KR101431121B1 - 아세톤의 정제방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 아세톤의 정제방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 큐멘으로부터 페놀 및 아세톤을 생성하는 공정에서 아세톤 생성물 중의 메탄올을 제거하여 정제하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 아세톤의 정제방법에 따르면, 큐멘으로부터 페놀 및 아세톤을 제조하는 공정에서 아세톤 중의 메탄올을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한 본 발명의 정제방법은 에너지 소비가 적으며 제올라이트 등을 이용한 추가적인 공정이 필요하지 않아 산업적으로 적용이 용이하다.
본 발명의 아세톤의 정제방법에 따르면, 큐멘으로부터 페놀 및 아세톤을 제조하는 공정에서 아세톤 중의 메탄올을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한 본 발명의 정제방법은 에너지 소비가 적으며 제올라이트 등을 이용한 추가적인 공정이 필요하지 않아 산업적으로 적용이 용이하다.
Description
본 발명은 아세톤의 정제방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 비스페놀 A의 제조 공정에 이용할 수 있는 고순도의 아세톤을 공급하기 위하여 큐멘의 산화 및 분해에 의해 수득된 아세톤 중의 메탄올을 정제하는 방법에 관한 것이다.
비스페놀 A(Bisphenol A)는 통상 페놀 및 아세톤을 양이온 교환 수지 등의 산성 촉매의 존재 하에 반응시킴으로써 제조된다. 비스페놀 A를 합성하기 위한 원료 물질인 페놀 및 아세톤은 쿠멘(Cumene)을 원료로 이용하여 산화 및 탈수 공정 등을 통해 생성된다.
상기 아세톤 중에는 불순물로서 미량의 메탄올이 함유되어 있다. 이어지는 비스페놀 A의 제조 공정에 사용되는 산성 촉매로서는 일반적으로 강산성 양이온 교환 수지가 사용되고 있는데, 제조 공정에 공급되는 아세톤 원료 중에 불순물로서 함유되어 있는 메탄올이 이 강산성 양이온 교환수지를 비활성화시키고, 촉매 수명을 단축시킨다는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점 때문에, 비스페놀 A의 제조 공정에 공급하는 원료 아세톤 중의 메탄올 농도를 소정 농도 이하로 감소시키는 것이 양이온 교환수지 촉매의 비활성화를 억제하고, 장기간 안정하게 비스페놀 A를 제조하기 위해 필요하다.
미국특허 제 5,777,180호에서는 아세톤 생성 컬럼에서 수득한 아세톤 중의 메탄올을 제거하기 위한 공정이 기재되어 있으나 상기 미국특허에서 제시된 공정은 에너지 소비가 크고, 분리된 스트림 중에는 아세톤이 많이 포함되어 있어 아세톤 회수를 위해 추가적으로 제올라이트 등을 이용해 흡착하는 공정이 추가로 요구되는 단점이 있다.
미국특허 제 5,788,818호에는 페놀과 아세톤의 생산을 위한 공정에서 발생하는 불순물인 큐멘, 물, 알데하이드 및 메탄올을 분리하는 방법에 관해 제시하였다. 연속적인 2개의 증류탑과 층분리기(decanter)를 적용하였는데, 첫 번째 증류탑에서는 약 2%의 가성소다(sodium hydroxide) 수용액을 주입한 증류탑에서 탑상부로 아세톤, 물 및 큐멘을 분리하여 두 번째 증류탑으로 보내고, 이 증류탑에서 트리에틸렌글리콜(triethylenegylcol)을 사용한 추출 증류에 의해 탑상부로 아세톤을 분리하여, 트리에틸렌글리콜, 물, 큐멘, 아세톤이 포함된 혼합물은 탑하부로 세 번째 층분리기로 보내 공비물(azeotropic mixture)를 형성하는 물과 큐멘을 아세톤층으로 층분리하여 분리하는 방법을 제시하고 있다.
그러나, 상기 방법들은 고에너지를 소비하거나 첨가제의 추가적인 투여를 필요로 하고 있어 효율적으로 아세톤으로부터 메탄올을 제거하는 방법이 여전히 요구되고 있다.
