트림 배출에 의해 메틸 메톡시프로피오네이트를 제거할 수 있다는 것을 밝혀냈다.
또한, 본 발명자들은 이러한 사이드 스트림 배출이 또한 에스테르화 반응에 의해 생성된 물 중 일부를 퍼징하고, 이에 따라 반응의 평형의 이동을 증진시켜 반응의 수율을 향상시키고, 물 재순환 루프의 형성을 회피할 수 있게 한다는 것을 밝혀냈다.
따라서, 본 발명의 목적 중 하나는, 개선된 물질 균형과 함께 그리고 단순화된 배열로, 메틸 메톡시프로피오네이트의 효율적인 제거를 가능하게 하는, 메틸 아크릴레이트, 더 일반적으로는 메틸 또는 에틸 아크릴레이트의 회수/정제 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 주제는, 알킬 알콕시프로피오네이트 부산물이 풍부한 분획의 사이드 스트림 배출을 포함하는 증류 컬럼을 사용하는 반응 혼합물의 공비 증류를 포함하는 것을 특징으로 하는, 메탄올 및 에탄올로부터 선택되는 알코올에 의한 아크릴산의 에스테르화로부터 야기되는 반응 혼합물로부터의 C1-C2 알킬 아크릴레이트의 회수/정제 방법이다.
용어 공비 증류는 3원 알킬 아크릴레이트/알코올/물 혼합물로 이루어지는 공비혼합물 (또는 공비 혼합물) 의 분리를 의미하는 것으로 이해된다.
한 구현예에 따르면, 알코올은 메탄올이고, 알킬 아크릴레이트는 메틸 아크릴레이트이고, 알킬 알콕시프로피오네이트는 메틸 메톡시프로피오네이트 (MMP) 이다.
한 구현예에 따르면, 알코올은 에탄올이고, 알킬 아크릴레이트는 에틸 아크릴레이트이고, 알킬 알콕시프로피오네이트는 에틸 에톡시프로피오네이트 (EEP) 이다.
한 구현예에 따르면, 알킬 알콕시프로피오네이트가 풍부한 분획의 배출은 액체 상에서 수행된다.
한 구현예에 따르면, 알킬 알콕시프로피오네이트가 풍부한 분획의 배출은 공비 증류 컬럼의 상반부에서 수행된다.
한 구현예에 따르면, 공비 증류는 200 내지 600 mmHg 범위일 수 있는 압력 하에 약간의 진공 하에 수행된다.
한 구현예에 따르면, 공비 증류 컬럼의 하부에서 온도는 110 ℃ 미만, 바람직하게는 100 ℃ 미만이다.
한 구현예에 따르면, 내부 환류는 공비 증류 컬럼에서 제공된다.
한 구현예에 따르면, 외부 환류는 알킬 아크릴레이트를 포함하는 스트림을 사용하여, 바람직하게는 90 % 초과의 알킬 아크릴레이트의 중량에 의한 함량을 포함하는 스트림을 사용하여 공비 증류 컬럼에서 제공된다.
한 구현예에 따르면, 알킬 알콕시프로피오네이트가 풍부한 분획은 약 20% 내지 약 50% 의 범위일 수 있는 중량에 의한 함량으로 알킬 알콕시프로피오네이트를 함유한다.
한 구현예에 따르면, 알킬 알콕시프로피오네이트가 풍부한 분획은 약 20% 내지 약 60% 의 범위일 수 있는 중량에 의한 함량으로 물을 함유한다.
한 구현예에 따르면, 방법은 연속적, 반연속적 또는 배치 유형의 방법으로부터 선택된다.
한 구현예에 따르면, 반응 혼합물은 화학량론적 과량의 알코올에 의한 아크릴산의 에스테르화로부터 야기된다.
한 구현예에 따르면, 반응 혼합물은 화학량론적 과량의 산의 조건 하에 알코올에 의한 아크릴산의 에스테르화로부터 야기된다.
