KR20210056895A - 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법에 관한 것으로, 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매를 이량화 반응기에 공급하여 이량화 반응시켜 증류 컬럼으로 공급하는 단계; 상기 증류 컬럼에서 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매 및 알코올 용매는 이량화 반응기로 공급하고, 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매를 추출 장치로 공급하는 단계; 상기 추출 장치에 산 성분을 포함하는 물을 공급하여 인계 촉매를 산화시켜 불활성화시키는 단계; 및 상기 불활성화된 인계 촉매 및 아크릴로니트릴 이량체를 분리하는 단계를 포함하는 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법을 제공한다.
Description
본 발명은 아크릴로니트릴 이량체 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 아크릴로니트릴 이량화 반응에 있어서, 촉매로서 사용된 인계 촉매를 효과적으로 분리하여 고수율의 아크릴로니트릴을 제조하는 방법에 관한 것이다.
아크릴로니트릴(Acrylonitrile, AN)의 이량화(dimerization) 반응은, 촉매의 존재 하에, 아크릴로니트릴 단량체를 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)과 같은 양성자 주개(proton donating) 용매와 톨루엔(toluene, TOL)과 같은 불활성(inert) 용매를 포함하는 용매 내에서 반응시켜 이량화시키는 공정이다.
종래에는 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응에서 반응 후 아크릴로니트릴 이량체, 미반응 아크릴로니트릴 단량체, 이소프로필 알코올, 톨루엔 및 촉매를 포함하는 반응 생성물로부터 증류(distillation) 방법 또는 액액 추출(liquid-liquid extraction, LLE) 방법을 통해 촉매를 분리하기 위한 연구가 진행되어 왔다.
구체적으로, 상기 증류 방법은 비점이 반응물이나 반응 생성물보다 높은 인계 촉매의 특성을 이용하여 열을 가해 분리하는 방법으로 촉매를 분리하는 것으로, 상기 증류 방법으로 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 촉매를 분리하는 경우, 열로 인해 아크릴로니트릴 이량화 생성물들의 부반응이 진행되어 아크릴로니트릴 삼량체 및 다량체 등이 생성되어 아크릴로니트릴 이량체의 수율이 낮아지는 문제점이 있다.
또한, 상기 액액 추출 방법이란, 증류를 통해 아크릴로니트릴 이량체, 미반응 아크릴로니트릴 단량체, 이소프로필 알코올, 톨루엔 및 촉매를 포함하는 반응 생성물로부터 미반응 아크릴로니트릴 단량체, 이소프로필 알코올 및 톨루엔을 분리하여 아크릴로니트릴 이량화 반응에 재사용하고, 아크릴로니트릴 이량체 및 촉매를 포함하는 혼합물에 촉매를 용해시키기 위한 별도의 유기 용매를 공급하여 촉매를 추출한 후, 상기 촉매를 아크릴로니트릴 이량화 반응에 재사용하는 것으로, 상기 액액 추출 방법으로 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 촉매를 분리하는 경우, 촉매에 대한 용해율이 높은 용매를 선별하는데 어려움이 있었다.
따라서, 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 촉매를 간단하게 분리하여 재사용하기 위한 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 상기 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하기 위하여, 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 인계 촉매를 간단한 방법으로 분리하여 아크릴로니트릴 이량체를 고수율로 제조하는 방법을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 아크릴로니트릴 이량체, 미반응 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매를 포함하는 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 증류를 통해 미반응 아크릴로니트릴 단량체와 알코올 용매를 먼저 분리하여 이량화 반응기로 순환시키고, 아크릴로니트릴 이량체, 무극성 용매 및 인계 촉매를 포함하는 나머지 혼합물에 산이 포함된 물을 혼합하여 상기 인계 촉매를 고체화시킨 후 필터를 이용한 간단한 방법으로 분리할 수 있다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매를 이량화 반응기에 공급하여 이량화 반응시켜 증류 컬럼으로 공급하는 단계; 상기 증류 컬럼에서 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매 및 알코올 용매는 이량화 반응기로 공급하고, 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매를 추출 장치로 공급하는 단계; 상기 추출 장치에 산 성분을 포함하는 물을 공급하여 인계 촉매를 산화시켜 불활성화시키는 단계; 및 상기 불활성화된 인계 촉매 및 아크릴로니트릴 이량체를 분리하는 단계를 포함하는 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법에 따르면, 아크릴로니트릴 이량체, 미반응 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매를 포함하는 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 증류를 통해 미반응 아크릴로니트릴 단량체, 알코올 용매 및 무극성 용매의 일부 또는 전부를 먼저 분리하고, 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매에 산 성분을 포함하는 물을 혼합하여 상기 인계 촉매를 고체화시킨 후 필터를 이용한 간단하게 효과적인 방법으로 분리할 수 있다.
