KR102283565B1 - Multi-compartment continuous stirring hydration reactor and method for preparating 2-Butyl alchol using the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은 헤테로폴리산 수용액을 촉매로 이용하여 노말 부텐을 수화시켜 2차 부틸 알코올 제조시 사용하는 반응 기구에 관한 것이다. 좀더 구체적으로는, 반응기 내부에 구역을 나누어 각각의 구역에서 회분식 반응기와 같이 교반 및 체류시간을 최대화하여 전환율을 향상시키는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a reaction mechanism used for preparing secondary butyl alcohol by hydrating normal butene using an aqueous heteropoly acid solution as a catalyst. More specifically, it relates to a method of improving the conversion rate by dividing zones inside the reactor and maximizing the stirring and residence times in each zone as in a batch reactor.
Description
본 발명은 헤테로폴리산 수용액을 촉매로 이용하여 노말 부텐을 수화시켜 2차 부틸 알코올을 제조하는 것으로서, 보다 상세하게는, 다중 구역을 갖는 연속 교반식 수화반응기에서 반응시킴으로써 보다 향상된 전환율로 2차 부틸 알코올을 얻을 수 있는 장치 및 2차 부틸알코올 제조방법에 관한 것이다.The present invention prepares secondary butyl alcohol by hydrating normal butene using an aqueous heteropoly acid solution as a catalyst, and more specifically, by reacting in a continuously stirred hydration reactor having multiple zones, secondary butyl alcohol with improved conversion rate It relates to an obtainable apparatus and a method for producing secondary butyl alcohol.
노말 부텐 수화반응은 부텐으로서 1-부텐(1-butene), 시스-2-부텐(cis-2-butene) 또는 트랜스-2-부텐(trans-2-butene)인 단일 노말 부텐 또는 노말 부텐 혼합물을 사용하여 2차 부틸 알코올을 생산하는 반응으로서, 상기 2차 부틸 알코올은 다시 탈수소화를 거쳐서 메틸-에틸-케톤(Methyl-ethyl-ketone, MEK)을 생산하는데 사용된다.The normal butene hydration reaction is a single normal butene or a mixture of normal butenes, which is 1-butene, cis-2-butene, or trans-2-butene as butene. As a reaction for producing secondary butyl alcohol using the secondary butyl alcohol, the secondary butyl alcohol is again subjected to dehydrogenation and is used to produce methyl-ethyl-ketone (MEK).
노말 부텐의 수화에는 전통적으로 황산이 사용되는데, 반응 온도 및 압력이 높지 않지만, 황산 사용에 의한 환경 문제, 장비의 부식 문제, 처리 비용 문제 등이 있다는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해 이온교환 수지, 헤테로폴리산 등 황산을 대체하는 산촉매를 적용한 공정이 개발되었다.Sulfuric acid is traditionally used for hydration of normal butene, but the reaction temperature and pressure are not high, but there are disadvantages in that there are environmental problems caused by the use of sulfuric acid, corrosion problems of equipment, and processing cost problems. In order to solve these shortcomings, a process using an acid catalyst that replaces sulfuric acid such as ion exchange resin and heteropoly acid has been developed.
그 중 헤테로폴리산 촉매를 사용한 공정은 헤테로폴리산 수용액과 노말 부텐이 반응하여 직접 수화되는 방식을 적용한다. 반응 조건은 노말 부텐을 초임계로 만드는 조건을 사용하며, 초임계 영역에서 노말 부텐의 물에 대한 용해도가 증가하여 노말 부텐 수화반응에 유리하다고 알려져 있다. 또한 황산을 사용하는 공정이나 이온교환수지를 촉매로 사용하는 공정과는 달리 물이 생성물과 함께 반응기를 빠져 나오지 않아서 공비 혼합물을 형성하지 않기 때문에 분리에 있어서도 더 유리하다. Among them, a process using a heteropolyacid catalyst applies a method in which an aqueous solution of heteropolyacid and normal butene react and hydrate directly. The reaction conditions use conditions that make normal butene supercritical, and the solubility of normal butene in water increases in the supercritical region, which is known to be advantageous for normal butene hydration. In addition, unlike a process using sulfuric acid or a process using an ion exchange resin as a catalyst, since water does not exit the reactor with the product and does not form an azeotrope, it is more advantageous in separation.