한 구현예에 따르면, 본 발명에 따른 방법은 하기 단계를 포함한다:
a) 알킬 아크릴레이트, 미반응 알코올 및 물을 포함하는 공비 혼합물을 상부에서, 및 미반응 아크릴산 및 중질 부산물을 포함하는 분획을 하부에서 분리할 수 있게 하고, 알킬 알콕시프로피오네이트 부산물이 풍부한 분획이 사이드 스트림 배출에 의해 제거되는 제 1 증류 컬럼을 사용하는 반응 혼합물의 공비 증류 단계;
b) 제 1 증류 컬럼으로부터의 하부 스트림의 본질적으로 미반응 아크릴산을 포함하는 스트림으로의 분리 단계, 이러한 스트림은 에스테르화 반응기에 리사이클되고, 스트림은 본질적으로 중질 부산물을 포함하고, 이는 경제적으로 업그레이드될 수 있는 생성물의 스트림을 방출하는 열적 크래킹에 적용되고, 이 스트림은 리사이클될 수 있음;
c) 본질적으로 알킬 아크릴레이트를 포함하는 유기 상, 및 수성 상을 분리할 수 있게 하는 수성 스트림을 사용한 제 1 증류 컬럼으로부터의 상부 스트림의 액체/액체 추출 단계, 수성 상은 한편으로는 반응기에 리사이클될 수 있는 알코올이 풍부한 분획, 및 다른 한편으로는 액체/액체 추출 단계에서 수성 스트림으로서 사용될 수 있는 물이 풍부한 분획을 회수하기 위해 증류됨;
d) 정제된 알킬 아크릴레이트를 회수할 수 있게 하는 상기 유기 상의 정제 단계.
한 구현예에 따르면, 정제 d) 는 적어도 하나의 증류 컬럼, 바람직하게는 일련의 2 개의 증류 컬럼을 포함하는 정제 시스템을 사용하는, 증류에 의해 수행된다.
한 구현예에 따르면, 정제 d) 는 적어도 하나의 파티션 컬럼을 포함하는 정제 시스템을 사용하여 수행된다.
본 발명은 상응하는 알코올에 의한 아크릴산의 직접적 에스테르화에 의한 메틸 아크릴레이트 또는 에틸 아크릴레이트의 합성 방법에서 알킬 알콕시프로피오네이트 부산물의 형성에 관련된 당업계의 최신 기술의 단점을 극복할 수 있게 한다.
본 발명은 알킬 알콕시프로피오네이트를 효율적으로 제거하고, 정제 라인에서 알킬 알콕시프로피오네이트의 누적에 의해 부과되는 퍼징에 의해 생성된 경제적으로 업그레이드될 수 있는 생성물의 상실을 감소시킬 수 있다.
본 발명은 또한 방법의 생산성 및 에너지 소비에 해로운 물의 누적을 최소화시킬 수 있다.
이는 반응 혼합물의 공비 증류 동안, 알킬 알콕시프로피오네이트의 분리를 촉진시킬 수 있게 하는 조건 하에 사이드 스트림 배출이 제공되는 증류 컬럼의 사용에 의해 완수된다.
따라서, 본 발명은 높은 순도의 메틸 또는 에틸 아크릴레이트의 단순화된 제조 방법을 제공하고, 공정의 물질 균형을 최적화한다.
- 도 1 은 선행 기술에 따른 메틸 아크릴레이트의 제조 방법의 실행을 위한 플랜트를 도식적으로 나타낸다.
- 도 2 는 본 발명에 따른 회수/정제 방법을 포함하는 메틸 아크릴레이트의 제조를 위한 플랜트를 도식적으로 나타낸다.
- 도 2 는 본 발명에 따른 회수/정제 방법을 포함하는 메틸 아크릴레이트의 제조를 위한 플랜트를 도식적으로 나타낸다.
본 발명은 이제 선행 기술의 방법과 비교하여, 하기의 상세한 설명에서 더 상세하게 그리고 비제한적 방식으로 기재된다.
명료하게 하기 위해, 상세한 설명은 메탄올에 의한 아크릴산의 에스테르화에 의해 수득된 메틸 아크릴레이트의 예를 기반으로 한다. 그러나, 본 발명에 의해 제안된 해결책은 에스테르화 반응에서 에탄올의 사용과 동일한 방식으로 적용된다.
선행 기술의 메틸 아크릴레이트의 제조를 위한 플랜트는 도 1 에 제시되어 있다.
반응 섹션은 에스테르화 반응기 (R) 을 포함한다. 반응기 (R) 은 아크릴산 공급 파이프 (1) 및 메탄올 공급 파이프 (2) 에 의해 공급된다. 반응기는 바람직하게는 산성 양이온 교환 수지 유형의 불균질한 촉매를 함유한다. 균질한 촉매 작용의 경우, 반응기는 또한 촉매 공급 파이프 (도시되지 않음) 가 추가로 공급된다. 에스테르화 반응은 과량의 메탄올 또는 과량의 아크릴산에서 수행될 수 있다.
