KR102458721B1

KR102458721B1 - 프탈레이트 화합물의 수소화 방법

Info

Publication number: KR102458721B1
Application number: KR1020170161949A
Authority: KR
Inventors: 정기택; 김효석; 박성민; 이혜원; 정재흠
Original assignee: 한화솔루션 주식회사
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2022-10-26
Anticipated expiration: 2037-11-29
Also published as: EP3718999A1; JP7167153B2; KR20190063104A; KR102458721B9; JP2021511288A; EP3718999A4; WO2019107770A1; CN111417615A; US20200283369A1; US11192845B2

Abstract

본 발명은 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 수소화 반응에서 부생성물의 생성이 억제되므로 촉매 활성이 향상되고 수명이 연장되며, 이에 따라 상업 공정의 효율성 및 경제성을 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 제조된 수소화 반응 생성물은 순도가 높고 산가가 낮으므로, 가소제로서의 품질이 우수하여 다양한 제품에 사용될 수 있다.

Description

프탈레이트 화합물의 수소화 방법{PROCESS FOR HYDROGENATION OF PHTHALATE COMPOUND}

본 발명은 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에 관한 것이다. 구체적으로 본 발명은 부생성물의 생성이 억제되어 촉매 수명을 연장할 수 있을 뿐만 아니라, 수소화 반응 생성물의 산가를 낮게 유지하여 가소제로서의 품질을 향상시킬 수 있는 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에 관한 것이다.

프탈레이트(phthalate)계 화합물은 플라스틱, 특히 폴리염화비닐(PVC)의 가소제로 널리 사용되는 물질이다. 예를 들면 전기전자제품, 의약품, 페인트 안료, 윤활제, 바인더, 계면활성제, 접착제, 타일, 식품용기, 포장재 등 실로 그 사용 용도가 매우 다양하다.

그러나 몇몇 프탈레이트 화합물이 환경오염 및 인간의 내분비계 장애 문제를 초래할 수 있는 물질로 알려지면서 유럽, 미국 등 선진국을 중심으로 사용 규제가 강화되고 있다. 특히 프탈레이트계 가소제 중 디(2-에틸헥실)프탈레이트 (di(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)), 부틸 벤질 프탈레이트(butyl benzyl phthalate, BBP), 디-n-부틸 프탈레이트 (di-n-butyl phthalate, DBP)와 같은 일부 제품은 사회적으로 사람의 호르몬 작용을 방해하거나 혼란시키는 내분비계 교란물질(endocrine disrupter)로서 환경 호르몬으로 의심받고 있어 이를 규제하는 움직임이 있다.

이에, 종래의 가소제와 동등한 성능을 나타내면서 환경 호르몬 논쟁에서 자유로운 친환경 가소제를 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있는데, 이 중 하나로 프탈레이트 화합물에 포함되어 있는 벤젠 고리를 수소화한(hydrogenation) 화합물을 이용하는 방안이 있다.

벤젠 고리와 같은 방향족 화합물의 수소화 반응은, 루테늄과 같은 전이 금속을 활성 성분으로 지지체(담체)에 포함한 촉매를 이용하는 방법이 알려져 있다.

그러나 상기 전이 금속 촉매는 반응이 진행됨에 따라 활성이 급격히 감소되어 수율 저하를 초래하는 문제점이 있다. 이에, 공정의 생산성 및 경제성 향상을 위하여 상기 수소화 반응의 문제점을 해결하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 일례로, 대한민국 등록특허 제1556340호는 프탈레이트 화합물을 수소화 촉매 및 알코올 존재 하에 수소와 반응시키는 수소화 방법을 제시하며, 상기 방법에 의할 경우 촉매 성능 및 수명이 향상됨을 개시한다.