또한, 상기 인계 촉매를 분리하기 위한 용매로서 물을 사용함으로써, 비용을 절감할 수 있다.
또한, 상기 아크릴로니트릴 이량체를 고순도로 분리함으로써, 아크릴로니트릴 이량체의 품질을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법의 공정 흐름도이다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 하기 도 1을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따르면, 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법이 제공된다. 상기 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법으로, 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매를 이량화 반응기에 공급하여 이량화 반응시켜 증류 컬럼으로 공급하는 단계; 상기 증류 컬럼에서 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매 및 알코올 용매는 이량화 반응기로 공급하고, 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매를 추출 장치로 공급하는 단계; 상기 추출 장치에 산 성분을 포함하는 물을 공급하여 인계 촉매를 산화시켜 불활성화시키는 단계; 및 상기 불활성화된 인계 촉매 및 아크릴로니트릴 이량체를 분리하는 단계를 포함하는 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 아크릴로니트릴 이량체 제조를 위한 단계에서, 원료 성분, 생성물 등은 스트림(stream) 형태로 이동할 수 있다. 상기'스트림'은 공정 내 유체(fluid)의 흐름을 의미하는 것일 수 있고, 또한, 배관 내에서 흐르는 유체 자체를 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 '스트림'은 각 장치를 연결하는 배관 내에서 흐르는 유체 자체 및 유체의 흐름을 동시에 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 유체는 기체(gas) 또는 액체(liquid)를 의미할 수 있다.
상기 아크릴로니트릴(Acrylonitrile, AN)의 이량화(dimerization) 반응은, 촉매의 존재 하에, 아크릴로니트릴 단량체를 용매 내에서 반응시켜 이량화시키는 공정이다.
종래에는 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응에서 반응 후 아크릴로니트릴 이량체, 미반응 아크릴로니트릴 단량체, 이소프로필 알코올, 톨루엔 및 촉매를 포함하는 반응 생성물로부터 증류(distillation) 방법 또는 유기 용매를 이용한 액액 추출(liquid-liquid extraction, LLE) 방법을 통해 촉매를 분리하기 위한 연구가 진행되어 왔다.
그러나, 상기 증류 방법으로 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 촉매를 분리하는 경우, 아크릴로니트릴 이량화 생성물들의 부반응이 진행되어 아크릴로니트릴 삼량체 및 다량체 등이 생성되어 아크릴로니트릴 이량체의 수율이 낮아지는 문제가 있었으며, 상기 액액 추출 방법으로 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 촉매를 분리하는 경우, 촉매에 대한 용해율이 높은 용매를 선별하는데 어려움이 있었다.
이에 대해, 본 발명에서는 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 촉매를 간단하게 저비용으로 분리하여 재사용하기 위한 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응은, 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매를 이량화 반응기(100)에 공급하여 이량화 반응시키는 방법으로 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응은 본 기술분야에서 알려져 있는 통상적인 방법으로 제조할 수 있다. 예를 들어, 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매를 적정량 이량화 반응기(100)에 공급하여 최적의 온도 범위 및 압력 범위에서 아크릴로니트릴 이량화 반응을 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응에 있어서, 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매는 약 10:3:1의 부피비로 이량화 반응기(100)에 공급될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응은 0 ℃ 내지 100 ℃, 0 ℃ 내지 80 ℃ 또는 0 ℃ 내지 60 ℃의 온도 범위 및 1 bar 내지 5 bar, 1 bar 내지 4 bar 또는 1 bar 내지 3 bar의 압력 범위에서 수행될 수 있다. 상기 온도 및 압력 범위에서 아크릴로니트릴 이량화 반응을 수행하는 경우, 우수한 전환율로 아크릴로니트릴 이량체를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이량화 반응기(100)로 공급되는 무극성 용매는 예를 들어, 톨루엔, 클로로벤젠, 벤젠, 디클로로메탄 및 1,4-다이옥산으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 무극성 용매는 톨루엔일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이량화 반응기(100)로 공급되는 알코올 용매는 예를 들어, 이소프로필 알코올, 메틸 알코올 및 사이클로헥산 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 알코올 용매는 이소프로필 알코올일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이량화 반응기(100)로 공급되는 인계 촉매는 하기 화학식 1로 나타낼 수 있다.
