KR20240025449A - 이소프로필 알코올의 제조 방법 - Google Patents

이소프로필 알코올의 제조 방법 Download PDF

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KR20240025449A
KR20240025449A KR1020230069395A KR20230069395A KR20240025449A KR 20240025449 A KR20240025449 A KR 20240025449A KR 1020230069395 A KR1020230069395 A KR 1020230069395A KR 20230069395 A KR20230069395 A KR 20230069395A KR 20240025449 A KR20240025449 A KR 20240025449A
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황성준
이성규
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장경수
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주식회사 엘지화학
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C07—ORGANIC CHEMISTRY
    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C29/00—Preparation of compounds having hydroxy or O-metal groups bound to a carbon atom not belonging to a six-membered aromatic ring
    • C07C29/74—Separation; Purification; Use of additives, e.g. for stabilisation
    • C07C29/76—Separation; Purification; Use of additives, e.g. for stabilisation by physical treatment
    • C07C29/80—Separation; Purification; Use of additives, e.g. for stabilisation by physical treatment by distillation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C07C—ACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C31/00—Saturated compounds having hydroxy or O-metal groups bound to acyclic carbon atoms
    • C07C31/02—Monohydroxylic acyclic alcohols
    • C07C31/10—Monohydroxylic acyclic alcohols containing three carbon atoms

Abstract

본 발명은 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)을 제조하는 방법으로서, (S1) 프로필렌 단량체 및 물의 반응 생성물로부터 가스 정제를 수행하여 IPA, NPA, 물 및 고비점 유기물을 포함하는 피드 스트림을 수득하는 단계; 및 (S2) 상기 피드 스트림을 복수의 칼럼을 포함하는 정제부에 공급하여 IPA를 회수하는 단계를 포함하고, 상기 정제부의 제1 칼럼에서 상기 피드 스트림을 IPA, 및 NPA 및 물을 포함하는 상부 스트림과 물 및 고비점 유기물을 포함하는 하부 스트림으로 분리하고,
상기 정제부의 제2 칼럼에서 유기 용매를 이용해 제1 칼럼의 상부 스트림으로부터 물을 제거하여 IPA 및 NPA를 포함하는 스트림을 하부로 분리하고, 상기 용매가 물 및 IPA와 함께 3성분 공비 혼합물을 형성하여 상부 스트림으로 배출하며, 상기 정제부의 제3 칼럼은 중심 분리벽에 의해 구분되는 제1 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역으로 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 스트림 및 제2 칼럼 하부 스트림을 혼합한 스트림을 공급하고, 상기 혼합 스트림으로부터 고비점 유기물이 제거된 물을 포함하는 상부 스트림, NPA가 제거된 IPA를 포함하는 측면 스트림, 및 상기 고비점 유기물 및 NPA를 포함하는 하부 스트림을 분리하며, 상기 IPA를 포함하는 측면 스트림을 제2 영역으로부터 회수하는 방법을 제공한다.

Description

이소프로필 알코올의 제조 방법{METHOD FOR PREPARING ISOPROPYL ALCOHOL}
본 발명은 이소프로필 알코올의 제조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응 생성물로부터 이소프로필 알코올을 고순도로 정제하는 방법에 관한 것이다.
이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)은 반도체나 LCD(Liquid crystal display) 제조 등의 전자 산업에서 세정제, 공업용 도료 및 시약 원료, 페인트, 잉크 등의 용매를 비롯한 다양한 용도에 사용되고 있다.
IPA는 프로필렌과 물을 반응시켜 제조될 수 있다. 예를 들어, 반응기에서 프로필렌 단량체와 물을 반응시켜 IPA, 미반응 프로필렌 단량체, 미반응 물, n-프로필 알코올(NPA) 및 저비점 유기물 또는 고비점 유기물과 같은 부산물 등을 포함하는 반응 생성물을 수득하고, 상기 반응 생성물은 가스 정제부로 이송하여 그 상부에서 저비점 물질(미반응 프로필렌 단량체 포함)을 배출하고 상기 가스 정제부의 하부에서는 IPA, NPA 및 물을 포함하는 스트림을 분리한 후, 상기 하부 스트림(IPA, NPA, 물 및 고비점 유기물을 포함)은 다수의 칼럼을 포함하는 IPA 정제부로 이송하여 IPA를 분리할 수 있다. 상기 미반응 프로필렌 단량체 및 미반응 물은 회수되어 IPA 제조 공정에 재사용될 수 있다.
도 1 및 2는 종래 기술의 IPA 제조 방법에서 수행된 IPA의 정제 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
먼저 도 1을 참조할 때, 정제부의 제1 칼럼에 IPA, NPA, 물 및 고비점 유기물을 포함하는 피드 스트림을 공급하여, 하부로 물 및 고비점 유기물이 포함된 스트림을 배출하고 상부에서 IPA, NPA 및 물의 공비 혼합물을 포함하는 스트림을 분리하여 제2 칼럼으로 이송하는 한편, 상기 제1 칼럼의 측부에 연결된 제3 칼럼의 하부로 NPA를 제거하였다. 이어서, 상기 제2 칼럼에서 용매를 이용해 공비를 깨고 IPA를 포함하는 하부 스트림과 상기 용매 및 물의 상부 스트림을 분리한 후, 제4 칼럼에서 사용된 용매 및 물의 분리를 수행하였다. 즉, 도 1의 IPA 정제 과정에서는 NPA를 먼저 제거한 이후 물을 분리하였다.
