KR840001548B1 - C_8방향족 이성체의 혼합물로부터 순수 파라크실렌과 순수 메타크실렌/오르도크실렌 혼합물을 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

C8방향족 이성체의 혼합물로부터 순수 파라크실렌과 순수 메타크실렌/오르도크실렌 혼합물을 제조하는 방법

본 발명은 3성분 각각에 대하여 원하는 선택도를 나타내는 흡착제 및 탈착제를 사용하여 이것의 혼합물로 부터 3가지 성분을 분리해내는 방법에 관한 것이다.

탄화수소류에서 한 가지 탄화수소를 분리하는데 몇 가지 결정질 알루미노실리케이트가 사용되는 것을 잘 알려진 사실이다. 예컨대 노르말 파라핀은 3-약 5옹스트롱의 기공경을 갖는 A형 제올라이트를 사용해서 측쇄파라핀으로부터 분리할 수 있었다. 이같은 분리방법은 미합중국 특허 2,985,589와 3,201,491에 기술되어 있다. 즉, 제올라이트 흡착제내의 동공속에 작은 분자의 탄화수소나 노르말 탄화수소는 통과시키고, 큰 분자나 측쇄의 분자는 배제하므로써 크기가 다른 차이에 의하여 분리를 행하였다. 예컨대 미특허 3,265,750과 3,510,423에서는 X형과 Y형 제올라이트 같은 큰 기공경의 제올라이트를 사용하여 비올레핀계 탄화수소에서 올레핀계 탄화수소를 분리하는 방법을 기술하고 있다.

탄화수소 분리방법에 사용되는 것 외에 X형 또는 Y형 제올라이트를 구성하는 흡착제들은 각각의 탄화수소를 분리하는데 사용되기도 하였다. 미특허 3,558,730;3,558,732; 3,626,020과 3,686,342의 방법에서는 특정한 제올라이트 흡착제를 사용하여 원하는 크실렌 이성체를 분리하였다. 미특허 3,114,782에서는 알킬-삼치 환벤젠의 분리에 사용하였다. 미특허 3,864,782에서는 테트라알킬로 치환된 방향족 탄화수소 이성체를 분리하는데 미특허 3,668,267에서는 특이한 알킬로 치환된 나프탈렌의 분리에 사용되었다.

고체 흡착제를 접촉시키므로써 유체 혼합물 성분을 연속 분리하는 모의 이동상 원리는 미특허 2,985,589에 기술되어 있다.

흡착제 칼럼을 통해 상기 모의 이동상을 주기적으로 전진시키므로써 액체류의 여러 공급점 및 회수점이 작용을 한다. 상기 모의 이동상 흐름 계통상에서 야기되는 일반적인 문제는 추잔액 자체가 성분들을 함유하는 것으로 이러한 분리방법은 바람직하나 정류와 같은 종래 방법에 의하여서는 분리될 수 없다는 것이다.

따라서 이같은 경우에 본 발명에서는 완전한 분리를 위하여 2단계의 모의 이동상을 제공하였다. 또한 본 발명은 소정의 3성분원료에 의해 발생하는 상기의 문제를 배제시키기 위한 모의 이동상 칼럼을 작동시키는 방법을 발명하였던 것이다 특히, 본 발명 방법은 혼합물로부터 에틸벤젠 및 오르도, 메타, 파라크실렌을 분리하는데 유용하다.

따라서, 본 발명은 3성분 혼합물로 구성되는 유체 원료류로부터 제1, 제2 및 제3성분을 분리해 내는 방법을 제공하는 것인데 이 방법에서는 순서대로 각자, 제1, 제2 및 제3성분에 대해 상대 선택도를 나타내는 흡착제와 탈착제를 사용하고 있다.

상기 방법은 다음의 단계들로 구성된다.

a) 제각기 서로 다른 조작기능을 발휘하는 적어도 3대역이 설치되어 있으며 상기 대역을 연속적으로 연결시켜 주기 위해 결합된 칼럼의 단말대역과 일련으로 상호 결합되어 있는 흡착제 칼럼을 통해서 순유체류를 단일방향으로 유지하고,

b) 흡착대역의 상류경계층에 있는 원료(추료) 입구류와 흡착대역의 하류경계층에 있는 추잔액 출구류 사이에 위치한 흡착제에 의해서 구획된 흡착대역을 칼럼에서 유지하고,

c) 정화대역의 상류경계층에 있는 추출액출구류와 정화대역의 하류 경계층에 있는 원료입구류 사이에 위치한 흡착제에 의해서 구획된 정화대역을 상기 흡착대역으로부터 상류로 즉시 향하도록 유지하고,

d) 탈착대역의 상류경계층에 있는 탈착제 입구류와 탈착대역의 하류경계층에 있는 추출액 출구류 사이에 위치한 흡착제에 의해서 구획된 탈착대역을 상기 정화대역으로부터 상류로 즉시 향하도록 유지하고,

e) 원료류를 흡착조건하에 흡착대역에 통과시켜 흡착대역에서 흡착제에 의해 제1성분을 선택적으로 흡착하여 상기 흡착대역으로부터 추잔액 출구류를 회수하고,

f) 탈착제물질을 탈착조건하에 탈착대역에 통과시켜 탈착대역에서 흡착제에 의해 제1성분을 제거하고,

g) 제1성분과 탈착제물질로 구성되는 추출액류를 탈착대역으로부터 회수하고,

h) 제3성분과 탈착제물질로 구성되는 추잔액출구류를 이것의 하류 경계층에서 흡착대역으로부터 회수하고,

i) 흡착대역의 유체에 대한 하류방향으로 흡착제 칼럼을 통해 원료입구류, 추잔액출구류, 탈착제입구류, 추출액 출구류 및 중간추잔액 출구류를 주기적으로 전진시켜 흡착제를 통해 대역을 이동시키고 추출액출구, 추잔액출구 및 중간추잔액 출구류를 형성한다.