한편, 상기 수소화 반응은 부반응을 수반하며, 부생성물의 함량이 증가할수록 제조된 제품은 산성을 띠게 되며, 만일 제품의 산가가 일정 수준을 초과할 경우 악취가 발생하고 순도가 저하되어 가소제로서의 품질상 문제가 발생한다. 더욱이 상기 부생성물은 수소화 촉매의 활성 또한 저하시키므로, 공정의 생산성 및 경제성을 향상시키고 제품의 품질을 향상시키기 위해서는 상기 부생성물의 생성을 억제할 수 있는 새로운 프탈레이트 화합물의 수소화 방법이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허 제1556340호, "프탈레이트 화합물의 수소화 방법"

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 부반응이 억제되어 생성물의 산가가 제어되는 동시에 제품 순도를 높일 수 있고, 프탈레이트계 화합물의 수소화 반응 성능을 향상시켜 반응 수율을 증가시킬 수 있는, 새로운 프탈레이트 화합물의 수소화 방법을 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은

수소를 포함하는 기상 원료; 및 프탈레이트 화합물을 포함하는 액상 원료;를 반응기에 투입하여, 수소 및 프탈레이트 화합물을 수소화 촉매 존재 하에 반응시키는 단계를 포함하는 프탈레이트 화합물의 수소화 방법으로서,

상기 액상 원료의 레이놀즈 수는 1 내지 100 이며,

상기 반응 후 분리된 수소화 반응 생성물의 산가는 0.3 KOHmg/g 이하인, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법을 제공한다.

상기 반응 후 분리된 수소화 반응 생성물의 산가는 바람직하기로 0.2 KOHmg/g 이하일 수 있다.

상기 반응 후 분리된 수소화 반응 생성물의 가열 후 산가는 0.4 KOHmg/g 이하, 또는 0.3 KOHmg/g 이하일 수 있다.

상기 반응기에 투입되는 수소의 양은 프탈레이트 화합물 1몰에 대하여 3 내지 300몰일 수 있다.

상기 프탈레이트 화합물은 프탈레이트, 테레프탈레이트, 이소프탈레이트 및 이들의 카르복실산 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있다.

상기 본 발명의 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에서, 상기 기상 원료는 반응기의 상부 또는 하부에서 공급되고, 상기 액상 원료는 반응기의 상부에서 공급되는 것일 수 있다.

상기 수소화 촉매의 활성 성분은 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상일 수 있고, 상기 수소화 촉매는 담체 100 중량%에 대하여 촉매 활성 성분이 3 중량% 이하인 것일 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 방법에 의하여 제조된, 수소화된 프탈레이트 혹은 테레프탈레이트 화합물을제공한다.

상기 수소화된 프탈레이트 혹은 테레프탈레이트 화합물은 가소제로 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 가소제; 및 에틸렌 초산 비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리우레탄, 폴리부타디엔, 실리콘, 열가소성 엘라스토머 또는 이들의 공중합체 중에서 선택된 수지;를 포함하는 수지 조성물을 제공한다.

본 발명의 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에 따르면 부생성물의 생성이 억제되므로 촉매 활성이 향상되고 수명이 연장되며, 이에 따라 상업 공정의 효율성 및 경제성을 높일 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 제조된 수소화 반응 생성물은 순도가 높고 산가가 낮으므로, 가소제로서의 품질이 우수한 바, 다양한 제품에 활용이 가능하다.

도 1은 본 발명의 수소화 방법에 사용되는 수소화 반응 장치를 간략히 도시한 도면이다.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 이하에서 사용될 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 프탈레이트 화합물의 수소화 방법을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에 따르면, 수소를 포함하는 기상 원료; 및 프탈레이트 화합물을 포함하는 액상 원료;를 반응기에 투입하여, 수소 및 프탈레이트 화합물을 수소화 촉매 존재 하에 반응시키는 단계를 포함하는 프탈레이트 화합물의 수소화 방법으로서,

상기 액상 원료의 레이놀즈 수는 1 내지 100 이며,

상기 반응 후 분리된 수소화 반응 생성물의 산가는 0.3 KOHmg/g 이하인, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법이 제공된다.

본 발명에서는 액상 원료의 레이놀즈 수를 특정 수치범위 내로 제어하여 운전함으로써 부생성물의 생성을 억제할 수 있다. 따라서, 반응기 내 수소화 촉매의 수명을 향상시킬 수 있으며, 공정 생산성 향상, 수율 증대, 경제성 향상 효과를 확보할 수 있다. 또한, 본 발명의 수소화 방법에 따를 경우 수소화 반응 생성물의 산가가 일정 수준 이하로 제조되는 바, 가소제로서의 품질을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 수소화 방법의 반응 대상물은 프탈레이트 화합물이며, 수소화 반응(hydrogenation)에 의해 상기 프탈레이트 화합물의 벤젠 고리에 수소가 첨가되어 이에 상응하는 사이클로헥산 디카르복실레이트 화합물로 전환되는 반응이다.