상기 제1 칼럼 및 제3 칼럼에는 물이 다량 포함되어 있으며, 상압에서 IPA와 물의 공비점은 80.4℃이고 NPA와 물의 공비점은 87.7℃임에 따라 물/IPA 및 물/NPA의 공비혼합물이 형성된다. 따라서, 상기 제3 칼럼의 하부로 NPA를 제거하더라도 제2 칼럼으로 이송되는 스트림에 NPA가 포함됨으로써, 최종 IPA 회수시에 NPA가 잔존하여 고순도의 IPA 생산이 어려운 한계가 있다.
이를 극복하기 위해, 국내 공개특허공보 10-2020-0065579호는 IPA 정제 과정에서는 NPA를 제거하기 전에 물을 먼저 분리함으로써 고순도의 IPA를 생산하고자 하였다.
구체적으로 도 2를 참조할 때, 정제부의 제1 칼럼에서 피드 스트림을 IPA, NPA 및 물의 공비 혼합물을 포함하는 상부 스트림과 고비점 유기물 및 물이 포함된 하부 스트림으로 분리하고, 상기 상부 스트림을 제2 칼럼으로 이송하여 물을 먼저 분리한 후, IPA 및 NPA를 포함하는 스트림을 제3 칼럼으로 이송하여 NPA를 제거함으로써 IPA를 회수하였다. 즉, 도 2의 IPA 정제 과정에서는 제2 칼럼에서 IPA, NPA 및 물의 공비 혼합물로부터 물을 먼저 분리하였기 때문에, 제3 칼럼에서는 공비 혼합물이 형성되지 않아 NPA가 쉽게 제거되었으며, 그 결과 최종 회수된 IPA에는 잔존 NPA가 도 1의 정제에 비해 낮지만 제2 칼럼에서 미처 분리되지 못한 물이 최종 IPA 회수시에 포함될 수 있다.
추가로, 도 1 및 도 2와 같은 종래의 IPA 정제 과정에서는 제1 칼럼의 하부로 배출되는 물에 고비점 유기물(heavy substances)이 포함됨에 따라, 상기 배출되는 물의 COD(chemical oxygen demand)가 높아져 공정수 또는 폐수 처리시에 추가 공정이 요구될 수 있다.
본 발명은 물이 IPA 및 NPA와 각각 공비를 이루면서 NPA를 효과적으로 제거하지 못하고 공정수 또는 폐수로 처리되는 물의 COD가 높았던 종래 방법의 문제점을 해결하기 위해, 정제 순서를 변경하여 NPA 제거 이전에 물을 먼저 분리하고, 분리벽형 구조의 칼럼(DWC)을 적용하여 IPA 및 NPA의 분리와 물 및 고비점 유기물의 분리를 함께 수행함으로써, 이소프로필알코올을 고순도로 회수하는 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)을 제조하는 방법으로서,
(S1) 프로필렌 단량체 및 물의 반응 생성물로부터 가스 정제를 수행하여 IPA, NPA, 물 및 고비점 유기물을 포함하는 피드 스트림을 수득하는 단계; 및
(S2) 상기 피드 스트림을 복수의 칼럼을 포함하는 정제부에 공급하여 IPA를 회수하는 단계를 포함하고,
상기 정제부의 제1 칼럼에서 상기 피드 스트림을 IPA, NPA 및 물을 포함하는 상부 스트림과 물 및 고비점 유기물을 포함하는 하부 스트림으로 분리하고,
상기 정제부의 제2 칼럼에서 유기 용매를 이용해 제1 칼럼의 상부 스트림으로부터 물을 제거하여 IPA 및 NPA를 포함하는 스트림을 하부로 분리하고, 상기 용매가 물 및 IPA와 함께 3성분 공비 혼합물을 형성하여 상부 스트림으로 배출하며,
상기 정제부의 제3 칼럼은 중심 분리벽에 의해 구분되는 제1 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역으로 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 스트림 및 제2 칼럼 하부 스트림을 혼합한 스트림을 공급하고, 상기 혼합 스트림으로부터 고비점 유기물이 제거된 물을 포함하는 상부 스트림, NPA가 제거된 IPA를 포함하는 측면 스트림, 및 상기 고비점 유기물 및 NPA를 포함하는 하부 스트림을 분리하며, 상기 IPA를 포함하는 측면 스트림을 제2 영역으로부터 회수하는 제조 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, IPA 제조시 복수의 칼럼을 이용한 정제 단계에서 IPA, NPA 및 물을 포함하는 스트림으로부터 물을 먼저 분리한 후, 분리벽형 제3 칼럼의 제1 영역으로 제1 칼럼의 하부 스트림(물 및 고비점 유기물을 포함)의 분기 스트림 및 제2 칼럼의 하부 스트림(IPA 및 NPA를 포함)의 혼합 스트림을 공급하여 상기 고비점 유기물 및 NPA를 분리함으로써, NPA가 제거된 고순도의 IPA를 제3 칼럼의 제2 영역 측면으로 회수함과 동시에 고비점 유기물이 제거된 물을 포함하는 상부 스트림으로 배출할 수 있다.
