WO2021071073A1 - 알돌 축합 반응 장치 - Google Patents

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aldol condensation
catalyst
stirring tank
reaction apparatus
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전효진
정경선
한기도
한준희
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Definitions

  • the present invention relates to an aldol condensation reaction device.
  • the aldol condensation reaction is a hydroformylation reaction, which is well known as an OXO reaction, in the presence of a metal catalyst and a ligand, various olefins and synthetic gases (synthetic gas, CO/H 2 ) react, resulting in carbon to olefins. It refers to a process of producing linear and branched aldehydes in which the number is increased by one or more, and then producing alpha and beta unsaturated aldehydes from them through aldol condensation.
  • Unsaturated aldehydes synthesized after condensation reactions such as aldol can be converted into various acids and alcohols containing long alkyl groups through oxidation or reduction reactions, and these alcohols and acids are used as raw materials for solvents, additives, and various plasticizers. have.
  • the aldol condensation reaction is performed in a continuous stirred tank reactor arranged in series. It is disclosed.
  • an unreacted aldehyde recovery column is provided after the aldol condensation reactor to circulate the unreacted material to improve reaction efficiency.
  • An object of the present invention is to provide an aldol condensation reaction apparatus having high productivity at low cost.
  • a specific object of the present invention is to provide an aldol condensation reaction device having high productivity by preventing a decrease in conversion rate due to an increase in residence time when increasing the facility scale.
  • a specific object of the present invention is to provide an aldol condensation reaction apparatus capable of increasing the concentration and temperature of the catalyst and minimizing the amount of catalyst used in the same yield compared to the prior art.
  • a specific object of the present invention is to provide an aldol condensation reaction device capable of minimizing the cost required by increasing the size of a facility even without adding a separate device such as a pump.
  • a specific object of the present invention is to provide an aldol condensation reaction device capable of minimizing the amount of malignant wastewater generated.
  • the aldol condensation reaction apparatus is to produce 2-ethylhexenal from n-butylaldehyde through an aldol condensation reaction, and a continuous stirring tank reactor 10 into which n-butylaldehyde and a catalyst are introduced, the continuous stirring tank
  • the continuous flow reactor 20 in which n-butylaldehyde, the catalyst and the product are introduced from the reactor 10, the product and the catalyst are introduced from the continuous flow reactor 20, and the catalyst is separated by an aqueous layer and the product is separated by an organic layer.
  • the catalyst is characterized in that it flows directly into the continuous stirring tank reactor 10 and circulates.
  • n-butylaldehyde in the heat exchanger 40, may be heated to 70 to 170°C at room temperature by the product discharged from the continuous flow reactor 20.
  • the aldol condensation reaction apparatus may further include a 2-ethylhexenal storage unit through which a product having lost heat from n-butylaldehyde is introduced through the heat exchanger 40.
  • the conversion rate in the continuous stirring tank reactor 10 may be 30 to 60%.
  • the conversion rate in the continuous flow reactor 20 may be 95% or more.
  • the aldol condensation reaction apparatus may further include a temperature controller for controlling the reaction temperature of the continuous stirring tank reactor 10 or the continuous flow reactor 20 to 80 to 200°C.
  • the aldol condensation reaction apparatus may further include a residence time control unit for adjusting the residence time of the continuous stirring tank reactor 10 or the continuous flow reactor 20 to 0.1 to 30 minutes.
  • the catalyst may include any one or more selected from NaOH aqueous solution and KOH aqueous solution.
  • the aldol condensation reaction apparatus according to the present invention has the effect of having high productivity at low cost.
  • the aldol condensation reaction apparatus has an effect of having high productivity by preventing a decrease in the conversion rate due to an increase in residence time when increasing the size of the facility.
  • the aldol condensation reaction apparatus is capable of increasing the concentration and temperature of the catalyst, and has the effect of minimizing the amount of catalyst used at the same yield compared to the conventional one.
  • the aldol condensation reaction device has the effect of minimizing the cost required by increasing the size of the facility even if a device such as a pump is not separately added.
  • the aldol condensation reaction device has an effect of minimizing the amount of malignant wastewater generated.
  • 1 is a process chart schematically showing the aldol condensation reaction apparatus according to the present invention.