상기 프탈레이트 화합물은 프탈레이트(phthalate), 테레프탈레이트(terephthalate), 이소프탈레이트(isophthalate) 및 이에 상응하는 카르복실산 화합물(carboxylic acid) 중 선택되는 1종 이상일 수 있다.

먼저, 상기 프탈레이트 화합물은 하기와 같은 화학식 1로 표시될 수 있다.

[화학식 1]

상기 화학식 1에서, R1 및 R1'는 각각 독립적으로 상이하거나 동일하며, 수소, 탄소수 1 내지 20, 바람직하게는 탄소수 4 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 5 내지 20, 더욱 바람직하게는 탄소수 5 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이다.

상기 프탈레이트 화합물의 구체적인 예로는 디부틸 프탈레이트(DBP; dibutyl phthalate), 디헥실 프탈레이트(DHP; dihexyl phthalate), 디옥틸 프탈레이트(DOP; dioctyl phthalate), 디-n-옥틸 프탈레이트(DnOP; di-n-octyl phthalate), 디이소노닐 프탈레이트(diisononyl phthalate), 또는 디이소데실 프탈레이트(DIDP; diisodecyl phthalate) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 화합물은 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 테레프탈레이트 화합물은 하기와 같은 화학식 2로 표시될 수 있다.

[화학식 2]

상기 화학식 2에서, R2 및 R2'는 각각 독립적으로 상이하거나 동일하며, 수소, 탄소수 1 내지 20, 바람직하게는 탄소수 4 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 5 내지 20, 더욱 바람직하게는 탄소수 5 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이다.

상기 테레프탈레이트 화합물의 구체적인 예로는 디부틸 테레프탈레이트(DBTP; dibutyl terephthalate), 디옥틸 테레프탈레이트(DOTP; dioctyl terephthalate), 디이소노닐 테레프탈레이트(DINTP; diisononyl terephthalate), 또는 디이소데실 테레프탈레이트(DIDTP; diisodecyl terephthalate) 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 화합물은 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 이소프탈레이트 화합물은 하기와 같은 화학식 3로 표시될 수 있다.

[화학식 3]

상기 화학식 3에서, R3 및 R3'는 각각 독립적으로 상이하거나 동일하며, 수소, 탄소수 1 내지 20, 바람직하게는 탄소수 4 내지 20, 보다 바람직하게는 탄소수 5 내지 20, 더욱 바람직하게는 탄소수 5 내지 10의 직쇄 또는 분지쇄 알킬기이다.

상기 이소프탈레이트 화합물의 구체적인 예로는 디부틸 이소프탈레이트(DBIP; dibutyl isophthalalate), 디옥틸 이소프탈레이트(DOIP; dioctyl isophthalate), 디이소노닐 이소프탈레이트(DINIP; diisononyl isophthalate), 또는 디이소데실 이소프탈레이트(DIDIP; diisodecyl isophthalate) 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 이들 화합물은 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

바람직하게는, 상기 프탈레이트 화합물로 디옥틸 테레프탈레이트(dioctyl terephthalate, DOTP)를 사용할 수 있다.

상기 프탈레이트 화합물의 순도는 약 99% 이상, 바람직하게는 약 99.5% 이상, 보다 바람직하게는 약 98% 이상일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 상업적으로 이용 가능한 모든 품질 및 순도의 프탈레이트 화합물을 사용할 수 있다.

프탈레이트 화합물의 수소화 공정은 액체상 또는 기체상에서 수행될 수있으나, 본 발명에서 상기 프탈레이트 화합물은 액상 원료에, 수소는 기상 원료에 포함되어 수소화 촉매가 충진된 반응기 내로 투입된다.

본 발명에서, 반응기에 투입되는 액상 원료의 레이놀즈 수는 1 내지 100 이다.

레이놀즈 수(Reynold's number, N_RE)는 유체의"관성에 의한 힘"과 "점성에 의한 힘"의 비로서, 하기 수학식 1로 표현된다.