상기 분리벽형 제3 칼럼의 제2 영역으로 회수되는 IPA는 피드에 포함된 IPA의 99.99% 이상을 차지할 수 있다.
또한 상기 분리벽형 제3 칼럼에서 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 스트림에 포함된 물을 고비점 유기물과 분리한 후 환류시킴으로써, 상기 제1 칼럼의 하부 스트림에서 남은 물이 제4 칼럼의 하부에서 분리된 스트림의 일부와 합쳐져 배출된 물은 공정수로 재활용되거나 COD(chemical oxygen demand)가 저감된 폐수로 처리될 수 있다.
도 1 및 2는 각각 종래 기술의 IPA 제조 방법에서 수행된 IPA의 정제 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3는 본 발명의 일 실시형태에 따른 IPA 제조 방법에서 수행된 IPA 정제 과정을 개략적으로 나타낸 것이다.
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.
본원에서 사용되는 '포함' 또는 '함유'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 또는 성분의 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본원에서 사용되는 용어 '스트림(stream)'은 공정 내 유체(fluid)의 흐름을 의미하는 것일 수 있고, 또한, 배관 내에서 흐르는 유체 자체를 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 스트림은 각 장치를 연결하는 배관 내에서 흐르는 유체 자체 및 유체의 흐름을 동시에 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 유체는 기체(gas), 액체(liquid) 및 고체(solid) 중 어느 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다.
본원에 사용된 용어 '상부'는 특별한 언급이 없는 한, 장치의 최상부로부터 아랫쪽으로 0 내지 20 %의 높이의 지점을 의미하며, 구체적으로 최상부(탑정)을 의미할 수 있다. 또한 용어 '하부'는 장치의 최상부로부터 아랫쪽으로 80 내지 100 %의 높이의 지점을 의미하며, 구체적으로 최하단(탑저)을 의미할 수 있다.
본원에 사용된 용어 '측면 스트림'은 특별한 언급이 없는 한, 장치의 최상부로부터 아랫쪽으로 25 내지 80 %의 높이 또는 40 내지 70%의 높이에서 배출되는 스트림을 의미할 수 있다.
또한, 본원에서 언급되는 "압력"은 대기압을 기준으로 측정한 게이지 압력을 의미한다.
본 발명의 일 실시형태는 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)의 제조 방법에 관한 것으로, 구체적으로 피드 스트림의 수득 단계(S1) 및 상기 피드 스트림으로부터 IPA를 회수하는 정제 단계(S2)를 포함한다.
이하에서는 본 발명의 일 실시형태에 따른 IPA 제조 방법을 단계별로 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 IPA 제조 방법의 단계 (S1)에서는 프로필렌 단량체 및 물의 반응 생성물로부터 가스 정제를 수행하여 IPA, NPA, 물 및 고비점 유기물을 포함하는 피드 스트림을 수득한다.
구체적으로, 상기 피드 스트림은 반응기에서 프로필렌 단량체와 물을 반응시켜, IPA, 미반응 프로필렌 단량체, 미반응 물, 부산물로서 n-프로필 알코올(NPA), 저비점 유기물 및 고비점 유기물을 포함하는 반응 생성물을 생성한 후, 상기 반응 생성물로부터 미반응 프로필렌 단량체를 비롯한 저비점 성분을 분리하는 가스 정제를 수행하여 수득될 수 있다.
상기 반응기에서 프로필렌 및 물은 기상 반응, 기/액상 반응 또는 액상 반응 중 어느 하나의 형태로 수행될 수 있으며, 프로필렌 단량체 대비 물은 0.3 내지 2 또는 0.35 내지 1.5의 몰비로 반응시켜 수득할 수 있다. 상기 몰비율을 만족할 때, 평형 반응의 정반응을 촉진시키고, 역반응이 진행되는 것을 방지하여 IPA의 수율을 증가시킬 수 있다.
또한 상기 반응기는 프로필렌 단량체와 물의 반응을 통해 IPA를 효율적으로 제조할 수 있는 최적의 조건으로 작동될 수 있으며, 예컨대 기상 반응의 경우 10 내지 50 kg/cm2·g, 30 내지 50 kg/cm2·g 또는 35 내지 45 kg/cm2·g의 압력 및 150 내지 220 ℃, 160 내지 220 ℃ 또는 180 내지 215 ℃의 온도에서 작동될 수 있다.
