KR20230165803A - 중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물을 열 처리하기 위한 컬럼 - Google Patents

중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물을 열 처리하기 위한 컬럼 Download PDF

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KR20230165803A
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울리히 하몬
루카스 슐츠
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바스프 에스이
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Abstract

본 발명은 중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물을 열 처리하기 위한 컬럼(1)에 관한 것이다. 컬럼(1)은 물질 전달 트레이(5) 아래의 유입 개구(9)와 물질 전달 트레이(5) 위의 유출 개구(10)를 갖는 상승 튜브(8)를 포함하는 물질 전달 트레이(5)를 포함한다. 상승 튜브(8)는 물질 전달 트레이(5)의 상부 표면에 가까운 물질 전달 트레이 위의 측면 개구(11)를 추가로 포함한다. 상승 튜브(8)는, 측면 개구를 통해 상승 튜브(8)로 들어가는 물질 전달 트레이로부터의 화합물의 혼합물의 액체 분획을 원자화함으로써, 유출 개구(10)에 파운틴(13)을 형성하도록 구성된다. 파운틴(13)은 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼(1)의 스팟(16)에 분무된다. 또한, 본 발명은 이러한 컬럼(1)을 사용하는 열 분리 방법에 관한 것이다.

Description

중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물을 열 처리하기 위한 컬럼
본 발명은 중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물을 열 처리하기 위한 컬럼에 관한 것으로서, 상기 컬럼은 컬럼 공동(column cavity)을 형성하는 원통형 수직 컬럼 본체(cylindrical, vertical column body), 컬럼 공동 내에 배치되고, 물질 전달 트레이(mass transfer tray)의 테두리(rim)에 의해 둘러싸인 하나 이상의 개구(opening)를 포함하는 하나 이상의 물질 전달 트레이를 포함한다. 또한, 본 발명은 이러한 컬럼을 사용하는 열 분리 방법(thermal separating process)에 관한 것이다.
분리 컬럼에서, 상승하는 기체 및 하강하는 액체 스트림은 많은 경우 향류(countercurrent)로 수행되고, 스트림 중 하나 이상은 특히 (메트)아크릴계 단량체를 포함한다. 스트림 사이에 존재하는 불균형(inequilibria)으로 인해 열과 물질 전달이 발생하고, 이는 궁극적으로 분리 컬럼에서 원하는 제거 또는 분리를 유발한다. 본원에서, 이러한 분리 방법은 열 분리 방법으로 지칭되어야 한다.
본원에서에 사용된 "열 분리 방법"이라는 표현의 예 및 이에 따른 요소는 분별 응축(fractional condensation)(예를 들어, DE 19924532 A1, DE 10243625 A1 및 WO 2008/090190 A1 참조) 및 정류(rectification)(두 경우 모두, 상승하는 기체 상은 하강하는 액체 상과 향류로 진행되고; 분리 작용은 액체 조성과 다른 평형 상태의 기체 조성을 기반으로 함). 흡수(absorption)(하나 이상의 상승 기체는 하나 이상의 하강하는 액체와 향류로 진행되고; 분리 작용은 액체 내 기체 구성요소의 상이한 용해도를 기반으로 함) 및 탈착(desorption)(흡수의 역과정; 액체 상에 용해된 기체는 분압을 낮춤으로써 제거되고; 액체 상에 용해된 물질의 분압을, 운반 기체(carrier gas)를 액체 상에 통과시켜 적어도 부분적으로 낮추는 경우, 이러한 열 분리 방법은 또한 스트리핑(stripping)으로 지칭하고; 대안적으로 또는 추가적으로(동시에 조합으로서), 분압을 낮추는 것은 또한 작동 압력(working pressure)을 낮춤으로써 성취됨)이다.
예를 들어, 촉매적 기체 상 산화의 생성물 기체 혼합물로부터의 (메트)아크릴산 및/또는 (메트)아크롤레인의 제거는, (메트)아크릴산 및/또는 (메트)아크롤레인에 먼저 용매(예컨대, 물 또는 유기 용매)로의 흡수 또는 생성물 기체 혼합물의 분별 응축에 의한 염기성 제거를 수행하고, 이어서 수득된 흡수물 또는 응축물을 추가로 분리하여 더 높은 또는 더 낮은 순도의 (메트)아크릴산 및/또는 (메트)아크롤레인을 수득하는 방식으로 수행될 수 있다(예를 들어, DE 10332758 A1, DE 10243625 A1, WO 2008/090190 A1, DE 10336386 A1, DE 19924532 A1, DE 19924533 A1, DE 102010001228 A1, WO 2004/035514 A1, EP 1125912 A2, EP 982289 A2, EP 982287 A1 및 DE 10218419 A1).
본원에서 "(메트)아크릴계 단량체"라는 표기는 "아크릴계 단량체 및/또는 메타크릴계 단량체"의 약어 형태이다.
본원에서 용어 "아크릴계 단량체"는 "아크롤레인, 아크릴산 및/또는 아크릴산의 에스터"의 약어 형태이다.
본원에서 용어 "메타크릴산 단량체"는 "메타크롤레인, 메타크릴산 및/또는 메타크릴산 에스터"의 약어 형태이다.
특히, 본원에서 다루는 (메트)아크릴계 단량체는 다음과 같은 (메트)아크릴계 에스터를 포함해야 한다: 하이드록시에틸 아크릴레이트, 하이드록시에틸 메타크릴레이트, 하이드록시프로필 아크릴레이트, 하이드록시프로필 메타크릴레이트, 글리시딜 아크릴레이트, 글리시딜 메타크릴레이트, 메틸 아크릴레이트, 메틸 메타크릴레이트, n-부틸 아크릴레이트, 이소부틸 아크릴레이트, 이소부틸 메타크릴레이트, n-부틸 메타크릴레이트, tert-부틸 아크릴레이트, tert-부틸 메타크릴레이트, 에틸 아크릴레이트, 에틸 메타크릴레이트, 2-에틸헥실 아크릴레이트, 2-에틸헥실 메타크릴레이트, N,N-다이메틸아미노에틸 아크릴레이트 및 N,N-다이메틸아미노에틸 메타크릴레이트.
(메트)아크릴계 단량체는, 예를 들어 접착제로서 또는 위생용품(hygiene article)의 수-초흡수성 물질(water-superabsorbing material)로서 사용되는 중합체의 제조를 위한 중요한 출발 화합물이다.
산업 규모에서, (메트)아크롤레인 및 (메트)아크릴산은 적합한 C3/C4 전구체 화합물(또는 이의 전구체 화합물)의 촉매적 기체 상 산화에 의해 주로 제조된다. 아크롤레인 및 아크릴산의 경우, 사용되는 이러한 전구체 화합물은 바람직하게는 프로펜 및 프로판이다. 메타크릴산 및 메타크롤레인의 경우, 이소부텐 및 이소부탄이 바람직한 전구체 화합물이다.
그러나, 프로펜, 프로판, 이소부텐 및 이소부탄뿐만 아니라, 적합한 출발 물질이 또한 3 또는 4개의 탄소 원자를 포함하는 다른 화합물, 예를 들어 이소부탄올, n-프로판올 또는 이의 전구체 화합물, 예를 들어 이소부탄올의 메틸 에터이다. 아크릴산은 또한 기체 상 촉매작용 하에 아크롤레인의 산화에 의해 수득될 수 있다. 메타크릴산은 또한 기체 상 촉매작용 하에 메타크롤레인의 산화에 의해 수득될 수 있다.
이러한 제조 방법의 맥락에서, (메트)아크릴산 및/또는 (메트)아크롤레인이 제거되어야 하는 생성물 기체 혼합물을 수득하는 것이 일반적이다.
(메트)아크릴산의 에스터는, 예를 들어 (메트)아크릴산 및/또는 (메트)아크롤레인과 적절한 알코올의 직접 반응에 의해 수득될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에도, 생성물 혼합물이 먼저 수득되고, 이로부터 (메트)아크릴산 에스터가 제거되어야 한다.
이러한 분리 방법이 수행되는 분리 컬럼은 분리 내부 부품(separating internal)을 포함한다. 열 분리 방법에서, 이는 분리 컬럼에서 분리를 야기하는 열 및 물질 전달을 위한 표면 영역("전달 영역(transfer area)")을 증가시키는 목적을 갖는다.
이러한 종류의 유용한 내부 부품은, 예를 들어 구조화된 패킹(packing), 무작위 패킹 및/또는 트레이를 포함하고, 물질 전달 트레이로도 지칭된다. 흔히, 사용되는 분리 컬럼은 분리 내부 부품의 일부로서 하나 이상의 시퀀스(sequence)의 물질 전달 트레이를 포함하는 컬럼이다.
물질 전달 트레이의 목적은 그 안에 형성되는 액체 층의 형태로 분리 컬럼 내에 본질적으로 연속적인 액체 상을 갖는 영역을 제공하는 것이다. 이때, 액체 층 내에서 상승하고 액체 상 내에 분포되는 기체 스트림의 표면은 중요한 전달 영역이다.
물질 전달 트레이의 시퀀스는 분리 컬럼에서 하나 위에 하나가 배열된 일반적으로 동일한 디자인의(즉, 동일한) 2개 이상의 물질 전달 트레이의 시퀀스(연속물)를 의미하는 것으로 이해된다. 적용 목적상 유리하게는, 이러한 일련(시퀀스)의 물질 전달 트레이에서 바로 연속하는 2개의 물질 전달 트레이 사이의 명확한 거리는 균일하다(물질 전달 트레이가 분리 컬럼에서 하나 위에 하나가 등거리로 배열됨을 의미함).
물질 전달 트레이의 가장 간단한 실시양태는 트리클 시브 트레이(trickle sieve tray)라고 한다. 이는 플레이트, 또는 플레이트를 형성하기 위해 결합된 플레이트 세그먼트(plate segment)를 포함하고, 이는 플레이트 위에 분포된 상승하는 기체 상을 위한 본질적으로 평면인 통로 오리피스(passage orifice), 예를 들어 둥근 구멍 및/또는 슬롯(slot)을 갖는다(예를 들어, DE 10230219 A1, EP 1279429 A1, US-A 3988213 및 EP 1029573 A1). 이들 이상의 어떠한 오리피스(예를 들어, 하나 이상의 다운코머(downcomer)(하나 이상의 배수 세그먼트))도 일반적으로 트리클 시브 트레이에 존재하지 않는다. 이러한 다운코머의 부재로 인해, 분리 컬럼 내에서 상승하는 기체와 분리 컬럼 내에서 하강하는 액체는 둘 다 (동일한) 통로 오리피스를 통해(통로의 개방 단면을 통해) 시간에 따라 교대로 반대 방향으로 유동하면서 이동해야 한다. 또한, 통로 오리피스를 통해 상승하는 기체와 하강하는 액체의 "이중 유동(dual flow)"이 언급되고, 이는 문헌에서 이러한 유형의 물질 전달 트레이에 대해 "이중 유동 트레이"라는 용어를 자주 사용하는 이유이다.
이중 유동 트레이의 통로 오리피스의 단면은 그 자체로 공지된 방식으로 이에 대한 로드(load)와 일치한다. 단면이 너무 작으면, 상승하는 기체는, 분리 컬럼 내에서 하강하는 액체가 본질적으로 분리 작용 없이 동반(entraining)될 정도로 높은 속도로 통로 오리피스를 통과한다. 통로 오리피스의 단면이 너무 크면, 상승하는 기체와 하강하는 액체는 본질적으로 교환 없이 서로 이동하고, 물질 전달 트레이는 건조해질 위험이 있다.
즉, 트리클 시브 트레이(이중 유동 트레이)의 분리-활성 작업 범위는 두 가지 제한이 있다. 트리클 시브 트레이의 분리-활성 작업을 가능하게 하기 위해, 특정 액체 층이 트리클 시브 트레이에 유지되도록 상승하는 기체의 최소 제한 속도(minimum limiting velocity)가 있어야 한다. 상승하는 기체의 속도의 상한은, 기체 속도가 트리클 시브 트레이에 액체를 백업(backup)하여 흘러내리는 것을 방지하는 범람점(flood point)에 의해 고정된다.
산업용 이중 유동 트레이의 통로 오리피스의 가장 긴 치수(= 통로 오리피스 단면의 윤곽선에 있는 2개의 점을 연결하는 가장 긴 직선)는 일반적으로 10 내지 80 mm이다(예를 들어, DE 10156988 A1 참조). 일반적으로, 통로 오리피스는 트리클 시브 트레이 내에서 동일하다(즉, 모두 동일한 기하학적 형상과 동일한 단면(동일한 단면적(cross-sectional area))을 갖는다). 적용 측면에서 적절하게, 단면 영역은 원이다. 즉, 트리클 시브 트레이의 바람직한 통로 오리피스는 원형 구멍이다. 트리클 시브 트레이의 통로 오리피스의 상대적 배열은 유리하게는 엄격한 삼각형 피치(pitch)를 따른다(예를 들어, DE 10230219 A1 참조). 물론, 하나의 동일한 트리클 시브 트레이 내에서 통로 오리피스를 다르게 구성하는 것(트리클 시브 트레이에 따라 다양하게 구성하는 것)도 가능하다.
적용 측면에서 유리하게, 트리클 시브 트레이의 시퀀스는 분리 컬럼에 동일한 디자인의 트리클 시브 트레이(동일한 트리클 시브 트레이)를 포함하고, 바람직하게는 서로 등거리로 배열된다.
DE 10156988 A1에 따르면, 이중 유동 트레이 내에서 균일한(바람직하게는 원형) 단면을 갖지만, 시퀀스 내에서 변화하는(예를 들어, 바닥에서 위쪽으로 감소하는) 분리 컬럼에 트리클 시브 트레이의 시퀀스를 사용하는 것도 가능하다.
일반적으로, 상응하는 트레이 시퀀스의 각각의 이중 유동 트레이는 분리 컬럼의 벽과 같은 높이로 마무리된다. 그러나, 브리지(bridge)에 의해 부분적으로만 차단된 중간 공간이 컬럼 벽과 트레이 사이에 존재하는 실시양태도 있다. 실제 통로 오리피스 외에도, 트리클 시브 트레이는 일반적으로, 많아봐야, 지지 링 등에 트레이를 고정하는 역할을 하는 오리피스를 갖는다(예를 들어, DE 10159823 A1 참조).