  • the present invention minimizes the average diameter of the particles of the organic layer dispersed in the water layer during the reaction, and minimizes the average diameter of the particles of the organic layer dispersed in the water layer during the reaction, as well as the fact that the additional space is not large compared to the prior art even if the production is increased to satisfy the required production amount It provides an aldol condensation reaction device that realizes the effect of enabling process control with low uncertainty and high precision, even though the reaction area and efficiency are high, and even though an extended mass production system is equipped. In addition, in the present invention, energy consumption in the same production amount is remarkably reduced compared to the prior art through high thermal efficiency, and thus economical efficiency is excellent.
  • the aldol condensation reaction apparatus is to produce 2-ethylhexenal from n-butylaldehyde through an aldol condensation reaction
  • the aldol condensation reaction apparatus includes a continuous stirring tank reactor in which n-butylaldehyde and a catalyst are introduced ( Continuous stirred tank reactor, CSTR) (10); A continuous flow reactor (PFR) 20 through which n-butylaldehyde, a catalyst, and a product are introduced from the continuous stirring tank reactor 10; An oil-water separator 30 through which the product and the catalyst are introduced from the continuous flow reactor 20, and the catalyst is separated by an aqueous layer and the product is separated by an organic layer; And a heat exchanger 40 that transfers heat of the product to n-butylaldehyde introduced into the continuous stirring tank reactor 10, and the catalyst separated by the water layer in the oil-water separator 30 is the continuous stirring It is characterized in that it flows directly into the tank reactor 10 and circulates.
  • the catalyst separated by the water layer in the oil-water separator 30 is directly introduced into the continuous stirring tank reactor 10 to be circulated, and the high heat of the product 2-ethylhexenal is not discarded as waste heat.
  • the catalyst continuously circulates the continuous stirring tank reactor 10, the continuous flow reactor 20, and the oil-water separator 30.
  • the catalyst separated into the water layer in the oil-water separator 30 is directly introduced into the continuous stirring tank reactor 10 and circulated' means that the catalyst circulated through the oil-water separator 30 passes through the supply line through which the reactants are transferred. It does not flow into the reactor, it means that the catalyst flows into the continuous stirring tank reactor (10). That is, in the present invention, the circulating catalyst is introduced into the supply line through which the reactant is transferred and does not flow into the continuous stirring tank reactor 10 in a state in which the catalyst and the reactant are mixed.
  • the aldol condensation reaction in which the reactant is synthesized as a product by the catalyst is preferably carried out in a reactor having an environment that satisfies the process conditions, and when the reaction occurs in a mixed supply line, which is not an environment, the process is controlled due to the action of various variables Is difficult, uncertainty increases, and it is difficult to achieve a conversion rate above the required level.
  • the n-butylaldehyde discharged through the heat exchanger 40 is introduced into the continuous stirring tank reactor 10 as heat is increased compared to the n-butylaldehyde before being introduced into the heat exchanger 40.
  • 2-ethylhexenal discharged through the heat exchanger 40 is discharged in a state in which heat is reduced compared to 2-ethylhexenal before flowing into the heat exchanger 40.
  • the discharged 2-ethylhexenal may be stored in a 2-ethylhexenal storage unit.
  • the aldol condensation reaction apparatus may further include a 2-ethylhexenal storage unit through which a product having lost heat from n-butylaldehyde is introduced through the heat exchanger 40.
  • the temperature of n-butylaldehyde received from the product through the heat exchanger 40 may be adjusted according to reaction conditions, but preferably, in the heat exchanger 40, the continuous flow reactor 20 By the product discharged from the n-butylaldehyde may be heated to 70 to 170 °C at room temperature.
  • the reaction temperature of the continuous stirring tank reactor 10 or the continuous flow reactor 20 may refer to known documents, and may be 80 to 200°C, specifically 100 to 160°C, for example. That is, the aldol condensation reaction apparatus according to an example of the present invention may further include a temperature controller for controlling the reaction temperature of each reactor 10 and 20 to 70 to 170°C.
  • the product since the product exchanges heat with the reactant, it automatically approaches the required reaction temperature, and the temperature range to be controlled by the temperature controller is reduced compared to the prior art, thereby enabling more precise temperature control.
  • the aldol condensation reaction apparatus can produce 2-ethylhexenal from n-butylaldehyde through a continuous process, and a product having high heat due to the reaction heat generated during the aldol condensation reaction at room temperature. It is possible to induce equilibrium more easily in the direction, and at the same time, the heat required for the reaction can be efficiently supplied to the reactants.
  • the continuous stirring tank reactor 10 is already well known in the field of chemical engineering, it may be designed with reference to known literature, but a reaction zone volume of 0.6 to 1 m 3 is preferable in terms of further helping to improve the conversion rate. can do.