상기 반응 생성물은 IPA 이외에도, 미반응 프로필렌 단량체, 미반응 물, 부산물로서 n-프로필 알코올(NPA), 이소프로필에테르(DIPE), 중질(heavy)의 고비점 유기물(예컨대, 헥산올), 추가로 저비점 유기물(예컨대, 아세톤) 등을 포함할 수 있다. 그러므로, IPA를 고순도로 얻기 위해서는 반응 생성물에 포함된 미반응 물질 및 부산물을 분리하여 IPA를 회수하는 과정이 필요하다. 또한, 상기 반응 생성물로부터 분리되는 물은 회수되어 공정수로 재활용되거나 폐수로 처리될 수 있는데, 중질(heavy)의 고비점 유기물이 포함되는 경우 COD(chemical oxygen demand)가 증가할 수 있으므로 폐수 처리시 COD를 감소시키는 공정이 요구될 수 있다.
이를 위해, 상기 반응 생성물은 먼저 가스 정제를 수행한 후 IPA 정제부로 공급된다. 상기 가스 정제는 반응 생성물로부터 미반응 프로필렌 단량체를 비롯한 저비점 성분을 제거하기 위한 것으로, 흡수탑, 가스 정제부 등을 이용하여 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 IPA 제조 방법의 단계 (S2)에서는 IPA, NPA, 물 및 중질(heavy)의 고비점 유기물을 포함하는 스트림으로부터 IPA를 정제하며, 상기 IPA의 정제는 도 3에 나타낸 바와 같이 복수의 칼럼을 포함하는 정제부에서 수행될 수 있다.
도 3을 참조할 때, 상기 단계 (S1)에서 얻은 피드 스트림을 정제부의 제1 칼럼에서 공급한다. 상기 피드 스트림은 IPA 5 내지 10 중량%, NPA 0.1 내지 3 중량%, 물 85 내지 94 중량% 및 고비점 유기물 0.05 내지 2 중량%를 포함할 수 있다.
상기 정제부의 제1 칼럼은 피드에 포함된 다량의 물을 분리하여 상부로 IPA 및 NPA를 분리하기 위한 증류탑에 해당되며, 상기 IPA 및 NPA는 각각 물과 공비 혼합물을 형성하여 상부 스트림(1a)으로 분리되고, 물과 함께 고비점 유기물은 하부 스트림(1b)으로 배출된다.
상기 제1 칼럼의 상부 배출 스트림(1a)는 IPA 30 내지 70 중량%, NPA 20 내지 50 중량% 및 물 10 내지 50 중량%의 혼합물을 포함할 수 있으며, 상기 제1 칼럼의 하부 배출 스트림(1b)는 물 95 내지 99 중량% 및 고비점 부산물 1 내지 5 중량%를 포함할 수 있다.
상기 제 1 칼럼은 반응 생성물로부터 알코올 성분과 물의 분리 효율을 증대시키기 위해서 0 내지 3 kg/cm2·g 또는 0 내지 2 kg/cm2·g의 압력 및 80 내지 150 ℃ 또는 90 내지 140 ℃의 온도에서 작동될 수 있다.
상기 제1 칼럼은 IPA 및 NPA로부터 물을 분리하기 위한 것이나, 물과의 공비 형성으로 물이 완전히 제거되기 어렵다. 이에, 제1 칼럼의 상부 스트림(1a)에 포함된 공비 혼합물로부터 물을 완전히 분리하기 위해 상기 스트림(1a)를 제2 칼럼으로 이송한다.
즉 정제부의 제2 칼럼은 상기 IPA, NPA 및 물을 포함하는 스트림, 구체적으로 IPA/물의 공비 혼합물 및 NPA/물의 공비 혼합물을 포함하는 스트림(1a)으로부터 물을 분리하기 위한 것이며, 공비제로서 유기 용매(예컨대, 시클로 헥산, 벤젠, 톨루엔, 이소프로필 아세테이트 등)를 투입하면 IPA 또는 NPA와 물의 공비를 깨짐으로써 물을 분리할 수 있다. 따라서, 상기 제2 칼럼에서는 물이 제거되어 IPA 및 NPA를 포함하는 스트림(2b)이 하부로 분리되고, 상기 유기 용매가 물 및 IPA와 함께 3성분 공비 혼합물을 형성하여 상부 스트림(2a)로 배출된다.
상기 제2 칼럼의 상부 스트림(2a)은 공비제로서 시클로 헥산이 사용되는 경우, 유기 용매 65 내지 85 중량%, 물 4 내지 15 중량% 및 IPA 10 내지 30 중량%의 공비 혼합물을 포함할 수 있다.
상기 제 2 칼럼은 공비제로 사용된 유기 용매에 의한 물의 분리 효율을 증대시키기 위해서 0 내지 2 kg/cm2·g 또는 0 내지 1 kg/cm2·g의 압력 및 50 내지 110 ℃ 또는 60 ℃ 내지 100 ℃의 온도에서 작동될 수 있다.
