KR20210116596A - 분리 벽 컬럼을 사용하여 (메트)아크릴산 에스테르를 정제하기 위한 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 직접 에스테르화 공정에 따른 (메트)아크릴산 에스테르의 생산, 및 특히 특정 구성으로 제공되는 분리 벽 컬럼을 사용한 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 포함하는 미정제 반응 혼합물의 정제에 관한 것이다. 분리 벽 컬럼은 컬럼에서 분할 구역을 형성시키는 분할 벽이 구비되고, 벽은 상부에서 컬럼의 상단 돔과 인접해 있지 않고, 하부에서 컬럼의 바닥과 인접해 있다. 본 발명에 따른 방법은 추구되는 생성물의 정제 동안 발생할 수 있는 중질 부산물의 백-크래킹 반응과 상관없이 매우 높은 순도를 갖는 생성물을 보장한다.

Description

분리 벽 컬럼을 사용하여 (메트)아크릴산 에스테르를 정제하기 위한 방법
본 발명은 직접 에스테르화에 의한 공정에 따른 (메트)아크릴산 에스테르의 생산, 및 특히 특정 구성으로 이용되는 분리 벽 컬럼을 사용한 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 포함하는 미정제 반응 혼합물의 정제에 관한 것이다.
이러한 구성은 정제 공정의 단순화를 야기하고, 추구되는 생성물의 정제 동안 발생하기 쉬운 중질 부산물의 백-크래킹 반응(back-cracking reaction)과 상관없이 매우 높은 순도의 생성물을 보장한다.
본 발명은 또한 이러한 회수/정제 공정을 포함하는 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 생산하기 위한 공정에 관한 것이다.
기술 배경 및 기술 과제
C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르는 (메트)아크릴산과 상응하는 C4-C12 알콜의 직접 에스테르화 반응에 의해 합성될 수 있다. 이러한 반응은 일반적으로 균일 촉매, 특히, 산 촉매, 예컨대, 황산 또는 파라-톨루엔설폰산의 존재에서 수행된다.
에스테르화는 물의 발생과 평형화된 반응이고, 여기서 (메트)아크릴산 에스테르의 생성 방향으로 평형을 이동시키기 위해 물의 제거가 과량의 에스테르화 알콜을 사용하여 공비혼합물의 형태로 실시될 수 있다.
합성 중 부반응은, 일반적으로 마이클 부가물(Michael adduct)로 지칭되는 화합물 형태로, 일반적으로 추구되는 에스테르의 비점에 가까운 비점을 갖거나 높은 비점을 갖는 부산물인 불순물을 생성시킨다. 이들 화합물은 이의 최종 용도와 관련된 기술적 요건을 충족하는 고순도를 갖는 (메트)아크릴산 에스테르를 수득하기 위해 제거되어야 한다.
이러한 목적 상, 일련의 증류, 추출 및/또는 디캔테이션(decantation)을 포함한 분리/정제 공정이 일반적으로 수행되는데, 이러한 공정은 에너지, 수율의 측면에서 및 물론 산업적 플랜트에 대한 자본 및 건설 비용과 관련하여 비용이 많이 드는 작업이다.
정제 작업은 특히 공비 혼합물의 존재로 인해, 뿐만 아니라 정제될 반응 매질에 균일 촉매, 일반적으로 산의 존재 때문에 구현하기 복잡하다. 예를 들어, 황산을 사용한 촉매의 경우에, 에스테르화 반응은 추구되는 에스테르, 잔여 반응물, 즉, 알콜 및 산, 및 알킬 하이드로젠 설페이트 형태의 황산을 포함하는 반응 혼합물을 생성시킨다. 그 후에, 반응 혼합물은, 예를 들어, 문헌 제EP 609 127호 및 제EP 1 247 793호에 기재된 바와 같이, 예를 들어, 염기 수용액의 부가에 의한 중화, 및 이어서 디캔테이션 후에 분리되는 수성 상과 유기 상의 처리에 주어진다. 그러나, 불완전 중화 또는 분리된 유기 상의 불완전 세척의 경우, 잔류 산도는 형성된 아크릴산 에스테르의 분해 또는 유기 상의 정제 단계 중에 마이클 부가물의 크래킹의 문제를 일으킬 수 있다. 이들 조건 하에, (메트)아크릴산 에스테르에 대한 고순도는 달성하기 어려워진다.
미국 특허 제6,320,070호에는 마이클 부가물의 형성을 최소화하고 반응에 재도입되는 촉매에 농축된 수성 상의 추출을 포함하는, 황산에 의해 촉매작용되는 직접 에스테르화를 통한 (메트)아크릴산 에스테르의 합성의 작업 조건이 기재되어 있다. 그러나, 상기 문헌에는 정제 단계에 주어지는 혼합물에 잔류 산도의 가능한 존재와 연관된 문제가 언급되어 있지 않다.
일반적으로, 종래 기술의 문헌에서 황산과 같은 균일 촉매의 존재에서 직접 에스테르화의 공정에는, 분리 및 염기, 예컨대, 가성 소다와의 예비 중화, 디캔테이션, 및 이어서 유기 상의 세척, 이후 토핑 컬럼(경질 화합물의 증류) 및 테일링 컬럼(중질 화합물의 분리)을 사용한 정제가 조합된다. 모든 경우에, 이에 따라 수행된 정제를 통해서는 경제적인 조건 하에 높은 회수율로 고순도의 최종 생성물을 얻는 것이 가능하지 않다.