  • the continuous flow reactor 20 may be easily designed with reference to known documents, for example, the inside of the reactor may be provided with a spiral string continuous member having a constant pitch or an irregular pitch along the length direction of the tube, It goes without saying that the present invention is not limited thereto.
  • the oil-water separator 30 is an apparatus for phase-separating an upper organic layer and a lower aqueous layer from a mixture containing a catalyst and a product, and specific details thereof may be referred to known documents.
  • the product 2-ethylhexenal is present in the organic layer, and the catalyst is present in the aqueous layer, so that 2-ethylhexenal is discharged through the upper pipe of the oil-water separator 30, and 2 through the lower pipe of the oil-water separator 30.
  • -Ethyl Hexenal is discharged.
  • the conversion rate may be preferably in the range of 30 to 60%, specifically 35 to 55%, and in the continuous flow reactor 20, the conversion rate is 95% or more, specifically 97% or more, More specifically, it may range from 97% to 99.9%.
  • the continuous stirring tank reactor 10 and the continuous flow reactor 20 satisfies the above-described range of conversion rates, it may finally have a high conversion rate and yield of 95% or more, preferably 97% or more.
  • the aldol condensation reaction apparatus is such that the conversion rate of 30 to 60%, specifically 35 to 55% in the continuous stirring tank reactor 10, and 95% or more in the continuous flow reactor 20, specifically As such, it may further include a residence time control unit to achieve a conversion rate of 97% or more, more specifically 97% to 99.9%.
  • the residence time control unit may adjust the residence time of the continuous stirring tank reactor 10 or the continuous flow reactor 20, and the residence time may be appropriately controlled to satisfy the above-described conversion rate, for example, the residence time from 0.1 to It can be adjusted to 30 minutes, specifically 0.5 to 5 minutes. However, this is only described as a preferred example, and the present invention is not necessarily limited thereto and interpreted.
  • the reaction pressure of the continuous stirring tank reactor 10 or the continuous flow reactor 20 may be in the range of 1 to 50 bar, specifically 2 to 10 bar. That is, the aldol condensation reaction apparatus according to an example of the present invention may further include a pressure control unit for controlling the pressure of each reactor 10 and 20 within the above range.
  • the catalyst may be used as both a base catalyst or an acidic catalyst, for example, a base catalyst may be better used, and the base catalyst includes any one or more selected from NaOH aqueous solution and KOH aqueous solution, etc.
  • a catalyst that can be used is exemplified. However, this is only described as a specific and preferred example, and the present invention is not necessarily limited thereto and interpreted.
  • the reactant is reacted in a liquid phase by a catalyst to synthesize a product, and the reaction is carried out in the liquid phase, and a solution including the reactant, the catalyst and/or the product may be transferred by the pump 50.
  • the position of the pump 50 is not greatly limited, and as an example, may be provided between the continuous stirring tank reactor 10 and the continuous flow reactor 20 as shown in FIG. 1. However, this is only described as a specific example, and the present invention is not necessarily limited thereto and interpreted.
  • the flow rate of a solution containing a reactant, a catalyst and/or a product may refer to a known document, for example 50 to 200 m 3 /hg It can have a volume flow range. That is, the aldol condensation reaction apparatus according to an example of the present invention may further include a flow rate controller for controlling the flow rate of the solution in each reactor 10 and 20 within the above range.
  • a reaction apparatus such as the process diagram of FIG. 1 was designed and prepared by condensing 2-ethylhexenal from n-butylaldehyde under the conditions of Table 1 below, and the conversion rate was measured.
  • Example 1 had a high conversion rate of 97.8%, but Comparative Example 1 had a relatively low conversion rate of 95.3%. Therefore, the catalyst circulating through the oil-water separator 30 is not allowed to flow into the continuous stirring tank reactor 10 while the catalyst is mixed with the reactant via the supply line through which the reactant is transferred, that is, the oil-water separator 30 It can be seen that the catalyst circulating through) is not mixed with the reactants and is preferably introduced directly into the continuous stirring tank reactor 10.

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Abstract

본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 저비용으로 높은 생산성을 가지는 것으로서, 구체적으로, 본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 설비 규모를 증산할 시 체류시간 증가로 인한 전환율 하락을 방지하여 높은 생산성을 가지는 효과가 있고, 촉매의 농도 및 온도의 상승 조건이 가능하며, 종래 대비 동일 수율 시 촉매의 사용 함량을 최소화할 수 있는 효과가 있다. 또한 펌프 등의 장치를 별도로 추가하지 않더라도 설비 규모를 증산하여 소요되는 비용을 최소화할 수 있으며, 악성 폐수의 발생량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.