상기 제2 칼럼의 하부 스트림(2b)은 IPA 70 내지 98 중량% 및 NPA 2 내지 30 중량%를 포함할 수 있고, 추가로 이전 단계에서 분리되지 못한 미량의 물이 잔존할 수 있으며, 상기 스트림(2b)은 IPA 회수를 위해 제3 칼럼으로 이송된다.
상기 제3 칼럼은 도 3에 예시된 바와 같이, 중심 분리벽에 의해 구분되는 2개의 영역을 포함하는 분리벽형 구조의 증류탑(DWC)에 해당하며, 그 중 한 영역(제1 영역)으로 제2 칼럼의 하부 스트림(2b)으로 공급된다. 이때, 제1 칼럼의 하부에서 분리되어 물 및 고비점 유기물을 포함하는 스트림(1b)의 분기 스트림(1b')이 상기 제2 칼럼의 하부 스트림(2b)과 혼합될 수 있으며, 이러한 혼합된 스트림은 제3 칼럼의 제1 영역으로 함께 공급될 수 있다.
상기 제3 칼럼은 상기 혼합 스트림으로부터 비점이 높은 고비점 유기물 및 NPA를 하부 스트림(3b)로 분리함으로써, 고비점 유기물이 제거된 물을 포함하는 상부 스트림(3a) 및 NPA가 제거된 IPA를 포함하는 측면 스트림을 수득할 수 있다. 상기 NPA가 제거된 IPA를 포함하는 측면 스트림은 제3 칼럼의 다른 영역(제2 영역)에서 회수함으로써, 피드에 포함된 IPA의 99.99 중량% 이상을 정제할 수 있다.
상기 제3 칼럼의 상부 스트림(3a)은 고비점 유기물이 제거된 물이 IPA와 공비 혼합물을 형성하여 배출되고, 상기 스트림(3a)는 제1 칼럼의 IPA/물 및 NPA/물의 공비 혼합물을 포함하는 상부 스트림(1a)과 혼합되어 제2 칼럼으로 이송되며, 상기 제2 칼럼에서 상기 공비 혼합물로부터 물을 분리할 수 있다. 또한, 상기 분리된 물은 제4 칼럼의 하부로 배출될 수 있다.
이와 같이 상기 제3 칼럼에서 제1 칼럼의 하부 스트림의 일부에 포함된 물을 고비점 유기물과 분리하여 환류됨에 따라, 상기 제1 칼럼의 하부 스트림에서 남은 물(1b")은 제4 칼럼의 하부에서 분리된 스트림(4b)와 합쳐져서 물(1b'")로 배출될 수 있으며, 이는 공정수로 재활용되거나 COD(chemical oxygen demand)가 저감된 폐수로 처리될 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 제3 칼럼의 하부 스트림으로 배출된 고비점 유기물의 함량은 제3 칼럼의 제1 영역으로 공급되는 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 유량에 비례할 수 있으나, 에너지 소비의 경제적인 측면을 고려할 때 적절한 제어가 필요하다. 예컨대, 상기 제3 칼럼의 제1 영역으로 공급되는 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 스트림(1b')는 제1 칼럼 하부 스트림 전체 유량의 0.5 내지 5 중량% 또는 1 내지 3 중량%의 유량으로 분기될 수 있으며, 상기 분기 유량이 0.5 중량% 미만인 경우 고비점 유기물 제거율이 적어 COD 저감 효과가 불충분하고, 5 중량%를 초과하는 경우에는 제3 칼럼에서 과도한 에너지 소비를 유발할 수 있다.
또한 제3 칼럼은 상기 혼합 스트림으로부터 고비점 유기물 및 NPA의 분리 효율을 증대시키기 위해서 0 내지 2 kg/cm2·g 또는 0 내지 1 kg/cm2·g의 압력 및 70 내지 120 ℃ 또는 80 내지 110 ℃의 온도에서 작동될 수 있다.
한편, 상기 제2 칼럼의 상부에서 분리된 용매 및 물을 포함하는 상부 스트림은 유기 용매 회수를 위해 정제부의 제 4 칼럼으로 이송되어, 물이 제거된 상부 스트림(4a) 및 물을 포함하는 하부 스트림(4b)으로 분리될 수 있으며, 상기 상부 스트림(4a)에 포함된 유기 용매가 제2 칼럼으로 환류될 수 있다.
상기 제 4 칼럼은 용매 회수 칼럼으로서, 유기 용매 및 물의 분리 효율을 증대시키기 위해서 0 내지 2 kg/cm2·g 또는 0 내지 1 kg/cm2·g의 압력 및 70 내지 120 ℃ 또는 75 ℃ 내지 110 ℃의 온도에서 작동될 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따르면, IPA 제조시 복수의 칼럼을 이용한 정제 단계에서 IPA/물 및 NPA/물의 공비 혼합물을 포함하는 스트림으로부터 물을 먼저 분리한 후, 분리벽형 제3 칼럼의 제1 영역으로 제1 칼럼의 하부 스트림(물 및 고비점 유기물을 포함)의 분기 스트림 및 제2 칼럼의 하부 스트림(IPA 및 NPA를 포함)의 혼합 스트림을 공급하여 상기 고비점 유기물 및 NPA를 분리함으로써, NPA가 제거된 고순도의 IPA를 제3 칼럼의 제2 영역 측면으로 회수함과 동시에 고비점 유기물이 제거된 물을 포함하는 상부 스트림으로 배출할 수 있다.