반응기 (R) 의 배출구에서, 반응 혼합물 (3) 은 2 개의 증류 컬럼, 일련의 (C1) 및 (C3) 으로 도 1 에 도시된 공비 증류 유닛에 보내지는데, 제 1 컬럼 (C1) 은 기체 상 (9) 에 의해 제 2 컬럼 (C3) 에 연결되고, 제 2 컬럼 (C3) 은 에스테르화 반응에 의해 형성된 물 중 일부 및 컬럼 (C3) 에 스트림의 형태로 주입되는 물로 이루어지는 물의 스트림 (10) 을 하부에서 분리한다.
대안적으로, 공비 증류 유닛은 동일한 조건 하에 진공 하에 작동되는 단일 증류 컬럼 (C1) 을 포함한다.
증류 컬럼 (C1) 은 하부에서, 본질적으로 미반응 아크릴산, 미량의 경질 생성물 (아크릴산의 것보다 낮은 비점), 및 아크릴산보다 높은 비점을 갖는 중질 생성물 (아크릴산의 올리고머 및 마이클 부가물) 을 포함하는 스트림 (6) 을 분리한다.
스트림 (6) 은 잔여 아크릴산 및 더 경질의 생성물을 포함하는 스트림 (7), 및 본질적으로 중질 생성물로 이루어지는 스트림 (8) 을 분리하는 증류 컬럼 및/또는 필름 증발기 (C2) 에 보내진다. 스트림 (7) 은 유리하게는 반응기 (R) 에 리사이클된다.
스트림 (8) 은 잠재적으로 중질 생성물 분획으로부터 회수될 수 있는 우수한 생성물 (출발 화합물 또는 최종 생성물) 을 리사이클할 수 있게 하는 열적 크래킹 (도 1 에 나타내지 않음) 에 적용될 수 있다. 열적 크래킹은 일반적으로 임의로는 산 촉매, 예컨대 황산 또는 술폰산의 존재 하에 예를 들어 120 ℃ 내지 220 ℃ 의 범위일 수 있는 온도에서 수행된다.
공비 증류 유닛은, 상부에서, 형성된 메틸 아크릴레이트, 미반응 메탄올 및 반응에 의해 생성된 물, 및 경질 불순물 및 중질 불순물을 포함하는 공비 혼합물로 이루어지는 스트림 (11) 을 분리한다.
에스테르화 반응 동안 부산물로서 생성된 메틸 메톡시프로피오네이트 MMP 는 공비 유닛의 하부에서 일부 및 공비 유닛의 상부에서 추출된 혼합물 (11) 에서 일부 발견되는 두드러진 특징을 나타낸다.
컬럼 및/또는 필름 증발기 (C2) 를 사용하는 스트림 (6) 에 존재하는 MMP 의 완전한 제거는, 증기압이 아크릴산과 매우 근접하다는 사실로 인해 불가능하다. MMP 는 반응기에 리사이클되는 아크릴산의 스트림 (7) 에서 일부 및 열적 크래킹에 적용되는 스트림 (8) 에서 일부 잔존하고, MMP 의 해리에 대한 이의 효과가 일반적으로 제한된다.
공비 증류 유닛으로부터 상부 스트림 (11) 은, 한 편으로는 본질적으로 메탄올을 함유하는 수성 상 (17) 및 다른 한편으로는 유기 상 (12) 을 생성하는 액체/액체 추출 섹션 L/L (정치 탱크 또는 접촉기) 에 보내진다.
액체/액체 추출 섹션은 일반적으로 패킹된 컬럼 또는 교반되는 유형의 액체/액체 추출 컬럼, 혼합기-정치 탱크 배터리, 일련의 하나 이상의 정치 탱크로 이루어진다.
도 1 에 기재된 플랜트에서, 수성 상 (17) 은 메탄올을 분리하기 위해 증류 컬럼 (C5) 상에서 증류되는데, 이는 반응기에 리사이클되고 (스트림 (5)), 메탄올이 고갈된 수성 스트림 (18) 은 액체/액체 추출 상에 리사이클될 수 있다.
유기 상 (12) 은 일련의 하나 이상의 추가적인 증류 단계에 적용될 수 있다. 예를 들어, 토핑 컬럼 (topping column) (C6) 은 상부에서 잔여 경질 화합물 (13) 을 추출하고 테일링 컬럼 (tailing column) (C7) 은 하부에서 본질적으로 잔여 중질 화합물과 함께 메틸 아크릴레이트를 포함하는 스트림 (16) 을 분리한다.
정제된 메틸 아크릴레이트의 스트림 (15) 는 정제 라인의 마지막 컬럼의 상부에서 추출된다.