트리클 시브 트레이의 시퀀스의 일반적인 작업 범위 내에서, 분리 컬럼 내에서 하강하는 액체는 이중 유동 트레이에서 이중 유동 트레이로 액적으로 아래로 흘러내리고, 이는 이중 유동 트레이 사이에서 상승하는 기체 상이 분할된 액체 상(divided liquid phase)에 의해 투과됨을 의미한다. 각각의 경우에 하부 트리클 시브 트레이에 닿는 액적 중 일부는 원자화(atomization)된다. 통로 오리피스를 통해 유동하는 기체 스트림은 트레이의 표면에 형성된 액체 층을 통해 발포하고, 액체와 기체 사이에 강한 열과 물질 전달이 발생한다.
기체 및 액체 로드에 따라, 컬럼 직경이 2 m를 초과하는 경우, 액체의 약간 불균등한 분포가 축적되어, 이에 따라 트레이의 액체 정체(hold-up)가 넓은 영역에 걸쳐 변화하거나 순환 파동이 형성되는 경향이 트리클 시브 트레이에 있고, 이는 첫 번째로 컬럼 본체의 기계적 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있고, 두 번째로 분리 작용을 감소시킬 수 있는 데, 왜냐하면, 이러한 조건 하의 액체 분포는 시간-의존적이고 매우 위치-의존적이기 때문이다. 따라서, 이러한 비정상 상태를 피하기 위해, 트레이 단면 위에 수직 금속 시트 형태의 배플(baffle)을 분포시키는 것이 유리한 것으로 밝혀졌고, 이는 컬럼 본체 내에 액체가 축적되는 것을 방지하거나 적어도 크게 감소시킨다. 금속 시트의 높이는 형성되는 액체 거품 층의 높이와 대략 일치해야 한다. 이는 일반적으로 관례적인 로드에서 약 20 cm이다.
분리 컬럼의 단면은 일반적으로 원형이다. 이는 수반되는 물질 전달 트레이에도 해당된다.
본원의 목적으로 사용가능한 이중 유동 트레이는, 예를 들어 문헌[Technische Fortschrittsberichte [Technical Progress Reports], vol. 61, Grundlagen der Dimensionierung von Kolonnenboeden [Fundamentals of the Dimensioning of Column Trays], pages 198 to 211, Verlag Theodor Steinkopf, Dresden (1967)], 및 DE　10230219　A1에 기술된다.
트레이 상에서 트레이 상으로 하강하는 액체의 강제 유동(forced flow) 없이 물질 전달 트레이를 포함하는 전술한 트리클 시브 트레이의 시퀀스는 이러한 강제 액체 유동을 갖는 물질 전달 트레이의 시퀀스와 구별된다.
이미 기술한 통로 오리피스뿐만 아니라 하나 이상의 다운코머를 추가로 갖는 것이 이러한 물질 전달 트레이의 특징적인 특징이다. 이는 물질 전달 트레이에 존재하는 하나 이상의 하향류(downflow) 오리피스이고, 물질 전달 트레이(예를 들어, 유출구 위어(outlet weir)(가장 간단한 실시양태에서, 이는 목(굴뚝; 원형 하향류 오리피스의 경우, 튜브)을 갖는 하향류 오리피스의 상향 연장부일 수 있음)) 상으로 하강한 액체가 이를 향해 유동하고, 이는 시퀀스대로 아래의 물질 전달 트레이를 공급하는 샤프트(shaft)로 이어지고, 컬럼의 세로 방향을 가리키는 축에 대하여 일반적으로 중심 대칭으로 구성된다. 샤프트의 단면은 이 축을 따라 변할 수 있거나(예컨대, 좁음) 일정할 수 있다.
물질 전달 트레이의 하나 이상의 다운코머에 의해, 이러한 물질 전달 트레이의 시퀀스 내에서, 더 높은 물질 전달 트레이로부터 하강하는 액체는, 시퀀스의 이어지는 가장 낮은 물질 전달 트레이로의 액체의 하나 이상의 공급부(feed)로서, 이러한 물질 전달 트레이의 통로 오리피스를 통해 계속해서 상승하는 기체와 독립적으로 하강할 수 있다.
하강하는 액체와 상승하는 기체의 유동 경로의 이러한 분리를 위한 필수적인 기초는 상승하는 기체에 대한 각각의 다운코머의 수밀봉(hydraulic seal)(액체 밀봉 아니면 샤프트 밀봉)이다(다운코머는 상승하는 기체를 위한 통로 오리피스를 통과하여 우회로를 형성해서는 안 되고; 기체 스트림은 다운코머를 통해 통로 오리피스를 통과하여 상승해서는 안 됨).
이러한 수밀봉은, 예를 들어 다운코머가 시퀀스의 이어지는 가장 낮은 물질 전달 트레이(예컨대, 밀봉은 본원에서 "정적 밀봉(static seal)"으로도 지칭됨) 상의 액체 층 내로 충분히 깊게 침지되는 정도까지 하향으로 끌어당김으로써 달성될 수 있다. 이 목적에 필요한 액체 수준(level)은, 예를 들어 적절한 유출구 위어의 높이를 통해 하부 물질 전달 트레이(lower mass transfer tray)에서 달성될 수 있다.
그러나, 이러한 디자인은 상기 물질 전달 트레이 다운코머의 유출 단면(outflow cross section) 바로 아래의 하부 물질 전달 트레이의 영역(공급 영역으로 지칭됨)이 상승하는 기체에 대한 임의의 통로 오리피스를 가질 수 없다는 단점이 있고, 이에 따라 하부 물질 전달 트레이에 형성된 액체 층과 상승하는 기체 사이의 열 및 물질 전달은 불가능하다.
대안적인 실시양태에서, 다운코머의 하부 유출 단부는 아래의 물질 전달 트레이에 존재하는 액체 층에 더 이상 침지되지 않을 정도로 절두(truncation)된다. 이러한 경우, 하나 이상의 다운코머의 하단(lower end)과 다운코머가 이어지는 물질 전달 트레이 사이에, 충분히 큰 중간 공간이 남아 있고, 이때 거품 층이 형성되고, (하부 물질 전달 트레이에) 축적되는 액체 층과 (이러한 트레이를 통해) 상승하는 기체 사이에서 열 및 물질 전달이 발생할 수 있다. 즉, 이러한 경우, 아래의 물질 전달 트레이에 있는 하나 이상의 다운코머의 "공급 영역"도 통로 오리피스를 가질 수 있으므로, 물질 전달 트레이의 이용가능한 교환 영역을 증가시킬 수 있고, 이에 따라 분리 작용을 증가시킬 수 있다.
이러한 경우, 예를 들어 다운코머의 유출 단부 아래에 장착된 수집 컵(collecting cup)의 도움으로, 다운코머의 정적 액체 밀봉이 이루어질 수 있다. 적용 측면에서 적절하게, 이러한 경우, 수집 컵의 외부 벽은 다운코머의 유출 단부가 수집 컵에 침지될 정도로 절두된다(다운코머의 하부 가장자리가 수집 컵의 상부 가장자리에서 종결되도록 허용할 수도 있음). 컬럼이 작동하는 동안, 다운코머를 통해 하향으로 유동하는 액체는, 수집 컵의 외부 벽의 상부 가장자리 위로 유동할 때까지 수집 컵에 수집된다. 다운코머의 하부 가장자리는 수집 컵에 존재하는 액체에 침지되고, 수집 컵은 다운코머의 사이펀-형(siphon-like) 액체 밀봉을 형성한다.
대안적으로, 절두된 다운코머는 동적으로 밀봉될 수도 있다. 이를 위해, 다운코머는, 예를 들어 액체가 다운코머에 백업되고 기체의 침투를 방지하는 치수의 출구 오리피스(exit orifice)가 제공된 트레이에 의해 다운코머의 하단에서 밀봉될 수 있다(예를 들어, EP 0882481 A1 및 DE 10257915 A1). 이러한 경우, 샤프트 밀봉은 출구 오리피스에서 발생하는 압력 강하(pressure drop)를 통해 동적으로 설정된다. 즉, 정적 밀봉의 경우, 다운코머는, 다운코머의 유출 단부가 백업된 액체에 침지되어, 밀봉되고, 동적 밀봉의 경우, 다운코머의 유출 단부의 구조적 특징은, 배출되는 액체가 다운코머에서 하강하는 액체의 백업을 초래하는 압력 강하를 겪게 되고, 이로 인해 밀봉이 발생한다. 가장 간단한 경우, 이러한 압력 강하는 샤프트의 평균 단면에 비해 선택되는 다운코머 출구 오리피스의 작은 단면으로 인해 발생할 수 있다.
이러한 물질 전달 트레이의 시퀀스의 분리-활성 작동(separation-active operation)을 위해서, 하나 이상의 다운코머의 디자인이 관련된다. 먼저, 선택되는 하나 이상의 다운코머의 단면은, 심지어 분리 컬럼의 최대 로딩(maximum loading)에서도 액체가 분리 컬럼의 하나 이상의 다운코머를 통해 여전히 안정적으로 하강할 수 있고 위의 트레이에서는 백업되지 않도록, 충분히 커야 한다(일반적으로, 상응하는 단면적은 통로 오리피스의 단면적보다 큼). 반면에, 심지어 최소 액체 로딩의 경우에도, 하나 이상의 다운코머의 수밀봉이 여전히 존재하도록 보장해야 한다.
낮은 기체 로딩에서, 액체가 통로 오리피스를 통해 흘러내릴 위험도 있다. 또한, 액체는, 백업된 액체 컬럼의 중량이 다운코머가 연결된 물질 전달 트레이 아래의 기체 공간(gas space)으로 액체를 전달하기에 충분할 정도로, 다운코머에 백업될 수 있어야 한다. 이러한 백업 높이는 다운코머의 필요한 최소 길이를 결정하므로, 상응하는 물질 전달 트레이의 시퀀스에 필요한 트레이 분리를 부분적으로 결정한다. 상기 백업 높이(백업 길이)에 대한 유의한 부분 결정 인자(partial determining factor)는 물질 전달 트레이의 압력 강하(Δp)이다. 이러한 압력 강하는 기체가 통로 오리피스와 물질 전달 트레이 상의 거품 층의 "정수(hydrostatic)" 헤드(head)를 통해 유동할 때 상승하는 기체로 인해 발생한다. 이는 물질 전달 트레이의 시퀀스의 기체 상 내의 압력이 최상부(top)로부터 하향으로 증가한다는 사실에 대한 책임이 있다. 따라서, 물질 전달 트레이의 다운코머에 백업된 액체의 "정수" 압력(hp)의 경우, 적어도 물질 전달 트레이의 조건 hp > Δp가 충족되어야 한다. 이러한 연결은 또한, 예를 들어 EP 1704906 A1로부터 당업자에게 공지되어 있고, 하부 물질 전달 트레이 상의 유입 위어(inflow weir)에 의해, 하부 물질 전달 트레이 상의 액체 층 내의 상부 물질 전달 트레이의 다운코머의 정적 밀봉의 경우, 액체가 하강하는 낮은 부하의 경우에도 샤프트 밀봉이 여전히 존재한다. 그러나, 유입 위어의 사용은 다운코머에 백업된 액체를 하부 물질 전달 트레이 상으로 강제로 백업하는 데 필요한 백업 높이를 증가시킨다. 전반적으로, 다운코머의 요소는 트리클 시브 트레이에 비해 분리-활성 작업 범위를 넓힐 수 있다. 본 발명에 따른 방법에서 다운코머로부터 다운코머에 백업된 액체의 바람직한 유출 속도는, 예를 들어 1.2 m/초이다.
또한, 이러한 트레이 상의 물질 전달 트레이 상으로 하강하는 액체의 강제 순환을 가능하게 한다.
예를 들어, (바람직하게는 원형) 물질 전달 트레이의 절반만이 하나 이상의 다운코머를 갖고(이는 모든 하향류 오리피스가 상응하는 원형 세그먼트 내에 전체 범위로 존재함을 의미함), 이러한 종류의 2개 이상의 동일한 물질 전달 트레이의 시퀀스에서, 분리 컬럼의 물질 전달 트레이가 [분리 컬럼의 2개의 물질 전달 트레이(이들 중 하나는 하향 방향으로 다른 하나에 이어서 존재함)가, 이의 다운코머가 분리 컬럼의 반대 측면(반대쪽 절반)에 있도록, 컬럼의 세로 축 주위에 서로를 기준으로 180°만큼 오프셋(offset)되어(회전하여) 각각 장착되도록] 다른 것의 최상부에 하나가 있도록 배열되는 경우, 상부 물질 전달 트레이로부터 이의 하나 이상의 다운코머를 통해 아래에 장착된 물질 전달 트레이까지 하강하는 액체는, 하부 물질 전달 트레이 위에서 볼 때, (위에 장착된) 상부 물질 전달 트레이의 하나 이상의 다운코머의 하나 이상의 공급 영역으로부터(상부 물질 전달 트레이의 하나 이상의 다운코머를 통해 하나 이상의 공급부로부터) 하부 물질 전달 트레이의 하나 이상의 다운코머까지, 반드시(즉, 필수적으로) 하부 물질 전달 트레이 상으로 유동하여야 한다. 즉, 상부 트레이에서 하부 트레이로 하강하는 액체는 필연적으로 트레이를 가로질러 하나 이상의 공급부로부터 하나 이상의 유출구로 전도된다.
동일한 물질 전달 트레이의 시퀀스 내의 물질 전달 트레이 상의 액체 유동은 본원에서 직교류(crossflow)로, 이러한 동일한 물질 전달 트레이의 시퀀스는 동일한 직교류 물질 전달 트레이의 시퀀스로, 시퀀스 내의 개별 물질 전달 트레이는 직교류 물질 전달 트레이로 지칭되어야 한다.
가장 간단한 경우, 직교류 물질 전달 트레이는 직교류 시브 트레이이다. 하나 이상의 다운코머와는 별개로, 이는 분리 컬럼에서 상승하는 기체를 위한 통로 오리피스를 갖고, 이의 구성에 대한 유용한 실시양태는 원칙적으로 트리클 시브 트레이에 대해 언급된 모든 실시양태이다. 직교류 시브 트레이는 바람직하게는 또한 통로 오리피스로서 원형 구멍을 갖고, 이는 마찬가지로 적용 목적에 유리하게 균일한 반경을 갖는다. 이미 언급한 바와 같이, 하나 이상의 다운코머는, 직교류 시브 트레이의 시퀀스에서, 분리 컬럼에서 하강하는 액체가, 시퀀스에서 상승하는 기체의 유동 경로에 관계 없이, (통로 오리피스를 통해) 더 높은 직교류 시브 트레이로부터 다음의 가장 낮은 직교류 시브 트레이까지 하강할 수 있게 한다. 하부 트레이 상에서, 액체는 (더 높은 직교류 시브 트레이의 하나 이상의 유출구에 의해 형성된) 하부 트레이의 하나 이상의 공급부로부터 하부 트레이의 하나 이상의 다운코머까지(하나 이상의 유출구까지) 향류로 유동하고, 하부 직교류 시브 트레이 상의 원하는 액체 높이는, 예를 들어 액체가 하나 이상의 다운코머까지 유동할 수 있는 하나 이상의 유출구 위어의 높이에 의해 부분적으로 보장된다. 또한, 분리 컬럼에서 상승하는 기체의 백업 압력에 의해 액체는 직교류 시브 트레이 상에 유지된다. 그러나, 직교류 시브 트레이의 기체 로딩이 최소값 아래로 떨어지면, 통로 오리피스를 통해 액체가 흘러내릴 수 있고, 이는 직교류 시브 트레이의 분리 작용을 감소시키고/거나 직교류 시브 트레이가 건조되게 한다.