상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고자, 본 발명은 에너지 소비를 적게 하면서도 아세톤 생성물 중에 잔류하는 메탄올을 효과적으로 제거시킬 수 있는 아세톤의 정제 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
큐멘의 산화 및 분해에 의해 아세톤 분획 및 페놀 분획을 수득하는 단계;
상기 아세톤 분획을 제1 증류 컬럼으로 보내어 상부로 아세톤을 분리하고 하부로 아세톤을 제외한 나머지 아세톤 분획을 분리하는 단계;
상기 아세톤을 제외한 나머지 아세톤 분획 중 물층을 분리하여 제2 증류 컬럼으로 보내는 단계; 및
상기 제2 증류 컬럼에서 상부로 메탄올을 분리하여 제거하는 단계를 포함하는 아세톤의 정제방법을 제공한다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 아세톤의 정제방법을 상세하게 설명한다.
본 발명의 정제방법의 대상물인 아세톤은 비스페놀 A의 제조시 페놀과 함께 원료로 사용되기 위한 것이다.
비스페놀 A(Bisphenol A)는 통상 페놀 및 아세톤을 양이온 교환 수지 등의 산성 촉매의 존재 하에 반응시킴으로써 제조된다. 비스페놀 A를 합성하기 위한 원료 물질인 페놀 및 아세톤은 큐멘(Cumene)을 원료로 이용하여 산화 및 탈수 공정 등을 통해 생성된다.
본 발명의 아세톤의 정제방법에 의하면, 먼저 큐멘의 산화 및 분해에 의해 아세톤 분획 및 페놀 분획을 수득한다.
큐멘으로부터 페놀 및 아세톤을 제조하는 일반적인 공정에서는 먼저 큐멘의 산화 공정을 수행한다. 구체적으로, 큐멘을 산화 반응기(10)에서 산소 존재 하에 산화시켜 큐멘 하이드로퍼옥사이드(Cumene hydroperoxide)로 전환시킨 큐멘 하이드로퍼옥사이드 스트림을 제조한다. 이를 농축한 후, 농축된 쿠멘 하이드로퍼옥사이드 함유 스트림을 산성 촉매와 같은 촉매 하에 분해 반응기(20)에서 가수 분해함으로써 쿠멘 하이드로퍼옥사이드로부터 페놀과 아세톤을 포함하는 혼합물 스트림(3a)을 수득할 수 있다.
상기 쿠멘 하이드로퍼옥사이드의 가수 분해로부터 생성된 조(crude) 아세톤 원료에는 물, 알데히드, 저급 알코올 같은 많은 불순물이 혼합되어 있으므로, 비스페놀 A의 제조 공정에 원료로 사용하기 전에 정제 공정을 거쳐 분리, 제거할 필요가 있다. 특히, 상기 아세톤 원료에 함유되어 있는 메탄올은 후속하는 비스페놀 A의 제조 공정에 촉매독으로 작용한다. 즉, 비스페놀 A의 제조 공정에서는 일반적으로 술폰화된 양이온 교환수지가 촉매로 사용되는데, 아세톤 원료 중에 포함된 메탄올이 상기 양이온 교환수지를 비활성화시키고, 촉매 수명을 단축시킨다는 문제가 있다. 따라서, 비스페놀 A의 제조 공정 중에 메탄올이 아세톤과 함께 유입되지 않도록 제거할 필요가 있다. 본 발명은 특히, 아세톤 원료 중에 포함되어 있는 메탄올을 효과적으로 제거하기 위한 아세톤의 정제방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 상기 큐멘의 산화 및 분해에 의해 수득되는 생성물 중에서, 페놀을 주로 포함하여 아세토페논과 같은 고비점 화합물의 나머지 부분을 포함하는 분획을 "페놀 분획(phenol fraction)"이라 지칭하고, 아세톤을 주로 포함하며 물, 메탄올, 큐멘, 알데히드, 알파 메틸 스티렌 등의 저비점 화합물의 나머지 부분을 포함하는 분획을 "아세톤 분획(acetone fraction)"이라 지칭하기로 한다.