분리 벽 증류 컬럼(약어 DWC - 분리 벽 컬럼으로 알려짐)의 개발로, 이제 단순화된 정제 공정이 제안되고 있다. 이 기술은 리보일러 및 단일 응축기를 사용함으로써 통상적으로 직렬로의 단일 장비 품목으로 두 컬럼의 작동을 조합하는 것을 가능하게 하는 내부 분할 벽을 포함한 증류 컬럼을 기초로 한다.
예로서, 특허 출원 제EP 2 659 943호에는 고순도의 2-에틸헥실 아크릴레이트의 생산을 위한 공정에서 분리 벽 컬럼의 구성 및 이의 작동이 기재되어 있다. 이러한 컬럼은 제작 및 작동이 복잡하지만, 이는 두 개의 증류 컬럼을 포함하는 통상적인 플랜트와 비교하여 정제 공정의 에너지 소비 및 설비 비용을 감소시키는 이점을 나타낸다. 상기 문헌에 기재된 정제 공정은 촉매의 예비 분리와 관련된 문제가 언급되어 있지 않고, 이의 잔류 존재는 분리 벽 컬럼에서 노화 반응을 일으킬 수 있다. 또한, 이의 만족스러운 작동에 필요한 안정화에 대한 논의가 언급되어 있지 않다.
특허 출원 제JP 2005-239564호에는 또한 메틸 메타크릴레이트와 부탄올 간의 에스테르교환 반응에 의해 부틸 메타크릴레이트의 합성의 경우에 예시되는, (메트)아크릴산 에스테르의 합성을 위한 공정에서 분리 벽 컬럼의 용도가 기재되어 있다. 이러한 공정에서, 미스트 제거기는, 사이드스트림 인출 시 안정화제 액적의 혼입을 막고 정제된 생성물에서 안정화제의 양을 제어하기 위해 분리 벽 컬럼과 조합된다. 분리 벽 컬럼은 중질 생성물 및 더 경질의 생성물로 표적화된 에스테르의 분리를 수행하는 것을 가능하게 한다. 상기 문헌에 기재된 정제 공정은 직접 에스테르화에 의한 C1-C4 알킬 (메트)아크릴레이트의 생성에 적용 가능하다. 그러나, 이는 에스테르가 노화 반응에 민감할 때 촉매의 예비 분리에 대한 문제를 해결하지 않고, 특히, 분리 벽 컬럼에서 촉매가 존재할 때 사이드스트림으로서 인출된 정제된 생성물을 오염시키는 화합물의 형성을 초래하는 크래킹 반응을 일으킬 위험이 있다.
문헌 제WO 2018/114429호에서, 단일 리보일러에 연결된 공동 하부를 포함하는 분리 벽 컬럼은 2-에틸헥실 아크릴레이트 또는 2-프로필헵틸 아크릴레이트를 정제하기 위해 사용된다. 여기서, 또한, 이러한 유형의 구성은 이러한 컬럼의 보일러에서 발행하기 쉬운 백-크래킹 반응 및 경질 불순물, 예컨대, 에스테르화 알콜의 발생, 및 결과적으로, 최종 생성물의 순도에 대한 영향의 문제를 일으키지 않는다.
분리 벽 컬럼의 기술은 일반적으로 알려져 있으며, 예를 들어, 문헌[Asprion N. et al., "Dividing wall columns: Fundamentals and recent advances", Chemical Engineering and Processing, vol. 49 (2010), pages 139-146], 또는 문헌[Dejanovic I. et al., "Dividing wall column - A breakthrough towards sustainable distilling", Chemical Engineering and Processing, vol. 49 (2010), pages 559-580]에 기재되어 있다.
그러나, 기재된 상이한 구성은 오로지 예상된 에너지 절약과만 관련이 있으며, 종래 기술은 전부, 특히 정제하고자 하는 매질이 마이클 부가물 및 산 촉매, 예컨대, 황산을 포함할 때, 균일하게 촉매작용된 에스테르화 반응으로부터 생성된 미정제 (메트)아크릴 반응 혼합물의 정제에 적합한 유형의 구성을 조금도 제안하지 않았다.
정제 공정 중에 불가피하게 발생하는 중질 부산물의 백-크래킹 반응과는 상관없이, 매우 높은 순도의 생성물을 얻기 위해, 예를 들어, 2-에틸헥실 아크릴레이트 또는 2-옥틸 아크릴레이트와 같은 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르의 정제를 개선하려는 요구가 여전히 남아 있다.
본 발명의 목적은 특정 구성으로 사용되는 분리 벽 컬럼을 포함하는 정제 시스템을 사용하여 정제된 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 회수하기 위한 공정으로서, 컬럼에서 잔류 촉매의 존재에서 노화 반응에 의해 생성되는 최종 에스테르의 오염 위험을 피할 수 있게 하는, 공정을 제공함으로써 이러한 요구를 충족한다.
따라서, 본 발명은 (메트)아크릴산과 상응하는 알콜의 직접 에스테르화 반응으로부터 생성된 미정제 반응 혼합물로부터 출발하여 고순도의 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 회수하고, 이와 동시에 플랜트에 사용될 자본 비용 및 에너지를 최적화시키기 위한 단순화된 공정을 제공한다.