이러한 건조의 위험은 하나 이상의 다운코머의 하향류 오리피스에 유출구 위어를 제공하고 각각의 통로 오리피스를 목(굴뚝; 원형 통로 오리피스의 경우, 튜브)이 있는 상향 방향으로 연장함으로써 대응될 수 있다.
일반적으로 기체-편향 후드(gas-deflecting hood)(버블 캡(bubble cap), 인버티드 컵(inverted cup))는 목의 단부에 장착되고(가장 간단한 경우, 이들은, 예컨대, 앞면과 뒷면에서, 나사 연결을 통해 목에 배치될 수 있고, 목 위로 효과적으로 당겨질 수 있음), 트레이 상에 백업된 액체에 침지된다. 각각의 통로 오리피스를 통해 상승하는 기체는 먼저 이의 목을 통해 수반하는 후드로 유동하고, 이때, 직교류 시브 트레이와 달리, 후드로부터 그 위에 백업된 액체 내로 트레이 표면에 평행하게 유동하도록 편향된다(이러한 "병렬 유출(parallel outflow)"은 바람직하지 않게 형성된 중합체 입자를 "분출(blow away)"하여, 이에 따라 자가-세척 효과를 가져올 수 있다는 점에서 본 발명에 따른 방법에서 일반적으로 유리함). 바람직하게는, 트레이 위에 등거리로 분포된 인접한 후드로부터 나오는 기체 스트림은 트레이 상에 백업된 액체를 교반하고, 그 안에 열 및 물질 전달이 일어나는 거품 층을 형성한다. 이러한 직교류 물질 전달 트레이는 직교류 버블-캡 트레이 또는 직교류 후드 트레이라고도 한다. 상승하는 기체로 인해 낮은 로딩의 경우에도 백업된 액체를 가질 수 있어서 건조해질 위험이 없으므로, 수밀봉 직교류 트레이라고도 한다. 직교류 시브 트레이와 비교할 때, 일반적으로 더 높은 자본 비용이 필요하고, 이를 통해 상승하는 기체의 압력 강하가 더 높다. 설명된 바와 같이 디자인(구성)된 이들 트레이의 통로 오리피스는, 시브 트레이의 단순한 시브 통로 오리피스와 대조적으로, 버블-캡 통로 오리피스 또는 후드 통로 오리피스로도 지칭된다.
직교류 버블-캡 트레이의 가장 중요한 구성요소는 버블 캡이다(예를 들어, DE 10243625 A1 및 문헌[Chemie-Ing. Techn. Volume　45, 1973/No.　9 + 10, pages　617 to 620] 참조). 버블 캡(기체 편향 후드)의 구성 및 배열에 따라, 직교류 버블-캡 트레이는, 예를 들어 직교류 원형 버블-캡 트레이(통로 오리피스, 굴뚝(목) 및 버블 캡(기체 편향 후드)의 단면은 원형임(예컨대, 원통형 버블-캡 트레이 또는 평평한 버블-캡 트레이)), 터널 직교류 트레이(통로 오리피스, 굴뚝 및 버블 캡(후드)의 단면은 직사각형이고; 버블 캡을 갖는 통로는 서로 나란히 배열된 열 내에 차례로 배열되고, 더 긴 직사각형 가장자리는 액체의 직교류 방향과 평행하게 정렬됨), 및 직교류 Thormann® 트레이(통로 오리피스, 굴뚝 및 버블 캡(후드)의 단면은 직사각형이고; 버블 캡을 갖는 통로는 서로 나란히 배열된 열 내에 차례로 배열되고, 더 긴 직사각형 가장자리는 액체의 직교류 방향에 직각으로 정렬됨)로 구분된다. 직교류 Thormann 트레이는, 예를 들어 DE 19924532 A1 및 DE 10243625 A1, 및 이들 두 문헌에서 인정된 선행 기술에 기술된다.
직교류 버블-캡 트레이의 버블-캡 가장자리는 매우 다른 형태를 가질 수 있다(DE 10243625 A1 및 문헌[Chemie-Ing. Techn. Volume　45, 1973/No.　9 + 10, pages　617 to 620] 참조). 문헌[Chemie-Ing. Techn. Volume　45, 1973/No.　9 + 10, pages　618]의 도 3은 톱니 모양 및 슬롯형 가장자리의 몇 가지 예를 도시한다. 톱니 모양과 슬롯은 일반적으로 버블 캡에서 물질 전달 트레이에 백업된 액체로 나오는 기체가 다수의 버블이나 기체 제트로 매우 쉽게 용해되도록 형상화된다. DE 10243625 A1의 상기 도 3과 다양한 도면은 또한 톱니형 구조를 갖는 버블-캡 가장자리의 예시적인 실시양태를 보여주며, 이의 톱니에는 가이드 핀(guide fin)(가이드 표면, "슬롯 벤트 오픈(slot bent open)")이 추가로 장착되어 있다. 가이드 핀은 톱니형 슬롯 벤트 오픈에서 나오는 기체 스트림에 접선 출구 방향을 부여하기 위한 것이고(기체 출구가 비스듬한 방향으로 액체로 향하도록 유도함), 그 결과 주변 액체는, 버블 캡(기체 편향 후드)의 배열과 협력하여, 물질 전달 트레이 위에서 볼 때, 설정된 직교류 상에 겹쳐진 직교류 버블-캡 트레이 상에 지향된 액체 유동을 유도할 수 있는 지향된 이동 펄스를 수용한다(종종, 이러한 슬롯 벤트 오픈은 강제 슬롯(forcing slot)이라고도 함). 예를 들어, 직교류 Thormann 트레이의 시퀀스에서, 하부 직교류 Thormann 트레이 상의 액체는 트레이를 가로질러 직접 유동하지 않고, 오히려 전술한 방식으로, 하나 이상의 공급부에서 하나 이상의 유출구까지 구불구불하게 이동하게 된다. 직교류 방향으로 차례로 배열된 직교류 Thormann 트레이의 2개의 후드 사이의 공간은 각각의 경우에 액체가 유동하는 채널(channel)을 형성한다. 직교류 Thormann 트레이의 상세한 구성은 추가로 일반적으로 액체가 직교류 방향으로 각각의 경우에 연속적인 2개의 채널에서 향류로 유동하는 방식이다(예를 들어, DE 10243625 A1의 도 3 참조). 이러한 방식으로 발생하는 구불구불한 직교류는 하나 이상의 공급부로부터 하나 이상의 유출구까지의 액체의 유동 경로를 연장시키고, 이는 직교류 Thormann 트레이의 분리 작용을 촉진한다.
이미 언급한 바와 같이, 직교류 버블-캡 트레이에서, 직교류 시브 트레이와 달리, 버블 캡에서 나오는 기체는 트레이 표면에 평행하게 직교류 버블 캡 트레이에 백업된 액체로 도입된다. 마찰 및 부력은, 버블-캡 가장자리에서 나오는 기체 스트림의 거리가 증가함에 따라, 점점 더 많은 하위-스트림이 직교류 버블-캡 트레이에 대해 직각 방향으로 편향되어 궁극적으로 액체 층에서 빠져나가는 것을 보장한다. 버블 캡의 기체 로딩이 증가함에 따라, 버블 캡에서 나오는 기체 스트림의 속도가 증가하여, 전술한 편향이 발생하는 지점까지 버블 캡의 가장자리로부터의 거리("버블 캡의 유효 범위")를 증가시킨다.
기체 로딩에 대한 견고한 버블 캡의 유효 범위의 의존성은 직교류 물질 전달 트레이의 통로 오리피스를 밸브(밸브 통로 오리피스)로 구성(디자인)함으로써 대응될 수 있다. 생성된 직교류 물질 전달 트레이는 직교류 밸브 트레이로 지칭된다(예를 들어, DD 279822 A1, DD 216633 A1 및 DE 102010001228 A1 참조).
따라서, 본원에서 "직교류 밸브 트레이"라는 용어는 각각의 컬럼 로딩에 대해 기체 통로 오리피스의 크기를 조정하는 제한된 스트로크 플레이트(limited-stroke plate), 밸러스트(ballast) 또는 리프팅 밸브(lifting valve)(플로팅 플랩(floating flap))를 갖는 통로 오리피스(트레이 구멍)를 갖는 직교류 물질 전달 트레이를 포함한다.
간단한 구성에서, 트레이의 통로 오리피스는 전술한 목적을 위해 상향 방향으로 이동가능한 커버 또는 플레이트(디스크)로 덮여 있다. 상승하는 기체가 통과하는 동안, 뚜껑(플레이트, 디스크)은 각각의 통로 오리피스(일반적으로 트레이 상에 단단히 고정되어 있음) 위에 추가로 장착된 상응하는 가이드 구조(가이드 케이지(guide cage))의 기체 스트림에 의해 상승하고, 최종적으로 기체 로딩에 상응하는 스트로크 높이에 도달한다(가이드 케이지 대신에, 디스크는 트레이에 고정되어 위쪽으로 이동가능한 밸브 다리(valve leg)를 가질 수도 있고, 이의 위쪽으로의 이동성은 상한을 가짐). 통로 오리피스를 통해 상승하는 기체 스트림은, 버블 캡(버블-캡 통로 오리피스의 경우)에서와 유사한 방식으로 융기된(raised) 뚜껑(플레이트, 디스크)의 아래쪽에서 편향되어, 융기된 플레이트(뚜껑, 디스크) 아래에 형성된 출구 영역에서 나가고, 버블-캡 트레이의 경우와 마찬가지로, 트레이에 백업된 액체가 이에 평행하게 들어간다. 따라서, 플레이트 스트로크는 기체 배출 영역의 크기를 제어하고, 가이드 케이지의 상단이 가능한 최대 스트로크 높이를 제한할 때까지, 컬럼 로딩에 대해 자동으로 조정된다. 낮은 기체 로딩에서, 스페이서(spacer)에 의해 제공되는 공간이 수평 기체 유출과 직교류 액체의 활발한 혼합을 여전히 허용하는 정도까지만 밸브가 닫히도록, 플레이트는 아래쪽을 향하는 스페이서를 가질 수 있다. 스페이서는 또한 트레이에 밸브 디스크가 달라붙는 것을 방지한다. 직교류 밸브 트레이의 밸브 요소(valve element)의 적절한 구성을 통해, 밸브 요소의 송풍 방향(blowing direction)을 조정할 수 있으므로, 직교류 밸브 트레이의 강제 액체 유동에 추가로 영향을 줄 수 있다(예컨대, DD 216633 A1 참조). 직교류 밸브 트레이의 원리와 본원에서의 목적에 사용할 수 있는 밸브 트레이는, 예를 들어 문헌[Technische Fortschrittsberichte, volume　61, Grundlagen der Dimensionierung von Kolonnenboeden, pages　96 to 138]에서 찾아볼 수 있다. 전술한 이동 밸브(moving valve)뿐만 아니라, 당업자는 고정 밸브(fixed valve)도 알고 있다. 이는 일반적으로 디스크 모양, 사다리꼴 또는 직사각형 유닛(unit)이고, 트레이 플레이트를 천공하고, 위쪽을 향한 고정 다리를 통해 연결된다.
특히, 직교류 물질 전달 트레이에서 분리 컬럼의 직경이 상대적으로 큰 경우, 하나 이상의 유출구의 유출구 위어에 도달할 때까지, 하나 이상의 공급부로부터 진행되는 주목할만한 액체 구배가 자연스럽게 형성된다(액체의 백업 높이의 구배는 (제한된 정도까지) 직교류를 공급함). 그 결과, 상대적으로 액체 높이가 낮은 영역에서, 생성된 더 낮은 저항에 기인하여, 상승하는 기체는 비교적 더욱 쉽게 액체 층을 통과할 수 있다. 이는 궁극적으로 직교류 물질 전달 트레이의 불균일한 기체 로딩을 초래할 수 있고(액체 높이가 낮은(유동 저항이 낮은) 영역을 통한 우선적인 유동이 있음), 이는 분리 작용을 손상시킨다. 이에 관하여, 예를 들어, 직교류 버블-캡 트레이의 경우 조절가능한 높이의 버블 캡(다르게는, 버블 캡 크기도 변경될 수 있음)을 사용하거나, 예를 들어, 물질 전달 트레이가 단면에 걸쳐 본질적으로 균질하게 가스를 생성하도록 직교류 밸브 트레이의 경우 중량이 다른 플레이트(뚜껑)를 사용함으로써 보상 효과가 가능하다(이때, 직교류 물질 전달 트레이의 액체 높이가 더 낮고, 버블 캡의 높이는, 적용 측면에서 적절하게, 상응하는 더 낮은 수준에서 선택되거나, 스트로크 플레이트(스트로크 뚜껑)의 무게가 상응하게 더 높은 수준에서 선택되고; 버블 캡의 높이는, 예를 들어 이의 단부에서 버블 캡이 임의적으로 나사로 고정되는 상응하는 굴뚝의 길이의 제어된 단축에 의해 저하될 수도 있고; 대안적으로 또는 추가적으로, 예를 들어, 버블-캡 가장자리의 톱니/슬롯 구조도 원하는 유동 저항 보상(flow resistance compensation)을 달성하도록 변경될 수 있고; 이상적으로, 분리 컬럼의 작동 중에, 직교류 버블-캡 트레이에 존재하는 모든 버블 캡이 상승하는 기체에 대해 동일한 유동 저항을 유발하도록, 직교류 물질 전달 트레이에 대해 조정이 이루어짐). 그렇지 않으면, 직교류 물질 전달 트레이의 통로(통로 오리피스)는 일반적으로 유리하게는 균일하게 구성된다.