본 발명의 한 실시예에서 제1성분은 파라크실렌, 제2성분은 에틸벤젠, 제3성분은 메타크실렌과 오르도크실렌의 혼합물이다. 또다른 실시예에서, 제1성분은 파라크실렌, 제2성분은 파라크실렌과 오르도크실렌의 혼합물, 제3성분은 에틸벤젠이다.

본 발명의 기타 목적 및 실시예들은 원료혼합물, 흡착제, 탈착제물질, 흐름계통 및 조작조건 등에 관한 명세를 포괄하고 있는데, 이들 모두는 이하에 기술된다.

본 발명에서 사용된 여러 가지 용어의 정의에 대한 것은 다음과 같다.

“원료혼합물”은 본 방법의 흡착제로 공급될 하나 이상의 추출성분 및 하나 이상의 추잔성분을 지닌 혼합물이다. “원료류”는 본 방법에 사용된 흡착제를 통과하는 원료혼합물류이다.

“추출성분”은 흡착제에 의해서 선택적으로 많이 흡착된 방향족 이성체와 같은 화합물이나 소정의 화합물 형태이고, “추잔성분”은 선택적으로 적게 흡착된 화합물형태이다. “중간추잔성분”에 대한 홉착제의 선택도는 추출성분과 추잔성분간의 선택도를 말한다. 첫번째 실시예에서, 파라-크실렌은 추출성분이고, 에틸-벤젠오르도 및 메타크실렌은 추잔성분이다. “추잔액류” 또는 “추잔액출구류”는 추잔성분이 흡착제로부터 제거된 류를 뜻한다. 본 발명에는 두 가지 추잔액류가 있는데, 즉 흡착대역의 하류 경계층으로부터 나온 통상의 유액과 흡착대역의 중간점으로부터 나온 중간류가 있다. 추잔액류의 조성물은 100% 탈착물질로부터 100% 추잔성분까지 다양하다. “추출액류” 및 “추출액출구류”란 탈착제물질에 의하여 탈착된 추출액 물질이 흡착제로부터 제거된 류를 의미한다. 따라서, 추출액류의 조성물은 100% 탈착물질로부터 100% 추출성분까지 다양하다.

본 발명의 방법에 의하여 고순도의 추출생성물이나 추잔생성물(이하 정의됨)이 고회수율로 산출될 수 있지만, 추출성분은 흡착제로 완전히 흡착되지 아니하고, 추잔성분도 완전히 흡착되지 아니한다. 따라서 소량의 추잔성분은 추출액류에 나타나고 소량의 추출성분이 추잔액류에 나타났다. 특정류에 나타나는 추출성분과 특이한 추잔성분 사이의 농도비율에 의해서 서로가 원료혼합물로부터 식별된다. 예를 들면, 본 발명의 첫째 실시예에서, 선택적으로 적게 흡착된 이성체와 에틸-벤젠의 농도에 대한 선택적으로 많이 흡착된 파라-크실렌의 농도비율은 추출액류에서 최고이고, 다음이 원료혼합물, 다음이 중간추잔액류 그리고 추잔액류에서 가장 낮다. 따라서, 선택적으로 많이 흡착된 파라-크실렌에 대한 선택적으로 적게 흡착된 이성체와 에틸-벤젠의 비율은 그 순서가 추잔액류, 중간추잔액류(에틸벤젠이 존재하는 유일한 추잔액류), 원료혼합물 그리고 추출액류에서 가장 낮다. “탈착제물질”은 일반적으로 추출성분을 탈착시킬 수 있는 물질을 의미한다. “탈착제류” 또는 “탈착제입구류”는 탈착제물질이 흡착제를 통과하는 류를 지칭한다. 추출액류와 추잔액류가 탈착제물질을 함유할 경우, 흡착제로부터 산출되는 최소한 일부의 추출액류와 바람직하게 최소한 일부의 추잔액류는 정류기와 같은 분리장치를 통과하여 이곳에서 최소한 일부의 탈착제물질이 분리조건에 따라 분리되어서 추출물과 추잔물을 산출한다. “추출물”과 “추잔물”은 각각의 추출액류와 추잔액류에서 발견된 것보다 고농도의 추출성분과 추잔성분을 함유하는 방법에 의하여 생산된 생산물을 뜻한다. 흡착제의 “선택적 기공부피”는 원료 혼합물로부터 추출성분을 선택적으로 흡착하는 흡착물의 부피로서 정의한다. 흡착제의 “비선택적 공소부피”는 원료혼합물로부터 추출성분을 선택적으로 보유하지 못하는 흡착제의 부피이다.

이 부피는 흡착부위를 포함하지 않는 흡착제의 공동들과 흡착제 입자들간의 틈새 공소공간을 포괄한다. 이 선택적 기공부피와 비선택적 공소부피는 일반적으로 용적량으로 표현되며 효과적인 조작이 주어진 흡착제량에 대하여 발생하도록 공정에 통과시키는데 필요한 유체의 유속을 적합하게 결정하는 데에 중요한 것이다.

흡착제가 본 방법의 실시예에 사용된 조작 대역을 통과할 경우 흡착제의 선택적 기공부피와 함께 비선택적 공소부피도 유체를 이 대역으로 통과시킨다. 비선택적 공소부피는 비선택적 공소부피에 나타나는 유체를 대체하기 위하여 흡착제에 대하여 향류방향으로 동일지역에 통과시킬 유체량을 결정하는데 이용된다. 이 대역을 통과하는 유체유속이 그 지역을 통과하는 흡착제물질의 비선택적 공소부피속도보다 느릴 경우, 흡착에 의하여 이 지역으로 액체가 비말동반된다. 이러한 비말동반은 흡착제의 비선택적 공소부피에 존재하는 유체이기 때문에, 대부분의 경우 선택적으로 적게 보유된 원료혼합물 성분을 구성한다. 흡착제의 선택성 기공부피는 소정의 경우에 흡착제 주위에 있는 유체로부터 추잔물질의 일부를 흡수할 수 있는데 이는 소정의 경우에 선택적 기공부피내의 흡착부위에 대한 추출물질과 추잔물질 사이에 조성물이 있기 때문이다. 추출물질에 대하여 다량의 추잔물질이 흡착제 주위에 있을 경우, 추잔물질은 흡착제에 의해 충분히 흡착된다.

