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KR20210004279A - 디에스터계 조성물의 제조 시스템 및 방법 - Google Patents

디에스터계 조성물의 제조 시스템 및 방법 Download PDF

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KR20210004279A
KR20210004279A KR1020190080465A KR20190080465A KR20210004279A KR 20210004279 A KR20210004279 A KR 20210004279A KR 1020190080465 A KR1020190080465 A KR 1020190080465A KR 20190080465 A KR20190080465 A KR 20190080465A KR 20210004279 A KR20210004279 A KR 20210004279A
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이성규
신준호
전형
진찬휴
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Abstract

본 발명은 디에스터계 조성물의 제조 시스템 및 제조방법에 관한 것으로, 폐수에 반응 원료인 제1 알코올을 추출제로 첨가하고, 이를 층분리함으로써 폐수 내의 다른 반응 원료인 제2 알코올을 분리해낼 수 있으며, 이에 따라 폐수로 방출되는 알코올의 양을 저감할 수 있어 친환경적인 공정 운전이 가능하다. 또한, 분리해낸 알코올을 다시 반응 원료 등으로 활용할 수 있다는 점에서 경제적 및 효율적이다.

Description

디에스터계 조성물의 제조 시스템 및 방법{System and Method for Manufacturing Diester-based Composition}
본 발명은 폐수 내 알코올 농도를 낮출 수 있는 디에스터계 조성물의 제조방법 및 제조 시스템에 관한 것이다.
프탈레이트계 가소제는 20세기까지 세계 가소제 시장의 92%를 차지하고 있었으며(Mustafizur Rahman and Christopher S.Brazel "The plasticizer market: an assessment of traditional plasticizers and research trends to meet new challenges" Progress in Polymer Science 2004, 29, 1223-1248 참고), 주로 폴리염화비닐(이하, PVC라 함)에 유연성, 내구성, 내한성 등을 부여하고 용융 시 점도를 낮추어 가공성을 개선하기 위하여 사용되는 첨가물로서, PVC에 다양한 함량으로 투입되어 단단한 파이프와 같은 경질 제품에서부터 부드러우면서도 잘 늘어나 식품 포장재 및 혈액백, 바닥재 등에 사용될 수 있는 연질 제품에 이르기까지 그 어떤 재료보다도 실생활과 밀접한 연관성을 갖으며 인체와의 직접적인 접촉이 불가피한 용도로 널리 사용되고 있다.
그러나 프탈레이트계 가소제의 PVC와 상용성 및 뛰어난 연질 부여성에도 불구하고, 최근 프탈레이트계 가소제가 함유된 PVC 제품의 실생활 사용 시 제품 외부로 조금씩 유출되어 내분비계 장애(환경호르몬) 추정 물질 및 중금속 수준의 발암 물질로 작용할 수 있다는 유해성 논란이 제기되고 있다(N. R. Janjua et al. "Systemic Uptake of Diethyl Phthalate, Dibutyl Phthalate, and Butyl Paraben Following Whole-body Topical Application and Reproductive and Thyroid Hormone Levels in Humans" Environmental Science and Technology 2008, 42, 7522-7527 참조). 특히, 1960년대 미국에서 프탈레이트계 가소제 중 그 사용량이 가장 많은 디에틸헥실 프탈레이트(di-(2-ethylhexyl) phthalate, DEHP)가 PVC 제품외부로 유출된다는 보고가 발표된 이후로 1990년대에 들어 환경호르몬에 대한 관심이 더해져 프탈레이트계 가소제의 인체 유해성에 대한 다양한 연구를 비롯하여 범 세계적인 환경규제가 이루어지기 시작하였다.
이에 많은 연구진들은 프탈레이트계 가소제, 특히 디(2-에틸헥실) 프탈레이트의 유출로 인한 환경호르몬 문제 및 환경규제에 대응하고자, 디(2-에틸헥실) 프탈레이트 제조시 사용되는 무수프탈산이 배제된 새로운 비프탈레이트계 대체 가소제를 개발하거나, 프탈레이트 기반이지만 가소제의 유출이 억제되어 공업용으로 사용될 수 있는 디(2-에틸헥실) 프탈레이트를 대체할 수 있는 프탈레이트계 가소제를 개발하는 것뿐만 아니라, 프탈레이트계 가소제의 유출을 억제하여 인체 위해성을 현저히 줄임은 물론 환경기준에도 부합할 수 있는 유출억제 기술을 개발하고자 연구를 진행해 나가고 있다.