상기 큐멘 하이드로퍼옥사이드의 분해는 황산과 같은 산성 촉매 하에서 수행될 수 있으며, 산성 촉매 하에서 분해 공정을 수행한 경우 이를 중화하기 위해 바람직하게는 상기 페놀 분획 및 아세톤 분획을 포함하는 혼합물 스트림(3a)은 분리 단계 전에 중화 장치(30)에서 염기성의 수성 매질로 중화하는 단계를 수행할 수 있다.
상기 페놀 분획 및 아세톤 분획을 포함하는 혼합물 스트림(3a)으로부터 페놀-아세톤 분리 컬럼(40)을 이용하여 상기 아세톤 분획(4a)을 분리한다.
상기 페놀 분획(4b)은 도면에 표시하지는 않았지만, 페놀 분획(4b)중에 포함된 불순물을 제거하고 페놀을 비스페놀 A의 제조공정의 원료로 이용하기 위해 별도의 정제 과정을 거칠 수 있다.
상기 분리된 아세톤 분획(4a)을 제1 증류 컬럼(50)으로 보내어 상부 스트림으로 아세톤(5a)을 분리하고 하부로 아세톤을 제외한 나머지 아세톤 분획(5b)을 분리한다.
상기 제1 증류 컬럼(50)의 하부로는 분리된 아세톤을 제외한 나머지 아세톤 분획(5b)은 다시 물층(6b)과 유기층(6a)으로 분리될 수 있다. 상기 물층과 유기층의 분리는 상 분리기(phase separator, 60)에 의해 수행될 수 있다.
상기 물층(6b)의 구성 성분은 대부분 물이 차지하며, 메탄올과 소량의 아세톤도 함께 포함할 수 있다.
상기 아세톤 분획(4a) 중에 포함되어 있는 메탄올은 아세톤 생성물(5a)과 상기 물층(6b)으로 분리되어 분포되어 있다. 종래에는 아세톤 분획(4a)에서 아세톤(5a)을 분리한 후 메탄올이 포함된 나머지 부분을 중화장치(30)로 다시 재순환하여 최종적으로는 메탄올이 아세톤 분획(4a)에 다시 농축되었다. 그러나 본 발명의 정제방법에 의하면, 상기 제1 증류 컬럼(50)의 하부로 나오는 물층(6b)을 제2증류 컬럼(70)으로 보내어 메탄올을 제거한 후 재순환시킴으로써 제1증류 컬럼(50)의 상부로는 메탄올이 크게 감소한 아세톤 생성물(5a)이 수득되어 비스페놀 A 제조공정의 원료로 사용될 수 있다.
큐멘의 산화 및 분해 조건에 따라 다르지만 상기 제1 증류 컬럼(50)을 통과하기 전의 아세톤 분획(4a)은 약 200 내지 약 2,000ppm의 메탄올을 포함하고 있으나, 본 발명의 아세톤의 정제방법에 따르면 상기 아세톤 분획(4a)중에 포함된 메탄올의 약 30 내지 약 95%, 바람직하게는 약 50 내지 약 95%까지 감소시킬 수 있다.
또한 상기 유기층(6a)에는 큐멘, 알파 메틸 스티렌, 지방족 알데히드 등이 포함되어 있을 수 있으며, 도면에는 표시하지 않았으나 별도의 정제 공정에 의해 제거할 수 있다. 또는 분해 공정 공정으로 순환시킴으로써 미처 분해되지 않은 큐멘 등을 재분해할 수 있다.
상기 물층(6b)은 제2 증류 컬럼(70)으로 보낸다.
상기 제2 증류 컬럼(70)에서는 컬럼 상부(overhead)로 메탄올을 분리하여 반응 외부로 제거하고, 컬럼 하부로 물을 분리한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 증류 컬럼(70)은 10내지 25 단으로 이루어지며 약 0.5 내지 약 5의 환류비(reflux ratio)로 수행될 수 있다.
상기 제2 증류 컬럼(70)은 하단(bottom stage)의 온도가 약 100 내지 약 105℃일 수 있고, 상단(top stage)의 온도가 약 80 내지 약 95℃일 수 있다. 또한, 상기 제2 증류 컬럼(70)은 약 0.5 내지 약 1atm 범위의 압력에서 실시될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 정제공정을 거친 아세톤 생성물(5a)은 약 30 내지 약 180ppm, 바람직하게는 약 30 내지 약 150ppm 의 메탄올을 포함하고 있을 수 있다.