본 발명의 방법에 사용될 수 있는 원료혼합물은 사용된 흡착 및 탈착물질이 크기 순서대로 성분에 대하여 상대 선택도를 보이는 성분의 혼합물로 구성될 것이다. 한 성분은 1 이상의 분자편이나 이성체로 구성된다.

예를 들어, 본 발명실시예에서 첫째 성분은 파라-크실렌, 둘째 성분은 에틸벤젠, 셋째 성분은 메타-크실렌과 오르도-크실렌의 혼합물이다. 첫째 실시예에서의 용도로 선택된 흡착-탈착결합물은 파라-크실렌, 에틸벤젠, 메타 및 오르도-크실렌의 순으로 선택도를 나타낸다.

본 발명의 분리 효율을 향상시키기 위하여, 원료혼합물은 특정흡착제와 접촉시키고, 가장 높은 상태 선택도의 성분은 흡착로 더욱 선별흡착 유지하는 반면에 다른 성분은 거의 흡착하지 않고 흡착제 입자와 흡착제 표면 사이의 빈 공간으로부터 제거하였다. 더욱 선별흡착된 성분을 “풍부한” 흡착제(더욱 선별흡착된 성분이 풍부한)라 언급하였다. 그후, 상기 흡착된 성분은 풍부한 흡착제와 탈착제물질을 접촉시켜서 회수하였다.

본 방법에 사용될 수 있는 탈착제 물질은 사용된 조작의 형태에 따라 다양하다. “탈착제물질”이란 선별흡착된 원료성분을 흡착물로부터 제거할 수 있는 액체물질을 의미한다. 함침류에 의해서 선별흡착된 원료성분을 흡착제로부터 제거하는 스윙상 시스템에서는 탈착제 물질선택이 그리 중요치 않으나 기체탄화수소(메탄, 에탄 등등) 또는 기타 기체(질소 또는 수소)로 구성되는 탈착제 물질들이 승온 또는 감압하에 사용되기도 하고 흡착제로부터 원료성분을 효율적으로 함침하는데 사용되기도 한다. 그러나, 제올라이트계 흡착제를 사용하고 상압 및 상온에서 일반적으로 연속조작되어 액상을 형성하는 흡착 분리방법에서는 탈착제 선별여부에 따라 여러 기준점을 설정해야 한다.

첫째, 탈착제물질은 알맞는 질량 유속으로 그 자체가 너무 강하게 흡착되지 아니하고 추출성분을 대치하여서 다음의 흡착순환에서 추출성분이 탈착제물질을 대치하는 것을 방해할 정도가 되어야 한다. 선택도(이하에 더욱 상세히 설명됨)라 표현한 바에 의하면 흡착제는 추잔성분에 대한 탈착제물질보다 추잔성분에 대한 추출성분에 대해 더욱 선택적이어야 한다. 둘째, 탈착제물질은 특정흡착제 및 특정원료 혼합물과 반응하지 않아야 한다. 특히, 추잔성분에 대하여 추출성분에 대한 흡착제의 한계 선택도를 감소시키거나 파괴하지 말아야 한다. 부언하면, 탈착제물질은 공정을 통과한 원료 혼합물로부터 쉽게 분리될 수 있는 물질이어야 한다. 원료의 추출성분을 탈착시킨 후, 탈착제물질과 추출성분은 혼합물중의 흡착제로부터 제거한다. 마찬가지로 탈착제물질을 이용하여 혼합물중의 흡착제로부터 하나 이상의 추잔성분을 제거하였으며 증류와 같은 탈착제물질의 적어도 일부를 분리하는 방법을 이용한 바, 고순도의 추출물과 추잔물을 생성하였다. 따라서, 본 방법에 사용된 탈착제물질의 평균 비등점은 원료혼합물의 평균 비등점과 상이해야 하는데, 이에 따라 단정류에 의해 추출 및 추잔류중의 원료성분으로부터 탈착제물질이 분리되고 탈착제물질은 본 방법에 재사용된다. 상기 “상이하다”는 것은 탈착제물질과 원료혼합물 평균 비등점의 차이가 최소한 5℃정도임을 뜻한다.

탈착제물질의 비등범위는 원료 혼합물보다 높기도 하고 낮기도 하다.

본 발명방법의 바람직한 첫째 실시예에서, 파라 - 디에틸 - 벤젠이 이하에 언급된 흡착제와 사용될 경우 특히 효과적임을 발견하였다.

절대적으로 필요한 것은 아니지만, 종래 기술에서는 몇 가지 흡착제의 특성이 선택적 흡착방법의 연속조작에 바람직하다고 인식하였다. 이같은 특성은 하기와 같다. 흡착부피당 추출성분 부피에 대한 흡착능력(흡착도), 추잔성분에 대한 추출성분의 선별흡착 및 탈착제물질, 흡착제에 대한(및 로부터의) 추출성분의 빠른 흡착 및 탈착속도.

물론 하나 이상의 추출성분의 비부피를 흡착하는 흡착제 능력은 필연적이다. 이같은 능력이 없으면 상기 흡착제는 흡착분리에 무용하다. 더구나 추출성분에 대한 흡착제의 흡착도가 높을수록 좋은 흡착제이다. 특정흡착제의 흡착도가 증가하면 특정 부하율로 함유된 원료혼합물의 추출성분을 분리하는데 필요한 흡착제량을 감소시킬 수 있다. 특정흡착 분리에 필요한 흡착제량을 감소시키면 분리공정에 소요되는 비용이 결감된다.

흡착제의 양호한 초기능력은 실제사용시 경제적인 수명에 걸쳐서 분리 공정에서 유지하는 것이 중요한 것이다.