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R은 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 탄소수 6 내지 12의 아릴기 또는 탄소수 1 내지 8의 사이클로알킬기를 나타내고,
R1 내지 R3은 각각 수소, 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 아미노기 또는 알콕시기를 나타내며,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수이다.
구체적인 예로서, 상기 인계 촉매는, 하기 화학식 1-1로 나타낼 수 있다.
[화학식 1-1]
상기 화학식 1-1에서,
R은 메틸기, 에틸기, 이소프로필기 또는 사이클로헥실기이고,
R2는 수소, 메틸기 또는 에틸기이다.
보다 구체적인 예로, 상기 인계 촉매는, 하기 화학식 1-2로 나타낼 수 있다.
[화학식 1-2]
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이량화 반응기(100) 내에서 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매의 존재 하에 아크릴로니트릴 단량체가 이량화 반응하여 아크릴로니트릴 이량체를 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응을 통한 반응 생성물은, 아크릴로니트릴 이량체, 미반응 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매, 알코올 용매, 인계 촉매 및 중질 부산물(Heavies)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이량화 반응을 통한 반응 생성물은 증류 컬럼(200)으로 공급될 수 있다.
상기 증류 컬럼(200)은 이량화 반응을 통한 반응 생성물로부터 미반응 아크릴로니트릴 단량체, 알코올 용매 및 무극성 용매를 분리하기 위한 것이다. 구체적으로, 상기 이량화 반응을 통한 반응 생성물은 증류 컬럼(200)으로 공급되고, 상기 증류 컬럼(200)에서 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매 및 알코올 용매는 이량화 반응기(100)로 순환시키고, 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매는 추출 장치(300)로 공급할 수 있다.
이 때, 상기 이량화 반응을 통한 반응 생성물 내 무극성 용매는, 상기 증류 컬럼(200)으로부터 그 일부 또는 전부가 이량화 반응기(100)로 순환될 수 있으며, 또한, 상기 증류 컬럼(200)으로부터 그 일부 또는 전부가 추출 장치(300)로 공급될 수 있다.
상기 추출 장치(300) 내 알코올 용매의 함량은 1 중량% 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 추출 장치(300) 내 알코올 용매의 함량은 0.001 중량% 내지 1 중량%, 0.1 중량% 내지 1 중량% 또는 0.5 중량% 내지 1 중량% 일 수 있으며, 바람직하게는 0 중량%에 가까울 수 있다. 상기 추출 장치(300) 내 알코올 용매의 함량을 상기 범위로 제어함으로써, 후술할 단계에서 인계 촉매를 고체화하여 분리하는 것이 용이할 수 있다.
구체적인 예로, 상기 추출 장치(300)로 공급된 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매의 혼합물로부터 인계 촉매를 분리하기 위해서는, 후술할 단계에서 상기 인계 촉매의 산화 및 불활성화를 통하여 고체화시킨 후 고체 상태의 인계 촉매를 분리할 수 있다. 그러나, 이 때, 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매의 혼합물에 상기 알코올 용매가 혼합되어 있을 경우에는, 상기 산화 및 불활성화를 통하여 고체화된 인계 촉매가 상기 알코올 용매에 재 용해(re-dissolution) 됨으로써, 상기 인계 촉매의 고체화를 통한 분리가 어려워질 수 있다.
즉, 상기 이량화 반응을 통한 반응 생성물로부터 인계 촉매를 분리하기 위해서는, 전술한 바와 같이 상기 이량화 반응을 통한 반응 생성물로부터 알코올 용매를 우선적으로 분리 후, 후술할 단계에서 상기 알코올 용매가 분리된 반응 생성물 내 인계 촉매의 산화 및 불활성화를 통하여 고체화시킴으로써, 고체 상태의 인계 촉매를 용이하게 분리할 수 있다.