공비 유닛의 상부에서 추출된 스트림 (11) 에 존재하는 MMP 는 테일링 컬럼 (C7) 의 하부에서 (스트림 (16)) 메틸 아크릴레이트와 마지막으로 다시 접하여 혼합된다.
메틸 아크릴레이트의 상실을 회피하기 위해, 스트림 (16) 은 메틸 아크릴레이트를 분리 및 리사이클하고 MMP 를 퍼징하기 위하여 컬럼 및/또는 필름 증발기 (C2) 에서의 캠페인 (campaign) 에 의해 취해질 수 있다.
도 1 에 제시된 도식에 따른 메틸 아크릴에트의 제조 방법은 수행하기 복잡하고, 공정의 상이한 지점에서 메틸 메톡시프로피오네이트가 누적된다는 단점을 나타낸다. 경제적으로 업그레이드될 수 있는 물질의 상실을 야기하는, 제조 캠페인의 마지막에 퍼징을 수행하는 것이 필요하다. 이러한 유형의 방법은 이것이 연속적으로 작동하는 경우 메틸 아크릴레이트의 유의한 상실을 발생시킨다.
본 발명에 따르면, 공비 증류 유닛은 도 2 에 나타난 바와 같이, MMP 불순물을 제거하기 위해 사이드 스트림 배출이 제공된 단일 증류 컬럼 (C8) 으로 이루어진다.
증류 컬럼 (C8) 로서, 위어 (weir) 또는 밸브 플레이트 유형을 갖는 다공 플레이트, 이중 흐름 플레이트, 무작위 또는 스태킹된 패킹 유형의 내부 부품을 포함하는 컬럼이 사용될 수 있다.
사이드 스트림 배출 (19) 는 유리하게는 증류 컬럼의 상반부에 배치된다.
배출되는 사이드 스트림은 액체 상으로 또는 기체 상으로 수행될 수 있고; 이는 바람직하게는 메틸 아크릴레이트의 배출을 제한하면서 추출된 MMP 의 함량을 최적화하기 위해 액체 상에서 수행된다.
증류 컬럼 (C8) 의 배열은 상부에서, 형성된 메틸 아크릴레이트, 미반응 메탄올 및 반응에 의해 생성된 물을 포함하는 공비 혼합물, 및 경질 불순물 및 중질 불순물로 이루어지는 스트림 (11) 을, 하부에서 본질적으로 미반응 아크릴산, 미량의 경질 생성물, 및 중질 생성물을 포함하는 스트림 (6), 및 사이드 스트림으로서 배출된 스트림 (19) 를 분리할 수 있게 한다.
스트림 (19) 는 에스테르화 동안 부산물로서 형성된 MMP 의 큰 분획을 포함한다. 스트림 (19) 는 또한 에스테르화 반응에 의해 생성된 물 중 일부를 포함한다. 따라서, 사이드 스트림 배출은 에스테르화 동안 형성된 물 중 일부를 퍼징할 수 있게 한다. 사이드 스트림 배출은, 한편으로는 공비 증류 컬럼의 하부에서 분리된 스트림 (6) 의 처리를 위한 섹션에서, 및 다른 한편으로는 공비 증류 컬럼의 상부에서 분리된 메틸 아크릴레이트를 포함하는 스트림 (11) 의 정제를 위한 라인에서, MMP 의 누적을 방지한다.
스트림 (19) 는 MMP 가 풍부한 스트림이고, 즉 이는 약 20 내지 50 중량% 의 MMP 를 함유하고, 약 20 내지 60 중량% 의 물을 함유할 수 있다. 스트림 19 는 또한 메틸 아크릴레이트, 메탄올 및 아크릴산을 낮은 함량으로 함유할 수 있다.
스트림 (19) 의 배출은 전체로서 공정 내에서 경제적으로 업그레이드될 수 있는 생성물의 제거를 최소화하면서 MMP 의 제거를 최적화한다.
스트림 (19) 는 유리하게는 중질 생성물의 스트림 또는 수송되는 점성 스트림을 위한 희석제로서 사용될 수 있고, 이러한 스트림은 이에 따라 경제적으로 업그레이드될 수 있는 화합물을을 회수하기 위해 열적 또는 촉매적 크래킹 작업에 적용될 수 있다.
대안적으로, 스트림 (19) 는 한편으로는 정제된 메틸 메톡시프로피오네이트, 및 다른 한편으로는 경제적으로 업그레이드될 수 있는 화합물, 예컨대 메틸 아크릴레이트, 메탄올 및 아크릴산을 회수하기 위해 정제에 적용될 수 있다.