둘째로 필요한 흡착특성은 원료의 성분을 분리하는 흡착제의 흡착능력이다. 혹은 다른 성분과 비교해 볼때 흡착제가 한 성분에 대한 흡착선택도(B)를 갖는다는 것이다. 상대 선택도는 다른 것과 비교해 볼 때 원료성분에 대한 것일 뿐 아니라 원료혼합물 성분과 탈착제물질 사이의 것이기도 하다.

본 명세서를 통하여 사용된 바와 같이 선택도(B)는 평형조건에서 비홉착상내의 동일한 두 성분비율에 대한 흡착상의 두 성분의 비율로 정의한다.

[등식 1]

상기식에서 C와 D는 두 원료성분(부피퍼센트)을 말하며 하첨자 A와 U는 각각 흡착상과 비흡착상을 나타낸다. 평형조건은 흡착제베드를 통과하는 원료가 흡착제 베드와 접촉후 조성물을 변화시키지 아니할 경우 결정된다. 즉, 흡착상과 비흡착상 사이에는 순수한 물질전달이 없었다.

두 성분의 선택도가 1.0에 접근할 경우, 다른 것에 대한 한 성분의 흡착제에 의한 흡착이 양호하지 못했다. 이들은 서로에 대하여 동일한 정도로 홉착(또는 비흡착)된 것이다. (B)가 1.0 이하나 그 이상이 됨에 따라서 다른 것에 대한 한 성분의 흡착제에 의한 흡착은 양호하였다. 성분(D)에 대한 성분(C)의 흡착제에 의한 선택도를 비교해 볼 때 선택도(B)가 1.0 이상이면 흡착제내에서의 성분(C)의 흡착이 양호한 것이다.

선택도(B)가 1.0 이하이면 성분 C에서 더 풍부한 비홉착상과 성분 D에서 더 풍부한 흡착상을 나오면서 양호하게 흡착된다. 추잔성분으로부터의 추출성분 분리는 추잔성분에 대하여 추출성분에 대한 흡착제의 선택도가 1.0을 초과할 경우 이론적으로 가능하지만 이같은 선택성은 2에 근사하는 값을 지닌 것이 양호하다. 상대 휘발도와 마찬가지로 선택도가 높을수록 분리수행이 용이해진다. 선택도가 높을수록 흡착제의 사용량이 적어진다. 이상적인 탈착제물질은 모든 추출성분에 대하여 약 1에 해당하는 선택도를 지녀야만 모든 추출성분이 등급별로 추출될 수 있으며 모든 추잔성분들이 추출류내로 확실히 유입될 수 있다.

세번째 중요한 특징은 원료 혼합물의 추출성분 교환속도, 또는 추출성분의 상대탈착 비율이다. 이 특징은 직접 추출성분을 흡착제로부터 회수하기 위하여 공정에 이용되어야 하는 탈착제의 양에 관련되는 것이다.

교환속도가 빨라지면 추출성분을 제기하는데 필요한 탈착제물질의 양이 감소하며 공정상의 조작비용이 절감된다. 교환속도가 빨라지면 상기 공정을 통하여 탈착제 물질이 덜 펌프되고 추출류로부터 덜 분리되므로 재사용할 수 있다. 기대되는 흡착제 시스템을 최선 평가하고 이러한 데이타 형태를 실제 분리공정에 적용키 위해서는 연속 향류 고액접촉 장치에서 실제적으로 최적 시스템을 테스트하는 것이 필요하다. 이같은 장치의 일반조작 원리는 종전의 미특허 2,985,589(브로우톤)에 서술되어 있다. 이 원리를 이용하는 실험실 크기의 특정장치는 미특허 3,706,812(드로세트외 다수)에 서술되어 있다. 이 장치는 베드내의 분배기에 부착된 수많은 접근라인을 지닌 다중흡착베드로 구성되어 있으며 회전식 분배 밸브에서 단말된다. 주어진 밸브위치에서 원료물과 탈착제가 두 라인을 통해 주입되고 추잔 및 추출류가 둘 이상의 라인을 통해 회수된다. 잔존하는 모든 접근라인은 비활동 상태에 있으며 분배밸브의 위치가 하나의 인텍스에 의해 진행될 경우, 모든 활동위치는 하나의 베드에 의해 진행될 것이다. 이에 따라 액류에 대해 향류인 방향으로 흡착제가 물리적으로 이동하는 조건이 형성된다. 상기 언급된 흡착제 시험장치와 흡착제 성능평가기술에 대한 부가적인 상술은 다음의 잡지에서도 찾아볼 수 있다. 1971년 3월 28일-4월 2일, 캘리포니아, 로스앤젤레스, 아메리칸 케미칼 쏘싸이어티에서 공포된 에이. 제이. 드로세트, 알. 더블유. 뉴질, 디. 제이. 코러서 및 디. 에치. 로스백에 의한 “C₄방향족류의 흡착분리.”

본 방법에 사용될 흡착제는 특정 결정질 알루미노실리케이트나 분자체로 구성된다. 본 발명영역에 포함된 특정결정질 알루미노 실리케이트는 알루미나 및 실리카테트라헤드라가 열려진 3차원 골격이 확고히 연결된 결정질 알루미노실리케이트 케이지구조이다. 상기 테트라헤드라는 이러한 제올라이트의 부분적 또는 완전한 탈수에 앞서 물분자에 의하여 점유된 테트라헤드라 사이의 공간에 산소원자를 공유시키므로서 가교결합된다.

제올라이트의 탈수화로 인하여 분자 크기를 갖는 셀로얽힌 결정이 산출된다. 따라서, 결정성 알루미노실리케이트는 이들이 영향을 주는 분리조작이 원료분자의 크기 차이에 의존할 경우, 예컨대 비교적 적은 노르말 파라핀분자가 특정분자체에 의해 보다 큰 이소파라핀 분자로부터 분리될 경우에 종종 “분자체”라 언급한다.

그러나, “분자체”란 용어는 광범위하게 사용되지만 특정 방향족 이성체의 분리가 이성체분자내의 순수한 물리적 크기 차이에 대해서라기 보다는 오히려 상이한 이성체 및 흡착제의 전기화학적 유도작용의 차이에 기인하므로 엄격히 말해 알맞지 못하다.