Description

알돌 축합 반응 장치
본 발명은 알돌 축합 반응 장치에 관한 것이다.
일반적으로 알돌 축합 반응은 옥소(OXO) 반응으로 잘 알려진 하이드로포르밀화(hydroformylation) 반응에 의해 금속 촉매와 리간드의 존재 하에서 각종 올레핀과 합성기체(synthetic gas, CO/H 2)가 반응하여 올레핀에 탄소 수가 하나 이상 증가한 선형 및 가지형 알데히드가 생성된 다음, 이들로부터 알돌 축합반응을 통해 알파, 베타 불포화 알데히드를 생성하는 공정을 말한다.
알돌(Aldol) 등의 축합 반응 후 합성된 불포화 알데히드는 산화 또는 환원 반응을 통하여 긴 알킬기가 포함된 다양한 산과 알코올로 전환할 수 있으며, 이러한 알코올과 산은 용매, 첨가제, 및 각종 가소제의 원료 등으로 사용되고 있다.
종래 알돌 축합반응을 개선하기 위해, 한국공개특허 제10-2004-0111873호의 네오펜틸글리콜 제조방법 관련 기술에서는 알돌 축합 반응을 2기 이상 직렬 배치된 연속교반탱크 반응기(Continuous stirred tank reactor)에서 수행하는 것이 개시되어 있다. 또한 한국공개특허 제10-1996-0047519호의 네오펜틸글리콜의 제조방법 관련 기술에서는 알돌 축합 반응기 이후에 미반응 알데히드 회수 컬럼을 구비하여 미반응물을 순환하여 반응 효율을 개선하는 것이 개시되어 있다.
아울러 연속흐름 반응기(Plug flow reactor, PFR)를 이용할 경우, 요구 수준의 전환율 및 수율을 위해서는 반응기의 길이가 통상 70 m 이상, 길게는 100 m 이상으로 증가될 수밖에 없기 때문에 공간 확보가 어렵고, 반응기의 조건을 제어하기 위한 장비가 지나치게 많고 복잡해지게 된다.
뿐만 아니라 종래까지는 알돌 축합 반응을 통해 알데히드계 화합물을 불포화 알데히드로 합성함에 있어 반응열의 제어에 한계가 있었다. 종래까지는 반응물을 지속적으로 순환시키면서 열교환기를 이용하여 원하는 온도까지 제어하는 수단이 이용되었으며, 이는 추가적인 열에너지의 소모가 큰 이유로 열효율이 좋지 않고, 설비 규모가 커지며 복잡해지는 단점이 되었다.
본 발명의 목적은 저비용으로 높은 생산성을 가지는 알돌 축합 반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 구체적 목적은 설비 규모를 증산할 시 체류시간 증가로 인한 전환율 하락을 방지하여 높은 생산성을 가지는 알돌 축합 반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 구체적 목적은 촉매의 농도 및 온도의 상승 조건이 가능하며, 종래 대비 동일 수율 시 촉매의 사용 함량을 최소화할 수 있는 알돌 축합 반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 구체적 목적은 펌프 등의 장치를 별도로 추가하지 않더라도 설비 규모를 증산하여 소요되는 비용을 최소화할 수 있는 알돌 축합 반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 구체적 목적은 악성 폐수의 발생량을 최소화할 수 있는 알돌 축합 반응 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 알돌 축합 반응을 통해 n-부틸알데히드로부터 2-에틸헥세날을 제조하는 것으로서, n-부틸알데히드 및 촉매가 유입되는 연속교반탱크 반응기(10), 상기 연속교반탱크 반응기(10)로부터 n-부틸알데히드, 촉매 및 생성물이 유입되는 연속흐름 반응기(20), 상기 연속흐름 반응기(20)로부터 생성물 및 촉매가 유입되며, 수층으로 촉매를 분리하고 유기층으로 생성물을 분리하는 유수 분리기(30) 및 분리된 생성물의 열을 상기 연속교반탱크 반응기(10)에 유입되는 n-부틸알데히드에 전달하는 열교환기(40)를 포함하며, 상기 유수 분리기(30)에서 수층으로 분리된 촉매는 상기 연속교반탱크 반응기(10)로 직접 유입되어 순환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 열교환기(40)에서, 상기 연속흐름 반응기(20)로부터 배출된 생성물에 의해 n-부틸알데히드가 상온에서 70 내지 170℃까지 히팅되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 알돌 축합 반응 장치는 상기 열교환기(40)를 통해 n-부틸알데히드로부터 열을 잃은 생성물이 유입되는 2-에틸헥세날 저장부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 연속교반탱크 반응기(10)에서 전환율은 30 내지 60%일 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 연속흐름 반응기(20)에서 전환율은 95% 이상일 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 알돌 축합 반응 장치는 상기 연속교반탱크 반응기(10) 또는 상기 연속흐름 반응기(20)의 반응 온도를 80 내지 200℃로 제어하는 온도 조절부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 따른 알돌 축합 반응 장치는 상기 연속교반탱크 반응기(10) 또는 상기 연속흐름 반응기(20)의 체류 시간을 0.1 내지 30 분으로 조절하는 체류시간 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 촉매는 NaOH 수용액 및 KOH 수용액 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 저비용으로 높은 생산성을 가지는 효과가 있다.