증류 컬럼 (C8) 을 사용하여 수행되는 공비 증류는 200 내지 600 mmHg 범위의 압력, 및 50 ℃ 내지 110 ℃, 바람직하게는 60 ℃ 내지 100 ℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다.
바람직하게는, 컬럼 (C8) 의 하부에서의 온도는 110 ℃ 미만, 특히 100 ℃ 미만이다. 증류 컬럼은 메틸 아크릴레이트를 포함하는 스트림에 의해, 특히 공비 증류의 다운스트림에 배치된 액체/액체 추출기의 상부에서 추출된 유기 분획 (12) 중 일부에 의해 제공된 직접적 환류 또는 외부 환류 (도 2 에 나타내지 않음) 를 포함할 수 있다. 상기 스트림은 메틸 아크릴레이트가 농축된 스트림이고, 이는 90 중량% 초과의 메틸 아크릴레이트를 함유할 수 있다.
스트림 (6) 의 처리는 잔여 아크릴산 및 더 경질의 생성물을 포함하는 스트림 (7), 및 일반적으로 열적 크래킹에 적용되는, 본질적으로 중질 생성물로 이루어지는 스트림 (8) 을 분리하는 증류 컬럼 및/또는 필름 증발기 (C2) 에서 수행될 수 있다.
본 발명에 따르면, 컬럼 및/또는 필름 증발기 (C2) 에서 분리되는 미반응 아크릴산의 스트림 (7) 은 오로지 10 중량% 정도의 MMP 를 함유한다. 스트림 (7) 은 유리하게는 MMP 의 누적의 위험성 없이 반응기에 리사이클된다. 또한, 반응에 대한 소량의 MMP 의 리사이클은 반응기에서의 이의 형성을 제한하는데 기여한다.
공비 혼합물 MA/메탄올/물을 포함하는 스트림 (11) 은, 한편으로는 본질적으로 메탄올을 함유하는 수성 상 (17), 및 다른 한편으로는 유기 상 (12) 를 생성하는 액체/액체 추출 섹션 L/L (정치 탱크 또는 접촉기) 에 보내진다.
액체/액체 추출 섹션은 일반적으로 패킹된 컬럼 또는 교반된 유형의 액체/액체 추출 컬럼, 혼합기-정치 탱크 배터리, 일련의 하나 이상의 정치 탱크로 이루어진다.
수성 상 (17) 은 메탄올을 반응기에 리사이클 (스트림 (5)) 하기 위하여 증류 컬럼 (C5) 에서의 증류에 적용될 수 있고, 메탄올이 고갈된 수성 스트림 (18) 을 추출기 L/L (도 2 에 나타내지 않음) 에 공급할 수 있다.
유기 상 (12) 는 메틸 아크릴레이트를 이의 후속 사용에 필요한 순도로 회수하기 위해 정제 라인에 적용된다. 일반적으로 99.5% 초과, 실제로 99.8% 초과의 순도가 바람직하다.
이를 위하여, 유기 상 (12) 는, 도 1 에 제시된 당업계의 최신 기술로부터 공지된 방법에 따라, 일련의 하나 이상의 추가적인 증류 단계에 적용될 수 있다. 예를 들어, 토핑 컬럼 (C6) 은 상부에서 잔여 경질 화합물 (13) 을 추출하고, 테일링 컬럼 (C7) 은 하부에서 본질적으로 잔여 중질 화합물과 함께 메틸 아크릴레이트를 포함하는 스트림 (16) 을 분리한다.
본 발명의 한 구현예에 따르면, 유기 상 (12) 의 정제는 적어도 하나의 파티션 컬럼을 포함하는 정제 시스템을 사용하여 수행된다. 도 2 에 제시되는 것은 상부에서 벌크의 경질 화합물을 포함하는 스트림 (13) 및 하부에서 벌크의 중질 화합물을 포함하는 스트림 (16) 을 분리하는 단일 컬럼 (C9) 이고, 정제된 메틸 아크릴레이트의 스트림 (15) 는 사이드 스트림으로서 배출된다.
정제 시스템의 예는, 컬럼에 분리 영역을 발생시키는 내부 부분 파티션이 장착되고, 하부에서 단일 보일러와 및 상부에서 단일 컨덴서와 조합되는 파티션 컬럼, 및 상부 컨덴서의 배출구에 배치된 정치 탱크를 포함할 수 있다. 파티션 컬럼은 파티션 위의 공통 정류 섹션, 컬럼의 공급을 포함하는 사전분획화 섹션, 정제된 에스테르의 배출을 포함하는 파티션에 의한 사전분획화 섹션으로부터 분리된 배출 섹션, 및 파티션 아래의 공통 리보일링 (reboiling) 섹션을 포함할 수 있다.