상기 제2 증류컬럼(70)의 하부로 분리된 물은 중화장치(30) 단계로 재순환시킬 수 있다.
본 발명의 정제방법에 의하면, 아세톤 분획에 포함된 메탄올을 제2 증류컬럼에서 물과 함께 분리함으로써 최종적인 아세톤 생성물 중에 잔류하는 메탄올의 양을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 아세톤의 정제방법에 따르면, 큐멘으로부터 페놀 및 아세톤을 제조하는 공정에서 아세톤 중의 메탄올을 효과적으로 제거할 수 있다. 또한 본 발명의 정제방법은 에너지 소비가 적으며 제올라이트 등을 이용한 추가적인 공정이 필요하지 않아 산업적으로 적용이 용이하다. 따라서, 메탄올 함량이 현저히 저감된 아세톤 원료를 비스페놀 A의 제조공정에 이용함으로써 양이온 교환수지 촉매가 비활성화되는 것을 억제하고 안정적으로 비스페놀 A를 생성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 아세톤의 정제방법을 간략히 도시하는 공정도이다.
이하, 발명을 하기의 실시예에서 보다 상세하게 설명한다. 단, 하기의 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기의 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
실시예
1
본 발명의 아세톤의 정제방법에 따른 메탄올의 분리 효율을 측정하기 위하여 아세톤 분획에서 아세톤 생성물을 먼저 분리한 후, 별도로 분리된 불순물의 물층에 대한 컬럼 공정 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 ASPEN RADFRAC computer model(Aspen Technology Inc.)을 이용하여 수행하였다.
메탄올 1중량%, 아세톤 0.03중량% 및 나머지 물을 포함하는 물층을 증류 컬럼(distillation column)으로 보내어 컬럼을 수행하였다. 이때 상기 증류 컬럼은 15단으로 이루어졌고 상단의 온도는 약 83.2℃, 하단의 온도는 약 100.3℃ 이고 1 atm의 압력에서 작동시켰으며 환류비는 0.6이었다. 피드(feed)는 45℃의 온도 및 7,000kg/hr의 속도 조건으로 하여 4단으로 공급하였다.
증류 컬럼의 상부로 나오는 스트림은 물 75.6중량%, 메탄올 23중량% 및 아세톤 1.4중량%으로 포함되어 있었으며, 하부로 나오는 스트림에는 물 99.48중량%, 메탄올 0.518중량% 및 아세톤 0.002중량%이 포함되어 있었다.
이때 컬럼에 사용되는 에너지는 0.504Gcal/hr이었다.
실시예
2
실시예 1에서 조건을 다음과 같이 변경하여 시뮬레이션을 실시하였다.
메탄올 1중량%, 아세톤 0.03중량% 및 나머지 물을 포함하는 물층을 증류 컬럼으로 보내어 컬럼을 수행하였다. 이때 상기 증류 컬럼은 22단으로 이루어졌고 상단의 온도는 약 90.4℃, 하단의 온도는 약 100.85℃ 이고 1 atm의 압력에서 작동시켰으며 환류비는 0.6이었다. 피드는 45℃의 온도 및 7,000kg/hr의 속도 조건으로 7단으로 공급하였다.
증류 컬럼의 상부로 나오는 스트림은 물 88.8중량%, 메탄올 10.9중량% 및 아세톤 0.3중량%으로 포함되어 있었으며, 하부로 나오는 스트림에는 물 99.999중량%, 메탄올 0.001중량% 및 아세톤 0중량% 이 포함되어 있었다.
이때 컬럼에 사용되는 에너지는 0.919Gcal/hr이었다.
비교예
아세톤 분획에서 아세톤 생성물을 분리하지 않고 아세톤 분획에 대해 직접 수행되도록 컬럼 공정 시뮬레이션을 실시하였다. 시뮬레이션은 ASPEN RADFRAC computer model(Aspen Technology Inc.)을 이용하여 수행하였다.