본 발명자들은 여기에 추가로 반응기 내에서 노말 부텐이 수용액 층을 통과하는 시간을 더 길게 확보하고 교반에 의해 물질 전달을 최대화하여 노말 부텐 수화반응의 전환율을 더 향상시킬 수 있는 반응기구를 발명하였다.The present inventors have also invented a reaction mechanism that can further improve the conversion rate of normal butene hydration by securing a longer time for normal butene to pass through the aqueous layer in the reactor and maximizing mass transfer by stirring.
본 발명의 목적은 헤테로폴리산 수용액을 촉매로 이용하여 여러 개의 회분식 반응기를 연결한 형태의 연속 교반식 반응기에서 노말 부텐을 수화반응시켜 2차 부틸 알코올을 제조하는 장치를 제공하고, 보다 향상된 전환율 및 효율성을 가지는 상기 장치를 통해 2차 부틸 알코올을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. An object of the present invention is to provide an apparatus for producing secondary butyl alcohol by hydrating normal butene in a continuous stirred reactor in the form of connecting several batch reactors using an aqueous heteropolyacid solution as a catalyst, and more improved conversion and efficiency The aim is to provide a method for preparing secondary butyl alcohol through the above apparatus.
본 발명은, 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여, 연속식 반응기 내부에 회분식 반응기처럼 구역을 분리하여 각 구역 내의 원료를 교반하여 수화반응시키는 다중 구역을 갖는 연속 교반식 수화반응기에서 부텐으로서 1-부텐, 시스-2-부텐 또는 트랜스-2-부텐 중에서 선택된 어느 하나의 단일 노말 부텐 또는 그 혼합물을 상기 반응기 내부에 채워져 있는 촉매로서의 헤테로폴리산 수용액과 수화반응시켜 2차 부틸 알코올을 제조하는 것을 특징으로 하는 연속 교반식 수화반응기 및 상기 연속 교반식 수화반응기를 이용한 2차 부틸 알코올 제조방법을 제공한다.The present invention provides 1-butene as butene in a continuous stirred hydration reactor having multiple zones in which the raw materials in each zone are stirred and hydrated by separating zones inside the continuous reactor like a batch reactor in order to solve the above technical problem , cis-2-butene or trans-2-butene, characterized in that for preparing secondary butyl alcohol by hydration reaction of a single normal butene or a mixture thereof with an aqueous solution of heteropolyacid as a catalyst filled in the reactor A stirred hydration reactor and a method for producing secondary butyl alcohol using the continuously stirred hydration reactor are provided.