발명의 요약
본 발명의 한 가지 주제는 (메트)아크릴산과 상응하는 C4-C12 알콜의 직접 에스테르화에 의해 수득된 미정제 반응 혼합물로부터 출발하여 정제된 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 회수하기 위한 공정으로서,
상기 공정이 상부에서 컬럼의 상단 돔에 접합되지 않고 하부에서 컬럼의 바닥에 접합되고, 상부에서 단일 응축기와 그리고 하부에서 두 개의 보일러와 연결되는 분할 벽이 구비된 분리 벽 컬럼을 포함하는 정제 시스템을 사용하여 수행되고, 상기 분리 벽 컬럼이 벽 위에 공동 정류 섹션, 컬럼의 공급부를 포함하는 예비분별 섹션, 및 벽에 의해 예비분별 섹션으로부터 분리되고 정제된 에스테르의 인출부를 포함하는 인출 섹션을 포함함을 특징으로 하는, 공정이다.
한 가지 구체예에 따르면, 기체 스트림은 정류 섹션의 상부에서 추출되고 응축 후에 에스테르화 반응기에 적어도 일부 재순환된다.
한 가지 구체예에 따르면, 스트림은 예비분별 섹션의 하부에서 인출되고, 에스테르화 반응기에 적어도 일부 재순환된다.
한 가지 구체예에 따르면, 스트림은 인출 섹션의 하부에서 인출되고, 분리 벽 컬럼의 예비분별 섹션에 적어도 일부 재순환된다.
한 가지 구체예에 따르면, 정제된 (메트)아크릴산 에스테르의 스트림은 상기 인출 섹션의 하부 인출부 위에 위치된 지점에서 인출 섹션으로부터 사이드스트림으로서 인출된다.
한 가지 구체예에 따르면, 직접 에스테르화 반응은 균일 촉매, 특히, 산 촉매, 예컨대, 황산 또는 파라-톨루엔설폰산의 존재에서 수행된다.
한 가지 구체예에 따르면, 미정제 반응 혼합물은 염기로의 중화에 미리 주어지고, 이어서 디캔테이션 및 유기 상의 세척 후 정제가 수행된다.
한 가지 구체예에 따르면, 정제된 (메트)아크릴산 에스테르를 회수하기 위한 공정에 주어진 미정제 반응 혼합물은 에스테르화 반응에 사용된 촉매를 적어도 일부 포함한다.
한 가지 구체예에 따르면, 정제 시스템은 바람직하게는 상부 응축기에서 주입되는 단일 중합 억제제를 이용하여 안정화되고, 여기서 정제된 (메트)아크릴산 에스테르는 이미 안정화된 액체 또는 기체 스트림의 형태로 분리 벽 컬럼으로부터 사이드스트림으로서 인출된다.
한 가지 구체예에 따르면, 정제 시스템은 바람직하게는 상부 응축기에서 주입되는 제1 중합 억제제를 이용하여 안정화되고, 여기서 정제된 (메트)아크릴산 에스테르는 기체 스트림의 형태로 분리 벽 컬럼으로부터 사이드스트림으로서 인출되는데, 이는, 응축 후에, 후속적으로 제1 억제제와 상이한 중합 억제제로 안정화된다.
본 발명에 따르면, 추구되는 에스테르를 안정화시키는 데 사용된 중합 억제제는 단일 중합 억제제로서 정제 시스템에 도입될 수 있는데; 이것이 더 간단하고 일관성 있는 안정화를 야기한다. 대안적으로, 더 저렴한 중합 억제제가 분리 벽 컬럼을 안정화시키는 데 사용될 수 있고, 정제된 에스테르는 후속적으로 최종 생성물을 이의 후속 저장 및 사용의 목적으로 안정화시키기에 더 적합한 또 다른 화합물로 안정화된다. 이러한 경우에, 중합 억제제와 관련된 비용이 크게 절감될 수 있다.
본 발명에 따르면, 에스테르화 알콜은 4개 내지 12개의 탄소 원자, 바람직하게는 5개 내지 10개의 탄소 원자를 포함하는 선형 또는 분지형 알킬 사슬을 갖는 일차 또는 이차 지방족 알콜이다.
알콜의 예로서, 2-에틸헥산올, 2-옥탄올 또는 2-프로필헵탄올이 언급될 수 있다. 바람직하게는, 알콜은 2-에틸헥산올이다.
용어 "(메트)아크릴"은 아크릴 또는 메타크릴을 의미하고; 용어 "(메트)아크릴레이트"는 아크릴레이트 또는 메타크릴레이트를 의미한다.
(메트)아크릴산은 바람직하게는 아크릴산이다.
바람직한 구체예에 따르면, 정제된 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르는 정제된 C4-C12 아크릴레이트, 더욱 우선적으로 2-에틸헥실 아크릴레이트 또는 2-옥틸 아크릴레이트이다.
본 발명에 따른 회수 공정은 적어도 두 개의 분리 컬럼을 포함하는 통상적인 플랜트로 수득되는 순도보다 우수한 순도를 갖는 C4-C12 (메트)아크릴레이트를 생성시키고, 이는 정제하고자 하는 매질에 존재하는 감열성 화합물의 열 분해를 최소화하는 분리 벽 컬럼의 작동 조건에 의해 보다 경제적인 에너지 조건 하의 경우이다.