[수학식 1]

μ: 점도 ρ: 밀도 u_z: 축방향의 선속도 D_p: 유로의 직경

유체의 흐름에서 점성에 의한 힘이 클수록 유체의 원자가 흐름 방향으로 각각 평행하는 이동 상태에 있는 흐름인 층류를 형성하고, 관성에 의한 힘이 클수록 유체의 원자가 흐름 방향에 대해 무작위로 움직이는 난류를 형성한다. 레이놀즈 수는 관 내의 흐름 상태가 층류인지 난류인지를 판정할 때 사용되는 값으로서, 레이놀즈 수가 약 2000 이하인 경우 층류, 2000을 초과할 경우 난류로 판정한다. 즉, 유체의 레이놀즈 수가 낮을수록 흐름이 흐트러지지 않고 일정함을 의미한다.

본 발명의 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에서, 상기 액상 원료의 레이놀즈 수는 1 이상, 또는 5 이상, 또는 10 이상, 또는 20 이상이면서, 100 이하, 또는 90 이하, 또는 80 이하, 또는 50 이하, 또는 30 이하일 수 있다.

상기 액상 원료의 레이놀즈 수가 1 미만으로 너무 낮으면 반응물의 산가가 높아 질 수 있고, 100을 초과하여 너무 높을 경우 원하는 수준의 수율을 얻기 위해서는 반응기 사이즈를 과도하게 늘려야 하거나, 반응 온도를 매우 높게 증가시켜야 하는 문제가 있는데, 이 경우 부생성물 생성량이 증가해서 제품의 산가가 증가 할 수 있다. 이러한 관점에서, 상기 액상 원료의 레이놀즈 수의 범위는 상술한 범위가 바람직하다.

본 발명에 따르면, 반응기 내에서 전체적으로 반응이 균일하게 일어나므로, 반응기 상/하부 촉매에 골고루 부하가 부여되어 촉매 수명을 최대로 향상시킬 수 있고, 부반응이 억제되어 반응기 수율이 현저히 증가되며, 제품의 산가가 낮게 제어될 수 있다. 또한, 반응기 내 균일한 반응으로 인해 핫 스팟(hot spot) 발생이 억제되므로, 별도의 제열 장치를 구비하지 않고도 반응기의 발열량을 제어할 수 있다.

본 발명에서, 반응기에 투입되는 액상 원료의 레이놀즈 수를 조절하는 방법은 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어, 온도나 촉매 사이즈 혹은 반응기 직경과 단면적을 통과하는 액상 원료의 양 등으로 액상 원료의 레이놀즈 수를 조절할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서는 촉매 사이즈를 지정한 후에 반응기 직경과 유량 등을 변경하여 레이놀즈 수를 조절할 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.

또한, 상기 효과를 확보하기 위하여 반응기에 투입되는 수소의 양은 프탈레이트 화합물 1 몰에 대하여 3 몰 이상, 또는 4 몰 이상, 또는 7 몰 이상이면서, 300 몰 이하, 또는 100 몰 이하, 또는 50 몰 이하, 또는 30 몰 이하일 수 있다. 수소의 양이 프탈레이트 화합물 1 몰에 대하여 3 몰 미만으로 너무 적으면 반응 전환율이 낮아져 95 % 이상의 전환율을 얻을 수가 없고, 300 몰을 초과하여 너무 많으면 수소에 의해 액상 원료의 액적들의 반응기 내 체류시간이 짧아져서 전환율이 낮아지거나, 혹은 부생성물이 증가하거나, 촉매 수명이 급격히 낮아 질 수가 있다. 이러한 관점에서, 상기 수소의 양은 상술한 범위가 바람직하다.

상기 수소화 촉매는 활성 성분으로써 전이금속을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 루테늄(Ru), 팔라듐(Pd), 로듐(Rh) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상을 포함할 수 있다.

이러한 수소화 촉매는 담체에 담지시켜 사용할 수 있으며, 이때 담체로는 당 업계에 알려져 있는 담체가 제한 없이 사용될 수 있다. 구체적으로 지르코니아(ZrO₂), 타이타니아(TiO₂), 알루미나(Al₂O₃), 실리카(SiO₂) 등의 담체가 사용될 수 있다.