상기 분리벽형 제3 칼럼의 제2 영역으로 회수되는 IPA는 피드에 포함된 IPA의 99.99 중량% 이상을 차지할 수 있다.
또한 상기 분리벽형 제3 칼럼에서 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 스트림에 포함된 물을 고비점 유기물과 분리한 후 환류시킴으로써, 상기 제1 칼럼의 하부 스트림에서 남은 물이 제4 칼럼의 하부에서 분리된 스트림의 일부와 합쳐져 배출된 물은 공정수로 재활용되거나 COD(chemical oxygen demand)가 저감된 폐수로 처리될 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 1
(단계 1) 피드 스트림의 수득
프로필렌 단량체와 물을 1:1의 몰비로 기상 반응시켜, 이소프로필 알코올(IPA), 미반응 프로필렌 단량체, 미반응 물, 부산물로서 n-프로필 알코올(NPA), 저비점 유기물 및 고비점 유기물을 포함하는 반응 생성물을 생성한 후, 상기 반응 생성물로부터 미반응 프로필렌 단량체를 비롯한 저비점 성분 및 가스 성분을 분리하는 정제 공정을 수행하여 피드 스트림을 수득하였다. 상기 피드 스트림은 IPA 7 중량%, NPA 0.2 중량%, 물 92.7 중량% 및 고비점 유기물 0.1 중량%를 포함하였다.
(단계 2) 이소프로필 알코올(IPA)의 정제
도 3에 나타낸 바와 같이, 제1 내지 제4 칼럼을 포함하는 정제부에 상기 단계 1에서 얻은 피드 스트림을 공급하여 IPA를 회수하였다.
먼저 제1 칼럼에서 상기 피드 스트림을 공급하고, 상기 제1 칼럼을 0 kg/cm2·g에서 상부 90℃ 및 하부 140℃로 작동하여 IPA, NPA 및 물을 포함하는 상부 스트림(1a)과 물 및 고비점 유기물을 포함하는 하부 스트림(1b)으로 분리하였다.
상기 상부 스트림(1a) 및 공비제로서 유기 용매(시클로헥산)을 제2 칼럼에 공급하고, 상기 제2 칼럼을 0 kg/cm2·g에서 상부 60℃ 및 하부 100℃로 작동하여 상기 스트림(1a)으로부터 물을 제거하여 IPA 및 NPA를 포함하는 스트림(2b)를 하부로 분리하는 한편, 상기 유기용매, 물 및 IPA의 공비혼합물로 형성된 상부 스트림으로 배출하였다.
이후, 분리벽형 구조를 갖는 제3 칼럼의 제1 영역으로 상기 제2 칼럼의 하부 스트림(2b)과 상기 제1 칼럼 하부 스트림(1b)의 분기 스트림(1b')을 혼합하여 공급하였다. 이때, 상기 분기 스트림(1b')의 유량은 제1 칼럼 하부 스트림 전체 유량의 0.5 중량%로 조절하였다.
상기 제3 칼럼을 0 kg/cm2·g에서 상부 80℃ 및 하부 110℃로 작동하여, 상기 혼합 스트림으로부터 비점이 높은 고비점 유기물 및 NPA를 하부 스트림(3b)로 분리함으로써, 고비점 유기물이 제거된 물을 포함하는 상부 스트림(3a) 및 NPA가 제거된 IPA를 포함하는 측면 스트림을 수득하였다. 상기 NPA가 제거된 IPA를 포함하는 측면 스트림은 상기 제3 칼럼의 제2 영역에서 회수함으로써, 피드에 포함된 IPA를 99.99 중량% 이상의 순도로 정제하였다.
한편, 상기 제2 칼럼의 상부 스트림(용매 및 물을 포함)을 제 4 칼럼으로 이송하고, 상기 제4 칼럼을 0 kg/cm2·g에서 상부 75℃ 및 하부 100℃로 작동하여 물이 제거된 상부 스트림(4a) 및 물을 포함하는 하부 스트림(4b)으로 분리하였으며, 상기 상부 스트림(4a)에 포함된 유기 용매가 제2 칼럼으로 환류시켰다. 또한, 상기 제1 칼럼의 하부 스트림에서 남은 물(1b")을 제4 칼럼의 하부에서 분리된 스트림(4b)와 합쳐서 배출하였다(1b'").
실시예 2
상기 제3 칼럼의 제1 영역으로 공급되는 제1 칼럼 하부 분기 스트림(1b')의 유량을 제1 칼럼 하부 스트림 전체 유량의 5 중량%로 조절하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 IPA를 회수하였다.