직교류 물질 전달 트레이를 통해 (최상부에서 아래로) 이어지는 오리피스[이의 단면적은 일반적으로 직교류 물질 전달 트레이의 다른 모든 오리피스의 전체 단면적(하나 이상의 다운코머의 단면을 포함하지 않음)보다 200배 초과로 작음]는 직교류 물질 전달 트레이를 통해 상승하는 기체를 위한 (분리) 통로 오리피스를 구성하지 않으므로, 이의 일부로 간주되지 않는다. 예를 들어, 이러한 오리피스는, 분리 컬럼이 정지될 때, 수밀봉 직교류 트레이가 비워질 수 있는 작은 비움 구멍(tiny emptying hole)일 수 있다. 이러한 오리피스가 나사 연결 목적으로 사용되는 것도 가능하다.
하나 이상의 다운코머를 갖는 물질 전달 트레이의 시퀀스[이때, 하나 이상의 공급부와 하나 이상의 유출구가, 예를 들어 (원형) 물질 전달 트레이의 동일한 절반에 존재하거나, 하나 이상의 공급부가 트레이의 중심에 있고 하나 이상의 유출구가 트레이의 가장자리에 있음]는 (발명의) 적용 측면에서 직교류 물질 전달 트레이의 시퀀스를 구성하지 않는다.
기술된 바와 같이 디자인된 직교류 물질 전달 트레이의 효율은 일반적으로 하나의 이론적인 플레이트(하나의 이론적인 분리 단계)의 효율보다 낮다. 본원에서 이론적인 플레이트(또는 이론적인 분리 단계)는 분리 내부 부품을 포함하고 열역학적 평형에 따라 물질을 농축하는 열 분리 방법에 사용되는 분리 컬럼의 공간 장치를 매우 일반적으로 의미하는 것으로 본원에서 이해되어야 한다. 즉, "이론적인 플레이트"라는 용어는 물질 전달 트레이가 있는 분리 컬럼과 구조화된 패킹 및/또는 무작위 패킹이 있는 분리 컬럼 둘 다에 적용가능하다.
선행 기술은 분리 컬럼에서 상승하는 하나 이상의 기체 스트림과 분리 컬럼에서 하강하는 하나 이상의 액체 스트림 사이의 열 분리 방법의 수행을 위해 사용되고, 이때 하나 이상의 액체 스트림이 하나 이상의 (메트)아크릴계 단량체를 포함하는, 분리 내부 부품을 포함하는 분리 컬럼을 비롯한 분리 컬럼에서, 2개 이상의 동일한 직교류 물질 전달 트레이의 시퀀스의 사용을 권장한다. 예를 들어, 문헌 DE 19924532 A1, DE 10243625 A1 및 WO 2008/090190 A1은 분자 산소에 의한 아크릴산의 C3 전구체의 불균질하게 촉매화된 기체 상 부분 산화로부터의 아크릴산을 포함하는 생성물 기체 혼합물의 분별 응축 방법의 수행을 위한 분리 컬럼에서의 동일한 수밀봉 직교류 물질 전달 트레이의 시퀀스의 추가적인 사용을 권장하고, 이는 바닥부터 위쪽으로 제1 이중-유동 트레이와 이어지는 수밀봉 직교류 물질 전달 트레이를 포함한다.
선행 기술에서 권장되는 직교류 물질 전달 트레이의 시퀀스의 특징적인 특징은 하나 이상의 공급부로부터 하나 이상의 다운코머까지의 직교류 방향으로 각각의 경우 시퀀스 내의 2개의 연속적인 직교류 물질 전달 트레이 중 하부 트레이가 하나 이상의 공급부와 하나 이상의 다운코머 사이의 영역에만 통로 오리피스를 갖는 것이다(하나 이상의 하향류 오리피스; 예를 들어 DE 10243625 A1의 도 3 및 4, DD 279822 A1의 도 1, DD 216633 A1의 도 1, 및 문헌[Chemie-Ing.-Techn. Volume　45, 1973/No.　9 + 10, pages　617 to 620]의 도 1 참조).
(메트)아크릴계 단량체의 문제적 특성은 원치 않는 중합 경향이고, 이는, 특히 액체 상에서, 중합 억제제를 첨가하더라도 완전히 억제할 수 없다는 점이다.
공지된 분리 컬럼의 단점은, 열 분리 방법을 연속적으로 수행하는 경우, 물질 전달 트레이에서 장기간 작동하면 원치 않는 중합체가 비교적 자주 형성된다는 점이다. 이는, 원치 않는 중합체 형성으로 인해, 열 분리 방법의 작업자가 형성된 중합체를 제거하기 위해 열 분리 방법 시간을 계속해서 중단해야 하기 때문에 특히 불리하다. 이는 후자가 물질 전달 트레이의 통로 오리피스를 부분적으로 또는 완전히 차단할 수 있기 때문이다. 더욱이, (메트)아크릴계 단량체의 자유 라디칼 중합은 일반적으로 현저히 발열성이고, 즉 높은 열 방출을 갖는다. 중합이 너무 격렬하게 진행되어 중합 혼합물을 포함하는 분리 컬럼이 폭발할 위험이 있다.
WO 2017/012855 A1은 컬럼 공동을 형성하는 원통형 수직 컬럼 본체, 컬럼 공동에 장착되고 서로 수직으로 이격된 복수의 트레이, 컬럼 본체 내에 배치되고 컬럼 본체로부터 멀리 연장되는 하나 이상의 스터브(stub), 및 스터브에 형성된 폐쇄형 검사 오리피스(closable inspection orifice)를 갖는, 유체 혼합물의 열 처리를위한 컬럼에 관한 것으로서, 이때 컬럼 본체에 배치된 분무 장치(spray device)는 적어도 컬럼 공동으로 향하는 스터브의 표면에 대해 액체를 분무할 수 있다. 또한, 컬럼 내에서 상승하는 하나 이상의 기체와 컬럼 내에서 하강하는 하나 이상의 액체 사이의 열 분리 방법이 개시된다. 예를 들어, 기체 및/또는 액체가 (메트)아크릴계 단량체를 함유하는 경우, 이러한 컬럼에서의 중합 경향은 특히 크다. 이러한 원치 않는 중합은 적어도 컬럼 공동으로 향하는 스터브의 표면에 대해 액체를 분무할 수 있는, 컬럼 본체에 배치된 분무 장치 덕분에 상기 방법에서 방지된다. 이러한 방법은 높은 투자 비용을 수반하고, 또한 일반 공정 모드(process mode) 중에 에너지 및 유지관리를 위한 비용을 증가시키는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 구조적 노력이 덜 필요하고, 유지관리가 덜 필요하고, 공정 모드 중에 비용에 덜 민감한 더 간단한 컬럼을 수득하는 방식으로 전술한 유형의 컬럼을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 공정 모드 중에 유지관리가 덜 필요하고 비용에 덜 민감한 더 간단한 공정을 수득하는 방식으로 전술한 유형의 열 분리 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목적은 본원의 문맥에서 "본 발명의 제1 컬럼"으로 지칭되는 청구항 1의 특징을 갖는 컬럼, 또는 "본 발명의 제2 컬럼"으로 지칭되는 청구항 8의 특징을 갖는 컬럼, 및 청구항 12항의 특징을 갖는 열 분리 방법에 의해 달성된다. 유리한 구성 및 개발은 종속항으로부터 명백하다.
공간적인 용어 "최상부", "바닥", "수평" 및 "수직"은 별도로 명시하지 않는 한 작동 중 컬럼의 방향과 관련된다.
따라서, 본 발명은 중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물을 열 처리하기 위한 컬럼에 관한 것으로서, 상기 컬럼은 컬럼 공동을 형성하는 원통형 수직 컬럼 본체, 및 컬럼 공동에 배치되고, 물질 전달 트레이의 테두리로 둘러싸인 하나 이상의 개구를 포함하는 하나 이상의 물질 전달 트레이를 포함한다. 컬럼은 물질 전달 트레이가, 물질 전달 트레이의 테두리에 기밀 방식(gas-tight manner)으로 연결되고, 하나 이상의 물질 전달 트레이에 또는 그 아래에 위치하는 유입 개구(inlet opening), 및 하나 이상의 물질 전달 트레이 위에 위치하는 유출 개구(outlet opening)를 포함하는 하나 이상의 상승 튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상승 튜브는 물질 전달 트레이의 상부 표면에 가까운 수직 방향으로 물질 전달 트레이 위에 위치하는 하나 이상의 측면 개구(lateral opening)를 추가로 포함한다. 상기 상승 튜브는, 유입 개구로부터 상승 튜브를 통해 유출 개구까지 유동하는 화합물의 혼합물의 기체 상의 상승에 의해, 상승 튜브 내로 하나 이상의 측면 개구를 통해 도입되는, 물질 전달 트레이로부터의 화합물의 혼합물의 액체 분획을 원자화함으로써 파운틴(fountain)을 형성하도록 구성되고, 이때 파운틴은, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟(spot)까지, 물질 전달 트레이 위에 위치하는 컬럼의 부분 내로 분무된다.
본 발명의 컬럼은 컬럼 공동을 형성하는 원통형 수직 컬럼 본체를 포함한다. 상기 컬럼은 중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물의 열 처리에 적합한다. 상기 열 처리 공정(thermal treatment process)은 컬럼 공동 내부에서 수행된다.
본 발명의 컬럼은 컬럼 공동에 배치된 하나 이상의 물질 전달 트레이를 포함한다. 적절하게는, 컬럼은 하나 초과의 물질 전달 트레이, 즉 물질 전달 트레이의 시퀀스를 포함한다. 예를 들어, 이러한 물질 전달 트레이는 강제 유동이 없는 물질 전달 트레이, 예컨대 트리클 시브 트레이 및 이중-유동 트레이, 및 강제 액체 유동이 있는 물질 전달 트레이, 예컨대 직교류 물질 전달 트레이, 직교류 버블-캡 트레이, 직교류 후드 트레이, 직교류 Thormann 트레이 및 직교류 밸브 트레이로부터 선택될 수 있다.
컬럼이 물질 전달 트레이의 시퀀스를 포함하는 경우, 바로 연속하는 2개의 트레이 사이의 순간격(clear distance)은 적절하게는 700 mm 이하, 바람직하게는 600 mm 이하, 또는 500 mm 이하일 수 있다. 적용 측면에서 적절하게, 트레이 시퀀스 내의 순간격은 300 내지 500 mm이다. 일반적으로, 트레이 간격(tray separation)은 250 mm 이상이어야 한다.
일반적으로, 추가 분리 내부 부품이 트레이 사이에 배치될 수 있다. 이러한 분리 내부 부품은 분리 컬럼의 물질 분리를 향상시킨다. 예를 들어, 이러한 추가 내부 부품은 구조화되거나 정돈된 패킹, 및/또는 무작위 패킹의 베드(bed)와 같은 패킹의 형태로 제공될 수 있다. 무작위 패킹 중에서 Raschig 링(ring), Intos 링 또는 Pall 링과 같은 링; 헬릭스(helix); Berl 새들(saddle) 또는 Intalox 새들 등과 같은 새들을 포함하는 패킹이 바람직하다. 스테인레스 스틸 시트로 제조된 천공된 구조의 패킹과 같은 구조화된 패킹은 그 자체로 당업자에게 공지되어 있다.
본 발명의 컬럼의 하나 이상의 물질 전달 트레이는 하나 이상의 개구를 포함한다. 본원의 맥락에서, "개구"라는 용어는 추가로 물질 전달 트레이에 존재할 수 있는 트레이 구멍과 같은 통로 오리피스 이외의 물질 전달 트레이에 삽입된 하나 이상의 개방 통로(open passage)를 의미한다. 적절하게는, 이러한 개구는 원형, 정사각형, 직사각형 등의 단면을 가질 수 있다. 바람직하게는, 개구는 원형, 예를 들어 원형 구멍이다.
본 발명의 컬럼의 하나 이상의 물질 전달 트레이의 하나 이상의 개구는 물질 전달 트레이의 테두리에 의해 둘러싸여 있다. 본원의 맥락에서, "물질 전달 트레이의 테두리"라는 용어는 물질 전달 트레이의 기하학적 표면의 폐쇄된 주변을 의미하고, 기하학적 표면은 개구이고, 폐쇄된 주변은 상기 개구를 둘러싸는 것이다. 예를 들어, 개구가 원형 구멍인 경우, 물질 전달 트레이의 테두리는 상기 원형 구멍을 둘러싸는 물질 전달 트레이의 원주이다.
본 발명의 컬럼의 하나 이상의 물질 전달 트레이는 하나 이상의 상승 튜브를 포함한다. 본원의 맥락에서, 용어 "상승 튜브"는 액체 상 및/또는 기체 상이 상승하는, 즉 올라가는 방식으로 상기 중공 튜브(hollow tube)를 통해 유동할 수 있도록 디자인된 중공 튜브를 의미한다. 상승 튜브는 기밀 방식으로 물질 전달 트레이의 테두리에 연결된다. 적절하게는, 상승 튜브는 물질 전달 트레이의 테두리에 용접될 수 있다. 적절하게는, 상승 튜브는 원형, 정사각형, 직사각형 등의 단면을 가질 수 있다. 개구와 상승 튜브는 동일한 단면의 기하학적 구조를 갖고, 예를 들어 개구는 원형 구멍일 수 있고, 상승 튜브는 원통형 튜브일 수 있다. 이러한 경우, 개구의 직경은 상승 튜브의 내부 직경과 유사한 범위일 수 있고, 특히 동일할 수 있다.
일반적으로, 물질 전달 트레이는 하나 초과의 상승 튜브를 포함할 수 있다.
본 발명의 컬럼의 상승 튜브는 유입 개구를 포함한다. 본원의 맥락에서, "유입 개구"라는 용어는 액체 상 및/또는 기체 상이 상승 튜브를 통해 유동하기 전에 상승 튜브에 들어갈 수 있는 상승 튜브의 부분을 의미한다. 유입 개구는 하나 이상의 물질 전달 트레이에 또는 그 아래에 위치한다.
본 발명의 컬럼의 상승 튜브는 유출 개구를 포함한다. 본원의 맥락에서, "유출 개구"라는 용어는 액체 상 및/또는 기체 상이 상승 튜브를 통해 유동한 후 상승 튜브에서 나갈 수 있는 상승 튜브의 부분을 의미한다. 유출 개구는 하나 이상의 물질 전달 트레이 위에 위치한다. 즉, 유출 개구는 또한 유입 개구 위에 위치한다.
본 발명의 컬럼의 상승 튜브는 측면 개구를 포함한다. 본원의 맥락에서, "측면 개구"라는 용어는 상승 튜브에 삽입된 하나 이상의 개방 통로를 의미한다. 적절하게는, 하나 이상의 측면 개구는 원형, 정사각형, 직사각형 등의 단면을 갖는 구멍일 수 있다. 바람직하게는, 개구는 원형 구멍이다. 측면 개구는 물질 전달 트레이의 상부 표면에 가까운 수직 방향으로 물질 전달 트레이 위에 위치한다. 예를 들어, 측면 개구는 물질 전달 트레이 바로 위에 위치하는 원형 구멍일 수 있다.