본 발명의 또 다른 주제는 (메트)아크릴산과 상응하는 C4-C12 알콜의 직접 에스테르화에 의해 수득된 미정제 반응 혼합물로부터 출발하여 정제된 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 회수하기 위한 정제 시스템의 용도로서, 상기 정제 시스템이 상부에서 컬럼의 상단 돔에 접합되지 않고 하부에서 컬럼의 바닥에 접합되고, 상부에서 단일 응축기와 그리고 하부에서 두 개의 보일러와 연결되는 분할 벽이 구비된 분리 벽 컬럼을 포함하고, 상기 분리 벽 컬럼이 벽 위에 공동 정류 섹션, 컬럼의 공급부를 포함하는 예비분별 섹션, 및 벽에 의해 예비분별 섹션으로부터 분리되고 정제된 에스테르의 인출부를 포함하는 인출 섹션을 포함하는, 정제 시스템의 용도이다.
본 발명의 또 다른 주제는 (메트)아크릴산과 상응하는 C4-C12 알콜의 직접 에스테르화에 의해 고순도의 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 생산하기 위한 공정으로서, 미정제 반응 혼합물이 상기 정의된 바와 같은 정제 시스템을 사용하여 회수 공정에 주어짐을 특징으로 하는, 공정이다.
따라서, 본 발명은 경제적인 조건 하에 (메트)아크릴산 에스테르의 순도와 관련하여 요망되는 규격, 다시 말해서, 99.6% 초과, 실제로 심지어 99.8% 초과의 순도를 달성하는 것을 가능하게 한다.
단일 도면이 본 발명에 따른 공정에서 사용될 수 있는 분리 벽 컬럼을 포함하는 정제 시스템의 구성을 나타내고 있다.
발명의 상세한 설명
본 발명은 이제 하기 설명에서 보다 상세하게 그리고 비제한적인 방식으로 기술된다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 공정에서 사용되는 분리 벽 컬럼은 컬럼 내부에 위치된 분할 수직 벽(또는 분리 벽)(P)을 포함하고, 이에 따라 세 개의 별개 구역, 즉, 정류 섹션을 의미하는 상부 구역, 분리 벽의 양쪽에 두 개의 구역을 포함하고 컬럼의 바닥까지 멀리 연장되는 중앙 구역을 한정한다.
한 가지 구체예에 따르면, 벽은 일부 대각선일 수 있다. 벽은 벽에 의해 분리된 공간이 동심 형태로 위치될 수 있도록 원통형이거나 평평할 수 있다.
설치된 벽은 반드시 중앙 구역을 두 개의 동등한 구역으로 분리하는 것은 아닌데; 이는, 일부 구체예에서, 컬럼에서 순환하는 스트림의 성질 또는 강도에 따라 헤드(head)의 손실 또는 막힘(choking)에 대한 경향을 최소화하기 위해 동등하지 않은 구역을 갖는 것이 유리할 수 있기 때문이다.
벽의 높이는 컬럼의 높이의 30% 내지 70%를 나타낼 수 있다.
중앙 구역은 벽의 양쪽에서 두 구역으로 이루어지는데, 이 중 하나는 "예비분별" 섹션을 나타내고, 다른 하나는 순수한 생성물을 위한 인출 섹션을 나타낸다.
본 발명의 계속되는 설명의 단순화를 위해, "예비분별 섹션"은 정제될 (메트)아크릴산 에스테르의 스트림에 의해 공급되는 분할 벽 컬럼의 섹션을 의미하는 것으로 이해되고, 여기서 공급은 벽의 한쪽에서만 이루어지며, "인출 섹션"은 분할 벽의 다른 쪽 컬럼의 섹션을 의미하는 것으로 이해되고, 여기서 정제된 (메트)아크릴산 에스테르의 스트림은 사이드스트림으로서 추출된다.
보일러(B1)와 조합되는 예비분별 섹션은 컬럼의 공급부(F)를 포함하고, 이에 따라 공급부 위로 섹션(S1)을 그리고 공급부 아래로 섹션(S2)을 분리한다. 예비분별 섹션은 컬럼의 상부에서 경질 화합물로 알려진 대부분의 휘발성 생성물을 농축하고, 컬럼의 하부에서 중질 화합물로 알려진 최소 휘발성의 생성물을 농축하는 효과를 갖는다. 특히, 보일러(B1)와 조합되는 이러한 예비분별 섹션에서, 대부분의 중합 억제제 및 또한 중질 불순물은 이러한 섹션의 하부에서 확인된다. 이러한 예비분별 하부 생성물은, 임의로 필름 증발기에 통과시킨 후, 에스테르교환 반응기에 이의 전부 또는 일부를 재순환시킴으로써 재사용될 수 있다.
한 가지 구체예에 따르면, 공급부는 S1+S2를 포함하는 예비분별 섹션의 절반 아래에, 바람직하게는, 1/3 아래에, 예를 들어, 플레이트(4)에 위치된다.
인출 섹션은 정제된 에스테르(S)를 인출하기 위해 측면 유출구를 포함하고, 이러한 측면 유출구는 인출 섹션을 두 개의 섹션(S4 및 S5)으로 분리한다. 정제된 에스테르의 인출은 액체 스트림 또는 기체 스트림의 형태로 수행될 수 있고; 바람직하게는, 기체 스트림이 인출된다. 이러한 섹션에서, 경질 화합물 및 또한 에스테르는 컬럼의 상부로 보내지고, 중질 화합물은 컬럼의 하부로 보내진다. 중질 화합물 및 중합 억제제 및 생성된 소량의 에스테르를 필수적으로 포함하는 하부 스트림은 보일러(B2)와 조합된 인출 섹션으로부터 인출되고, 유리하게는, 적어도 일부, 예비분별 섹션에서, 바람직하게는 공급부(F)에서, 또는 공급부 위 또는 아래에 위치된 지점에서 재순환된다. 인출 섹션으로부터의 하부 생성물의 임의의 재순환은 (메트)아크릴산 에스테르의 손실을 최소화하는 것을 가능하게 한다.