구체적으로, 본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 설비 규모를 증산할 시 체류시간 증가로 인한 전환율 하락을 방지하여 높은 생산성을 가지는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 촉매의 농도 및 온도의 상승 조건이 가능하며, 종래 대비 동일 수율 시 촉매의 사용 함량을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 펌프 등의 장치를 별도로 추가하지 않더라도 설비 규모를 증산하여 소요되는 비용을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 악성 폐수의 발생량을 최소화할 수 있는 효과가 있다
도 1은 본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치를 모식화하여 나타낸 공정도이다.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치를 상세히 설명한다.
본 명세서에 기재되어 있는 도면은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 상기 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 명세서에서 사용되는 용어의 단수 형태는 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 %의 단위는 별다른 정의가 없는 한 중량%를 의미한다.
종래까지 알돌 축합(Aldol condensation) 반응을 이용하여 n-부틸알데히드(n-Butylaldehyde)로부터 2-에틸헥세날(2-Ethylhexenal)을 제조하고자 할 경우, 특히 이를 대량으로 생산하기 위하여 제조 시설 및 설비를 증산하고자 할 때, 반응기 내부의 전체 영역에서 반응이 진행되도록 유도하는 것이 증산 전과 비교하여 매우 어려웠고 전환율이 높지 않았으며, 요구되는 전환율 이상을 얻기 위해서 매우 넓은 공간의 확보가 필요한 한계가 있었다.
이에, 본 발명은 요구 생산량을 만족하도록 크게 증산하여도, 종래 대비 공간의 추가 확보가 크지 않은 것은 물론, 반응 시 수층에 분산된 유기층 입자 평균 지름을 최소화하고, 이러한 반응 상태를 반응기 내부의 전체 영역에서 유지할 수 있도록 하며, 반응 면적 및 효율이 높을 뿐만 아니라, 증산된 대량 생산 체계가 갖춰졌음에도 불확실성이 낮고 정밀도가 높은 공정 제어가 가능한 효과를 구현하는 알돌 축합 반응 장치를 제공한다. 뿐만 아니라 본 발명은 높은 열효율을 통해 종래 대비 동일 생산량에서의 에너지 소모가 현저히 감소하여 경제성이 우수한 효과가 있다.
본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 알돌 축합 반응을 통해 n-부틸알데히드로부터 2-에틸헥세날을 제조하는 것으로서, 상기 알돌 축합 반응 장치는, n-부틸알데히드 및 촉매가 유입되는 연속교반탱크 반응기(Continuous stirred tank reactor, CSTR)(10); 상기 연속교반탱크 반응기(10)로부터 n-부틸알데히드, 촉매 및 생성물이 유입되는 연속흐름 반응기(Plug flow reactor, PFR)(20); 상기 연속흐름 반응기(20)로부터 생성물 및 촉매가 유입되며, 수층으로 촉매를 분리하고 유기층으로 생성물을 분리하는 유수 분리기(30); 및 상기 연속교반탱크 반응기(10)에 유입되는 n-부틸알데히드에 상기 생성물의 열을 전달하는 열교환기(40);를 포함하며, 상기 유수 분리기(30)에서 수층으로 분리된 촉매는 상기 연속교반탱크 반응기(10)로 직접 유입되어 순환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에서는 상기 유수 분리기(30)에서 수층으로 분리된 촉매는 상기 연속교반탱크 반응기(10)로 직접 유입되어 순환되도록 하고, 생성물인 2-에틸헥세날이 갖는 높은 열을 폐열로 버리지 않고 상기 열을 반응물인 n-부틸알데히드에 전달함으로써, 종래 대비 규모가 더 높은 대량 생산 체계에서도 높은 전환율 및 수율로서 2-에틸헥세날을 합성할 수 있는 효과가 있다. 따라서 본 발명에서 촉매는 연속교반탱크 반응기(10), 연속흐름 반응기(20) 및 유수 분리기(30)를 지속적으로 순환하게 된다.