상기 정제 시스템의 작업 방식은, 특히 본 발명에서 참조 인용되는 문헌 WO 2017/125657 에 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 본질적으로 잔여 중질 화합물과 함께 메틸 아크릴레이트를 포함하는 스트림 (16) 은 사실상 MMP 를 함유하지 않는다. 스트림 (16) 은 유리하게는 MMP 에 의한 오염의 위험성 없이 중합 반응을 저해하기 위해서 공정의 임의의 지점에서 주입된 안정화 용액의 제조를 위해 사용될 수 있고; 스트림 (16) 은 메틸 아크릴레이트를 회수하기 위하여 컬럼 및/또는 필름 증발기 (C2) 에서의 처리에 캠페인에 의해 일부 적용될 수 있다. 스트림 (16) 은 또한 컬럼 (C8) 에 일부 리사이클될 수 있다.
본 발명에 따른 메틸 아크릴레이트 회수/정제 방법은 반응기 R 에서 메탄올 (2) 에 의한 아크릴산 (1) 의 에스테르화로부터 야기되는 반응 혼합물 (3) 에 적용된다.
에스테르화 반응은, 과량의 메탄올로 수행될 수 있고; 이러한 경우, 산/알코올 몰비는 0.6 내지 1 이며; 또는 과량의 아크릴산으로 수행될 수 있고; 이러한 경우, 산/알코올 몰비는 1.05 및 3 이며; 산/알코올 몰비는 에스테르화 반응기에 공급하는 스트림 모두 (순수한 생성물 스트림 및 리사이클된 스트림) 의 산 및 알코올 함량을 나타내는 것으로 이해된다.
에스테르화 반응은 대기압 내지 수 bar 범위의 압력 하에, 또는 감압 하에 수행될 수 있다.
에스테르화 반응은 산 촉매, 예를 들어 불균질한 촉매 작용의 경우 산성 양이온 교환 수지의 존재 하에 수행되거나; 균질한 촉매 작용의 경우 촉매로서, 예를 들어 황산 또는 유기 술폰산, 예컨대 메탄술폰산, 파라-톨루엔술폰산, 벤젠술폰산 또는 도데실술폰산, 또는 이의 혼합물이 사용될 수 있다. 바람직하게는, 에스테르화 반응은 대기압에서 불균질한 촉매 작용에서 수행된다.
반응은 일반적으로 미정제 반응 혼합물에 대해 500 내지 5000 ppm 의 비율로 반응기에 도입되는 하나 이상의 중합 저해제의 존재 하에 수행된다. 사용될 수 있는 중합 저해제로서, 예를 들어 페노티아진, 히드로퀴논, 히드로퀴논 모노메틸 에테르, 디(tert-부틸)-파라-크레졸 (BHT), 파라-페닐렌디아민, TEMPO (2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리디닐옥시), 디(tert-부틸)카테콜, 또는 TEMPO 유도체, 예컨대 OH-TEMPO 단독 또는 모든 비율로의 이의 혼합물이 언급될 수 있다. 중합 저해제의 추가적 첨가는 일반적으로 후속 정제 처리에서 수행된다.
본 발명은 직접적 에스테르화에 의한 경질 알킬 아크릴레이트의 제조 방법에서, 경제적으로 업그레이드될 수 있는 물질, 예컨대 아크릴산, 알코올 또는 알킬 아크릴레이트의 상실을 제한할 수 있게 한다.
하기 실시예는 본 발명을 설명하며, 첨부되는 청구항에 의해 정의된 바와 같은 본 발명의 범주를 제한하는 목적을 갖지 않는다.
실험 부분
실시예에서, 백분율은 달리 나타내지 않는 한, 중량에 의해 나타내어지고, 하기 약어가 사용되었다:
AA: 아크릴산
MA: 메틸 아크릴레이트
MMP: 메틸 메톡시프로피오네이트
MeOH: 메탄올
본 발명에 따른 방법의 시뮬레이션에 의한 메틸 아크릴레이트의 정제
열역학 모델을 사용한 시뮬레이션을 산성 양이온성 수지에서, 과량으로의 메탄올과 아크릴산의 반응에 의해 수득된 반응 혼합물에 대하여 수행하였다.
정제 라인에서 반응 혼합물의 주입구 흐름 속도를 약 120 t/d 의 메틸 아크릴레이트 MA 의 제조를 보장하기 위하여 조절한다.