한 가지 구체예에 따르면, 사이드스트림 인출 지점은 인출 섹션의 절반 아래에, 바람직하게는 1/4 아래에 위치된다.
정류 섹션(S3)으로 알려진 공동 구역은 분리 벽 컬럼의 상부의 벽 위에서 확인되고, 이러한 섹션은 경질 화합물을 분리하는 것을 가능하며, 이러한 경질 화합물은 추출되고, 이후, 적어도 일부, 컬럼과 조합된 응축기(C)에서 응축된다. 이러한 응축된 생성물은 일부분이 환류로서 섹션(S3)으로 회송되고, 다른 부분은 주로 미반응 반응물 및 형성된 소량의 에스테르로 이루어지기 때문에 유리하게는 적어도 일부가 반응기의 유입구로 보내진다.
예비분별 및 인출 섹션 상의 액체 환류(미도시)는 정류 섹션의 하부로부터 예비분별 및 인출 섹션까지 제어된 액체 분배를 가능하게 하는 수집 수단에 의해 제공된다.
섹션(S1)을 향해 회송되는 액체의 질량 분율은 일반적으로 20% 내지 50%이다.
마찬가지로 보일러(B2)를 포함하는 인출 섹션의 하부 생성물은 유리하게는 분리 벽 컬럼의 공급부로 재순환됨으로써, 이러한 인출 섹션의 하부에서 에스테르를 재순환시키고 이의 손실을 최소화하는 것을 가능하게 한다.
특정 수의 파라미터가 분리 벽 컬럼의 설계 및 작동을 특징화한다. 이들은 주로 분리 벽 컬럼의 각각의 섹션에서 이론적 스테이지의 수, 특히, 상술된 각각의 섹션 S1 내지 S5의 스테이지의 수에 각각 상응하는 번호 N1, N2, N3, N4 및 N5, 컬럼의 환류 비율, 벽의 각 쪽에서 정류 섹션으로부터 발생한 액체 스트림의 비율, 분리 벽의 각 쪽에서 재비등 섹션으로부터 발생한 기체 스트림의 비율, 순수한 생성물의 사이드스트림 인출을 위한 지점(S) 또는 공급 지점(F)의 위치결정과 관련이 있다.
이러한 상이한 파라미터는 (메트)아크릴산 에스테르가 요망되는 규격을 충족하는 순도로 생산되도록 당업자에게 알려진 방법으로부터 결정될 수 있다.
분리 벽 컬럼 및 존재하는 내부 부품은 각각의 섹션에서 필요한 이론적 스테이지의 수를 얻도록 선택된다. 내부 부품으로서, 플레이트, 적층 패킹, 예컨대, 구조화 패킹, 또는 랜덤 패킹을 이용하는 것이 가능할 것이다.
한 가지 구체예에 따르면, 예비분별 섹션(S1+S2)의 이론적 스테이지의 수는 1 내지 15이고, 컬럼의 공급부는 바람직하게는 이러한 섹션의 대략 마지막 1/3 아래에 위치된다.
한 가지 구체예에 따르면, 인출 섹션(S4+S5)의 이론적 스테이지의 수는 2 내지 15이고, 정제된 에스테르의 인출을 위한 지점은 바람직하게는 이러한 섹션의 대략적으로 마지막 1/4 아래에 위치된다.
한 가지 구체예에 따르면, 정류 섹션(S3)의 이론적 스테이지의 수는 5 내지 15이다.
컬럼은 컬럼 내에서 감열성 화합물의 열 노출을 최소화하기 위해 진공하에 작동될 수 있다. 유리하게는, 컬럼은 10 내지 100 mm Hg 범위의 진공 하에 작동된다.
유리하게는, 작동 온도는 50℃ 내지 160℃이다.
컬럼에 사용되는 내부 부품은 다운코머(downcomer)를 구비한 밸브 트레이 또는 천공 트레이, 또는 교차전류 트레이, 예컨대, 이중 유동 트레이, 리플 트레이, 터보 그리드 쉘(Turbo Grid Shell), 또는 적층 패킹, 예컨대, 구조화된 패킹, 예컨대, Sulzer로부터의 Mellapack 250X일 수 있다.
본 발명에 따른 공정은 공지된 직접 에스테르화 공정에 따라, 특히, 문헌 제EP 609 127호 및 제EP 1 247 793호에 기재된 공정에 따라 수득된 미정제 반응 혼합물로부터 출발하여 99.6% 초과, 바람직하게는 99.8% 초과의 순도를 갖는 (메트)아크릴산 에스테르를 회수하려는 목표를 갖는다.
에스테르화 반응의 조건은 당업자에게 알려진 것들이며, 연속식, 반연속식 또는 회분식 타입의 공정에 따라, 바람직하게는 연속식 공정에 따라 구현될 수 있다.
일반적으로 사용되는 에스테르화 촉매는 균일 촉매, 가장 빈번하게는 균일 산 촉매, 예컨대, 유기 설폰산, 예컨대, 메탄설폰산, 파라-톨루엔설폰산, 벤젠설폰산, 도데실설폰산, 자일렌설폰산, 또는 이들의 혼합물, 또는 황산이다. 바람직하게는, 황산이 사용된다.