전술한 컬럼의 장비 및 설비(installation)에 의해 파운틴이 생성될 수 있다. 상기 파운틴은 물질 전달 트레이로부터의 화합물의 혼합물의 액체 분획을 포함하고 이에 의해 연속적으로 공급될 수 있다. 먼저, 화합물의 혼합물의 상기 액체 분획은 하나 이상의 측면 개구를 통해 상승 튜브로 들어간다. 동시에, 화합물의 혼합물의 기체 상은 유입 개구에서 동일한 상승 튜브로 들어가 상승 튜브를 통해 상승 튜브의 유출 개구를 향하는 방향으로 유동, 즉 상승한다. 유입 개구에서 유출 개구로 이동하는 동안, 하나 이상의 측면 개구를 통해 상승 튜브로 들어가는 화합물의 혼합물의 기체 상과 화합물의 혼합물의 액체 분획은, 측면 개구가 유입 개구와 유출 개구 사이에 위치함에 따라 접촉된다. 이로 인해 화합물의 혼합물의 액체 부분이 원자화된다. 화합물의 혼합물의 원자화된 액체 분획은 상승 튜브를 통해 통과, 즉 상승하고, 파운틴의 형태로 유출 개구를 통해 상기 상승 튜브에서 나온다.
그런 다음, 파운틴은 물질 전달 트레이 위에 위치하는 컬럼의 부분으로 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟까지 분무된다. 예를 들어, 분리될 화합물의 혼합물이 잠재적으로 중합할 수 있는 화합물을 포함하는 경우, 중합이 발생하기 쉬운 다수의 분리 방법이 존재한다. 더 자세히 전술한 바와 같이, 이러한 중합은, 예를 들어 화합물 중 하나의 적어도 일부의 원치 않는 소비, 분리 방법의 악화 또는 복잡성과 관련된 화합물의 혼합물의 오염, 및, 가장 중요하게는, 예를 들어 독성이 있거나 잠재적으로 폭발할 수 있는 유해한 부산물의 형성에 기인하여, 많은 관점에서 문제이다. 비제한적인 예로서, 아크릴계 단량체를 함유하는 혼합물의 분리가 이의 맥락에서 언급될 수 있다. 예를 들어, 아크릴산의 중합은 폭발 가능성이 있고, 컬럼의 특정 지점(본원의 맥락에서 "중합이 발생할 가능성이 있는, 컬럼 내부의 표면의 스팟"으로 지칭됨)에 부착되는 경향이 있는 바람직하지 않은 고체 부산물을 생성할 수 있다.
적절하게는, 이러한 스팟은 소위 데드존(dead zone)이라고도 한다. 이러한 "데드존"에서, 물질 전달 트레이 내의 유체의 체류 시간이 특히 길다. 이러한 긴 체류 시간은 중합을 촉진한다. 컬럼의 이러한 스팟 또는 데드존은 자세히 전술한 파운틴을 분무하여 도달될 수 있고, 결과적으로 파운틴에 의한 액체 순환이 발생한다. 결과적으로, 물질 전달 트레이 상의 화합물의 혼합물의 액체 분획의 체류 시간이 감소된다.
이는 다음과 같은 이유로 유리하다: 전술한 바람직하지 않은 고체 중합 부산물이 이미 형성되어 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟에 부착된 경우, 상기 부착은 "부착물을 세척하는 것"이라고 기술될 수 있는 파운틴의 연속적인 분무에 의해 제거될 수 있다. 원치 않는 고체 중합 부산물이 형성되지 않았거나 아직 형성되지 않은 경우, 파운틴을 사용하여 연속적으로 분무하면, 컬럼의 내부 표면의 스팟의 형성 및/또는 스팟으로의 부착을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제1 컬럼은 아크릴계 단량체의 원치 않는 소비 및 화합물의 혼합물의 오염을 감소시켜 분리 방법의 악화 또는 복잡성을 방지할 수 있다. 또한, 폭발 가능성이 있는 부산물의 생성이 최소화되어 컬럼 작동 중 폭발 위험을 줄일 수 있다. 전술한 상승 튜브를 포함하는 본 발명의 제1 컬럼의 디자인에 의해, 파운틴을 생성하기 위해 사용되는 화합물의 혼합물의 액체 분획이 "다시 분무되는(sprayed back)" 컬럼에서 동일한 수준으로 회수되는 것이 더욱 유리하다. 따라서, 파운틴은 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟의 영역에 존재하는 화합물의 혼합물과 동일한 조성을 갖는다.
따라서, 본 발명의 제1 컬럼은 정제가 일어나는 컬럼의 장비의 데드 스팟(dead spot)에서 중합체 형성을 유의하게 감소시키는 다소 간단한 설비를 제공한다. 유리하게는, 중합체 형성이 발생할 가능성이 있는 스팟의 표면을 적시는 스프레이(spray)가 생성된다. 스프레이는 적절한 장비의 외부에 어떠한 설비(예컨대, 펌프)에도 연결할 필요가 없는 상승 튜브에 의해 생성된다. 스프레이 발생의 구동력(driving force)으로서, 분리 트레이의 압력 차이를 이용할 수 있다. 이와 대조적으로, 선행 기술에 개시된 공정은 컬럼 공동의 특정 스팟의 표면에 액체를 분무할 수 있는, 원치 않는 중합을 방지하기 위해 분무 장치를 적절하게 사용한다. 그러나, 이러한 스프레이 장치는 높은 투자 비용을 수반하고 정규 공정 모드에서 에너지 및 유지관리 비용이 증가한다는 단점이 있다. 선행 기술 방법의 상기 단점은, 상승 튜브에 의해 생성되는 스프레이를 제공하므로, 본원의 본 발명의 제1 컬럼에 의해 극복되고, 이때 상승 튜브는 펌프와 같은 어떠한 설비도 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명의 제1 컬럼은 종래 기술의 컬럼에 비해 더 간단한 컬럼이다. 또한, 본 발명의 제1 컬럼은 구성에 드는 노력과 유지관리가 덜 필요하고 공정 모드 중에 비용에 덜 민감하다.
한 실시양태에서, 측면 개구의 중심으로부터 유출 개구까지의 거리에 대한 측면 개구의 중심으로부터 물질 전달 트레이까지의 거리의 비율은 0.001 내지 0.1, 바람직하게는 0.005 내지 0.01의 범위이다. 상기 비율은 하나 이상의 측면 개구가 상승 튜브의 하부 부분에 위치되도록 보장한다. 적합하게는, 이는 측면 개구를 통해 유동하는, 물질 전달 트레이로부터의 화합물의 혼합물의 액체 분획이 파운틴에 지속적으로 공급되는 결과를 가져올 수 있다. 따라서, 더욱 더 효율적인 파운틴을 생성하는 것이 가능하다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 측면 개구의 중심으로부터 물질 전달 트레이까지의 거리는 1 내지 45 mm, 바람직하게는 2 내지 10 mm의 범위이다. 상기 거리를 통해, 더욱 효율적인 파운틴을 생성하는 것이 가능하다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 상승 튜브의 내부 직경에 대한 측면 개구의 내부 직경의 비율은 0.01 내지 0.8, 바람직하게는 0.05 내지 0.2의 범위이다. 화합물의 혼합물의 액체 분획을 본질적으로 포함하지 않는, 화합물의 혼합물의 기체 상만이 유입 개구를 통해 상승 튜브로 들어가는 경우, 물질 전달 트레이로부터 측면 개구를 통해 상승 튜브로 유동하는 화합물의 혼합물의 액체 분획의 양은 파운틴을 생성할 수 있을 만큼 충분히 높아야 한다. 상기 비율에 따라, 액체 분획의 양을 제어하여 더욱 더 효율적인 파운틴을 생성할 수 있다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 측면 개구는 1 내지 10 mm, 바람직하게는 3 내지 7 mm의 범위의 직경을 갖는다. 상기 직경을 통해, 더욱 더 효율적인 파운틴을 생성하는 것이 가능하다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 상승 튜브는 기밀 방식으로 측면 개구를 둘러싸고 상승 튜브의 방사상 방향(radial direction)으로 상승 튜브 내로 돌출되는 하나 이상의 측면 튜브를 포함한다.
본원의 맥락에서, 용어 "측면 튜브"는 액체 상이 상기 중공 튜브를 통해 상승 튜브로 수평으로 유동할 수 있도록 디자인된 중공 튜브를 의미한다. 측면 튜브는 기밀 방식으로 측면 개구를 둘러싸고; 이를 위해, 측면 튜브는, 예를 들어 측면 개구에서 상승 튜브에 용접될 수 있다. 적절하게는, 측면 튜브는 원형, 정사각형, 직사각형 등의 단면을 가질 수 있다. 측면 튜브와 측면 개구는 동일한 단면의 기하학적 구조를 갖고, 예를 들어 측면 개구는 원형 구멍일 수 있고, 측면 튜브는 원통형 튜브일 수 있다. 바람직하게는, 측면 개구의 직경은 측면 튜브의 내부 직경과 유사한 범위일 수 있거나, 특히 동일할 수 있다. 상승 튜브는 하나 이상의 측면 개구 및/또는 측면 튜브를 포함할 수 있다.
하나 이상의 측면 튜브에 의해, 화합물의 혼합물의 액체 분획이 상승 튜브의 더 안쪽에 위치하는 위치에 도입될 수 있고, 이는 훨씬 더 효율적인 파운틴을 생성할 수 있다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 측면 튜브는 상승 튜브로부터 방사상 방향으로 돌출된다. 예를 들어, 모든 종류의 중합 부산물이나 침전물과 같은 고체가 측면 개구 또는 측면 튜브의 영역에서 상승 튜브의 외부 표면에 부착될 수 있다. 상승 튜브의 외부 표면에서 끝나지 않고 상승 튜브 밖으로 돌출되도록 측면 튜브를 디자인함으로써, 이러한 고체는 측면 튜브의 주변이나 내부에 침전되지 않을 수 있다. 따라서, 측면 튜브의 막힘(plugging)이 방지될 수 있다.
한 실시양태에서, 측면 튜브는 상승 튜브의 중심으로 점점 가늘어지는(tapering) 원통형 또는 원추형 형상을 갖는다. 이러한 방식으로 측면 튜브를 디자인함으로써, 화합물의 혼합물의 액체 분획이 상승 튜브로 도입되는 위치가 훨씬 더 정확하게 결정될 수 있다. 이로 인해 더욱 더 효율적인 파운틴이 생성될 수 있다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 상승 튜브의 내부 직경에 대한 측면 튜브의 길이의 비율은 0.5 내지 2, 바람직하게는 0.5 내지 0.8의 범위이다. 본 발명의 맥락에서, 측면 튜브의 길이는 각각의 경우 방사상 방향으로, 상승 튜브 밖으로 가장 멀리 돌출되는 측면 튜브의 부분으로부터 상승 튜브 내로 가장 멀리 돌출되는 측면 튜브의 부분까지의 거리를 의미한다. 상기 비율에 의해, 화합물의 혼합물의 액체 분획이 상승 튜브 내로 도입되는 위치가 심지어 더욱 정확하게 결정될 수 있다. 이로 인해 더욱 효율적인 파운틴이 생성될 수 있다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 측면 튜브의 길이는 5 내지 20 mm, 바람직하게는 5 내지 10 mm의 범위이다. 상기 길이에 의해, 더욱 더 효율적인 파운틴을 생성하는 것이 가능하다. 이로 인해 더욱 효율적인 파운틴이 생성될 수 있다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 상승 튜브 내로 돌출하는 측면 튜브는 경사진 단부(beveled ending)를 갖고, 상승 튜브의 방사상 방향으로 상승 튜브 내로 가장 멀리 돌출하는 측면 튜브의 부분은, 상승 튜브의 방사상 방향으로 상승 튜브 안쪽으로 가장 적게 돌출되는 측면 튜브의 부분보다 더 작은 물질 전달 트레이까지의 수직 거리를 갖는다.
본원의 맥락에서, 측면 튜브의 "경사진 단부"라는 용어는 측면 튜브의 단부 섹션(end section)의 단면이 측면 튜브의 축과 직각을 이루지 않음을 의미한다. 이러한 맥락에서, "측면 튜브의 단부 섹션"이라는 용어는 측면 튜브의 단부, 즉 상승 튜브 내로 가장 멀리 돌출되는 측면 튜브의 부분을 의미한다. 즉, 측면 튜브는 상승 튜브 내로 돌출되는 단부에서, 예를 들어 대각선으로, 절단될 수 있다. 바람직하게는, 상승 튜브의 방사상 방향으로 상승 튜브 내로 가장 멀리 돌출되는 측면 튜브의 부분이, 상승 튜브 내로 가장 적게 돌출되는 측면 튜브의 부분보다 더 작은 물질 전달 트레이까지의 거리를 갖는 방식으로 절단된다.
전술한 상승 튜브 내로 돌출하는 측면 튜브의 단부에 경사진 단부를 포함하는 방식으로 측면 튜브를 디자인함으로써, 화합물의 혼합물의 액체 분획이 상승 튜브 내로 도입되는 위치가 더욱 더 정확하게 결정될 수 있다. 이로 인해 더욱 더 효율적인 파운틴이 생성될 수 있다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
본 발명의 다른 양상에 따라서, 전술한 문제는 중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물을 열 처리하기 위한 컬럼에 의해 해결되고, 이때 컬럼은 컬럼 공동을 형성하는 원통형 수직 컬럼 본체, 컬럼 공동에 배치되고 물질 전달 트레이의 테두리로 둘러싸인 하나 이상의 개구를 포함하는 물질 전달 트레이, 및 하나 이상의 하부 물질 전달 트레이(이때, 하부 물질 전달 트레이는 물질 전달 트레이 아래에 위치함)를 포함한다. 컬럼은 물질 전달 트레이가, 물질 전달 트레이의 테두리에 기밀 방식으로 연결되고 물질 전달 트레이에 또는 그 아래에 위치하는 유입 개구, 및 물질 전달 트레이 위에 위치하는 유출 개구를 포함하는 하나 이상의 상승 튜브를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상기 상승 튜브는 유입 개구로부터 상승 튜브를 통해 유출 개구로 유동하는 화합물의 혼합물의 기체 상의 상승에 의해 하부 물질 전달 트레이로부터의 화합물의 혼합물의 액체 분획을 원자화하여 파운틴을 형성하도록 구성되고, 이때 물질 전달 트레이 위에 위치하는 컬럼의 부분 내로 파운틴이 분무되고, 컬럼 공동은, 파운틴에 의한 스팟의 직접 분무를 위해, 상승 튜브의 유출 개구로부터, 중합이 일어날 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟까지 직선 통로(straight path)가 있도록 형성된다.