본 발명은 노말 부텐으로부터 2차 부틸 알코올을 제조하기 위한, 연속적으로 이어진 다중의 회분식 반응 구역을 가지는 연속 교반식 수화반응기(100)로서, 상기 회분식 반응 구역을 나누는 구획판(150)에 유체이동통로(151) 및 교반기 샤프트 구멍(152)을 통과하는 샤프트(130)와 상기 구획판(150) 사이의 틈을 포함하는 것이고, 상기 연속 교반식 수화반응기(100)에서 고체 물질을 포함하지 않는 원료 흐름에 포함되어 사용되는 부텐은 1-부텐(1-Butene), 시스-2-부텐(cis-2-Butene), 트랜스-2-부텐(trans-2-Butene) 중에서 선택된 어느 하나 이상을 포함할 수 있고, 상기 부텐을 헤테로폴리산 수용액(103)을 촉매로 사용하여 2차 부틸 알코올로 전환시키며, 이때 이소-부텐(iso-butene)의 함량은 최소화되는 것이 적합하다.The present invention is a continuously stirred hydration reactor (100) having multiple batch reaction zones connected in series for the production of secondary butyl alcohol from normal butene, and a fluid passageway in a partition plate (150) dividing the batch reaction zones. Raw material flow comprising a gap between the
상기 연속 교반식 수화반응기(100)에서 일어나는 수화반응은 회분식 또는 연속식 반응기 모두에서 가능하지만, 일반적으로는 연속식 반응기를 사용하여 반응시키며, 보다 바람직하게는 반응기 내부에 회분식 반응기 구역을 5개 이상 설치하고, 상기 회분식 반응기 구역 내부에 각각의 교반기(140) 및 상기 반응 구역을 나누는 구획판(150, Plate for compartment)이 교반기와 인접 교반기 사이에 설치되어 구역을 나눔으로써 다중 구역을 갖는 연속 교반식 수화반응기에서 반응시킨다.The hydration reaction that takes place in the continuously stirred
상기 회분식 반응 구역은 각 반응 구역 사이에 위치한 구획판(150)에 있는 유체이동통로(151)를 통해 상기 구역의 부텐 및 생성물을 이동시키고, 상기 반응기(100)의 교반기 샤프트 구멍(152)을 통과하는 샤프트(130)와 상기 교반기 샤프트 구멍을 포함하는 구획판(150) 사이의 틈(clearance)을 통해, 상기 반응 구역 내의 유체를 인접한 반응 구역으로 소량 이동시켜 반응 시간을 충분히 확보함과 동시에 2차 부틸 알코올을 포함한 생성물이 인접한 다음 반응 구역으로 넘어갈 수 있도록 한다.The batch reaction zone moves the butenes and products of the zone through a
좀 더 구체적으로, 상기 구획판(150)의 유체이동통로(151)의 지름은 1~5mm로 하는 것이 바람직하며, 상기 샤프트(130)와 구획판(150) 사이의 틈은 3mm이하로 하는 것이 바람직한 것으로서, 매우 작은 유체이동통로의 지름 및 샤프트(130)와 구획판(150) 간의 틈을 통해 역혼합 및 반응 압력의 손실을 억제할 수 있으며, 상기 유체이동통로의 지름이 1mm보다 작으면 유체의 이동에 있어 용이하지 않다.More specifically, the diameter of the
본 발명의 2차 부틸 알코올 제조방법은, 헤테로폴리산 수용액(103)을 반응기(100) 내부에 채우고, 상기 반응기(100) 내부에 노말 부텐을 포함하는 원료(101)를 공급하고, 상기 헤테로 폴리산 수용액(103)을 촉매로 이용하여, 상기 노말 부텐을 포함하는 원료(101)를 2차 부틸 알코올로 전환시키고, 상기 반응기(100)내에서 초임계 상태의 기상을 형성하고 있는 노말 부텐이 액상에 포함된 생성물을 기상으로 추출하여 반응기를 빠져 나오게 하고, 이후 상기 초임계 상태의 노말 부텐과 상기 2차 부틸 알코올을 분리한다.In the secondary butyl alcohol manufacturing method of the present invention, a heteropolyacid
이때, 상기 수화반응의 반응온도는 150 ~ 250℃이고, 반응 압력은 60~300 bar 이고, 좀 더 바람직하게는 100~200 bar인 것이 바람직하다.At this time, it is preferable that the reaction temperature of the hydration reaction is 150 ~ 250 ℃, the reaction pressure is 60 ~ 300 bar, more preferably 100 ~ 200 bar.