상기 추출 장치(300) 내 무극성 용매의 함량은 5 중량% 이하일 수 있다. 예를 들어, 상기 추출 장치(300) 내 무극성 용매의 함량은 0.001 중량% 내지 5 중량%, 0.001 중량% 내지 3 중량% 또는 0.5 중량% 내지 1 중량%일 수 있으며, 바람직하게는 0 중량%에 가까울 수 있다. 상기 추출 장치(300) 내 무극성 용매의 함량을 상기 범위로 제어함으로써, 후술할 단계에서 고체화된 인계 촉매의 필터를 이용한 분리 과정이 용이하게 수행될 수 있다.
구체적인 예로, 상기 알코올 용매가 분리된, 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매의 혼합물에 상기 무극성 용매가 혼합되어 있더라도, 후술할 단계에서 산화 및 불활성화를 통하여 고체화된 인계 촉매가 재 용해되지 않기 때문에, 고체 상태의 인계 촉매를 용이하게 분리할 수 있다.
즉, 상기 인계 촉매의 산화 및 불활성화 통한 고체화 과정에서 인계 촉매가 포함된 혼합물 내에 상기 알코올 용매는 선 분리된 상태여야 하지만, 상기 인계 촉매의 산화 및 불활성화 통한 고체화 과정에서 인계 촉매가 포함된 혼합물 내에 상기 무극성 용매가 존재하더라도 고체화된 인계 촉매를 용이하게 분리할 수 있다.
상기 증류 컬럼(200)의 운전 온도는 40 ℃ 내지 150 ℃일 수 있다. 예를 들어, 상기 증류 컬럼(200)의 운전 온도는 50 ℃ 내지 150 ℃, 50 ℃ 내지 120 ℃ 또는 80 ℃ 내지 120 ℃일 수 있다. 또한, 상기 증류 컬럼(200)의 운전 압력은 0.001 bar 내지 3 bar일 수 있다. 예를 들어, 상기 증류 컬럼(200)의 운전 압력은 0.001 bar 내지 2 bar, 0.01 bar 내지 2 bar 또는 0.01 bar 내지 1.5 bar 일 수 있다. 상기 증류 컬럼(200) 운전 온도 및 운전 압력을 상기 범위로 제어함으로써, 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매가 증류되지 않고, 증류 컬럼(200)의 상부로 미반응 아크릴로니트릴 단량체와 알코올 용매, 및 무극성 용매의 일부 또는 전부를, 하부로는 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매를 효과적으로 분리할 수 있다.
상기 증류 컬럼(200) 하부로 분리된 성분 중에는 중질 부산물이 포함되어 있을 수 있다. 따라서, 추출 장치(300)로 공급하기 전에 상기 중질 부산물을 필터를 이용하여 제거할 수 있다. 예를 들어, 상기 중질 부산물은 아크릴로니트릴 중합체 및 고체 부산물 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 추출 장치(300)는 아크릴로니트릴 이량체, 무극성 용매 및 인계 촉매를 포함하는 혼합물로부터 인계 촉매를 분리하기 위한 것일 수 있다.
상기 추출 장치(300)로는 산 성분을 포함하는 물이 공급될 수 있다. 상기 산 성분을 포함하는 물과 인계 촉매가 혼합되는 경우, 상기 인계 촉매는 산화되며 불활성화될 수 있다.
상기 산 성분을 포함하는 물은 인계 촉매 대비 2 당량 이상으로 추출 장치(300)에 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 산 성분을 포함하는 물은 인계 촉매 대비 2 당량 내지 5 당량, 2 당량 내지 4 당량 또는 2 당량 내지 3 당량으로 추출 장치(300)에 공급될 수 있다. 상기 함량으로 산 성분을 포함하는 물을 추출 장치(300)로 공급함으로써, 인계 촉매를 효율적으로 산화시킬 수 있다.