상기 컬럼은 전술한 바와 같이 "본 발명의 제2 컬럼"으로 지칭된다. 기본적으로, 전술한 본 발명의 제1 컬럼의 용어의 정의는 본 발명의 제2 컬럼에도 적용된다.
본 발명의 제2 컬럼은 한편으로는 "하나 이상의 하부 물질 전달 트레이"로 지칭되고, 다른 한편으로 "물질 전달 트레이" 또는 "하나 이상의 물질 전달 트레이"로 지칭되는 2개 이상의 물질 전달 트레이가 의무적으로 존재한다는 점에서 본 발명의 제1 컬럼과 상이하다. 물질 전달 트레이는 둘 다 컬럼 공동에 위치하고, 하부 물질 전달 트레이는 물질 전달 트레이 아래에 위치한다. 하나 이상의 상승 튜브는 상부 물질 전달 트레이 상에 위치하고, 파운틴은 하부 물질 전달 트레이로부터의 화합물의 혼합물의 액체 분획을 원자화함으로써 생성된다. 이와 대조적으로, 제1 발명 컬럼에서, 상승 튜브를 포함하는 물질 전달 트레이의 상부 표면으로부터 유래하는 화합물의 혼합물의 액체 분획의 적어도 일부가 원자화되고, 이때 상기 액체 분획의 적어도 일부는 하나 이상의 측면 개구를 통해 상승 튜브로 들어갈 수 있다.
본 발명의 제2 컬럼의 컬럼 공동은, 스팟을 파운틴에 의해 직접 분무할 수 있도록, 상승 튜브의 유출 개구로부터, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟까지 직선 통로가 존재하도록 형성된다. "직선 통로" 및 "직접 분무"라는 용어는 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟까지 파운틴이 상승 튜브를 떠나는 유출 개구로부터 직접 경로에 설치된 설비를 컬럼 공동이 포함하지 않음을 표현하기 위한 것이다. 이는 파운틴이 상기 스팟 또는 스팟들에 도달하는 것을 방지하는 것을 피하기 위해 경로가 자유롭고 이러한 설비로 인해 차단되지 않도록 하기 위한 것이다.
이는 다음과 같은 이유로 유리하다: 전술한 바람직하지 않은 고체 중합 부산물이 이미 형성되어 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟에 부착된 경우, 상기 부착은 다음과 같이 제거될 수 있다. "부착물을 세척하는 것"이라고 기술될 수 있는, 파운틴에 의한 연속적인 직접 분무에 의해 제거될 수 있다. 원치 않는 고체 중합 부산물이 형성되지 않았거나 아직 형성되지 않은 경우, 파운틴을 사용하여 연속적으로 직접 분무하면, 컬럼의 내부 표면의 스팟의 형성 및/또는 스팟으로의 부착을 방지할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제2 컬럼은 아크릴계 단량체의 원치 않는 소비 및 화합물의 혼합물의 오염을 감소시켜 분리 방법의 악화 또는 복잡성을 방지할 수 있다. 또한, 폭발 가능성이 있는 부산물의 생성이 최소화되어 컬럼 작동 중 폭발 위험을 줄일 수 있다. 전술한 상승 튜브를 포함하는 본 발명의 제2 컬럼의 디자인에 의해, 파운틴을 생성하기 위해 사용되는 화합물의 혼합물의 액체 분획이 "다시 분무되는" 컬럼에서 동일한 수준으로 회수되는 것이 더욱 유리하다. 따라서, 파운틴은 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟의 영역에 존재하는 화합물의 혼합물과 동일한 조성을 갖는다.
한 실시양태에서, 컬럼의 단면적에 대한 동일한 물질 전달 트레이 상에 위치하는 모든 상승 튜브에 의해 둘러싸인 수평 단면적의 합계의 비율은 0.00001 내지 0.1, 바람직하게는 0.00001 내지 0.001의 범위이다. 상기 비율에 의해, 화합물의 혼합물의 액체 분획의 충분한 양이 하부 물질 전달 트레이에 존재하고, 물질 전달 트레이 상에 포함된 상승 튜브의 파운틴이 액체 분획에 의해 충분히 공급될 수 있음이 보장될 수 있다. 따라서, 하나 초과의 상승 튜브가 물질 전달 트레이 상에 존재하는 있는 경우, 효율적인 파운틴 또는 효율적인 파운틴들이 생성될 수 있다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 상승 튜브는 5 내지 50 mm, 바람직하게는 15 내지 40 mm, 더욱 바람직하게는 25 내지 35 mm의 범위의 직경을 갖는다. 상기 직경을 통해, 더욱 더 효율적인 파운틴을 생성하는 것이 가능하다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 2개의 인접한 물질 전달 트레이 사이의 거리에 대한 상승 튜브의 길이의 비율은 0.1 내지 0.9, 바람직하게는 0.12 내지 0.5의 범위이다. 본원의 맥락에서, 상승 튜브의 길이는 상승 튜브의 유입 개구와 상승 튜브의 유출 개구 사이의 수직 거리로 정의된다. 상기 비율을 통해, 더욱 더 효율적인 파운틴을 생성하는 것이 가능하다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 상승 튜브는 50 내지 500 mm, 바람직하게는 100 내지 300 mm의 범위의 길이를 갖는다. 상기 길이에 의해, 더욱 더 효율적인 파운틴을 생성하는 것이 가능하다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 상승 튜브는, 상승 튜브의 하부 부분의 축과 함께 축이 90 내지 170°의 범위의 각도 α를 형성하는 구부러진 상부 부분(upper kinked part)을 포함한다.
본원의 맥락에서, 상승 튜브의 "구부러진 부분"이라는 용어는 직선 튜브가 아니라, 하나 이상의 버클링(buckling)을 포함하는 튜브인 상승 튜브를 의미한다. 상기 버클링은, 버클링의 한 측면에 위치하는 상승 튜브의 부분이 버클링의 반대 측면에 위치하는 상승 튜브의 부분과 함께 90 내지 170°의 범위의 예리한 각도(sharp angle)(α)를 둘러싸도록 디자인될 수 있다. 다르게는, 튜브는 구부러질 수 있다. 이러한 경우, 버클링의 한 측면에 위치하는 상승 튜브의 부분과 버클링의 반대 측면에 위치하는 상승 튜브의 부분은 예리한 각도를 둘러싸지 않고, 이행(transition)은 오히려 점진적이다.
구부러진 부분을 갖는 상기 상승 튜브에 의해, 유출 개구를 통해 상승 튜브에서 나가는 파운틴을, 예를 들어 스팟이 접근하기 어려운 컬럼의 영역에 위치하는 경우, 중합이 더욱 효율적인 방식으로 발생할 가능성이 있는, 컬럼의 내부 표면의 스팟까지 향하게 하는 것이 가능하다.
이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟은 지지 구축물(support construction)의 예리한 각도의 표면, 다운코머(downcomer)의 예리한 각도의 바닥, 맨웨이(manway) 및/또는 핸드홀(handhole)로부터 선택된다. 적절하게는, 상기 스팟은 소위 "데드 존"(상기 참조)으로도 지칭된다.
컬럼 공동 내의 상기 스팟(예컨대, 데드존)은 일반적으로 접근하기 어렵다. 특히 효율적으로 상기 스팟에 분무함으로써, 전술한 바람직하지 않은 고체 중합 부산물이 이미 형성되어 상기 스팟에 부착된 경우, 이러한 부착물은 제거될 수 있고, 이는 "부착물을 세척하는 것"으로 기술될 수 있다. 바람직하지 않은 고체 중합 부산물이 형성되지 않았거나 아직 형성되지 않은 경우, 특히 효율적으로 상기 스팟에 분무하는 것은 상기 스팟으로의 형성 및/또는 부착을 방지할 수 있다.
따라서, 아크릴계 단량체의 원치 않는 소비 및 화합물의 혼합물의 오염이 감소되어 분리 방법의 악화 또는 복잡성을 피할 수 있다. 또한, 폭발 가능성이 있는 부산물의 생성이 최소화되어 컬럼 작동 중 폭발 위험을 줄일 수 있다.
따라서, 본 발명의 제2 컬럼은 정제가 일어나는 컬럼의 장비의 데드 스팟에서 중합체 형성을 유의하게 감소시키는 다소 간단한 설비를 제공한다. 유리하게는, 중합체 형성이 발생할 가능성이 있는 스팟의 표면을 적시는 스프레이가 생성된다. 스프레이는 적절한 장비의 외부에 어떠한 설비(예컨대, 펌프)에도 연결할 필요가 없는 상승 튜브에 의해 생성된다. 스프레이 발생의 구동력으로서, 분리 트레이의 압력 차이를 활용할 수 있다. 이와 대조적으로, 선행 기술에 개시된 공정은 컬럼 공동의 특정 스팟의 표면에 액체를 분무할 수 있는 원치 않는 중합을 방지하기 위해 분무 장치를 적절하게 사용한다. 그러나, 이러한 스프레이 장치는 높은 투자 비용을 수반하고 정규 공정 모드에서 에너지 및 유지관리 비용이 증가한다는 단점이 있다. 선행 기술 방법의 상기 단점은, 상승 튜브에 의해 생성되는 스프레이를 제공하므로, 본원의 본 발명의 제2 컬럼에 의해 극복되고, 이때 상승 튜브는 펌프와 같은 어떠한 설비도 필요로 하지 않는다. 따라서, 본 발명의 제2 컬럼은 종래 기술의 컬럼에 비해 더 간단한 컬럼이다. 또한, 본 발명의 제2 컬럼은 구성에 드는 노력과 유지관리가 덜 필요하고 공정 모드 중에 비용에 덜 민감하다.
본 발명은 또한 전술한 바와 같이 컬럼 내에서 상승하는 화합물의 혼합물의 하나 이상의 기체 상과 컬럼 내에서 하강하는 화합물의 혼합물의 하나 이상의 액체 분획 사이의 열 분리 방법에 관한 것이다.
본 발명의 컬럼의 장점을 고려할 때, 본 발명의 제1 또는 제2 컬럼을 사용하는 본 발명의 열 분리 방법은 선행 기술 공정과 비교할 때 공정 모드 중에 유지관리가 덜 필요하고 비용에 덜 민감한 간단한 방법이다.
기본적으로, 전술한 본 발명의 제1 컬럼 및 본 발명의 제2 컬럼의 용어의 정의가 열 분리 방법에도 적용된다.
한 실시양태에서, 파운틴에 의해, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟에 직접 분무하기 위해, 물질 전달 트레이 상에 위치하는 화합물의 혼합물의 정체 액체 분획은 원자화되어 상승 튜브의 유출 개구에 파운틴을 형성한다.
본원의 맥락에서, 화합물의 혼합물의 "정체 액체 분획"이라는 용어는 물질 전달 트레이 상에 위치하는 액체 분획의 양을 의미한다.
화합물의 혼합물의 원자화된 정체 액체 분획을 함유하는 파운틴에 의해 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟에 직접 분무함으로써, 단지 유지관리가 거의 없으며 비용에 민감하지 않도록 하는 간단한 방식으로 상기 파운틴을 생성할 수 있다. 예를 들어, 상기 파운틴을 생성하는 것은 펌프 또는 유사한 장치의 설치나 작동이 필요하지 않는다.
한 실시양태에서, 물질 전달 트레이 상에 위치하는 화합물의 혼합물의 정체 액체 분획의 수준은, 상승 튜브의 측면 개구의 중심이 적어도 부분적으로 침지되도록 조정된다. 이러한 방식으로 정체 액체 분획의 수준을 제어함으로써, 화합물의 혼합물의 충분한 양의 액체 분획이 하부 물질 전달 트레이에 존재하여 바람직하게는 측면 개구를 통한 액체 분획의 일정한 유동이 발생하도록 보장될 수 있다. 이렇게 하여, 파운틴에 정체 액체 분획이 충분히 공급될 수 있고 훨씬 더 효율적인 파운틴이 생성될 수 있다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 상승 튜브들의 수(number)와 상승 튜브 또는 상승 튜브들의 길이 및 내부 직경은, 공정 모드 중에, 물질 전달 트레이 아래에 위치하는 컬럼의 부분과 물질 전달 트레이 위에 위치하는 컬럼의 부분 사이의 압력 강하가 1 mbar 이상, 바람직하게는 4 mbar 이상이도록 조정된다. 전술한 압력 강하를 설정하는 방식으로 컬럼의 설비를 조정함으로써, 예컨대 분무력(spraying power)과 관련하여, 훨씬 더 효율적인 파운틴을 생성하는 것이 가능하다. 이는 화합물의 혼합물을 열 처리하는 동안, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟, 예를 들어 데드존에서 원치 않는 중합 부산물의 형성을 훨씬 더 효과적으로 방지한다.
한 실시양태에서, 상승하는 기체 상 및/또는 하강하는 액체 분획은 (메트)아크릴계 단량체를 포함한다.
본 발명에 따른 열 분리 방법은, 예를 들어 분자 산소에 의한 아크릴산의 C3 전구체 화합물, 특히 프로펜 및/또는 프로판의 불균질하게 촉매화된 기체 상 산화로부터의 아크릴산을 포함하는 생성물 기체 혼합물로부터 아크릴산을 분리하여 아크릴산을 제공하기 위한 분별 응축 방법일 수 있다.
이러한 열 분리 방법에서, (메트)아크릴계 단량체를 사용하기 때문에 중합 경향이 특히 크다. 이러한 원치 않는 중합은, (메트)아크릴계 단량체를 함유하는 화합물의 혼합물의 원자화된 액체 분획을 포함하는 파운틴 덕분에 본 발명에 따른 방법에서 방지된다. 상기 파운틴은 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟 내로 분무된다.
컬럼 내의 스팟, 예를 들어 데드존으로의 상기 분무에 의해, 열 처리 공정 동안 바람직하지 않은 중합 부산물의 형성이 방지될 수 있다.
본 발명은 첨부된 도면 및 실시예를 참조하여 상세히 하기 기술된다.
도 1은 본 발명의 실시예의 컬럼의 일부분의 개략적인 수직 단면을 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용될 수 있는 상승 튜브의 개략적인 수직 단면을 도시한다.
도 3은 본 발명의 추가 실시예의 컬럼의 일부분의 개략적인 수직 단면을 도시한다.