또한, 반응기(100) 하부의 n-부텐 공급구(110)로 공급되는 노말 부텐을 포함하는 원료(101)는 흐름 내 함량이 최소 50wt% 이상인 것이 바람직하며, 70wt%이상인 것이 더욱 바람직하고, 공급되는 부텐의 유속은 LHSV 0.2 ~ 5hr-1이 바람직하며, LHSV 1~2hr-1 이 더욱 바람직하다. In addition, the
상기 부텐과 생성된 2차 부틸 알코올을 분리하는 단계는, 반응기(100) 하부로 노말 부텐을 포함하는 원료(101)를 주입하고, 주입되는 부텐은 반응기 하부에 있는 분산판(120)을 통과함으로써 미세 기포를 형성하게 되고, 반응기 내부로 주입되게 된다. 상기 분산판을 통과해 주입되는 부텐은 미세기포를 형성하게 되며, 헤테로폴리산 수용액 내에서 분산이 효율적으로 일어나게 하는 효과를 지닌다. 상기 분산판은 천공 디스크(Perforated disk) 형태로서 상기 분산판에 뚫려있는 구멍의 지름은 1~5mm로 하는 것이 바람직하다.In the step of separating the butene and the generated secondary butyl alcohol, the
상기 반응기(100)로부터 초임계 상태의 노말 부텐(140℃, 40bar 이상)을 이용해 상기 반응기로부터 제조된 액상의 반응 생성물로부터 2차 부틸 알코올을 추출시켜 상기 노말 부텐과 함께 기상으로 반응기에서 빠져나오게 한 뒤, 상기 2차 부틸 알코올을 포함하는 상기 반응 생성물(105)을 분리탑에서 상기 노말 부텐과 분리함으로써 2차 부틸 알코올을 정제 및 분리하여 회수한다. Secondary butyl alcohol was extracted from the liquid reaction product prepared from the reactor using normal butene in a supercritical state (140° C., 40 bar or more) from the
본 발명의 연속 교반식 수화반응기는, 헤테로폴리산 수용액을 촉매로 사용하여 노말부텐을 직접 수화하는 2차 부틸 알코올의 제조용 반응기로서 반응기 내에 구획이 나눠져 있지 않고, 교반기가 없는 기존의 연속식 버블 칼럼 반응기를 사용할 때의 전환율보다 크게 향상될 수 있다. 동시에 초임계 부텐 수화반응의 장점인 분리 공정의 간편성을 잃어버리지 않으므로 효율적인 2차 부틸 알코올의 제조가 가능하다. The continuously stirred hydration reactor of the present invention is a reactor for producing secondary butyl alcohol that directly hydrates normal butene using an aqueous heteropoly acid solution as a catalyst. The conversion rate when used can be greatly improved. At the same time, since the simplicity of the separation process, which is an advantage of the supercritical butene hydration reaction, is not lost, it is possible to efficiently prepare secondary butyl alcohol.
특히, 교반기를 통해 부텐과 촉매수용액의 물질전달 저항을 최소화함으로써 본원발명의 촉매 수화반응 활성을 증진시키고, 본 발명의 반응기 내 구역을 나눔으로써 부텐이 반응기 내에 머무는 시간을 증가시켜 부텐이 2차 부틸 알코올로 전환되는 효율을 극대화 시켰다.In particular, by minimizing the mass transfer resistance between butene and the aqueous catalyst solution through the stirrer, the catalyst hydration reaction activity of the present invention is enhanced, and by dividing the zones in the reactor of the present invention, the residence time of butene in the reactor is increased, so that butene is converted to secondary butyl The efficiency of conversion to alcohol is maximized.
도1은 본 발명의 반응기(100)에 대한 바람직한 실시양태로서의 개략도이다.
도2는 구획판(150)의 개략도이다.
도3은 분산판(120)의 개략도이다. 1 is a schematic diagram of a preferred embodiment of a
2 is a schematic diagram of a
3 is a schematic diagram of the
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 하지만, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.