반응 혼합물은 추구되는 에스테르, 잔여 반응물, 즉, 알콜 및 산(경질 화합물), 및 황산 촉매의 경우에서 알킬 하이드로젠 설페이트 형태의 황산, 및 또한 부반응에서 형성된 중질 화합물을 포함한다.
중질 화합물은 마이클 부가 반응(마이클 부가물)로부터 유래된다. 2-에틸헥실 아크릴레이트의 합성의 경우에, 이는 특히 2-에틸헥실 2-에틸헥실프로피오네이트 (OOP), 2-에틸헥실 베타-하이드록시프로피오네이트 또는 2-에틸헥실 프로폭시프로피오네이트, 및 고비점을 갖는 기타 생성물과 관련된다.
에스테르화 반응기에서 형성된 미정제 반응 혼합물은 직접적으로 본 발명의 공정에 따라 처리될 수 있다.
바람직한 대안에 따르면, 반응 혼합물은 중화, 예를 들어, 염기의 수용액, 예컨대, 소듐 하이드록사이드의 첨가에 의한 중화, 및 이어서 수성 상 및 유기 상을 분리시키는 디캔테이션에 주어질 수 있다. 수성 상은 중화 단계 후에 형성된 염을 분리하는 것을 가능하게 한다. 미량의 염을 제거하기 위해 추출 컬럼에서 물로의 임의의 세척 후 유기 상은 이후 본 발명에 따른 정제 시스템으로 보내진다.
이러한 조건 하에, 유기 상은 정제 공정 중에 마이클 부가물의 분해를 촉매작용할 수 있는 잔류 산도를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 공정에 사용되는 분리 벽 컬럼의 구성은 이후 사이드스트림으로서 인출된 생성물의 오염 위험을 피할 수 있게 한다.
중질 화합물의 형성을 최소화하고 반응의 수율을 최적화시키는 에스테르화 반응에 적합한 작동 조건과는 별개로, 반응 중에뿐만 아니라 에스테르화 반응기로부터 배출되는 미정제 반응 혼합물의 정제 중에 중합 억제제(안정화제로도 알려짐)를 도입할 필요가 있다.
사용될 수 있는 중합 억제제로서, 예를 들어, 페노티아진 (PTZ), 하이드로퀴논 (HQ), 하이드로퀴논 모노메틸 에테르 (HQME), 디(3차-부틸)-피리-크레졸 (BHT), 파라-페닐렌디아민, TEMPO (2,2,6,6-테트라메틸-1-피페리디닐옥시), 디(3차-부틸)카테콜, 또는 TEMPO 유도체, 예컨대, OH-TEMPO가 단독으로 또는 모든 비율의 이들의 혼합물로 언급될 수 있다.
유리하게는, 100 ppm 내지 5000 ppm의 중합 억제제가 본 발명의 공정에 따른 정제 시스템에 반응 혼합물의 정제 중에 도입된다.
억제제를 보다 효율적으로 만들기 위해, 컬럼의 하부에 산소, 공기 또는 7% O2까지 고갈된 공기를 주입하는 것이 권장된다. 바람직하게는, 주입되는 산소의 양은 컬럼에서 유기 증기의 양에 대해 0.2% 내지 0.5%의 함량에 상응한다.
첫 번째 구체예에 따르면, 정제 시스템은 바람직하게는 상부 응축기에서 주입되는 단일 중합 억제제를 이용하여 안정화되고, 여기서 정제된 (메트)아크릴산 에스테르는 안정화된 액체 또는 기체 스트림의 형태로 분리 벽 컬럼으로부터 사이드스트림으로서 인출된다.
이러한 구체예에 따르면, 하이드로퀴논 모노메틸 에테르를 안정화제로서 사용하는 것이 바람직하다.
두 번째 구체예에 따르면, 상부 응축기에서 주입되는 제1 중합 억제제는 분리 벽 컬럼에서 중합 부반응을 제한하기 위해 사용되며, 정제된 (메트)아크릴산 에스테르는, 응축 후에 상부 응축기에 이전에 주입된 것과 상이한 중합 억제제로 안정화되는 기체 스트림 형태의 사이드스트림으로서 인출된다. 이러한 구체예에 따르면, 제1 중합 억제제는 컬럼 하부에서 분리된 중질 부산물의 스트림에 남게 되는데, 기체-상 인출을 수행함으로써 정제된 생성물에서 존재할 염려가 없고 상당히 더 저렴한 제1 억제제를 사용하는 것이 가능하다. 페노티아진은 또한 유기 스트림을 안정화시키는 것을 가능하게 하므로 제1 중합 억제제로서 적합하다. 인출되는 정제된 (메트)아크릴산 에스테르는 이후 통상적인 실시에 따라, 예를 들어, 하이드로퀴논 메틸 에테르를 사용하여 안정화된다.
정제된 (메트)아크릴산 에스테르는 > 99.6 중량%, 바람직하게는 > 99.8 중량%의 (메트)아크릴산 에스테르 함량을 갖는 생성물을 의미하는 것으로 이해된다. 바람직하게는, 중질 불순물의 함량은 1000 ppm 미만이다. 바람직하게는, 잔류 알콜의 함량은 1000 ppm 미만, 특히, 500 ppm 미만이다.
따라서, 본 발명은, 자본 및 작업 비용이 절감되고, 최적의 수율을 갖는 고순도의 생성물을 제공하는, 소형 플랜트에서 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 생산하기 위한 공정을 제공한다.
하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것이지만, 본 발명의 범위를 제한하는 것은 아니다.