상기 추출 장치(300)에 산 성분을 포함하는 물을 공급하여 인계 촉매를 산화시켜 불활성화시키는 단계에서, 상기 산 성분을 포함하는 물은 예를 들어, 염산 수용액, 황산 수용액 및 질산 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. 구체적인 예로서, 본 발명에 있어서, 산 성분을 포함하는 물은 염산 수용액일 있다.
상기 산 성분을 포함하는 물은 추출 장치(300)로부터 분리되어 배출될 수 있으며, 상기 배출된 산 성분을 포함하는 물은 추출 장치(300)로 재공급되어 순환할 수 있다.
상기 산화되어 불활성화된 인계 촉매는 하기 화학식 2로 나타낼 수 있다.
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R1 내지 R3은 각각 수소, 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 아미노기 또는 알콕시기를 나타내며,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수이다.
구체적인 예로서, 상기 산화된 인계 촉매는 상기 화학식 2로 나타낼 수 있는데, 이 때, 상기 R1 및 R3은 수소이고, R2는 수소, 메틸기 또는 에틸기일 수 있다.
이와 같이, 산화되어 불활성화된 인계 촉매는, 고체 상태일 수 있다. 이와 같이, 고체 상태로 불활성화된 인계 촉매는 필터를 사용하는 간단한 방법으로 분리할 수 있다는 장점이 있다. 예를 들어, 상기 필터는 여과망일 수 있으며, 상기 여과망은 상기 고체 상태의 불활성화된 인계 촉매를 거를 수 있는 메쉬 크기를 가질 수 있어, 액상 물질을 여과하고, 고체 상태의 불활성화된 인계 촉매를 거를 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 불활성화된 인계 촉매는 별도의 활성화 단계를 거쳐 이량화 반응기(100)에서 아크릴로니트릴 이량화 반응을 위한 촉매로서 재사용할 수 있다.
예를 들어, 상기 활성화 단계는 상기 화학식 2로 표시되는 불활성화된 인계 촉매를 무기 인 할라이드 화합물과 반응시켜 상기 화학식 1로 표시되는 인계 촉매를 합성할 수 있는 중간체인, 하기 화학식 3으로 표시되는 화합물로 전환시켜준 후, 알코올 용매와 반응시킴으로써 상기 화학식 1로 표시되는 인계 촉매로 다시 활성화시킬 수 있다.
[화학식 3]
상기 화학식 3에서,
R1 내지 R3은 각각 수소, 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 아미노기 또는 알콕시기를 나타내고,
R4는 할로겐 원소를 나타내며,
n은 1 내지 2의 정수이다.
구체적인 예로서, 상기 중간체인 화합물은 상기 화학식 3으로 나타낼 수 있는데, 이 때, 상기 R1 및 R3은 수소이고, R2는 수소, 메틸기 또는 에틸기이며, 상기 R4는 염소(Cl)일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
보다 구체적인 예로서, 상기 무기 인 할라이드는 PCl3일 수 있고, 상기 알코올 용매는 이소프로필 알코올, 메틸 알코올 및 사이클로헥산 알코올로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 추출 장치(300)에서 불활성화된 인계 촉매를 분리한 나머지 성분인 아크릴로니트릴 이량체 및 무극성 용매는 각각의 성분을 분리하기 위하여 별도의 증류 컬럼(미도시)을 구비할 수 있다. 구체적으로, 상기 별도의 증류 컬럼(미도시)으로부터 아크릴로니트릴 이량체는 분리하여 회수하고, 무극성 용매는 분리하여 이량화 반응기(100)로 순환시켜 아크릴로니트릴의 이량화 반응에 다시 참여시킬 수 있다.