‘상기 유수 분리기(30)에서 수층으로 분리된 촉매는 상기 연속교반탱크 반응기(10)로 직접 유입되어 순환’된다는 것은 유수 분리기(30)를 통해 순환되는 촉매가 반응물이 이송되는 공급 라인을 경유하여 상기 반응기로 유입되지 않고, 상기 촉매가 연속교반탱크 반응기(10)로 유입됨을 의미한다. 즉, 본 발명에서는, 순환되는 촉매가 반응물이 이송되는 공급 라인으로 유입되어 촉매와 반응물이 혼합된 상태에서 연속교반탱크 반응기(10)로 유입되지 않는다. 종래와 같이, 유수 분리기(30)를 통해 순환되는 촉매가 반응물과 혼합된 후 혼합 공급 라인을 경유하여 연속교반탱크 반응기(10)로 유입될 경우, 특히 증산되어 반응 영역의 부피가 큰 대량 생산 체계일 경우에 공정 조건의 정밀한 제어가 현실적으로 어려워, 반응기 내부의 전체 영역에서, 반응 시 수층에 분산된 유기층 입자 평균 지름을 최소화한 반응 상태를 유지하기 어렵다. 이는 결국 전환율 및 수율, 즉, 생산량이 낮아지는 결과를 초래할 수 있다. 반응물이 촉매에 의해 생성물로 합성되는 알돌 축합 반응은 공정 조건을 충족하는 환경을 가지는 반응기 내부에서 일어나는 것이 바람직하며, 그렇지 못한 환경인 혼합 공급 라인 등에서 반응이 일어날 경우, 다양한 변수의 작용으로 인해 공정 제어가 어렵고 불확실성이 증가하며, 요구 수준 이상의 전환율을 갖기 어렵다.
상기 열교환기(40)를 통해 배출되는 n-부틸알데히드는 상기 열교환기(40)에 유입되기 전의 n-부틸알데히드와 비교하여 열이 증가한 상태로서 연속교반탱크 반응기(10)로 유입된다. 그리고 상기 열교환기(40)를 통해 배출되는 2-에틸헥세날은 상기 열교환기(40)에 유입되기 전의 2-에틸헥세날과 비교하여 열이 감소한 상태로서 배출된다. 이때 배출되는 2-에틸헥세날은 2-에틸헥세날 저장부로 저장될 수 있다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 알돌 축합 반응 장치는 상기 열교환기(40)를 통해 n-부틸알데히드로부터 열을 잃은 생성물이 유입되는 2-에틸헥세날 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 열교환기(40)를 통해 상기 생성물로부터 열을 전달 받은 n-부틸알데히드의 온도는 반응 조건에 따라 조절될 수 있으나, 바람직하게는, 상기 열교환기(40)에서, 상기 연속흐름 반응기(20)로부터 배출된 생성물에 의해 n-부틸알데히드가 상온에서 70 내지 170℃까지 히팅되는 것일 수 있다.
상기 연속교반탱크 반응기(10) 또는 상기 연속흐름 반응기(20)의 반응 온도는 공지된 문헌을 참고해도 무방하며, 일 예로 80 내지 200℃, 구체적으로 100 내지 160℃일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 알돌 축합 반응 장치는 각 반응기(10, 20)의 반응 온도를 70 내지 170℃로 제어하는 온도 조절부를 더 포함할 수 있다.
특히 앞서 설명한 바와 같이, 생성물이 반응물과 열을 열교환하므로, 자동적으로 요구 반응 온도에 근접하며, 상기 온도 조절부에서 제어해야할 온도 범위가 종래 대비 감소하여 더 정밀한 온도의 제어가 가능한 효과가 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 알돌 축합 반응 장치는 연속 공정을 통해 n-부틸알데히드로부터 2-에틸헥세날을 제조할 수 있으며, 알돌 축합 반응 시 발생하는 반응열에 의해 높은 열을 갖는 생성물을 상온 방향으로 더 쉽게 평형을 유도할 수 있는 동시에 반응에 필요한 열을 반응물에 효율적으로 공급할 수 있다.