수화형태의 결정질 알루미노실리케이트의 일반적으로 하기 구조식 1로 나타난 제올라이트를 포괄한다.

[식 1]

윗식에서 “M”은 테트라헤드라의 전자가를 균형짓는 양이온으로써 일반적으로 양이온 교환부라 언급된다. “n”은 양이온가이며, “w”는 SiO₂의 몰수를 나타내며, “y”는 물의 몰수를 나타낸다. 일반화된 양이온 “M”은 1가, 2가 또는 3가 또는 이것의 혼합물들이다. 종래 기술에서는 일반적으로 X형과 Y형 제올라이트로 구성되는 흡착제가 몇 가지 흡착 분리공정에서 사용되었었다. 이들 제올라이트는 각각 미특허 2,882,244 및 3,120,007에 서술되어 있다. 수화되거나 부분수화된 형태의 형제올라이트는 하기 구조식(2)의 몰산화물로 나타낼 수 있다.

[식 2]

윗 식에서 “M”은 3 이하의 원자가를 갖는 적어도 하나의 양이온이고, “n”은 “M”의 원자가, “y”는 “M”의 동일성 및 결정의 수화도에 의존하는 약 9까지의 원자가이다. 식 2에 나타난 바와 같이 SiO₂-Al₂O₃의 몰비는 2.5±0.5이다. 양이온 “M”은 수소양이온, 알카리금속양이온 또는 알카리금토속양이온류와 같은 1 이상의 수많은 양이온류이기도 하고, 기타 선별양이온으로써 일반적으로 양이온교환부라 언급된다. X형 제올라이트가 초기에 제조된 바와 같이 “M”은 항상 나트륨이며 상기 제올라이트는 나트륨 X형 제올라이트라 언급된다. 제올라이트 제조에 사용된 반응제의 순도에 따라서, 상기 언급된 기타 양이온들이 존재하기는 하나 불순물로 존재한다. 수화된 형태의 Y형 제올라이트는 구조식 3의 물 산화물로 나타낼 수 있다.

[식 3]

윗 식에서 “M”은 이하의 원자가를 갖는 적어도 하나의 양이온이고, “n”은 “M”의 원자가 “w”는 3에서 6까지의 원자가이고, “y”는 “M”의 동일성 및 결정의 수화도에 의존하는 9까지의 원자가이다. SiO₂/Al₂O₃몰비(Y형 제올라이트에 대한)는 약 3에서 6이다. X형 제올라이트와 같이, “M”양이온은 다양한 양이온류이지만, Y형 제올라이트가 초기에 준비된 바와 같이, 양이온 “M”도 항시 나트륨이다. 따라서, 양이온 교환부에 나트륨 양이온을 함유하는 Y형 제올라이트는 나트륨 Y형 제올라이트라 언급된다.

제올라이트내에서 양이온 교환부를 차지하는 양이온은 결정질 알루미노실리케이트 분야에서 통상의 기술로 알려진 이온교환법에 의해 다른 양이온으로 대체되기도 한다. 이같은 방법은 일반적으로 제올라이트 또는 이 제올라이트를 함유하는 염기물질을 상기 제올라이트에 따라서 대체될 바람직한 용해성 양이온염 또는 양이온류염의 수용액과 접촉시켜 수행하는 것이다. 원하는 정도의 교환이 발생한 후 상기 분자체를 용액으분로부터 제거, 세척, 건조하여 물함량을 조절한다. 이러한 방법에 의해서, 나트륨 X형 또는 나트름 Y형 제올라이트에서 불순물로서 교환부를 차지하고 있는 나트륨 양이온 및 비나트륨 양이온은 다른 양이온으로 부적으로 또는 완전히 대체될 수 있다. 이하에 사용된 바와 같이 “염기물질”이란 X 또는 Y제올라이트를 함유하는 물질 및 본 방법에 사용된 흡착제를 제조하는데 사용될 수 있는 무정형 물질을 말한다. 제올라이트는 휘발성이 없는 조성물을 주성분으로 한 염기물질 75중량%-98중량%의 양으로 염기물질에 존재한다. 휘발성이 없는 조성물은 모든 휘발성물질을 증발제거하기 위해 상기 염기물질을 900℃에서 소성시킨 후 결정하였다. 잔존하는 염기물질은 실리카, 알루미나 또는 실리카-알루미나 혼합물 등의 무정형물질이나 점토와 같은 화합물로써, 이 물질은 작은 제올라이트물질 입자와의 초기혼합물에 존재한다. 이 무정형물질은 X 또는 Y제올라이트에 대한 제조공정의 부속물(예, 제조시 제올라이트를 의도적으로 불완전 제제)이기도 하며 혹은 비교적 순수한 X 또는 Y제올라미트에 가하기도 하지만 양쪽의 경우에 그 목적은 결합제로서 제올라이트의 견고한 결정질입자를 응집 또는 형성시키는 것을 돕기 위한 것이다. 일반적으로 염기물질은 추출제, 응집제, 정제 거대구 또는 바람직한 크기의 입자와 같은 형태이다.

본 방법에 사용된 흡착제의 입자크기는 60메쉬(표준 미국메쉬)이다. 흡착제 제조에 사용될 수 있는 알맞는 염기물질은 뉴욕, 토나완다, 린데사에서 제조된 “분자체 13X” 및 “SK-40”이다. 물론 분자체 13X는 X형 제올라이트를 함유하고 SK-40은 Y형 제올라이트를 함유한다. 파라크실렌에 대하여 가장 좋은 선택도를 보이는 흡착제는 양이온 교화부에 바륨을 지닌 X제올라이트이었다. 대응적으로 메타-크실렌에 대하여 가장 좋은 선택도를 보이는 흡착제는 양이온 교환부에 나트륨을 지닌 Y제올라이트이었다.