상기 수소화 촉매가 담체에 담지된 경우, 수소화 촉매의 활성 성분의 양은 담체 100 중량%에 대하여 3 중량% 이하인 것이 바람직하며, 2 중량% 이하, 또는 1 중량% 이하이면서, 0.1 중량% 이상, 또는 0.3 중량% 이상일 수 있다. 만일 수소화 촉매의 양이 담체 100 중량%에 대해 3 중량%를 초과하면, 촉매 표면에서 반응이 급격하게 진행되며, 이 과정에서 부반응 또한 증가하여 부생성물량이 급증하는 문제가 발생할 수 있고, 0.1 중량% 미만이면 촉매량이 부족하여 수소화 반응의 수율이 떨어질 수 있으므로 상기 범위가 바람직하다.

본 발명에서 수소화 반응 조건은 특별히 제한되는 것은 아니나, 일례로 반응압력은 50 bar 이상, 또는 100 bar 이상, 또는 130 bar 이상이면서, 220 bar 이하, 또는 200 bar이하, 또는 180 bar 이하일 수 있다. 만일 반응압력이 50 bar 미만이면 반응이 잘 일어나지 않아, 과도한 양의 촉매가 소모되고, 체류시간이 너무 길이져서 부생성물 증가 및 산가가 증가하는 등의 여러 가지 문제가 있을 수 있고, 200 bar를 초과하면 공정 운전 시 과도한 전력 등의 에너지가 필요로 하며, 또한 반응기 등의 설비 제작비용이 크게 증가하는 문제가 있을 수 있으므로, 상기 범위가 바람직하다.

또한, 반응온도는 100 ℃ 이상, 또는 120 ℃ 이상, 또는 130 ℃ 이상이면서, 300 ℃ 이하, 또는 250 ℃ 이하, 또는 200 ℃ 이하일 수 있다. 만일 반응온도가 100 ℃ 미만이면 반응속도가 너무 느려 반응이 원활하지 않을 수 있는 문제가 있을 수 있고, 300 ℃를 초과하면 부생성물이 급격하게 증가해서, 제품의 산가를 크게 증가 시킬 수가 있다. 또한 촉매 수명에도 영향을 미칠 수 있으므로, 상기 범위가 바람직하다.

이러한 수소화 반응에 의해, 상기 프탈레이트 화합물의 방향족 고리가 수소화되어 이에 상응하는 사이클로헥산 디카르복실레이트 화합물로 전환된다.

반응이 종료된 후, 생성된 액상의 수소화 반응 생성물과, 미반응된 기상의 원료를 분리한다. 상기 분리된 기상의 원료는 수소화 공정으로 재순환 될 수 있다. 또한, 회수된 수소화 반응 생성물은 감압 및 냉각 과정을 거쳐 최종적으로 분리할 수 있다.

본 발명에 따른 수소화 방법을 통하여 상기와 같이 제조 및 분리된 수소화 반응 생성물은 0.3 KOHmg/g 이하, 0.2 KOHmg/g 이하, 또는 0.17 KOHmg/g 이하의 산가를 갖는다. 상기 수소화 반응 생성물의 산가가 낮을수록 제품 품질이 우수한 것이므로, 그 하한에 제한은 없으나, 일례로 0.01 KOHmg/g 이상, 또는 0.03 KOHmg/g 이상일 수 있다. 이때, 위에서 제시한 산가의 범위는 가열 산가를 의미 하지 않는다. 상기 산가(acid value)란 시료 1g 중 함유되어 있는 산을 중화하는 데 필요한 수산화칼륨(KOH)의 중량(mg)으로서, 0.1N 알코올성 KOH 용액으로 시료 용액을 적정하여 구할 수 있다.

또한, 상기 수소화 반응 생성물의 가열 후 산가는 0.4 KOHmg/g 이하, 0.3 KOHmg/g 이하, 또는 0.25 KOHmg/g 이하일 수 있다. 상기 가열 후 산가가 낮을수록 제품 품질이 우수한 것이므로, 그 하한에 제한은 없으나, 일례로 0.01 KOHmg/g 이상, 0.05 KOHmg/g 이상, 또는 0.1 KOHmg/g 이상일 수 있다.

이때, 상기 수소화 반응 생성물의 가열 후 산가는, 본 발명의 방법을 통하여 제조및 분리된 수소화 반응 생성물을 125 ℃에서 3시간 유지한 후에 상기 산가 측정과 동일한 방법으로 적정 및 계산하여 얻은 값이다.