상기 연속교반탱크 반응기(10)는 화공 분야에서 이미 널리 공지된 것이므로 공지 문헌을 참고하여 설계될 수 있으나, 반응 영역 부피는 0.6 내지 1 m 3인 것이 전환율 향상에 더 도움을 줄 수 있는 측면에서 바람직할 수 있다.
상기 연속흐름 반응기(20)는 공지된 문헌을 참고하여 쉽게 설계될 수 있으며, 일 예로 반응기의 내부는 관의 길이 방향을 따라 피치가 일정하거나 일정하지 않은 나선현 연속부재가 구비된 것일 수 있으나, 이에 본 발명이 제한되지 않음은 물론이다.
상기 유수 분리기(30)는 촉매와 생성물을 포함하는 혼합물로부터 상부의 유기층과 하부의 수층을 상분리하는 장치로서, 이의 구체적인 사항은 공지된 문헌을 참고하면 무방하다. 유기층에는 생성물인 2-에틸헥세날이 존재하며, 수층에는 촉매가 존재하여, 유수 분리기(30)의 상부 파이프를 통해 2-에틸헥세날이 배출되고, 유수 분리기(30)의 하부 파이프를 통해 2-에틸헥세날이 배출된다.
상기 연속교반탱크 반응기(10)에서 전환율은 30 내지 60%, 구체적으로 35 내지 55% 범위인 것이 바람직할 수 있으며, 상기 연속흐름 반응기(20)에서 전환율은 95% 이상, 구체적으로 97% 이상, 보다 구체적으로 97% 내지 99.9% 범위일 수 있다. 상기 연속교반탱크 반응기(10) 및 상기 연속흐름 반응기(20)에서 전술한 범위의 전환율을 각각 만족할 경우, 최종적으로 95% 이상, 좋게는 97% 이상의 높은 전환율 및 수율을 가질 수 있다.
즉, 바람직한 일 예에 따른 알돌 축합 반응 장치는, 연속교반탱크 반응기(10)에서 30 내지 60%, 구체적으로 35 내지 55%의 전환율이 되도록 하며, 연속흐름 반응기(20)에서 95% 이상, 구체적으로 97% 이상, 보다 구체적으로 97% 내지 99.9%의 전환율이 되도록 하는 체류시간 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 체류시간 제어부는 상기 연속교반탱크 반응기(10) 또는 상기 연속흐름 반응기(20)의 체류시간을 조절할 수 있으며, 체류시간은 전술한 전환율을 만족하도록 적절히 제어될 수 있으며, 예컨대 체류 시간을 0.1 내지 30 분, 구체적으로 0.5 내지 5 분으로 조절할 수 있다. 하지만 이는 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 연속교반탱크 반응기(10) 또는 상기 연속흐름 반응기(20)의 반응 압력은 공지된 문헌을 참고해도 무방하며, 일 예로 1 내지 50 bar, 구체적으로 2 내지 10 bar 범위일 수 있다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 알돌 축합 반응 장치는 각 반응기(10, 20)의 압력을 상기 범위로 제어하는 압력 조절부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예에 있어서, 상기 촉매는 염기 촉매 또는 산성 촉매 모두 사용 가능하며, 예컨대 염기 촉매가 사용되는 것이 더 좋을 수 있으며, 상기 염기 촉매로서 NaOH 수용액 및 KOH 수용액 등에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 촉매를 예로 들 수 있다. 하지만 이는 구체적이며 바람직한 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
본 발명에서, 반응물은 액상에서 촉매에 의해 반응하여 생성물이 합성되는 것으로서, 액상에서 반응이 이루어지며, 반응물, 촉매 및/또는 생성물을 포함하는 용액은 펌프(50)에 의해 이송될 수 있다. 펌프(50)의 위치는 크게 제한되지 않으며, 일 예로 도 1에 도시된 바와 같이 연속교반탱크 반응기(10)와 연속흐름 반응기(20) 사이에 구비될 수 있다. 하지만 이는 구체적인 일 예로서 설명된 것일 뿐, 본 발명이 이에 반드시 제한되어 해석되는 것은 아니다.
상기 연속교반탱크 반응기(10) 또는 상기 연속흐름 반응기(20)에서, 반응물, 촉매 및/또는 생성물을 포함하는 용액의 유량은 공지된 문헌을 참고해도 무방하며, 일 예로 50 내지 200 m 3/hg 부피 유량 범위를 가질 수 있다. 즉, 본 발명의 일 예에 따른 알돌 축합 반응 장치는 각 반응기(10, 20) 내의 용액의 유량을 상기 범위로 제어하는 유량 조절부를 더 포함할 수 있다.