본 발명에 따르면, 연속 교반식 수화반응기(100) 내부에 회분식 반응기처럼 구역을 분리하여 각 구역 내의 원료를 교반하여 수화반응시키는 다중 구역을 갖는 연속 교반식 수화반응기(100) 및 이 반응기를 이용해 1-부텐, 시스-2-부텐 또는 트랜스-2-부텐 중에서 선택된 어느 하나의 단일 노말 부텐 또는 그 혼합물을 포함하는 원료(101)를 상기 반응기 내부에 체워져 있는 촉매로서의 헤테로폴리산 수용액(103)과 수화반응시켜 2차 부틸 알코올을 더 높은 전환율로 제조하는 2차 부틸 알코올 제조방법을 제공한다.According to the present invention, the continuously stirred
상기 반응기(100)의 내부는 헤테로폴리산 수용액(103)으로 최상위의 회분식 반응 구역을 덮을 만큼 채운다. 하부의 n-부텐 공급구(110)를 통해 노말 부텐이 포함된 원료(101)를 주입시키고, 반응기(100) 하부 바닥에 위치한 분산판(120)을 통과한 노말 부텐은 미세기포를 형성하면서 반응기 내부로 주입된다. 상기 주입된 노말 부텐은 각 반응기 내부 구역에 체워져 있는 촉매로서의 헤테로폴리산 수용액(103)과 수화반응을 일으키고, 생성된 물질들은 헤테로폴리산 수용액(103) 층을 통과하여 각 반응 구역을 나누는 구획판(150)에 위치한 이동통로인 유체이동통로(151) 및 샤프트(130)와 교반기 샤프트 구멍(152)간의 틈새를 통해 인접한 반응 구역으로 이동하게 된다. 이때 반응기의 샤프트(130)에 있는 각 반응 구역에서의 교반기(140)에 의한 반응물 교반으로 물질전달을 최대화 하게 되고, 구획판(150)에 있는 유체이동통로(151) 및 샤프트(130)와 구획판(150) 사이의 틈새를 통해 부텐 및 생성물을 포함하는 유체가 소량 이동하게 된다. 상기 유체이동통로(151)의 경우, 그 구멍 크기가 작아 각 구역에서의 반응 혼합물이 구역 내 체류 시간을 최대화함으로써 반응 시간을 충분히 확보할 수 있도록 하고, 동시에 2차 부틸 알코올을 포함한 생성물이 인접한 다음 구역으로 넘어갈 수 있도록 한다. 이를 통해 노말 부텐의 2차 부틸 알코올로의 전환율을 향상시킬 수 있다.The interior of the
상기 수화반응 중 소모되는 물은 각 구역에 위치한 보충수 라인(make-up water line, 160)을 통해 보충 할 수 있다. The water consumed during the hydration reaction may be replenished through a make-
본 발명의 수화반응기 내부의 여러 반응 구역을 상기와 같은 방식으로 통과한 후 미반응 노말 부텐과 추출된 생성 물질들은 반응기 상부의 라인인 생성물 취출구(170)를 통해 반응기(100) 밖으로 빠져나오게 된다. 상기 반응의 온도는 150~250℃, 압력은 60bar 이상 300bar 이하이고, 좀 더 바람직하게는 100~200bar로 한다. 반응을 하는 동안 소모되는 보충수(Make-up water, 102)는 각각의 구역에 보충수 라인이 있어서 이를 이용해 보충을 할 수 있다. After passing through the various reaction zones inside the hydration reactor of the present invention in the same manner as described above, unreacted normal butene and the extracted product materials come out of the
본 발명은 연속식 또는 회분식 반응기를 모두 이용가능 하나, 일반적으로는 연속식 반응기를 사용한다.The present invention can use either a continuous or batch reactor, but generally a continuous reactor is used.
[실시예] [Example]
도1과 같은 다중 구역을 갖는 연속 교반식 수화반응기를 이용한 노말 부텐 수화반응Normal butene hydration reaction using a continuously stirred hydration reactor having multiple zones as shown in FIG. 1
연속 교반식 수화반응기에 헤테로폴리산 수용액을 주입하고, 부텐을 펌프를 이용하여 연속주입하며 반응온도 200℃, 반응압력 200bar에서 연속 반응을 진행하였다. 반응기를 빠져나온 생성물을 GC분석함으로써 부텐의 전환율을 확인하였다. 그 결과, 부텐의 전환율이 15%이고, 2차 부틸 알코올의 선택도는 99.5%였다. Heteropolyacid aqueous solution was injected into a continuously stirred hydration reactor, butene was continuously injected using a pump, and a continuous reaction was carried out at a reaction temperature of 200 °C and a reaction pressure of 200 bar. The conversion of butene was confirmed by GC analysis of the product exiting the reactor. As a result, the conversion of butene was 15% and the selectivity of secondary butyl alcohol was 99.5%.