액상 원료의 레이놀즈 수를 조절하여 반응에 투입하는 본 발명의 수소화 방법에 따르면, 수소화 반응 외 부반응이 억제되어 산성을 띠는 부생성물의 생성량이 줄어들게 되므로, 수소화 반응 생성물이 상기와 같이 낮은 산가를 나타내며, 이에 따라 고순도 및 고품질의 제품을 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 수소화 방법에 사용되는 수소화 반응 장치를 예시한 도면이다.

도 1을 참조하면, 상기 수소화 반응 장치는 열 교환기(a, b), 반응기(c) 및 기상-액상 분리기(d) 등으로 이루어질 수 있다.

상기 열 교환기(a, b)는 기상 원료(1) 및 액상 원료(3)를 반응기(c)에 투입하기 전 승온시키는 역할을 하는 것으로서, 필요에 따라 생략 가능하다.

기상 원료(2) 및 액상 원료(4)는 내부에 수소화 촉매가 충진된 관 형태의 반응기(c)로 투입되어, 수소화 반응이 진행된다. 상기 반응기는 반응열을 제어하기 위하여 제열용 외부 자켓을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 기상 원료(2)는 반응기의 상부 또는 하부에서 공급될 수 있으며, 액상 원료(4)는 반응기의 상부에서 공급될 수 있다.

상기 반응기(c)로부터 나온 반응 혼합물(5)는 기상-액상 분리기(d)로 전달되며, 여기서 액상의 반응 생성물(7)과 기상의 미반응물(6)이 분리된다. 분리된 반응 생성물(7)은 회수되어 추가의 정제 작업을 거칠 수 있으며, 기상의 미반응물(6)은 배출 또는 재사용을 위하여 순환된다.

단, 상기 도 1에서 각 장치의 위치는 변경 가능하며 필요에 따라 도 1에 도시되지 않은 다른 장치도 포함 가능하므로, 본 발명의 수소화 방법이 도 1에 도시한 장치 및 공정 순서로 한정되는 것은 아니다.

상술한 본 발명의 수소화 방법에 따르면, 부반응이 억제되므로 수소화 반응 생성물의 산가가 낮게 제어될 수 있으며, 촉매 활성이 향상되고 수명이 연장되는 바, 생성물의 품질을 향상시키고 상업 공정의 경제성을 높일 수 있다.

이와 같이 제조된 수소화된 프탈레이트 혹은 테레프탈레이트 화합물은 가소제로서 유용하게 사용될 수 있다. 구체적으로, 상기 프탈레이트 혹은 테레프탈레이트 화합물을 포함하는 가소제는 안정제, 도료, 잉크, 액상 발포제(Masterbatch 류), 접착제 등의 제품에 사용될 수 있다.

본 발명에 따라 제조되는 수소화된 프탈레이트 혹은 테레프탈레이트 화합물은 순도가 우수하고 산가가 낮으므로, 가소제로서의 품질이 우수하다. 따라서, 에틸렌 초산 비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리염화비닐, 폴리스타이렌, 폴리우레탄, 폴리부타디엔, 실리콘, 열가소성 엘라스토머 또는 이들의 공중합체 중에서 선택된 수지의 가소제로서 적합하게 사용될 수 있다.

이와 같이 가소제로서 본 발명에 의하여 제조된 프탈레이트 혹은 테레프탈레이트 화합물을 포함하고, 상기와 같은 수지를 포함하는 수지 조성물은 다양한 제품에 사용될 수 있다. 일례로, 식품 포장용 필름(예를 들어, 랩), 공업용 필름, 컴파운드, 데코시트, 데코타일, 연질시트, 경질시트, 전선 및 케이블, 벽지, 발포매트, 레자, 바닥재, 타포린, 장갑, 실란트, 냉장고 등의 가스켓, 호스, 의료기기, 지오그리드, 메쉬타포린, 완구용품, 문구용품, 절연테이프, 의류 코팅제, 의류 또는 문구용 등으로 사용되는 PVC 라벨, 병마개 라이너, 공업용 또는 기타 용도의 마개, 인조 미끼, 전자기기 내 부품(예를 들어, sleeve), 자동차 내장재, 접착제, 코팅제 등의 제조에 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이하, 발명의 구체적인 실시예를 통해, 발명의 작용 및 효과를 보다 상술하기로 한다. 다만, 이러한 실시예는 발명의 예시로 제시된 것에 불과하며, 이에 의해 발명의 권리범위가 정해지는 것은 아니다.