이하 본 발명을 실시예를 통해 상세히 설명하나, 이들은 본 발명을 보다 상세하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 권리범위가 하기의 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 1의 공정도와 같은 반응 장치를 설계하여 하기 표 1의 조건으로 n-부틸알데히드로부터 2-에틸헥세날을 알돌 축합 반응하여 제조하였으며, 전환율을 측정하였다.
이때 유수 분리기(30)를 통해 순환되는 촉매는 반응물과 혼합되지 않고 연속교반탱크 반응기(10)로 바로 유입되도록 하였다.
[비교예 1]
실시예 1과 동일하게 수행하되, 유수 분리기(30)를 통해 순환되는 촉매가 반응물이 이송되는 공급 라인을 경유하여 상기 촉매가 반응물과 혼합된 상태에서 연속교반탱크 반응기(10)로 유입되도록 하였다.
CSTR PFR
IN OUT IN OUT
Temperature(℃) 120.3 134 134 148
Pressure(bar) 6.5 6.5 6.5 6.51
Mass flowrate(kg/hr) 78723.9 78723.9 78723.9 78723.9
Volume flowrate(m 3/hr) 92.75 94.13 94.13 94.78
Reactor volume(m 3) 0.6 1.37
diameter(mm) 750 -
height(mm) 1,140 -
체류시간(초) 23 52
전환율(%) 50 96.9
전체전환율(%) 97.8
그 결과, 실시예 1은 97.8%의 높은 전환율을 가지는 것을 확인할 수 있었으나, 비교예 1은 95.3%로 전환율이 상대적으로 낮았다. 따라서 유수 분리기(30)를 통해 순환되는 촉매가 반응물이 이송되는 공급 라인을 경유하여 상기 촉매가 반응물과 혼합된 상태에서 연속교반탱크 반응기(10)로 유입되도록 하지 않는 것이, 즉, 유수 분리기(30)를 통해 순환되는 촉매는 반응물과 혼합되지 않고 연속교반탱크 반응기(10)로 바로 유입되도록 하는 것이 좋음을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 알돌 축합 반응을 통해 n-부틸알데히드로부터 2-에틸헥세날을 제조하는 알돌 축합 반응 장치로서,
    n-부틸알데히드 및 촉매가 유입되는 연속교반탱크 반응기(10)
    상기 연속교반탱크 반응기(10)로부터 n-부틸알데히드, 촉매 및 생성물이 유입되는 연속흐름 반응기(20)
    상기 연속흐름 반응기(20)로부터 생성물 및 촉매가 유입되며, 수층으로 촉매를 분리하고 유기층으로 생성물을 분리하는 유수 분리기(30) 및
    분리된 생성물의 열을 상기 연속교반탱크 반응기(10)에 유입되는 n-부틸알데히드에 전달하는 열교환기(40)를 포함하며,
    상기 유수 분리기(30)에서 수층으로 분리된 촉매는 상기 연속교반탱크 반응기(10)로 직접 유입되어 순환하는 것을 특징으로 하는 알돌 축합 반응 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기(40)에서, 상기 연속흐름 반응기(20)로부터 배출된 생성물에 의해 n-부틸알데히드가 상온에서 70 내지 170℃까지 히팅되고,
    상기 알돌 축합 반응 장치를 통해 상기 생성물로부터 열을 전달 받은 n-부틸알데히드의 온도는 50 내지 200℃인 알돌 축합 반응 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 연속교반탱크 반응기(10)에서 전환율이 30 내지 60%인 알돌 축합 반응 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연속흐름 반응기(20)에서 전환율이 95% 이상인 알돌 축합 반응 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연속교반탱크 반응기(10) 또는 상기 연속흐름 반응기(20)의 반응 온도를 80 내지 200℃로 제어하는 온도 조절부를 더 포함하는 염기성 수용액인 알돌 축합 반응 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 연속교반탱크 반응기(10) 또는 상기 연속흐름 반응기(20)의 체류 시간을 0.1 내지 30 분으로 조절하는 체류시간 제어부를 더 포함하는 알돌 축합 반응 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 NaOH 수용액 및 KOH 수용액 중에서 선택되는 어느 하나 이상을 포함하는 염기성 수용액인 알돌 축합 반응 장치.
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