[비교예] [Comparative example]
교반장치가 없는 연속식 버블 칼럼 반응기를 이용한 노말 부텐 수화반응 Normal butene hydration reaction using continuous bubble column reactor without stirring device
반응 구역이 나눠져 있지 않고, 교반장치가 없는 기존의 연속식 버블 칼럼 반응기에 헤테로폴리산 수용액을 촉매로 사용하여 부텐을 온도 200℃, 압력 200bar에서 수화반응 시켰다. 상기 반응 생성물을 GC분석함으로써 부텐의 전환율을 확인하였다. 그 결과, 부텐의 전환율이 5.7%이고, 2차 부틸 알코올의 선택도는 96.8%였다.In a conventional continuous bubble column reactor without a divided reaction zone and no stirring device, an aqueous solution of heteropolyacid was used as a catalyst to hydrate butene at a temperature of 200° C. and a pressure of 200 bar. The conversion of butene was confirmed by GC analysis of the reaction product. As a result, the conversion of butene was 5.7%, and the selectivity of secondary butyl alcohol was 96.8%.
[실시예 및 비교예][Examples and Comparative Examples]
실시예의 다중 구역을 갖는 연속 교반식 수화반응기에서 수화반응을 한 경우, 반응기 내부에서 교반에 의한 물질 전달력 향상으로 인해 2차 부틸 알코올을 생성하는 전환율이 15%로 크게 개선되었다.When the hydration reaction was carried out in the continuously stirred hydration reactor having multiple zones of Example, the conversion rate to produce secondary butyl alcohol was greatly improved to 15% due to the improvement of mass transfer power by stirring inside the reactor.
100: 연속 교반식 수화 반응기
101: 원료
102: 보충수(Make-up water)
103: 헤테로폴리산 수용액
104: 헤테로폴리산 수용액-부텐 계면
105: 생성물
110: n-부텐 공급구
120: 분산판
130: 샤프트(Shaft)
140: 교반기
150: 구획판
151: 유체이동통로
152: 교반기 샤프트 구멍
160: 보충수 라인(Make-up water line)
170: 생성물 취출구100: continuously stirred hydration reactor
101: raw material
102: Make-up water
103: Heteropolyacid aqueous solution
104: heteropolyacid aqueous solution-butene interface
105: product
110: n-butene supply port
120: dispersion plate
130: shaft (Shaft)
140: agitator
150: partition plate
151: fluid passage
152: agitator shaft hole
160: make-up water line (Make-up water line)
170: product outlet
Claims (7)
각 구획판(150) 상의 상기 유체이동통로(151)는 인접하는 다른 구획판(150) 상의 유체이동통로(151)와 상기 샤프트(130)를 기준으로 반대편 측에 위치하고,
상기 유체이동통로(151) 및 교반기 샤프트 구멍(152)을 통과하는 샤프트(130)와 상기 구획판(150) 사이의 틈을 통해 생성물로서 2차 부틸 알코올을 포함하는 상기 회분식 반응 구역 내의 유체가 인접한 회분식 반응 구역으로 이동할 수 있는 것을 특징으로 하는 연속 교반식 수화반응기.A continuous stirred reactor having multiple batch reaction zones for the production of secondary butyl alcohol from normal butene, one fluid passageway 151 on a partition plate 150 dividing the batch reaction zone and a stirrer shaft hole ( and a gap between the shaft 130 passing through 152 and the partition plate 150,
The fluid passage 151 on each partition plate 150 is located on the opposite side with respect to the fluid passage 151 and the shaft 130 on the other adjacent partition plate 150,
Through the gap between the partition plate 150 and the shaft 130 passing through the fluid passage 151 and the agitator shaft hole 152, the fluid in the batch reaction zone containing secondary butyl alcohol as a product is adjacent to each other. A continuously stirred hydration reactor, characterized in that it can be moved to a batch reaction zone.
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