<실시예>

실시예 1

액상 원료로서 순도 99 %인 디옥틸 테레프탈레이트(dioctyl terephthalate, DOTP), 기상 원료로서 수소를 반응기에 주입하고, 반응압력 110 bar, 반응온도 150 ℃에서 수소화 반응을 수행하였다.

DOTP 질량 유량은 9.6kg/hr, 수소의 양은 수소/DOTP 몰 비가 10 몰 비로 투입되었다. 또한, 수소와 DOTP 의 부피 유량 비는 5:1이었으며, 수소의 투입 시 온도는 140℃, 압력은 150 bar였고, DOTP의 투입 시 온도는 140℃, 압력은 150bar였다.

또한, 상기 반응기에 투입되는 액상 원료의 레이놀즈 수는 84.9로 설정하여 운전하였다. 여기서 레이놀즈 수는 하기 수학식 1로 계산된 값이다.

[수학식 1]

μ: 점도 ρ: 밀도 u_z: 축방향의 선속도 D_p: 촉매직경

상기 반응기는 단일관 형태로, 관 내 촉매가 채워져 있는 부분의 길이는 총 3.0 m 이었으며, 제열용 외부 자켓 없이 수소화 반응을 수행하였다.

상기 반응기에 사용된 촉매는 루테늄(Ru) 촉매이며, 담체 100 중량% 대비 루테늄 함량이 0.5 중량% 로 제조된 촉매로, 실린더형으로 직경 3 mm, 높이 3 mm의 사이즈를 사용하였다.

실시예 2

실시예 1에서, 액상 원료의 레이놀즈 수를 8.5로 한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수소화 반응을 수행하였다.

실시예 3

실시예 1에서, 액상 원료의 레이놀즈 수를 1.3로 한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수소화 반응을 수행하였다.

비교예 1

실시예 1에서, 반응온도를 200 ℃로 하고, 액상 원료의 레이놀즈 수를 124로 한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수소화 반응을 수행하였다.

비교예 2

실시예 1에서, 액상 원료의 레이놀즈 수를 0.1로 한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수소화 반응을 수행하였다.

비교예 3

실시예 1에서, 액상 원료의 레이놀즈 수를 124로 한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 수소화 반응을 수행하였다.

그러나 이 경우 반응 전환율이 48.5%로 낮고, 반응이 충분히 진행되지 않아 생성물의 산가를 비교하기에 부적합하였다.

<실험예>

상기 실시예 1 내지 3 및 비교예 1 내지 4의 수소화 반응에 대하여, 전환율, 부생성물 함량, 수소화 반응 생성물의 산가, 수소화 반응 생성물의 가열 후 산가, 및 촉매 수명을 평가하였다.

반응 생성물 및 부생성물의 분석은 일반적으로 유기물 분석에 사용되는 GC 기기(Agilent 6890 및 7890B)를 사용하였으며, 아세톤 1mL에 액상의 분석 시료 0.25mL를 혼합한 샘플을 GC 분석기기에 주입하고 분석 시간은 총 34분으로 설정하여 분석하였다.

수소화 반응 생성물의 산가는 반응 혼합물로부터 미반응된 기상 원료를 분리하여 얻은 수소화 반응 생성물을 KOH 시약으로 적정한 후, 하기 수학식 2에 의해 계산된 값이다.

[수학식 2]

α: 적정시약(KOH) 소비량, β: 1.00, δ: 투입된 시료(수소화 반응 생성물)량

가열 후 산가는 상기와 같이 반응 혼합물로부터 분리된 수소화 반응 생성물을 125 ℃에서 3시간 유지한 후에 상기 수소화 반응 생성물의 산가 측정과 동일한 방법으로 적정 및 계산하여 얻은 값이다.

촉매 수명은 반응초기 전환율(x₀)와 운전 5일 뒤 전환율(X₁)값을 기준값으로 계산된 값이다.

상기 평가 결과를 하기 표 1에 정리하였다.