상기 증류 컬럼(미도시)에서 분리하여 회수된 아크릴로니트릴 이량체는 1,4-디시아노부텐(1,4-dicyanobutene) 및 2-메틸렌글루타로니트릴(2-methyleneglutaronitrile)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 증류 컬럼(미도시)에서 분리하여 회수된 아크릴로니트릴 이량체의 순도는 95% 이상일 수 있다. 예를 들어, 상기 증류 컬럼(미도시)에서 분리하여 회수된 아크릴로니트릴 이량체의 순도는 70 % 내지 100 %, 75 % 내지 100 % 또는 80 % 내지 100 %일 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 방법으로 아크릴로니트릴의 이량화 반응과, 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응에서 사용된 촉매를 효과적으로 분리함으로써, 아크릴로니트릴 이량체를 고순도로 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 아크릴로이량체 제조 방법에서는 필요한 경우, 증류 컬럼(미도시), 응축기(미도시), 재비기(미도시), 펌프(미도시), 압축기(미도시), 혼합기(미도시) 및 분리기(미도시) 등을 추가적으로 더 설치할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 아크릴로이량체 제조 방법을 기재 및 도면에 도시하였으나, 상기의 기재 및 도면의 도시는 본 발명을 이해하기 위한 핵심적인 구성만을 기재 및 도시한 것으로, 상기 기재 및 도면에 도시한 공정 및 장치 이외에, 별도로 기재 및 도시하지 않은 공정 및 장치는 본 발명에 따른 아크릴로이량체 제조 방법을 실시하기 위해 적절히 응용되어 이용될 수 있다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예
1
도 1에 도시된 공정 흐름도와 같이, 이량화 반응기(100)에 아크릴로니트릴 단량체(AN) 3 mL, 톨루엔 용매(Tol) 10 mL, 이소프로필 알코올(ROH) 1 mL 및 하기 화학식 1-2의 인계 촉매를 AN 대비 5 mol%를 공급하여 상압 및 60 ℃의 온도 조건에서 아크릴로니트릴 이량화 반응을 수행하였다.
[화학식 1-2]
이 때, 상기 아크릴로니트릴 이량화 반응에서 사용한 촉매, 단량체 및 용매는 하기 표 1과 같다.
| 종류 | 용도 | 제조사 | 분자량(g/mol) | 밀도(g/mL) | 비점(℃) |
| 에틸 디페닐포스피나이트(97%) | 인계 촉매 | Sigma-Aldrich | 230.25 | 1.07 | 152 |
| 아크릴로니트릴 | 단량체 | Sigma-Aldrich | 53.064 | 0.81 | 77 |
| 톨루엔 | 용매 | Sigma-Aldrich | 92.141 | 0.87 | 111 |
| 이소프로필 알코올 | 용매 | Sigma-Aldrich | 60.096 | 0.786 | 82.6 |
반응이 완료된 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물을 증류 컬럼(200)으로 공급하여 아크릴로니트릴 단량체, 이소프로필 알코올 및 톨루엔의 일부 또는 전부를 이량화 반응기(100)로 재순환시키고, 아크릴로니트릴 이량체, 톨루엔 및 인계 촉매는 필터를 이용하여 중질(Heavies) 부산물을 제거한 후 추출 장치(300)로 공급하였다.
추출 장치(300)에서는 별도로 염산(HCl) 수용액(35 내지 37 중량%)을 인계 촉매 대비 2 당량으로 공급하여 인계 촉매를 하기 화학식 2-1과 같이 산화시켜 불활성화시켰다. 이 때, 상기 염산 수용액은 추출 장치(300)에 순환시켰으며, 상기 화학식 1-2로 나타내는 인계 촉매가 하기 화학식 2-1로 전환된 전환율은 가스 크로마토그래피(gas chromatography, GC)/불꽃이온화검출기(flame ionization detector, FID) 분석(Shidmadz GC-2030)을 통해 측정한 결과 70% 이상으로 확인하였다.
[화학식 2-1]
이 때, 상기 GC/FID 분석 조건은 하기 표 2와 같다.
| Injection type | Split (ratio:45.6) |
| Injector temperature | 260 ℃ |
| Carrier gas | N2 (Total flow: 42.4 mL/min) |
| Column | HP-5MS (0.25 mm ID x 30.0 mL, 0.25 ㎛ FT) |
| Oven temperature | 100℃, 3 min |
| Rate | 40℃~130℃ (15℃/min), 135℃~280℃ (5℃/min) |
| Detector temperature | 350℃, FID |
| Injection volume | 1 ㎕ |
그런 다음, 필터를 이용하여 고체의 불활성화된 인계 촉매를 분리하고, 아크릴로니트릴 이량체 및 톨루엔의 혼합물로부터 아크릴로니트릴 이량체를 분리하여, 최종 제품(product)인 1,4-디시아노부텐(1,4-dicyanobutene, DCB) 및 2-메틸렌글루타로니트릴(2-methyleneglutaronitrile, MGN)을 얻을 수 있었다.