실험 섹션
실시예에서, 달리 지시되지 않는 한, 백분율은 중량으로 표시되며, 하기 약어가 사용되었다:
2EHA: 2-에틸헥실 아크릴레이트
AA: 아크릴산
PTZ: 페노티아진
HQ: 하이드로퀴논
실시예 1 : 컬럼 하부 생성물의 분해 시험
본 실시예는 통상적인 DWC 증류 컬럼, 다시 말해서, 컬럼의 하부에 접합되지 않은 분할 벽 및 하부와 조합된 단일 리보일러를 포함하는 컬럼의 하부에서 발생하는 백-크래킹 현상을 입증한다.
크래킹 시험을 대기압에서 완전 환류 하에서의 작동을 보장하기 위해 응축기가 위에 있는 1 리터 둥근-바닥 플라스크에서 수행하였다.
보일러(B1)에서 증류 컬럼의 하부에서 예상되는 조성에 가까운 조성을 갖는 혼합물을 플라스크에 도입하고, 147℃ 및 156℃의 온도 및 P atm에 40분의 기간에 걸쳐 주어지게 하였다.
반응 혼합물의 조성의 크로마토그래피 모니터링을 수행하였고, 질량 백분율로 표시된 결과가 하기 표 1에 정리되어 있다.
표 1
Figure pct00001
이 시험은 통상적인 DWC 정제 컬럼의 작동 조건(온도, 압력, 기간) 하에 백-크래킹 반응으로부터 생성되는 2-에틸헥산올의 형성을 입증한다.
실시예 2: 비교
아크릴산과 2-에틸헥산올의 에스테르화에 의해 합성으로부터 생성된 미정제 반응 혼합물을 문헌 제WO 2018/114429호의 실시예 1에 기재된 것과 같은 분리 벽 컬럼을 사용하여 정제 처리에 주어지게 하였다.
질량 기준으로 하기 조성을 갖는 반응 혼합물에 대하여 ASPEN Plus 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션을 수행하였다.
2EHA: 95%
2-에틸헥산올 (2EHOH): 1.5%
2-에틸헥실 2-에틸헥실프로피오네이트 (OOP): 0.76%
2-에틸헥실 베타-하이드록시프로피오네이트 (2EHHP): 2.4%
2-에틸헥실 아세테이트 (2EHAC): 0.22%
컬럼 상부의 압력은 25 mmHg이고, 컬럼 헤드의 손실은 48 mmHg로 설정되었다.
상부 생성물 유량은 5462 kg/h이고, 하부 생성물 유량은 1200 kg/h였다.
컬럼은 총 26 개의 이론적 스테이지를 포함하였다. 하부 온도는 143℃이고, 상부 온도는 111℃였다.
이에 따라 전체 컬럼에 대한 질량 농도 프로파일(스테이지 1: 컬럼 상부; 스테이지 26: 컬럼 하부)이 표 2에 나타낸 바와 같이 얻어졌다.
표 2
Figure pct00002
플레이트 18-19-20에서, 조성은 문헌 제WO 2018114429호의 실시예 1에서 얻어진 것들에 가깝고, 생성물 2EHA의 순도는 대략 99.5%였다.
그러나, Aspen 시뮬레이션은 컬럼에서 발생할 수 있는 백-크래킹 현상을 고려하지 않았다.
플레이트 19 및 20에서 얻어질 수 있는 생성물의 품질에 대한 백-크래킹의 영향을 시뮬레이션하기 위해, 시뮬레이션 시험을 동일한 조건 하에 수행하되, 1.2 kg/h의, 또는 하부 스트림에 대해 1000 ppm의 2-에틸헥산올의 스트림을 보일러에서 컬럼의 하부에서 첨가한 후에 수행하였다.
이에 따라 전체 컬럼에 대한 질량 농도 프로파일(스테이지 1: 컬럼 상부; 스테이지 26: 컬럼 하부)이 표 3에 나타낸 바와 같이 얻어졌다.
표 3
Figure pct00003
플레이트 18-19-20에서, 순수한 생성물 2EHA의 품질이 변경되었는데, 이는 보일러 위에 6-8의 이론적 플레이트에 놓인 사이드스트림 인출로 생성물에서 2-에틸헥산올의 발생의 부정적인 영향을 확인시켜 준다. 이러한 조건 하에, 플레이트 20에서 인출된 2EHA의 순도는 99.5% 미만이었다.
실시예 3 : 본 발명에 따름
첨부된 도면에 나타낸 바와 같은 정제 시스템에 대하여 ASPEN Plus 소프트웨어를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
공급부는 실시예 2와 동일했고, 크래킹을 시뮬레이션하기 위해 예비분별 섹션의 보일러에서 1000 ppm의 2-에틸헥산올을 첨가하였다.
상이한 섹션의 플레이트의 수는 하기와 같았다:
N1: 12 - N2: 2 - N3: 12 - N4: 8 - N5: 6
이러한 구성에서, 99.7% 초과의 순도를 갖는 2EHA가 50 ppm의 잔류 2-에틸헥산올 함량과 함께 수득되었다.
본 발명에 따르면, 컬럼의 하부까지 멀리 연장된 분리 벽에 의해서, 2-에틸헥산올과 같은 백-크래킹 생성물이 사이드스트림으로서 인출되는 생성물을 오염시키는 것을 막을 수 있다.
이 실시예는 사이드스트림 인출에서 수득된 생성물의 품질에 대한 분리 벽 컬럼에서 분할 벽의 위치결정의 중요성, 특히, 컬럼의 하부를 분리하는 벽 구비에 대한 필요성을 확인시켜 준다.