본 방법에 대한 흡착제들은 양호한 양이온과 완벽하게 이온교환하는 약 20-약 60미국메쉬입자크기의 나트륨-X형 또는 나트륨-Y형 염기물질로 바람직하게 제조된다. 전형적으로, 이온교환은 염화물과 같은 금속의 용해염 수용액으로 행해진다. “완벽하게 이온교환”한다는 뜻은 염기물질의 이온교환후 잔존하는 흡착제의 나트륨함량이 2중량% Na₂O 이하임을 의미한다. 이온교환 및 물 세척에 의해 과량의 이온교환용액을 제거한 후 탈착제를 건조시켜 물의 함량을 약 10중량% 이하 더욱 바람직하게는 약 2-7중량%내로 감소(900℃에서의 점화에 대한 손실(LOI)로 측정된 바와 같이)시킨다.

흡착제의 물함량은 이 범위에서 유지시키기 위해서는 흡착제를 최적으로 유지시키고 공정도 성능을 유지시켜야 했으며 조작시 공정으로부터 물을 제거하거나 물을 공정에 가해야 했다. 흡착제의 초기 물함량을 인지하고 물함량에 대한 공정의 압력류 및 출력류를 분석하면 공정조작시 흡착제의 물함량을 계산할 수 있다.

경우에 따라서, 간헐 또는 연속베이시스(basis)상에 물을 물자체 또는 원료나 탈착제물질과의 혼합물 형태로 흡착제에 가하여 물농도를 양호하게 유지하였다. 또한 상기 공정에 매우 건조한 원료류를 통과시켜 흡착제로부터 물을 제거하며 양호한 범위에 이를 때까지 출력류를 따라 흡착제로부터 소정의 물을 제거하였다.

상기 흡착제는 향류 이동베드나 모의 이동베드의 향류시스템에 사용된다. 상기 이동베드 또는 모의 이동베드 흐름시스템을 이용하여 원료혼합물과 탈착제물질을 공정에 계속 공급하고 흡착 및 탈착을 연속수행하여 추출출력류 및 추잔출력류를 계속 산출해냈다. 이것의 상세한 설명은 미특허 ,985,589에 서술되어 있다.

본 발명은 부가적인 중간액 추잔류를 회수하기 위해 본 발명을 전제로 하는 것외에 상기 특허에 기술된 장치를 이용하는 것이다. 접근라인들중 다섯 개만은 항상 활동상태에 있다. 원료입력류, 탈착제입구류, 추잔 및 중간체추잔출구류, 추출출구류의 접근라인이다. 향류접촉을 유지하기 위하여, 펌프를 이용하여 액체를 흡착제실 아래로 흘러내리게 한다. 실정부로부터 실하부까지 순환하는 한 싸이클을 통하여 활동액체 접근점이 이동하므로써 상이한 유속을 필요로 하는 상이한 대역을 통하여 실순환펌프가 이동한다. 계획된 흐름 조정기가 장치되어 있어 이들 유속을 결정하고 조절한다.

활동액체 접근점들은 흡착실을 각각 다른 기능을 갖는 분리대역으로 효과적으로 분리하였다. 본 발명의 본실시예에서는 바람직한 분리조작순으로 3개의 분리조작대역이 존재해야 한다(경우에 따라 4개도 필요하다. 흡착대역(대역 1)은 원료입구류와 추잔출구류 사이에 위치한 흡착제를 말한다. 이 대역에서는 원료혼합물이 흡착제와 접촉하고, 추출성분이 흡착되고, 추잔류가 상기 대역의 하류경계에서 회수된다. 상기 중간체 추잔류는 상기 대역의 상류경계와 하류경계의 중간위치에 있는 흡착대역으로부터 제거된다. 대역 1을 통과하는 일반흐름과정은 상기 대역으로 유입하는 원료류로부터 상기 대역을 통해 유출하는 추잔류까지이므로 원료입구류로부터 추잔출구류로 진행하는 경우 이 대역내의 흐름은 하방으로 흐르게 된다. 대역 1내의 유체흐름에 대한 순간상류는 정화대역인 대역 2이다. 정화대역은 추출출구류와 원료입구류 사이의 흡착제를 말한다. 대역 2에서 발생하는 기본조작은 흡착제의 이동에 의해 대역 2로 운반된 모든 추잔물질의 비선택적 흡착제 공소부피를 대역 2까지 대체시키고 상기 흡착제의 선택적 기공부피내에 흡착되거나 상기 흡착제 표면상의 흡착된 추잔물질을 탈착시키는 것이다.

대역 3(이하에 기술될)을 나오는 추출류물질의 일부를 대역 2의 상류경계에 있는 대역 2, 즉 추출 출구류에 통과시키므로써 정화가 이루어져 추잔물질의 대체가 용이해진다. 대역 2내의 물질은 추출출구류로부터 원료입구류까지 하류방향으로 흐른다. 대역 2내로 흐르는 유체에 대한 대역 2의 순간상류는 탈착대역 또는 대역 3이다. 탈착대역은 탈착제 입구류와 추출출구류 사이에 흡착제를 말한다. 탈착대역에서는 탈착제물질이 이 대역을 통과하고 있기 때문에 예비조작순환시 대역 1에서 원료와 사전접촉할 경우 흡착제에 흡착된 추출성분을 대체시켜 준다. 대역 3에서의 유체흐름은 대역 1 및 2의 방향과 동일하다. 어떤 경우에는 완충 대역 4가 유용되기도 한다. 이 대역은 대역 1의 하류경계에 있는 추잔출구류와 탈착제 입구류 사이의 탈착제를 말하는 것으로 사용여부에 따라, 유체흐름에 대해 상류로 대역 3에 위치한다. 대역 4는 대역 1로부터 제거되는 추잔류 일부가 대역 4로 유입되어 이 대역에 존재하는 탈착제물질을 탈착대역으로 이동시키기 때문에 탈착화단계에 이용된 탈착제의 양을 보존하는데 유용하다. 대역 4에는 흡착제가 충분히 함유되어 있어 대역 1로부터 대역 4까지 통과하는 추잔류에 존재하는 추잔물질이 대역 3으로 통과되지 못하므로 대역 3으로부터 제거된 추출류가 오염되고 있다. 4개의 조작대역이 유용치 못한 경우에 있어서 추출출구류가 오염되지 않을 정도로 대역 1로부터 대역 3으로 통과하는 추잔류에 추잔물질이 소량 존재할 때 대역 1로부터 대역 3으로의 흐름이 정지될 수 있도록 대역 1로부터 대역 4로 통과된 추잔류를 조심스럽게 조정해야 한다.