실시예 3
상기 제3 칼럼의 제1 영역으로 공급되는 제1 칼럼 하부 분기 스트림(1b')의 유량을 제1 칼럼 하부 스트림 전체 유량의 10 중량%로 조절하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 과정을 수행하여 IPA를 회수하였다.
비교예 1
(단계 1)
실시예 1의 단계 1과 같은 공정으로 피드 스트림을 수득하였다.
(단계 2)
도 1에 나타낸 바와 같은 정제 공정을 수행하였다.
구체적으로, 제1 칼럼에 피드 스트림을 공급하여 IPA, NPA 및 물의 공비 혼합물을 포함하는 상부 스트림과 물 및 고비점 유기물이 포함된 하부 스트림을 분리하였다. 상기 제1 칼럼의 상부 스트림을 제2 칼럼으로 이송하는 한편, 상기 제1 칼럼의 측부에 연결된 제3 칼럼의 하부로 NPA를 제거하였다. 이어서, 상기 제2 칼럼에서 유기 용매(시클로 헥산)를 이용해 공비를 깨고 IPA를 포함하는 하부 스트림과 상기 용매 및 물의 상부 스트림을 분리한 후, 제4 칼럼에서 사용된 용매 및 물의 분리를 수행하였다.
비교예 2
(단계 1)
실시예 1의 단계 1과 같은 공정으로 피드 스트림을 수득하였다.
(단계 2)
도 2에 나타낸 바와 같은 정제 공정을 수행하였다.
구체적으로, 제1 칼럼에서 피드 스트림을 공급하여 IPA, NPA 및 물의 공비 혼합물을 포함하는 상부 스트림과 고비점 유기물 및 물이 포함된 하부 스트림으로 분리하였다. 상기 제1 칼럼의 상부 스트림을 제2 칼럼으로 이송하여 물을 먼저 분리한 후, IPA 및 NPA를 포함하는 스트림을 제3 칼럼으로 이송하여 NPA를 제거함으로써 IPA를 회수하였다. 한편, 제4 칼럼에서 사용된 용매 및 물의 분리를 수행하였다.
하기 표 1은 실시예 및 비교예의 정제 공정에 따른 IPA의 회수 결과를 나타낸 것이다.
IPA 정제순서 제1 칼럼의 하부 스트림 대비 분기 유량 최종 IPA 회수 결과 폐수 COD1) 스팀 사용량2)
순도(wt%) NPA 농도
(ppm)		 물 농도
(ppm)
비교예 1 NPA제거후 물 분리 - 99.92 500 250 1 1
비교예 2 물 선분리후 NPA 제거 - 99.995 2 50 1 1.06
실시예 1 물 선분리후 NPA 제거 0.5 중량% 99.995 2 10 0.995 1.11
실시예 2 물 선분리후 NPA 제거 5 중량% 99.995 2 10 0.96 1.37
실시예 3 물 선분리후 NPA 제거 10 중량% 99.995 2 10 0.88 1.88
1) 제1 칼럼의 하부에서 배출된 물의 COD(chemical oxygen demand)로서, 비교예 1에서 측정된 COD를 기준으로 표준화하여(normalized) 나타냄
2) 정제 공정 전반에 걸쳐 사용된 스팀량으로서, 비교예 1의 스팀 사용량을 기준으로 표준화하여(normalized) 나타냄.
상기 표 1에서, 비교예 1은 IPA 정제시에 제1 칼럼의 측부에 연결된 제3 칼럼의 하부로 NPA를 먼저 제거하였지만, 상기 제1 칼럼 및 제3 칼럼에 포함된 물에 의해 IPA 및 NPA와 공비혼합물이 형성됨에 따라 제2 칼럼으로 이송되는 스트림에 NPA가 포함됨으로써, 상기 제2 칼럼의 하부로 최종 IPA를 회수할 때 500ppm의 NPA 및 250ppm의 물이 잔존하였다. 또한, 제1 칼럼의 하부로 배출되는 물에 고비점 유기물(heavy substances)이 포함됨에 따라 COD(chemical oxygen demand)가 높았으며, 그 결과 폐수 처리시에 추가 공정이 요구될 수 있다.
비교예 2는 IPA 정제시에 제2 칼럼에서 IPA, NPA 및 물의 공비 혼합물로부터 물을 먼저 분리하였기 때문에, 제3 칼럼에서는 공비 혼합물이 형성되지 않아 NPA가 쉽게 제거되었으며, 그 결과 최종 회수된 IPA에는 잔존 NPA가 2ppm 수준으로 낮았다. 하지만 상기 제2 칼럼에서 미처 분리되지 못한 물이 최종 IPA 회수시에 50ppm의 농도로 포함되었다. 또한, 비교예 1과 유사하게 제1 칼럼의 하부로 배출되는 물에 고비점 유기물(heavy substances)이 포함됨에 따라 COD(chemical oxygen demand)가 높았다.