이처럼 디에스터 기반의 가소제로서 기존의 환경적 문제가 있는 디(2-에틸헥실) 프탈레이트를 대체할 수 있는 환경적 문제에서 자유로운 물질들의 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 물성이 우수한 디에스터계 가소제를 개발하는 연구는 물론 이러한 가소제를 제조하기 위한 설비에 관한 연구도 활발하게 진행되고 있으며, 공정 설계의 측면에서 보다 효율적이고 경제적이며 간소한 공정의 설계가 요구되고 있다.
한편, 위 디에스터계 가소제를 제조하는 공정은 대부분의 산업 현장에서 회분식 공정이 적용되고 있으며, 회분식 공정으로서 반응기 내의 미반응물의 환류와 부반응물의 효율적인 제거를 위한 기액 분리 시스템에 관한 발명(대한민국 공개특허공보 제10-2019-0027622호)과, 회분식 공정의 설비들을 간소화 하기 위하여 1차 직접 에스터화 반응 및 2차 트랜스 에스터화 반응의 설비들을 통합한 시스템에 관한 발명(대한민국 공개특허공보 제10-2019-0027623호)들이 소개되고 있다. 그러나 이러한 발명들은 회분식 공정으로서, 환류량이나 스팀량 개선에 한계가 있고 생산성이 매우 낮으며, 개선을 위하여 적용할 수 있는 기술에 한계가 있는 실정이다.
또한, 연속식 공정으로서, 2기 이상의 반응기를 직렬로 연결하여 반응부를 구성하고 있는 공정에 관한 발명(대한민국 등록특허공보 제10-1663586호)도 소개되고 있으나, 목표 전환율 달성을 위한 반응기의 반응온도 제어에 관한 발명으로 공정의 개선 및 에너지 절감에는 한계가 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2019-0027622호 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0027623호 대한민국 등록특허공보 제10-1663586호
본 발명의 목적은 공정에서 배출되는 폐수 내 알코올의 효율적인 회수를 통해, 효율적 및 경제적으로 디에스터계 조성물을 제조할 수 있으면서도, 폐수 내 알코올 농도가 낮아 친환경적인 디에스터계 조성물의 제조방법 및 제조 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 디카복실산과 제1 알코올의 에스터화 반응의 반응 생성물이 정제 생성물 및 미반응물인 제1 알코올로 분리되는 정제 공간과, 이들이 분리 배출되도록 정제 생성물 라인 및 미반응물 회수 라인을 구비하는 1차 정제부, 1차 정제부의 정제 생성물 라인으로부터 유입된 정제 생성물과 별도의 알코올 투입구로 유입된 제2 알코올의 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 내부 공간과, 생성된 트랜스 반응 생성물을 배출하는 트랜스 반응 생성물 라인을 구비하는 트랜스 반응 유닛, 내부를 중화 공간 및 수분리 공간으로 분리하되 유체의 이동이 가능한 통로를 형성하는 격벽과, 상기 수분리 공간에서 에스터가 풍부한 유기층 및 물이 풍부한 폐수층으로 분리되어 배출되도록 유기층 라인 및 폐수 라인을 구비하고, 상기 트랜스 반응 생성물 라인이 상기 중화 공간으로 연결되는 중화수분리 장치, 중화수분리 장치의 유기층 라인으로부터 유입된 에스터가 풍부한 유기층이 미반응 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 알코올, 물과 제1 알코올 및 제2 알코올을 포함하는 혼합 폐수 및 디에스터계 조성물의 세 스트림으로 분리 배출되도록 미반응물 회수 라인, 2차 폐수 라인 및 제품 라인이 구비된 2차 정제부 및 중화수분리 장치의 폐수 라인 및 2차 정제부의 2차 폐수 라인과 연결되는 폐수 투입 라인과, 추출제인 제1 알코올을 투입하는 추출제 투입 라인과, 물, 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 폐액이 혼합 알코올층 및 폐수층으로 층분리되는 층분리 공간과, 이들이 분리 배출되도록 혼합 알코올 회수 라인 및 최종 폐수 라인을 각각 구비하는 폐수처리조를 포함하는 디에스터계 조성물의 제조 시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 제조 시스템을 통해 수행되는 디에스터계 조성물의 제조방법을 제공한다.
본 발명의 제조 시스템 및 제조방법에서는 폐수로 배출되는 알코올을 회수함으로써, 친환경적인 공정 운전이 가능하고, 회수한 알코올을 다시 반응 원료 등으로 사용할 수 있다는 점에서 전체 공정의 경제성 및 효율성을 개선할 수 있다.