실시예 4 : 2-옥틸 아크릴레이트 테일링
이 시험을 2-옥탄올 및 아크릴산으로부터 출발하여 2-옥틸 아크릴레이트를 제조하기 위한 공정에서 또한 발생할 수 있는 백-크래킹 현상을 특징화하기 위해 ND 200 mm의 파일럿 컬럼을 사용하여 수행하였다.
컬럼의 공급부, 컬럼의 하부 및 컬럼의 상부에 존재하는 주요 불순물은 하기 표 4에 나타나 있다.
표 4
Figure pct00004
출력과 입력 사이의 균형(O/I)으로 스트림에 존재하는 종의 변화를 확인할 수 있다.
이러한 증류 중에, 아크릴산, 2-옥탄올 및 옥텐의 함량에 큰 증가가 관찰되었는데, 이는 반응 혼합물이 증류 조건 하에 크래킹 반응을 겪는다는 것을 지시한다.

Claims (14)

  1. 바람직하게는 균일 산 촉매의 존재에서 (메트)아크릴산과 상응하는 C4-C12 알콜의 직접 에스테르화에 의해 수득된 미정제 반응 혼합물로부터 출발하여 정제된 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 회수하기 위한 방법으로서,
    상기 방법이 상부에서 상기 컬럼의 상단 돔에 접합되지 않고 하부에서 상기 컬럼의 바닥에 접합되고, 상부에서 단일 응축기와 그리고 하부에서 두 개의 보일러와 연결되는 분할 벽이 구비된 분리 벽 컬럼을 포함하는 정제 시스템을 사용하여 수행되고, 상기 분리 벽 컬럼이 상기 벽 위에 공동 정류 섹션, 상기 컬럼의 공급부를 포함하는 예비분별 섹션, 및 상기 벽에 의해 상기 예비분별 섹션으로부터 분리되고 정제된 에스테르의 인출부를 포함하는 인출 섹션을 포함함을 특징으로 하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서, 기체 스트림이 정류 섹션의 상부에서 추출되고 응축 후에 에스테르화 반응기에 적어도 일부 재순환됨을 특징으로 하는, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 스트림이 예비분별 섹션의 하부에서 인출되고, 에스테르화 반응기에 적어도 일부 재순환됨을 특징으로 하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 스트림이 인출 섹션의 하부에서 인출되고, 분리 벽 컬럼의 예비분별 섹션에 적어도 일부 재순환됨을 특징으로 하는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 정제된 (메트)아크릴산 에스테르의 스트림이 상기 인출 섹션의 하부 인출부 위에 위치된 지점에서 상기 인출 섹션으로부터 사이드스트림으로서 인출됨을 특징으로 하는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 미정제 반응 혼합물이 염기로의 중화에 미리 주어지고, 이어서 디캔테이션(decantation) 및 유기 상의 세척 후 정제가 수행됨을 특징으로 하는, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 정제 시스템이 바람직하게는 상부 응축기에서 주입되는 단일 중합 억제제를 이용하여 안정화되고, 정제된 (메트)아크릴산 에스테르가 이미 안정화된 액체 또는 기체 스트림의 형태로 분리 벽 컬럼으로부터 사이드스트림으로서 인출됨을 특징으로 하는, 방법.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 정제 시스템이 바람직하게는 상부 응축기에서 주입되는 제1 중합 억제제를 이용하여 안정화되고, 정제된 (메트)아크릴산 에스테르가 응축 후에, 후속적으로 상기 제1 억제제와 상이한 중합 억제제로 안정화되는 기체 스트림의 형태로 분리 벽 컬럼으로부터 사이드스트림으로서 인출됨을 특징으로 하는, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 예비분별 섹션의 이론적 스테이지의 수가 1 내지 15임을 특징으로 하는, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 인출 섹션의 이론적 스테이지의 수가 2 내지 15임을 특징으로 하는, 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 정류 섹션의 이론적 스테이지의 수가 5 내지 15임을 특징으로 하는, 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, (메트)아크릴산 에스테르가 2-에틸헥실 아크릴레이트 또는 2-옥틸 아크릴레이트임을 특징으로 하는, 방법.
  13. (메트)아크릴산과 상응하는 C4-C12 알콜의 직접 에스테르화에 의해 고순도의 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 생산하기 위한 방법으로서, 미정제 반응 혼합물이 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 정의된 바와 같은 정제 시스템을 사용하여 회수 공정에 주어짐을 특징으로 하는, 방법.
  14. (메트)아크릴산과 상응하는 C4-C12 알콜의 직접 에스테르화에 의해 수득된 미정제 반응 혼합물로부터 출발하여 정제된 C4-C12 (메트)아크릴산 에스테르를 회수하기 위한 정제 시스템의 용도로서, 상기 정제 시스템이 상부에서 상기 컬럼의 상단 돔에 접합되지 않고 하부에서 상기 컬럼의 바닥에 접합되고, 상부에서 단일 응축기와 그리고 하부에서 두 개의 보일러와 연결되는 분할 벽이 구비된 분리 벽 컬럼을 포함하고, 상기 분리 벽 컬럼이 상기 벽 위에 공동 정류 섹션, 상기 컬럼의 공급부를 포함하는 예비분별 섹션, 및 상기 벽에 의해 상기 예비분별 섹션으로부터 분리되고 정제된 에스테르의 인출부를 포함하는 인출 섹션을 포함하는, 정제 시스템의 용도.
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