반면에, 실시예 1 내지 3은 분리벽형 제3 칼럼을 사용하여, IPA/물 및 NPA/물의 공비 혼합물을 포함하는 스트림으로부터 물을 먼저 분리한 후, 분리벽형 제3 칼럼의 제1 영역으로 제1 칼럼의 하부 스트림(물 및 고비점 유기물을 포함)의 분기 스트림(1b') 및 제2 칼럼의 하부 스트림(2b, IPA 및 NPA를 포함)의 혼합 스트림을 공급하여 상기 고비점 유기물 및 NPA를 제거한 결과, NPA가 제거된 고순도의 IPA를 회수하였으며, 잔존 NPA 및 잔존 물의 농도가 각각 2ppm 및 10ppm으로 낮았다.
더욱이, 실시예 1 내지 3에서는 제1 칼럼 하부 분기 스트림(1b')에 포함된 물을 고비점 유기물과 분리한 후 환류시킴에 따라, 상기 제1 칼럼의 하부 스트림에서 남은 물의 COD가 저감되었다. 즉, 상기 제3 칼럼의 하부 스트림(3b)으로 배출된 고비점 유기물의 함량이 제3 칼럼의 제1 영역으로 공급되는 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 유량에 비례함에 따라, 결과적으로 상기 제1 칼럼의 하부 스트림에서 남은 물의 COD가 저감된 것이다.
한편 실시예 3의 경우 제1 칼럼 하부 분기 스트림(1b')의 분기 유량이 10 중량%로 높아짐에 따라 분기에 따른 스팀 사용량이 급격히 증가함을 볼 수 있다. 따라서, 상기 제1 칼럼 하부 스트림의 분기시에는 폐수의 COD 함량을 낮추면서도 과도한 에너지 소비를 피하기 위하여, 분기 유량을 소정 범위(예컨대 제1 칼럼 하부 스트림 전체 유량의 0.5 내지 5 중량%)로 조절하는 것이 바람직하다.

Claims (9)

  1. 이소프로필 알코올(isopropyl alcohol, IPA)을 제조하는 방법으로서,
    (S1) 프로필렌 단량체 및 물의 반응 생성물로부터 가스 정제를 수행하여 이소프로필 알코올(IPA), 노말 프로필 알코올(NPA), 물 및 고비점 유기물을 포함하는 피드 스트림을 수득하는 단계; 및
    (S2) 상기 피드 스트림을 복수의 칼럼을 포함하는 정제부에 공급하여 IPA를 회수하는 단계를 포함하고,
    상기 정제부의 제1 칼럼에서 상기 피드 스트림을 IPA, NPA 및 물의 혼합물을 포함하는 상부 스트림과 물 및 고비점 유기물을 포함하는 하부 스트림으로 분리하고,
    상기 정제부의 제2 칼럼에서 유기 용매를 이용해 제1 칼럼의 상부 스트림으로부터 물을 제거하여 IPA 및 NPA를 포함하는 스트림을 하부로 분리하고, 상기 용매가 물 및 IPA와 함께 3성분 공비 혼합물을 형성하여 상부 스트림으로 배출하며,
    상기 정제부의 제3 칼럼은 중심 분리벽에 의해 구분되는 제1 및 제2 영역을 포함하고, 상기 제1 영역으로 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 스트림 및 제2 칼럼 하부 스트림을 혼합한 스트림을 공급하고, 상기 혼합 스트림으로부터 고비점 유기물이 제거된 물을 포함하는 상부 스트림, NPA가 제거된 IPA를 포함하는 측면 스트림, 및 상기 고비점 유기물 및 NPA를 포함하는 하부 스트림을 분리하며, 상기 IPA를 포함하는 측면 스트림을 제2 영역으로부터 회수하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 칼럼의 상부에서 분리된 용매, 물 및 IPA의 3성분 공비 혼합물을 포함하는 상부 스트림은 정제부의 제4 칼럼으로 이송되어 물이 제거된 상부 스트림 및 물을 포함하는 하부 스트림으로 분리되고, 상기 상부 스트림은 제2 칼럼으로 환류되는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 피드 스트림은 IPA 5 내지 10 중량%, NPA 0.1 내지 3 중량%, 물 85 내지 94 중량% 및 고비점 유기물 0.05 내지 2 중량%를 포함하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 칼럼의 상부 스트림은 IPA 30 내지 70 중량%, NPA 20 내지 50 중량% 및 물 10 내지 50 중량%의 혼합물을 포함하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 칼럼의 제1 영역으로 공급되는 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 유량은 제1 칼럼 하부 스트림 전체 유량의 0.5 내지 5 중량%로 조절되는 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제3 칼럼의 하부 스트림으로 배출된 고비점 유기물의 함량은 제3 칼럼의 제1 영역으로 공급되는 제1 칼럼 하부 스트림의 분기 유량에 비례하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제3 칼럼에서 제1 영역의 측벽을 통해 회수되는 IPA는 99.99 중량% 이상의 순도를 만족하는 IPA의 제조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 고비점 유기물은 헥산올을 포함하는 IPA의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 칼럼에서 사용된 유기 용매는 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔 및 이소프로필 아세테이트로부터 선택되는 것인 IPA의 제조 방법.
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