비교예
1
실시예 1에서, 반응이 완료된 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물을 증류 컬럼(200)으로 공급하지 않고, 즉, 반응이 완료된 아크릴로니트릴 이량화 반응 생성물로부터 이소프로필 알코올을 분리하는 과정을 수행하지 않고, 아크릴로니트릴 이량체, 톨루엔, 이소프로필 알코올 및 인계 촉매가 혼합된 혼합물을 필터를 이용하여 중질(Heavies) 부산물을 제거한 후 추출 장치(300)로 공급하 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.
상기 중질 부산물이 제거된 혼합물이 공급된, 추출 장치(300)에는 별도로 염산(HCl) 수용액(35 내지 37 중량%)을 인계 촉매 대비 2 당량으로 공급하여 인계 촉매를 상기 화학식 2-1과 같이 산화시켜 불활성화시켰다.
이 경우, 상기 화학식 2-1과 같이 산화 및 불활성화되어 고체화된 인계 촉매는 상기 혼합물 내에 존재하는 이소프로필 알코올에 재 용해되어, 고체 상태의 인계 촉매로서 분리할 수 없었다.
이와 같이, 알코올 용매를 우선적으로 분리하지 않은 반응 생성물에 염산 수용액(즉, 산을 포함하는 물)을 투입하여 인계 촉매를 고체화시킬 경우, 고체화된 인계 촉매는 알코올 용매에 재 용해되어 고체 상태로 회수가 불가능함을 확인하였다.
100: 이량화 반응기
200: 제1 증류 컬럼
300: 추출 장치
200: 제1 증류 컬럼
300: 추출 장치
Claims (11)
- 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매, 알코올 용매 및 인계 촉매를 이량화 반응기에 공급하여 이량화 반응시켜 증류 컬럼으로 공급하는 단계;
상기 증류 컬럼에서 아크릴로니트릴 단량체, 무극성 용매 및 알코올 용매는 이량화 반응기로 공급하고, 아크릴로니트릴 이량체 및 인계 촉매를 추출 장치로 공급하는 단계;
상기 추출 장치에 산 성분을 포함하는 물을 공급하여 인계 촉매를 산화시켜 불활성화시키는 단계; 및
상기 불활성화된 인계 촉매 및 아크릴로니트릴 이량체를 분리하는 단계를 포함하는 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 인계 촉매는 하기 화학식 1로 나타내는 것인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법:
[화학식 1]
상기 화학식 1에서,
R은 탄소수 1 내지 5의 알킬기 또는 탄소수 1 내지 8의 사이클로알킬기를 나타내고,
R1 내지 R3은 각각 수소, 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 아미노기 또는 알콕시기를 나타내며,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수이다. - 제1항에 있어서,
상기 추출 장치 내 알코올 용매의 함량은 1 중량% 이하인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 추출 장치 내 무극성 용매의 함량은 5 중량% 이하인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 산 성분을 포함하는 물은 인계 촉매 대비 2 당량 이상으로 공급하는 것인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 추출 장치에 산 성분을 포함하는 물을 공급하여 인계 촉매를 산화시켜 불활성화시키는 단계에서, 산 성분을 포함하는 물은 염산 수용액, 황산 수용액 및 질산 수용액으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 불활성화된 인계 촉매는 하기 화학식 2로 나타내는 것인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법:
[화학식 2]
상기 화학식 2에서,
R1 내지 R3은 각각 수소, 탄소수 1 내지 5의 알킬기, 아미노기 또는 알콕시기를 나타내며,
n 및 m은 각각 독립적으로 1 내지 2의 정수이다. - 제1항에 있어서,
상기 불활성화된 인계 촉매는 고체인 것인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 불활성화된 인계 촉매 및 아크릴로니트릴 이량체를 분리하는 단계는 필터를 이용하여 수행하는 것인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 분리된 인계 촉매는 이량화 반응기에서 재사용하는 것인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법. - 제1항에 있어서,
상기 증류 컬럼의 운전 온도는 40 ℃ 내지 150 ℃이고, 운전 압력은 0.001 bar 내지 3 bar인 아크릴로니트릴 이량체 제조 방법.
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