실험예		실시예 1	실시예 2	실시예 3	비교예 1	비교예 2
액상 레이놀즈 수		84.9	8.5	1.3	124	0.10
촉매		Ru 0.5	Ru 0.5	Ru 0.5	Ru 0.5	Ru 0.5
전환율	%	85.5%	98.5%	99.5%	84.5%	99.9%
byproducts	wt%	0.68%	0.16%	0.24%	1.54%	0.90%
산가	KOH㎎/g	0.154	0.030	0.070	0.413	0.229
가열 후 산가	KOH㎎/g	0.225	0.112	0.147	0.485	0.276
촉매 수명	(X₀-X₁)/X₀	0.94	0.99	0.98	0.64	0.75

상기 표 1을 참조하면, 실시예 1 내지 3과 같이 기상 및 액상 원료의 레이놀즈 수가 본 발명의 범위를 만족할 경우 전환율은 85% 이상으로 우수한 반면, 부생성물의 생성량은 0.7% 이하로 낮게 나타나는 것을 알 수 있다. 이와 같이 부생성물 함량이 줄어듦에 따라, 반응 혼합물로 분리된 수소화 반응 생성물의 산가가 0.16 KOHmg/g 이하로 매우 낮게 나타났고, 가열 후 산가 또한 0.3 KOHmg/g 이하로 유지되었다. 또한, 부생성물에 의한 촉매 활성 소멸 문제가 해소되어, 촉매 수명이 크게 연장되었다.

반면, 기상 또는 액상 원료의 레이놀즈 수를 본 발명의 수치범위 외로 설정한 비교예 1 및 2는 실시예 1 내지 3과 비교하여 부생성물의 함량이 매우 높게 나타났다. 이로 인하여 수소화 반응 생성물의 산가 및 가열 후 산가가 높게 나타났으며, 촉매 수명 또한 실시예에 비하여 급감한 것을 확인할 수 있다.

상기 결과로부터, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법에 있어서 반응기에 투입되는 기상 및 액상 원료의 레이놀즈 수를 본 발명의 범위로 할 때 부반응을 크게 억제하여 수소화 반응 생성물의 품질을 높일 수 있으며, 촉매 수명을 증대시켜 생산성 및 경제성을 높일 수 있음을 확인할 수 있다.

a, b: 열교환기
c: 반응기
d: 기상-액상 분리기
1, 2: 기상 원료
3, 4: 액상 원료
5: 반응 혼합물
6: 기상의 미반응물
7: 액상의 반응 생성물

Claims

수소를 포함하는 기상 원료; 및 프탈레이트 화합물을 포함하는 액상 원료;를 반응기에 투입하여, 수소 및 프탈레이트 화합물을 수소화 촉매 존재 하에 반응시키는 단계를 포함하는 프탈레이트 화합물의 수소화 방법으로서,
상기 반응기에 투입되는 수소의 양은 프탈레이트 화합물 1몰에 대하여 3 내지 300몰이고,
상기 액상 원료의 레이놀즈 수는 1 내지 90 이며,
상기 반응 후 분리된 수소화 반응 생성물의 산가는 0.3 KOHmg/g 이하인, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
제1항에 있어서,
상기 반응 후 분리된 수소화 반응 생성물의 산가는 0.2 KOHmg/g 이하인, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
제1항에 있어서,
상기 반응 후 분리된 수소화 반응 생성물의 가열 후 산가는 0.4 KOHmg/g 이하인, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
제1항에 있어서,
상기 반응 후 분리된 수소화 반응 생성물의 가열 후 산가는 0.3 KOHmg/g 이하인, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 프탈레이트 화합물은 프탈레이트, 테레프탈레이트, 이소프탈레이트 및 이들의 카르복실산 화합물로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
제1항에 있어서,
상기 기상 원료는 반응기의 상부 또는 하부에서 공급되고, 상기 액상 원료는 반응기의 상부에서 공급되는, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
제1항에 있어서,
상기 수소화 촉매의 활성 성분은 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 팔라듐(Pd) 및 백금(Pt)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상인, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
제1항에 있어서,
상기 수소화 촉매는 담체 100 중량%에 대하여 촉매 활성 성분이 3 중량% 이하인, 프탈레이트 화합물의 수소화 방법.
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