실시예
이하에 설명되는 실시예는, 아크릴산을 제공하기 위한 분자 산소에 의한 아크릴산의 C3 전구체 화합물, 특히 프로펜 및/또는 프로판의 불균일하게 촉매화된 기체 상 부분 산화로부터의 아크릴산을 포함하는 기체 상(예를 들어, "생성물 기체 상"으로도 지칭됨)으로부터 아크릴산을 분리하기 위한, 예컨대 분별 응축에 의한, 열 처리 공정에서 사용되는 컬럼(1)에 관한 것이다.
도 1은 컬럼(1)의 일부분의 개략적인 수직 단면을 도시한다. 상기 컬럼(1)은 원통형 수직 컬럼 본체(3)를 포함하고, 이때 "수직"이라는 용어는 본 발명의 맥락에서 컬럼(1)의 축이 수직으로 정렬되는 것을 의미한다. 본질적으로, 컬럼(1)은 중공 원통(hollow cylinder)이다. 이는 컬럼(1)의 쉘(shell)이 컬럼 공동(4)을 둘러싸는 것을 의미한다. 컬럼(1)은 스테인리스 스틸로 제조된다. 일반적으로, 컬럼(1)은 기존 방식으로 외부가 단열된다. 컬럼(1)은 61 m의 길이(32), 즉 높이를 갖는다. 컬럼(1)은 7.4 m의 직경을 가지므로, 단면적(cross-sectional area)은 43 m2이다.
다수의 물질 전달 트레이(5)가 수평 방식으로 컬럼 공동(4)에 고정되고 수직 이격(vertical spacing)으로 장착되고, 이때 2개의 인접한 물질 전달 트레이(5) 사이의 거리(29)는 도 1의 실시예의 맥락에서 600 mm이다. 물질 전달 트레이(5)는 열 분리 방법 동안 컬럼(1)에서의 분리를 개선하는 분리 내부 부품의 역할을 한다. 도 1에 도시된 부분도는 2개의 물질 전달 트레이(5)를 도시한다. 이러한 경우, 물질 전달 트레이(5)는, 일반적으로 "수집 영역(collecting area)"으로도 지칭되는 물질 전달 트레이(5)의 상부 표면(12)을 갖는 Thormann 트레이이다.
하나의 개구(6)는 물질 전달 트레이(5)에서 절단된 원형 구멍의 형태로 물질 전달 트레이(5)에 삽입된다. 상기 개구(6)는 33.7 mm의 직경을 갖고, 이에 따라 개구(6)의 원주, 또는 개구(6)를 한정하는 물질 전달 트레이(5)의 테두리(7)의 크기는 106 mm이다.
물질 전달 트레이(5)는 다수의 상승 튜브(8)를 포함한다. 본원에 기술된 실시양태에서, 하나의 상승 튜브(8)는 물질 전달 트레이(5)에 삽입된다. 상승 튜브(8)는 스테인레스 스틸로부터 제조된 원통형 튜브이고, 기밀 및 또한 유밀 방식(fluid-tight manner)으로 물질 전달 트레이(5)의 개구(6)에 용접된다. 상승 튜브(8)는 물질 전달 트레이(5)의 테두리(7)에 용접된 상승 튜브(8)의 바닥 부분인 유입 개구(9)를 포함한다. 또한, 상승 튜브(8)는 상승 튜브(8)의 상부 부분인 유출 개구(10)를 포함한다. 즉, 유출 개구(10)는 상승 튜브(8)의 유입 개구(9)의 반대 측면에 위치한다.
도 1의 실시예에서, 상승 튜브(8)는 2개의 인접한 물질 전달 트레이(5) 사이에 위치하고, 2개의 인접한 물질 전달 트레이(5) 사이의 거리(29)는 약 600 mm이다. 상승 튜브(8)의 길이(31)는 상승 튜브(8)의 유입 개구(9)와 상승 튜브(8)의 유출 개구(10) 사이의 수직 거리로 정의된다. 도 1의 실시예의 맥락에서, 상승 튜브(8)의 길이(31)는 약 200 mm이다. 따라서, 2개의 인접한 물질 전달 트레이(5) 사이의 거리(29)에 대한 상승 튜브(8)의 길이(31)의 비율은 0.33이다.
상승 튜브(8)의 수가 1개인 도 1의 경우, 동일한 물질 전달 트레이(5)에 위치하는 모든 상승 튜브(8)에 의해 둘러싸인 수평 단면적의 합계는 유일하게 존재하는 상승 튜브(8)의 수평 단면적(33,895 mm2)과 동일하다. 컬럼(1)이 7.4 m의 직경 및 이에 따라 43 m2의 단면적을 가지므로, 컬럼(1)의 단면적에 대한 동일한 물질 전달 트레이(5)에 위치하는 모든 상승 튜브(8)에 의해 둘러싸인 수평 단면적의 합계의 비율은 도 1의 맥락에서 0.00079이다.
도 1의 컬럼(1)은 중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물인 아크릴산을 포함하는 액체 분획(14) 및 기체 상(15)을 포함한다. 상기 화합물의 혼합물은 컬럼 공동(4)에서 열 처리 공정으로 열 처리된다. 액체 분획(14)의 적어도 일부는 물질 전달 트레이(5)의 상부 표면(12) 상에 위치하여 액체 분획(14)의 소정 수준(36)을 제공한다. 기체 상(15)은 물질 전달 트레이(5) 아래 또는 위의 컬럼 공동(4)에 존재할 수 있다. 물질 전달 트레이(5) 아래에 위치하는 컬럼(1)의 부분은 참조 번호 38로 지정되고; 물질 전달 트레이(5) 위에 위치하는 컬럼(1)의 부분은 참조 번호 39로 지정된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 사용하기 위한 물질 전달 트레이(5)에 연결되는 상승 튜브(8)의 일부분의 개략적인 수직 단면의 확대도를 도시한다. 도 1과 동일한 참조 기호가 도 2의 상응하는 컴포넌트(component)에 사용된다.
상승 튜브(8)는 액체 분획(14)이 상승 튜브(8) 내로 유동할 수 있도록 서로 대향하는 2개의 측면 개구(11)를 포함한다. 측면 개구(11)는 중심(18)을 갖는 원형 구멍의 형태로 상승 튜브(8) 내로 삽입된다. 원형 구멍은 상승 튜브(8)에 뚫려 있다.
측면 개구(11)의 중심(18)에서 물질 전달 트레이(5)까지의 거리(17)는 화합물의 혼합물의 정체 액체 분획(14)의 수준(36)에서 물질 전달 트레이(5)까지의 거리보다 작다. 이러한 특징뿐만 아니라, 상승 튜브(8)의 수, 및 상승 튜브(8) 또는 상승 튜브들(8)의 길이(31) 및 내부 직경(21) 및/또는 온도 및/또는 압력과 같은 추가 공정 특징은, 물질 전달 트레이(5) 상에 위치하는 화합물의 혼합물의 정체 액체 분획(14)의 수준(36)이 상승 튜브(8)의 측면 개구(11)의 중심(18)이 적어도 부분적으로 침지되도록 조정되는 방식으로 조정된다. 이는 화합물의 혼합물의 액체 분획(14)이 측면 개구(11)를 통해 상승 튜브(8)로 유동할 수 있도록 보장한다. 도 1의 실시예에서, 거리(17)는 5 mm이고, 정체 액체 분획(14)의 수준(36)은 물질 전달 트레이(5)의 상부 표면(12)보다 35 mm 위에 위치한다.
도 1 및 도 2의 상승 튜브(8)는 각각 측면 개구(11)를 둘러싸고 상승 튜브(8)의 방사상 방향으로 상승 튜브(8) 내외로 둘 다 돌출하는 2개의 측면 튜브(22)를 추가로 포함한다. 측면 튜브(22)는 스테인레스 스틸로 제조된 원통형 튜브이고, 기밀 및 또한 유밀 방식으로 상승 튜브(8)에 용접된다. 측면 튜브(22)는 4 mm의 내부 직경과 10 mm의 길이(23)를 갖는다(도 2 참조). 상승 튜브(8)는 29.7 mm의 내부 직경(21)과 약 200 mm의 길이(31)를 갖는다. 따라서, 상승 튜브(8)의 내부 직경(21)에 대한 측면 튜브(22)의 길이(23)의 비율은 0.34이고; 상승 튜브(8)의 내부 직경(21)에 대한 측면 튜브(22)의 내부 직경의 비율은 0.135이다.
상승 튜브(8)에 의해, 물질 전달 트레이(5)의 상부 표면(12)에 위치하는 화합물의 혼합물의 액체 분획(14)의 일부분이, 측면 튜브(22)를 통해 유동함으로써, 측면 개구(11)를 통해 상승 튜브(8)로 들어간다. 상승 튜브(8) 내부에서, 화합물의 혼합물의 액체 분획(14)은, 물질 전달 트레이(5) 아래에 위치하는 컬럼(1)의 부분(38)에서 상승하는 기체 상(15)과 접촉함으로써 원자화된다. 상기 기체 상(15)은 유입 개구(9)로부터 상승 튜브(8)를 통해 유출 개구(10)로 유동하여, 상승 튜브(8)로 들어간 액체 분획(14)의 부분을 동반한다. 따라서, 상승 튜브(8)의 유출 개구(10)에서, 파운틴(13)이 형성된다(도 1 참조). 상기 파운틴(13)에 의해, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼(1)의 내부 표면의 스팟(16)에 분무될 수 있다. 도 1에서, 상기 스팟(16)은 맨웨이의 내부 표면이다. 이러한 맨웨이에서, 중합된 아크릴산으로부터의 원치 않는 부산물이 형성되어 맨웨이의 표면에 달라붙는 것이 일반적이다. 파운틴(13)을 이러한 스팟(16)에 분무할 수 있도록, 컬럼 공동(4)에는 유출 개구(10)에서 스팟(16)까지 파운틴(13)을 방해하는 설비가 없다. 즉, 상승 튜브(8)의 유출 개구(10)로부터, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼(1)의 내부 표면의 스팟(16)까지 직선 통로(28)가 있다.
도 1에서, 중합이 발생할 가능성이 있는, 컬럼(1)의 내부 표면(즉, 맨웨이의 내부 표면)의 스팟(16)은 물질 전달 트레이(5)의 개구(6) 바로 위에 위치하지 않고, 오히려 측면으로 오프셋되어 있고, 원통형 수직 컬럼 본체(3)에 제공된다. 따라서 파운틴(13)이 스팟(16)에 도달할 수 있도록, 본 실시양태의 상승 튜브(8)는 수직으로 배향된 하부 부분(37)과 유출 개구(10)가 스팟(16)을 향하도록 하는 구부러진 상부 부분(33)을 포함한다. 상승 튜브(8)의 유출 개구(10)로부터 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼(1)의 내부 표면의 스팟(16)까지의 직선 통로(28)는 상기 구부러진 부분(33)의 축(34)의 연장이다. 상승 튜브(8)의 하부 부분(37)의 축(35)과 구부러진 부분(33)의 축(34) 사이의 각도(α)는 140°이다. 상승 튜브(8)가 구부러진 부분(33)을 포함하지 않는 경우(도 2 참조), 상승 튜브(8)의 길이(31)는 측면 개구(11)의 중심(18)으로부터 물질 전달 트레이까지의 거리(17) 및 측면 개구(11)의 중심(18)으로부터 유출 개구(10)까지의 거리의 합계이다. 상승 튜브(8)가 구부러진 부분(33)을 포함하는 경우(도 1 참조), 상승 튜브(8)의 길이(31)는 물질 전달 트레이(5)의 상부 표면(12)과 상승 튜브(8)의 유출 개구(10) 사이의 수직 거리이다.
도 1에서 볼 수 있고 도 2에서 더 자세히 볼 수 있는 바와 같이, 상승 튜브(8) 내로 돌출되는 측면 튜브(22)의 부분은 경사진 단부(24)를 갖는다. 이는 측면 튜브(22)의 단부 섹션의 단부에 있는 단면이 측면 튜브(22)의 축과 직각을 이루지 않음을 의미한다. 즉, 측면 튜브(22)는 상승 튜브(8) 내로 돌출되는 단부에서, 예를 들어 대각선으로, 절단될 수 있다. 도 2에서, 경사진 단부(24)는 45°의 각도로 절단된다.
도 2에서, 상승 튜브(8)의 방사상 방향으로 상승 튜브(8) 내로 가장 멀리 돌출하는 측면 튜브(22)의 부분(25)은 측면 튜브(22)의 바닥 부분에 위치한다. 반대로, 상승 튜브(8)의 방사상 방향으로 상승 튜브(8) 내로 가장 적게 돌출하는 측면 튜브(22)의 부분(26)은 측면 튜브(22)의 최상부 부분에 위치한다. 따라서, 물질 전달 트레이(5)에 대한 부분(25)의 수직 거리는 물질 전달 트레이(5)에 대한 부분(26)의 수직 거리보다 작다. 경사진 단부(24)의 설비는 액체 분획(14)이, 기체 상(15)의 기체 스트림에 주입될 때, 상승하는 기체 상(15)과 더 효율적으로 접촉하는 것을 보장한다.
컬럼(1), 및 상승 튜브(8)의 수, 상승 튜브(8) 또는 상승 튜브들(8)의 길이(31) 및 내부 직경(21) 및/또는 온도 및/또는 압력과 같은 공정 특징은, 공정 모드 중에 물질 전달 트레이(5) 아래에 위치하는 컬럼(1)의 부분(38)과 물질 전달 트레이(5) 위에 위치하는 컬럼(1)의 부분(39) 사이의 압력 강하가 2 내지 4 mbar이도록 조정된다.
추가 실시예가 도 3에 도시된다. 기본적으로, 도 1에 이미 도시된 바와 유사한 컬럼(1)이 도시된다. 도 1 및 2와 동일한 참조 기호는 도 3의 컬럼(1)의 상응하는 컴포넌트에 사용된다.
도 1의 컬럼(1)과 비교하여, 도 3의 컬럼(1)에 있는 상승 튜브(8)는 측면 튜브(22)를 포함하지 않는다. 도 1의 컬럼(1)과 비교되는 도 3의 컬럼(1)의 추가 특징은 물질 전달 트레이(5) 이외에 추가 하부 물질 전달 트레이(further lower mass transfer tray)(27)의 존재이다. 추가 하부 물질 전달 트레이(27)는 물질 전달 트레이(5) 아래에 위치한다. 도 3에서 컬럼(1)의 개략적인 수직 단면은 3개의 총 수의 트레이, 즉 2개의 물질 전달 트레이(5) 및 하나의 추가 하부 물질 전달 트레이(27)를 도시한다. 추가 하부 물질 전달 트레이(27)의 존재에 의해, 도 3의 실시예의 공정에서, 화합물의 혼합물의 액체 분획(14)은 물질 전달 트레이(5) 대신에 추가 하부 물질 전달 트레이(27)로부터, 화합물의 혼합물의 기체 상(15)과 함께, 상승한다. 이에 비해, 도 1의 컬럼(1)에서, 화합물의 혼합물의 액체 분획(14)이 측면 튜브(22)를 통해 상승 튜브(8)로 들어간다.