흡착제의 고정베드를 통하는 입력류와 출력류의 순환처리는 다지관상에서 밸브가 연속방법으로 조작된 다지관 시스템을 이용하므로써 상기 입력류와 추력류가 이동하고 고체 흡착제에 대한 유체가 향류방향으로 흐르게 한다. 유체에 대하여 고체 흡착제를 향류방향으로 흐르게 하는 다른 조작법은 입력류와 출력류를 상기 회전디스크밸브에 연결시키므로써 원료입력류, 추출출력류, 탈착제입력류 및 추잔출력류가 통과하는 라인을 상기 홉착제 베드를 통해 동일방향으로 흐르게 하는 회전디스크 밸브를 사용하는 것이다. 다지관 장치배열 및 디스크밸브는 종래 기술에 공지된 것이다. 특히, 본조작에 유용될 수 있는 회전 디스크 밸브는 미특허 3,040,777 및 3,422,848에 서술되어 있다. 많은 경우에 있어서 한 개의 조작대역은 몇몇 기타 조작대역보다 많은 양의 흡착제를 함유하고 있다. 예컨대 몇 가지 조작에서 완충대역은 흡착 및 정화대역에 필요한 탈착제에 비해 소량의 탈착제를 함유하고 있다. 또한 흡착제로부터 추출성분을 용이하게 탈착할 수 있는 매우 효율적인 탈착제물질을 사용할 경우 완충대역 또는 흡착대역 또는 정화대역에 필요한 흡착제에 비해 비교적 소량의 흡착제가 탈착대역에 필요할 것이라는 것을 알 수 있다. 대역들로 나뉘어진 단일탑내에 흡착제를 위치시킬 필요가 없으며 또한 다중실 또는 일련의 탑들에 대한 용도도 본 실시예의 영역내에 포함된다. 모든 입력류나 출력류를 동시에 사용할 필요는 없으나, 사실상 많은 경우에 있어서 몇몇류들은 차단되고 기타의 것들은 입력물질이나 추력물질에 영향을 미치고 있다. 바람직한 실시예에서, 본 발명 방법을 효용화시킬 수 있는 한 장치가 입력탭이나 출력탭에 위치한 연결도관에 의해 결합된 일련의 분리 베드를 포함하고 있으며 이들 탭들에 입력류나 출력류들이 부착, 교호 및 주지적으로 이동하여 연속조작을 야기시키고 있다. 어떤 경우에는 연결도관이 전달탭들에 연결되어 있어 물질이 공정내로 또는 공정으로부터 통과하는 도관으로서의 기능을 간헐적으로 발휘한다. 적어도 추출출력류의 일부가 분리수단내로 유입되는데, 이 수단내에서는 적어도 탈착제물질 일부가 분리 조건하에 분리되어 감소된 탈착제물질의 농도를 함유하는 추출성분을 제조한다.

상기 공정의 조작에 필요한 것은 아니지만, 바람직하게 적어도 추잔출력류의 일부가 분리수단을 통과하는데, 이 수단내에서 적어도 탈착제물질의 일부가 분리조건하에 분리되어 탈착제류를 생성하며 이 탈착제류는 상기 공정에 재사용되고 추잔생성물은 감소된 탈착제물질의 농도를 함유한다. 전형적으로 추출생성물과 추잔생성물내에 함유된 탈착제물질의 농도는 약5부피% 이하로써 바람직하게는 약 1부피% 이하이다. 상기 분리수단은 정류탑으로 그 설계 및 조작은 분리 기술된 잘 알려져 있는 것이다. 상기의 것은 디. 비. 브로톤의 미특허 2,985,589와 1969년 4월 2일 일본 도오쿄오 화학공학회 정기모임(34회)에서 공표된 디. 비. 브로톤의 “연속흡착처리 및 신규분리기술”이라는 제목의 서류에 참증되어 있다. 또한, 상기 참증서류에는 모의 이동베드의 향류 공정흐름도가 설명되어 있다. 액상 및 기상 조작들은 많은 흡착분리공정에 사용될 수 있지만 기상조작에 의해 산출된 것에 비해 액상조작에 의한 것이 저온을 요하고 있으며 추출생성물의 수율이 높기 때문에 본 공정에 대해서는 액상조작이 바람직하다. 액상을 유지하기 위한 흡착조건은 약 20∼250℃ 바람직하게 100∼200℃이고 압력은 대기압∼500psig, 바람직하게 대기압∼250psig이다. 탈착조건은 흡착조건과 동일하다. 본 발명의 공정은 유용화시킬 수 있는 단일규모는 파일롯트 플랜트 단위(미특허 3,706,812 참조)에서 상용의 단위로까지 다양하며 유속은 시간당 수cc로부터 시간당 수천갈론까지 다양하다.

하기 실시예는 목적을 표명하기 위한 것으로, 특히 본 공정을 가능케 하는 선택도 관계를 서술하려는 것이다. 특정양이온, 탈착제물질, 원료혼합물 및 조작조건에 대한 참증은 본 발명에 첨부된 청구범위의 범위와 사상을 부당하게 제한하려는 것이 아니다.

[실시예]

이 실시예는 원료류가 에틸벤젠 및 오르도, 메타, 파라-크실렌의 혼합물로 구성되는 본 발명의 양호한 실시예이다.

첫번째 실시예에서는 탈착제로 디에틸벤젠을 사용하였고, 우수한 양이온으로서 바륨과 이온교환한 제올라이트를 흡착제로 사용하였다. 이 시스템에 대한 상대선택도는 다음과 같다.