퍼징되는 메틸 메톡시프로피오네이트 MMP 의 흐름 속도는, 120 t/d 의 속도로 반응에서 형성되는 MMP 의 양에 상응하는, 80 kg/h 정도이다.
하기 2 개의 배열을 비교하였다: 이는 공비 증류의 실행에 있어서 상이하다:
- 약간의 진공 (450 mmHg) 하에 단일 컬럼에서의 공비 증류, 컬럼은 16 개의 이론적 스테이지 (theoretical stage) 를 포함하고 사이드 스트림 배출은 스테이지 3 에 배치됨 (본 발명에 따름),
- 약간의 진공 하의 동일한 증류 컬럼에서의 공비 증류, 컬럼은 또한 16 개의 이론적 스테이지를 포함하나 사이드 스트림 배출은 포함하지 않음 (참조).
이러한 2 개의 배열에서, 공비 컬럼 상부 공비 혼합물을 동일한 액체/액체 추출 처리에 적용한다.
시뮬레이션에 따르면, MMP 의 분획을 컬럼 (C2) 의 하부에 배치된 열적 크래커의 하부를 통해 퍼징하고, MMP 의 분획을 1/1 추출에 의해 생성된 수성 상의 증류를 위한 컬럼 (C5) 의 하부에서 퍼징한다.
2 개의 배열에서, kg/h 로 표현되는, 상이한 MMP 퍼지 흐름 속도의 분포를 아래 표 1 에서 비교한다.
표 1
참조 방법은, 컬럼 (C5) 의 하부에서 퍼징된 물에서 MMP 의 더 높은 비율로 인해, 공비 분리 컬럼의 큰 MMP 루프 다운스트림을 발생시킨다.
2 개의 방법 각각에서의 주요 MMP 퍼지 지점, 각각 참조 방법에서 컬럼 (C7) 의 하부에서의 스트림 (16) 및 본 발명에 따른 방법에서 컬럼 (C8) 로부터 배출되는 사이드 스트림의 흐름 속도 및 조성은, 아래 표 2 에 나타나 있다.
표 2
참조 방법에서, 시뮬레이션은 테일링 컬럼 (C7) 의 하부에서 77 % 농축되는 MA 의 유의한 상실을 나타낸다. 대조적으로, 공비 증류 컬럼에 설치된 사이드 스트림 배출은 33% MMP, 39% 물 및 제한된 농도의 경제적으로 업그레이드될 수 있는 생성물을 함유한다.
MMP 가 풍부한 분획의 사이드 스트림 배출은 참조 방법에 비해 80 % 초과로 MA 의 상실을 감소시킬 수 있게 하고, 이는 생성된 MA 1 톤 당 20 kg 정도의 아크릴산 및 4 kg 정도의 메탄올의 출발 물질의 소비의 감소, 즉 플랜드에 대한 비용이 드는 변형을 요구하지 않으면서 생성된 메틸 아크릴레이트 1 톤 당 14 유로 정도의 경제적 이득을 나타낸다.
실시예 2
본 발명에 따른 방법을 실행하는 파일럿 플랜트에 의한 정제
사용된 파일럿 플랜트는 25 개의 이론적 스테이지와 동등한 구조화된 패킹 요소로 충전된 증류 컬럼을 사용한다.
이는 약 50 ℃ 에서 10 kg/h 의 합성 반응 혼합물 (AA, MA, 메탄올, 물, MMP) 을 하부 부분에 공급한다. 환류는 순수한 MA 의 변동되는 외부 흐름 속도에 의해 제공되고, 사이드 스트림 배출은 상부 부분에서 수행된다. 안정화제를 환류와 함께 상부에서 및 컨덴서 (4-OH-TEMPO) 에, 뿐만 아니라 공급물 (PTZ) 에 주입한다.
컬럼 상부에서의 압력을 450 mmHg 로 설정한다.
주요 작용 매개변수는 컬럼의 리보일러에 기여된 에너지의 양 및 순수한 MA 의 환류 흐름 속도이다. 이는 컬럼 상부에서 AA 의 농도를 제한하면서 사이드 스트림 배출에서의 MMP 의 농도를 최대화하는 목적으로 변경된다.