메탄올 0.02중량%, 물 0.3중량% 및 나머지 아세톤을 포함하는 아세톤 분획을 바로 증류 컬럼으로 보내어 컬럼을 수행하였다. 이때 상기 증류 컬럼은 50단으로 이루어졌고 상단의 온도는 약 56.1℃, 하단의 온도는 약 57.9℃ 이고 1 atm의 압력에서 작동시켰으며 환류비는 10이었다. 피드는 40℃의 온도 및 10,000kg/hr의 속도 조건으로 27단으로 공급하였다.
증류 컬럼의 상부로 나오는 스트림은 물 0.2중량%, 메탄올 0.1중량% 및 아세톤 99.7중량%로 포함되어 있었으며, 하부로 나오는 스트림에는 물 0.3중량%, 메탄올 0.005중량% 및 아세톤 99.695중량%이 포함되어 있었다.
이때 컬럼에 사용되는 에너지는 2.72Gcal/hr이었다.
상기 실시예 및 비교예를 비교하여 보면, 본 발명의 정제방법에 따른 실시예에 의하면, 아세톤으로부터 메탄올을 포함하는 불순물을 먼저 분리하고 상기 불순물 중에 농축되어 있는 메탄올에 대해 증류 컬럼을 수행함으로써 컬럼 상부로 메탄올을 대부분 제거할 수 있었다. 반면, 아세톤 생성물에 대해 바로 컬럼을 수행한 비교예의 경우 컬럼 상단으로 메탄올을 제거할 수 있으나, 컬럼의 단수가 50단으로 매우 높았고 메탄올과 함께 많은 양의 아세톤이 배출되므로 이로부터 다시 아세톤을 회수하고 메탄올을 제거하기 위해 추가적인 공정이 필요하다.
또한, 에너지 사용량을 비교하여 보면, 실시예는 0.504Gcal/hr 및 0.919Gcal/hr으로 비교적 낮은 에너지가 소비되었으나 비교예의 컬럼에 사용되는 에너지는 2.72Gcal/hr으로 고에너지 공정으로 나타났다.
10: 산화 반응기
20: 분해 반응기
30: 중화 장치
40: 페놀-아세톤 분리 컬럼
50: 제1 증류컬럼
60: 상 분리기
70: 제2 증류컬럼
3a: 혼합물 스트림
4a: 아세톤 분획
4b: 페놀 분획
5a: 아세톤
5b: 아세톤을 제외한 나머지 아세톤 분획
6a: 유기층
6b: 물층
20: 분해 반응기
30: 중화 장치
40: 페놀-아세톤 분리 컬럼
50: 제1 증류컬럼
60: 상 분리기
70: 제2 증류컬럼
3a: 혼합물 스트림
4a: 아세톤 분획
4b: 페놀 분획
5a: 아세톤
5b: 아세톤을 제외한 나머지 아세톤 분획
6a: 유기층
6b: 물층
Claims (6)
- 큐멘의 산화 및 분해에 의해 아세톤 분획 및 페놀 분획을 수득하는 단계;
상기 아세톤 분획을 제1 증류 컬럼으로 보내어 상부로 아세톤을 분리하고 하부로 아세톤을 제외한 나머지 아세톤 분획을 분리하는 단계;
상기 아세톤을 제외한 나머지 아세톤 분획을 상 분리기에 의해 물층과 유기층으로 분리하여, 상기 물층을 제2 증류 컬럼으로 보내는 단계; 및
상기 제2 증류 컬럼에서 상부로 메탄올을 분리하여 제거하는 단계를 포함하는 아세톤의 정제방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 증류 컬럼은 상단의 온도가 80 내지 95℃이고, 하단의 온도가 100 내지 105℃인 아세톤의 정제방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 증류 컬럼은 10 내지 25의 단을 포함하는 아세톤의 정제방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제2 증류 컬럼에서 상기 아세톤 분획에 포함된 메탄올 중 30 내지 95%를 제거하는 아세톤의 정제방법.
- 제1항에 있어서, 상기 제1 증류 컬럼에서 상부로 분리된 아세톤은 30 내지 180ppm의 메탄올을 포함하는 아세톤의 정제방법.
- 제1항에 있어서, 상기 아세톤 분획은 아세톤, 물, 메탄올, 큐멘을 포함하는 아세톤의 정제방법.
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