모든 실시예에서 소개를 통해 언급된 것 중에서 다른 물질 전달 트레이를 사용하는 것도 가능하다는 것이 지적되어 있다.
이하, 실시예 중 하나의 전술한 컬럼(1)을 사용하여 실행되는 본 발명에 따른 방법의 실시예를 설명한다.
방법은 컬럼(1)에서 상승하는 화합물의 혼합물의 하나 이상의 기체 상(15)과 컬럼(1)에서 하강하는 화합물의 혼합물의 하나 이상의 액체 분획(14) 사이의 열 분리 방법이다. 상승하는 기체 상(15) 및/또는 하강하는 액체 분획(14)은 특히 (메트)아크릴계 단량체를 포함한다.
상기 열 분리 방법에서, 아크릴산을 제공하기 위해 분자 산소를 사용하는, C3 전구체 화합물, 특히 프로판 및/또는 프로펜의 불균질하게 촉매화된 기체 상 부분 산화로부터의 아크릴산을 포함하는 생성물 기체 상으로부터 아크릴산을 분리하기 위한 분별 응축은 분리 내부 부품을 포함하는 컬럼(1)에서 수행된다. 컬럼(1)은 바닥부터 위쪽으로 복수의 물질 전달 트레이(5)를 포함한다. 그렇지 않으면, 방법은 문헌 DE 19924532 A1, DE 10243625 A1 및 WO 2008/090190 A1에 설명된 대로 수행된다. 그러나, 이러한 경우, 물질 전달 트레이(5) 또는 추가 하부 물질 전달 트레이(27)에 위치하는 화합물의 혼합물의 액체 분획(14)은, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼(1)의 내부 표면의 스팟(16)까지 물질 전달 트레이(5) 위에 위치하는 컬럼(1)의 부분(39)으로 분무되는 파운틴(13)을 수득하기 위해 더욱 자세히 전술된 바와 같이 상승 튜브(8) 및 상승 기체 상(15)을 사용하여 원자화된다.
아크릴산의 "C3 전구체"라는 용어는 아크릴산의 환원에 의해 공식적인 의미로 수득될 수 있는 화학적 화합물을 포괄한다. 아크릴산의 공지된 C3 전구체는, 예를 들어 프로판, 프로펜 및 아크롤레인이다. 그러나, 글리세롤, 프로피온알데하이드, 프로피온산 또는 3-하이드록시프로피온산과 같은 화합물도 이러한 C3 전구체에 포함되어야 한다. 이들로부터 진행하여, 분자 산소에 의한 불균질하게 촉매화된 기체 상 부분 산화는 적어도 부분적으로 산화적 탈수소화이다. 관련된 불균질하게 촉매화된 기체 상 부분 산화에서, 언급된 아크릴산의 C3 전구체(일반적으로 불활성 기체, 예를 들어 분자 질소, CO, CO2, 불활성 탄화수소 및/또는 증기로 희석됨)는 고온 및 임의적으로 고압에서 분자 산소와의 혼합물로 전이 금속 혼합 옥사이드 촉매 위를 통과하고, 아크릴산을 포함하는 생성물 기체 상으로 산화적으로 전환된다.
전형적으로, 고체 상태 촉매 상에서 분자 산소를 사용하는, C3 전구체, 예를 들어 프로펜의 불균일하게 촉매화된 기체 상 부분 산화로부터의 아크릴산을 포함하는 생성물 기체 상은 존재하는 특정 구성요소의 총량을 기준으로 하기 함량을 갖는다:
1 내지 30 중량%의 아크릴산,
0.05 내지 10 중량%의 분자 산소,
1 내지 30 중량%의 물,
0 내지 5 중량%의 아세트산,
0 내지 3 중량%의 프로피온산,
0 내지 1 중량%의 말레산 및/또는 말레산 무수물,
0 내지 2 중량%의 아크롤레인,
0 내지 1 중량%의 포름알데하이드,
0 내지 1 중량%의 푸르푸랄,
0 내지 0.5 중량%의 벤즈알데하이드,
0 내지 1 중량%의 프로펜, 및
나머지 불활성 가스(예컨대, Ar, N2 또는 CO2).
부분 기체 상 산화 자체는 선행 기술에 기술된 바와 같이 수행될 수 있다. 프로펜으로부터 진행하여, 부분 기체 상 산화는, 예를 들어 EP 700 714 A1 및 EP 700 893 A1에 설명된 바와 같이, 2개의 연속 산화 단계로 수행될 수 있다. 그러나, DE 19740253 A1 및 DE 19740252 A1에 인용된 부분 기체 상 산화를 사용하는 것도 가능하다는 것이 이해될 것이다.
일반적으로, 부분 기체 상 산화에서 나오는 생성물 기체 상의 온도는 약 150 내지 약 350℃, 바람직하게는 약 200 내지 약 300℃이다.
직접 냉각 및/또는 간접 냉각은, 상기 생성물 기체 상의 열 처리 공정, 예컨대 분별 응축을 수행하기 위해 컬럼(1)의 바닥 부분으로 전달되기 전에, 먼저 뜨거운 생성물 기체 상을 약 100 내지 약 180℃의 범위의 온도로 적절하게 냉각한다. 컬럼(1)의 작동 압력은 일반적으로 0.5 내지 5 bar, 바람직하게는 0.5 내지 3 bar, 많은 경우 1 내지 2bar이다.
1: 컬럼
3: 원통형 수직 컬럼 본체
4: 컬럼 공동
5: 물질 전달 트레이
6: 개구
7: 테두리
8: 상승 튜브
9: 유입 개구
10: 유출 개구
11: 측면 개구
12: 상부 표면
13: 파운틴
14: 액체 분획
15: 기체 상
16: 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼의 내부 표면의 스팟
17: 거리
18: 중심
19: 거리
20: 내부 직경
21: 내부 직경
22: 측면 튜브
23: 길이
24: 경사진 단부
25: 가장 멀리 돌출되는 부분
26: 가장 적게 돌출되는 부분
27: 추가 하부 물질 전달 트레이
28: 직선 통로
29: 거리
31: 길이
32: 길이
33: 구부러진 부분
34: 축
35: 축
36: 수준
37: 상승 튜브의 하부 부분
38: 아래에 위치하는 컬럼의 부분
39: 위에 위치하는 컬럼의 부분
α: 각도

Claims (15)

  1. 컬럼 공동(column cavity)(4)을 형성하는 원통형 수직 컬럼 본체(cylindrical, vertical column body)(3); 및
    컬럼 공동(4) 내에 배치되고, 물질 전달 트레이(mass transfer tray)(5)의 테두리(rim)(7)에 의해 둘러싸인 하나 이상의 개구(opening)(6)를 포함하는 하나 이상의 물질 전달 트레이(5)
    를 포함하는, 중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물을 열 처리하기 위한 컬럼(1)으로서,
    물질 전달 트레이(5)가, 물질 전달 트레이(5)의 테두리(7)에 기밀 방식(gas-tight manner)으로 연결되는 하나 이상의 상승 튜브(rising tube)(8)를 포함하고,
    상승 튜브(8)가
    하나 이상의 물질 전달 트레이(5)에 또는 그 아래에 위치하는 유입 개구(inlet opening)(9),
    하나 이상의 물질 전달 트레이(5) 위에 위치하는 유출 개구(outlet opening)(10), 및
    물질 전달 트레이(5)의 상부 표면(upper surface)(12)에 가까운 수직 방향으로 물질 전달 트레이(5) 위에 위치하는 하나 이상의 측면 개구(lateral opening)(11)
    를 포함하고,
    상승 튜브(8)가, 상승 튜브(8)를 통해 유입 개구(9)로부터 유출 개구(10)로 유동하는 화합물의 혼합물의 기체 상(15)의 상승에 의해 하나 이상의 측면 개구(11)를 통해 상승 튜브(8) 내로 들어가는 물질 전달 트레이(5)로부터의 화합물의 혼합물의 액체 분획(liquid fraction)(14)을 원자화(atomization)함으로써, 유출 개구(10)에 파운틴(fountain)(13)을 형성하도록 구성(adaption)되고,
    파운틴(13)이, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼(1)의 내부 표면의 스팟(16)까지 물질 전달 트레이(5) 위에 위치하는 컬럼(1)의 부분 내로 분무되는 것을 특징으로 하는,
    컬럼(1).
  2. 제1항에 있어서,
    측면 개구(11)의 중심(18)으로부터 유출 개구(10)까지의 거리(19)에 대한 측면 개구(11)의 중심(18)으로부터 물질 전달 트레이(5)까지의 거리(17)의 비율이 0.001 내지 0.1, 바람직하게는 0.005 내지 0.01의 범위인, 컬럼(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    측면 개구(11)의 중심(18)으로부터 물질 전달 트레이(5)까지의 거리(17)가 1 내지 45 mm, 바람직하게는 2 내지 10 mm의 범위인, 컬럼(1).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상승 튜브(8)의 내부 직경(21)에 대한 측면 개구(11)의 내부 직경(20)의 비율이 0.01 내지 0.8, 바람직하게는 0.05 내지 0.2의 범위인, 컬럼(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상승 튜브(8)가, 측면 개구(11)를 기밀 방식으로 둘러싸고 상승 튜브(8)의 방사상 방향(radial direction)으로 상승 튜브(8) 내로 돌출되는 하나 이상의 측면 튜브(22)를 포함하는, 컬럼(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    측면 튜브(22)가 상승 튜브(8)의 중심으로 갈수록 가늘어지는(tapering) 원통형 또는 원추형 형상을 갖는, 컬럼(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상승 튜브(8) 내로 돌출되는 측면 튜브(22)가 경사진 단부(beveled end)(24)를 갖고,
    상승 튜브(8)의 방사상 방향으로 상승 튜브(8) 내로 가장 멀리 돌출되는 측면 튜브(22)의 부분(25)이, 상승 튜브(8)의 방사상 방향으로 상승 튜브(8) 내로 가장 적게 돌출되는 측면 튜브(22)의 부분(26)보다 더 작은 물질 전달 트레이(5)까지의 수직 거리(vertical distance)를 갖는, 컬럼(1).
  8. 컬럼 공동(4)을 형성하는 원통형 수직 컬럼 본체(3);
    컬럼 공동(4) 내에 배치되고, 물질 전달 트레이(5)의 테두리(7)에 의해 둘러싸인 하나 이상의 개구(6)를 포함하는 물질 전달 트레이(5); 및
    물질 전달 트레이(5) 아래에 위치하는 하나 이상의 추가 하부 물질 전달 트레이(further lower mass transfer tray)(27)
    를 포함하는, 중합 경향을 갖는 화합물의 혼합물을 열 처리하기 위한 컬럼(1)으로서,
    물질 전달 트레이(5)가, 물질 전달 트레이(5)의 테두리(7)에 기밀 방식으로 연결되는 하나 이상의 상승 튜브(8)를 포함하고,
    상승 튜브(8)가
    물질 전달 트레이(5)에 또는 그 아래에 위치하는 유입 개구(9), 및
    물질 전달 트레이(5) 위에 위치하는 유출 개구(10)
    를 포함하고,
    상승 튜브(8)가, 상승 튜브(8)를 통해 유입 개구(9)로부터 유출 개구(10)로 유동하는 화합물의 혼합물의 기체 상(15)의 상승에 의해 추가 하부 물질 전달 트레이(27)로부터의 화합물의 혼합물의 액체 분획(14)을 원자화함으로써 파운틴(13)을 형성하도록 구성되고,
    파운틴(13)이, 물질 전달 트레이(5) 위에 위치하는 컬럼(1)의 부분 내로 분무되고,
    컬럼 공동(4)이, 상승 튜브(8)의 유출 개구(10)로부터, 파운틴(13)이 스팟(16)에 직접 분무될 때 경우 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼(1)의 내부 표면의 스팟(16)까지 직선 통로(straight path)(28)가 존재하도록 형성되는 것을 특징으로 하는,
    컬럼(1).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    컬럼(1)의 단면적(cross-sectional area)(30)에 대한, 동일한 물질 전달 트레이(5)에 위치하는 모든 상승 튜브(8)에 의해 둘러싸인 수평 단면적(29)의 합계의 비율이 0.00001 내지 0.1, 바람직하게는 0.00001 내지 0.001인, 컬럼(1).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상승 튜브(8)가 구부러진 상부 부분(upper kinked part)(33)을 포함하고, 구부러진 상부 부분(33)의 축(34)이 상승 튜브(8)의 하부 부분(lower part)(37)의 축(35)과 함께 90 내지 170°의 범위의 각도(α)를 형성하는, 컬럼(1).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼(1)의 내부 표면의 스팟(16)이, 지지 구축물(support construction)의 예리한 각도(sharp angle)의 표면, 및 다운코머(downcomer), 맨웨이(manway) 및/또는 핸드홀(handhole)의 예리한 각도의 바닥으로부터 선택되는, 컬럼(1).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 컬럼(1) 내에서 상승하는 화합물의 혼합물의 하나 이상의 기체 상(15)과 상기 컬럼(1) 내에서 하강하는 화합물의 혼합물의 하나 이상의 액체 분획(14) 사이의 열 분리 방법(thermal separating process).
  13. 제12항에 있어서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 컬럼(1)을 사용하고,
    물질 전달 트레이(5)에 위치하는 화합물의 혼합물의 정체(hold-up) 액체 분획(14)이 원자화되어 상승 튜브(8)의 유출 개구(10)에 파운틴(13)을 형성하고, 파운틴(13)이, 중합이 발생할 가능성이 있는 컬럼(1)의 내부 표면의 스팟(16)에 직접 분무되는, 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 컬럼(1)을 사용하고,
    물질 전달 트레이(5)에 위치하는 화합물의 혼합물의 정체 액체 분획(14)의 수준(level)(36)이, 상승 튜브(8)의 측면 개구(11)의 중심(18)이 적어도 부분적으로 침지되도록 조정되는, 방법.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상승 튜브(8)의 수(number)와 상승 튜브(8) 또는 상승 튜브들(8)의 길이(31) 및 내부 직경(21)이, 공정 모드(process mode) 동안, 물질 전달 트레이(5) 아래에 위치하는 컬럼의 부분(38)과 물질 전달 트레이(5) 위에 위치하는 컬럼의 부분(39) 사이의 압력 강하(pressure drop)가 1 mbar 이상, 바람직하게는 4 mbar 이상이도록 조정되는, 방법.
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