분석된 스트림 (공급물, 컬럼 상부, 사이드 스트림 배출 및 컬럼 하부) 의 조성물의 분석은 하기를 나타낸다:
- 공급물에 존재하는 AA 사실상 모두는 컬럼 하부에 통과하고, 컬럼 상부는 100 내지 1000 ppm 의 AA 를 함유함;
- MMP 는 약간 더 경질이고, 공급물에 존재하는 MMP 중 20 % 이하는 컬럼의 작업 조건에 따라, 상부에 및 사이드 스트림 배출에 통과됨;
- 컬럼 하부 스트림은 10% 내지 20% 물을 함유함;
- 컬럼 하부는 매우 적은 MA (500 내지 2000 ppm) 및 메탄올 (2000 내지 6000 ppm) 을 함유함. 이러한 2 개의 엔티티 (entity) 는 매우 우세하게 상부에 및 사이드 스트림 배출에 통과됨.
이에 따라 수득된 결과는 표 3 에 합쳐져 있다. 이러한 결과는 사이드 스트림 배출이 MMP 가 강화되고 경제적으로 업그레이드될 수 있는 화합물 (MA, 메탄올, AA) 이 부족하다는 것을 보여준다. 또한, 이는 시뮬레이션에 의해 수득되는, 실시예 1 의 결과를 검증한다.
표 3
Claims (13)
- 메탄올 및 에탄올로부터 선택되는 알코올에 의한 아크릴산의 에스테르화로부터 야기되는 반응 혼합물로부터의 C1-C2 알킬 아크릴레이트의 회수/정제를 위한 방법으로서, 알킬 알콕시프로피오네이트 부산물이 풍부한 분획의 사이드 스트림 배출을 포함하는 증류 컬럼을 사용하는 상기 반응 혼합물의 공비 증류를 포함하는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항에 있어서, 알킬 알콕시프로피오네이트가 풍부한 분획의 사이드 스트림 배출이 액체 상에서 수행되는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 알킬 알콕시프로피오네이트가 풍부한 분획의 배출이 공비 증류 컬럼의 상반부에서 수행되는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 공비 증류가 200 내지 600 mmHg 범위일 수 있는 압력 하에 약간의 진공 하에 수행되는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 공비 증류 컬럼의 하부에서의 온도가 110 ℃ 미만, 바람직하게는 100 ℃ 미만인 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 외부 환류가 알킬 아크릴레이트를 포함하는 스트림을 사용하는 공비 증류 컬럼에 제공되는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 알킬 알콕시프로피오네이트가 풍부한 분획이 20% 내지 50% 의 범위일 수 있는 중량에 의한 함량으로 알킬 알콕시프로피오네이트를 함유하는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 알킬 알콕시프로피오네이트가 풍부한 분획이 20% 내지 60% 의 범위일 수 있는 중량에 의한 함량으로 물을 함유하는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 연속적, 반연속적 또는 배치 유형의 방법으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 하기 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법:
a) 알킬 아크릴레이트, 미반응 알코올 및 물을 포함하는 공비 혼합물을 상부에서, 및 미반응 아크릴산 및 중질 부산물을 포함하는 분획을 하부에서 분리할 수 있게 하고, 알킬 알콕시프로피오네이트 부산물이 풍부한 분획이 사이드 스트림 배출에 의해 제거되는 제 1 증류 컬럼을 사용하는 반응 혼합물의 공비 증류 단계;
b) 제 1 증류 컬럼으로부터의 하부 스트림의 본질적으로 미반응 아크릴산을 포함하는 스트림으로의 분리 단계, 이러한 스트림은 에스테르화 반응기에 리사이클되고, 스트림은 본질적으로 중질 부산물을 포함하고, 이는 경제적으로 업그레이드될 수 있는 생성물의 스트림을 방출하는 열적 크래킹에 적용되고, 이 스트림은 리사이클될 수 있음;
c) 본질적으로 알킬 아크릴레이트를 포함하는 유기 상, 및 수성 상을 분리할 수 있게 하는 수성 스트림을 사용한 제 1 증류 컬럼으로부터의 상부 스트림의 액체/액체 추출 단계, 수성 상은 한편으로는 반응기에 리사이클될 수 있는 알코올이 풍부한 분획, 및 다른 한편으로는 액체/액체 추출 단계에서 수성 스트림으로서 사용될 수 있는 물이 풍부한 분획을 회수하기 위하여 증류됨;
d) 정제된 알킬 아크릴레이트를 회수할 수 있게 하는 상기 유기 상의 정제 단계. - 제 10 항에 있어서, 정제 d) 가 적어도 하나의 증류 컬럼, 바람직하게는 일련의 2 개의 증류 컬럼을 포함하는 정제 시스템을 사용하는, 증류에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 10 항에 있어서, 정제 d) 가 적어도 하나의 파티션 컬럼을 포함하는 정제 시스템을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 알킬 아크릴레이트가 메틸 아크릴레이트인 것을 특징으로 하는 회수/정제를 위한 방법.
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