파라크실렌이 상용되고 있지만 메타크실렌도 제한 사용되고 있다. 그러나, 파라-크실렌이 추출성분인 종래의 모의 이동베드 계획은 정류에 의해 추잔액으로부터 메타크실렌을 용이하게 회수할 수 없기 때문에 순수한 메타크실렌을 회수할 수 없다. 정류에 의해 메타크실렌을 용이하게 회수할 수 없는 이유는 상기 추잔액에 나타나는 소량의 파라크실렌으로부터 분리시킬 수 없고 마찬가지로 에틸벤젠으로부터 분리시키가 어렵기 때문이다. 그러나 메타-크실렌은 오르도-크실렌과의 혼합물로부터 증류에 의하여 용이하게 분리된다. 상기 경우에 의해 특히, 본 발명을 본 실시예에 적용할 수 있다. 즉, 파라-크실렌이 첫번째, 에틸벤젠이 둘째, 메타-크실렌과 오르도-크실렌의 혼합물이 셋째 성분인 것이다. 첫째 성물은 추출성분, 둘째와 셋째 성분의 혼합물은 중간체추잔류, 셋째는 추잔류로 구성된다. 추잔류를 구성하는 메타 및 오르도-크실렌에는 파라-크실렌 및 에틸벤젠이 거의 없으므로, 순수한 메타-크실렌은 단순한 정류에 의해 추잔류로부터 회수되기도 한다. 중간체 추잔류는 이성화단계를 거쳐 에틸벤젠을 크실렌으로 전환시킨다.

하기는 본 발명의 본 실시예를 설명하는 물질수지에 관한 것이다.

또 다른 실시예에서는 원료류가 에틸벤젠과 오르도, 메타, 파라크실렌의 혼합물로 구성되는데, 사용된 탈착제는 톨루엔, 흡착제는 양이온으로서 나트륨과 이온교환 한 Y-제올라이트이다. 이 시스템에 대한 상대 선택도는 다음과 같다.

본 청구범위에 나오듯이, 메타-크실렌은 첫째 성분이고, 파라-크실렌과 오르도-크실렌의 혼합물은 둘째 성분이고, 에틸벤젠은 셋째 성분이다. 첫째 성분은 추출류, 둘째와 셋째 성분의 혼합물은 중간에 추잔류, 셋째 성분은 추잔류로 구성된다. 하기의 것은 본 발명의 실시예에 관한 물질수지에 관한 것이다.

추잔류를 구성하는 에틸벤젠에는 메타-크실렌이 없으므로 순수한 추잔류가 이성화단계를 거쳐 에틸벤젠을 크실렌으로 전환시킨다.

Claims (1)

1. 파라크실렌(제1성분), 에틸벤젠(제2성분) 및 메타크실렌/오르도크실렌 혼합물(제3성분) 각각에 대해 상대 선택도를 나타내는 X-제올라이트(흡착제)와 파라디에틸벤젠(탈착제)을 사용하여 상기 3성분의 혼합물로 구성되는 C₈방향족 이성체류(유체원료류)로부터 상기 3성분을 분리하는 방법에 있어서, 적어도 3대역이 연속 연결되도록 결합된 X-제올라이트칼럼의 단말대역과 일련으로 상호결합되어 분리 조작기능을 발휘하는 상기 3대역을 포함하는 X-제올라이트칼럼을 통해서 순유체흐름을 단일방향으로 유지하고, 흡착대역의 상류계층에 있는 원료입구류와 흡착대역의 하류경계층에 있는 추잔액 출구류 사이에 위치한 X-제올라이트에 의해서 구획된 흡착대역을 X-제올라이트칼럼에서 유지하고, 정화대역의 상류경계층에 있는 추출액출구류와 정화대역의 하류경계층에 있는 원료입구류 사이에 위치한 X-제올라이트에 의해서 구획된 정화대역을 상기 흡착대역으로부타 상류로 즉시 향하도록 유지하고. 탈착대역의 상류계층에 있는 파라디에틸벤젠 입구류와 탈착대역의 하류계층에 있는 추출액출구류 사이에 위치한 X-제올라이트에 의해서 구획된 탈착대역을 상기 정화대역으로부터 상류로 즉시 향하도록 유지하고, C₈방향족 이성체류를 약 20-250℃와 약 대기압~500psig의 흡착조건하에서 흡착대역에 통과시켜 흡착대역에서 X-제올라이트에 의해 파라크실렌을 선택적으로 흡착하여 상기 흡착대역으로부터 추잔액 출구류를 회수하고, 파라디에틸벤젠을 약 20-250℃와 약 대기압~500psig의 탈착조건하에서 탈착대역에 통과시켜 탈착대역에서 X-제올라이트에 의해 파라크실렌을 대체하고, 파라크실렌과 파라디에틸벤젠으로 구성되는 추출액류틀 탈착대역으로부터 회수하고, 메타크실렌/오르도크실렌 및 파라디에틸벤젠으로 구성되는 추잔액출구류를 흡착대역으로부터 회수하고, 에틸벤젠, 메타크실렌/오르도크실렐 및 파라디에틸벤젠의 혼합물로 구성되는 중간추잔액류를, 상기 회수된(바로 전단계에서) 파라디에틸벤젠과 혼합하여 순수한 메타크실렌/오르도크실렌 혼합물의 추잔액류를 제공하기에 충분한 양으로 흡착대역의 상류와 하류경계층간의 중간지점에서 흡착대역으로부터 회수하고, 흡착대역의 유체흐름에 대해 하류방향으로 X-제올라이트칼럼을 통해 원료입구류, 추잔액출구류, 파라디에틸벤젠입구류, 추출액출구류 및 중간 추잔액출구류를 주기적으로 전진시켜 X-제올라이트를 통해 대역을 이동시키고 추출액출구류, 추잔액출구류 및 중간추잔액출구류를 형성하는 단계로 구성됨을 특징으로 하여 파라크실렌, 에틸벤젠 및 메타크실렌/오르도크실렌 혼합물을 분리하는 방법.