도 1 및 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디에스터계 조성물의 제조 시스템을 간략화한 도이다.
이하, 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
디에스터계 조성물의 제조 시스템
본 발명은 디카복실산과 제1 알코올의 에스터화 반응의 반응 생성물이 정제 생성물 및 미반응물인 제1 알코올로 분리되는 정제 공간과, 이들이 분리 배출되도록 정제 생성물 라인 및 미반응물 회수 라인을 구비하는 1차 정제부, 1차 정제부의 정제 생성물 라인으로부터 유입된 정제 생성물과 별도의 알코올 투입구로 유입된 제2 알코올의 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 내부 공간과, 생성된 트랜스 반응 생성물을 배출하는 트랜스 반응 생성물 라인을 구비하는 트랜스 반응 유닛, 내부를 중화 공간 및 수분리 공간으로 분리하되 유체의 이동이 가능한 통로를 형성하는 격벽과, 상기 수분리 공간에서 에스터가 풍부한 유기층 및 물이 풍부한 폐수층으로 분리되어 배출되도록 유기층 라인 및 폐수 라인을 구비하고, 상기 트랜스 반응 생성물 라인이 상기 중화 공간으로 연결되는 중화수분리 장치, 중화수분리 장치의 유기층 라인으로부터 유입된 에스터가 풍부한 유기층이 미반응 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 알코올, 물과 제1 알코올 및 제2 알코올을 포함하는 혼합 폐수 및 디에스터계 조성물의 세 스트림으로 분리 배출되도록 미반응물 회수 라인, 2차 폐수 라인 및 제품 라인이 구비된 2차 정제부 및 중화수분리 장치의 폐수 라인 및 2차 정제부의 2차 폐수 라인과 연결되는 폐수 투입 라인과, 추출제인 제1 알코올을 투입하는 추출제 투입 라인과, 물, 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 폐액이 혼합 알코올층 및 폐수층으로 층분리되는 층분리 공간과, 이들이 분리 배출되도록 혼합 알코올 회수 라인 및 최종 폐수 라인을 각각 구비하는 폐수처리조를 포함하는 디에스터계 조성물의 제조 시스템을 제공한다.
이하에서, 본 발명의 제조 시스템에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명의 제조 시스템은 그 기능에 따라 크게 1차 정제부(11), 트랜스 반응 유닛(21), 중화수분리 장치(22), 2차 정제부 및 폐수처리조(3)의 다섯 부분을 포함하며, 이외에 에스터 반응 유닛(10), 혼합 알코올 탱크(4)와 알코올 회수부(5)를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 디카복실산 스트림(102)과 제1 알코올 스트림(103)은 에스터 반응 유닛으로 투입되며, 에스터 반응 유닛에서의 에스터화 반응을 통해 반응 생성물이 제조된다. 디카복실산과 알코올 사이의 에스터화 반응을 수행하는 경우, 반응에 필요한 온도가 반응 원료인 알코올의 끓는점과 유사하거나, 또는 높은 경우가 많기 때문에 일반적으로 반응 도중 반응 원료인 알코올의 기화로 인해, 충분한 정도의 전환율을 얻을 수 없는 경우가 많다. 따라서, 에스터화 반응을 수행하는 경우에서는 실제 반응에 필요한 양보다 더 많은 양의 알코올을 투입하게 되며 그 결과 상기 반응 생성물에는 반응의 결과물인 디에스터계 화합물뿐 아니라, 반응에 참여하지 않고 잔존하는 미반응 제1 알코올과 에스터화 반응의 부산물인 물이 함께 존재하게 된다. 따라서, 상기 반응 생성물에 포함되는 미반응 제1 알코올과 물의 제거가 필요하며, 이는 다음 1차 정제부(11)에서 수행된다. 한편, 상기의 이유로 반응 도중 기화하는 알코올을 다시 반응 유닛으로 투입할 필요가 있으며, 이에 따라 본 발명의 에스터 반응 유닛은 환류 장치를 구비한 것일 수 있다.
에스터화 반응을 통해 생성된 반응 생성물 스트림(101)은 1차 정제부(11)로 투입되고, 1차 정제부 내의 정제 공간에서 반응 생성물 내의 미반응 제1 알코올이 제거된다. 상기 미반응 제1 알코올의 제거는 다양한 방법으로 수행될 수 있으며, 디에스터계 화합물의 끓는점이 제1 알코올의 끓는점에 비해 높다는 점 등을 고려한다면, 증류 등의 방법을 통해 수행될 수 있다. 이 경우에 상기 1차 정제부는 칼럼 등의 형태일 수 있다. 본 과정에서 제거된 미반응 제1 알코올 스트림(111)은 미반응물 회수 라인을 통하여 상기 1차 정제부로부터 배출되어 다시 에스터 반응 유닛과 혼합 알코올 탱크(4) 중 어느 하나로, 또는 둘 모두로 나뉘어 투입될 수 있으며, 정제 생성물 스트림(112)은 정제 생성물 라인을 통하여 트랜스 반응 유닛(21)으로 이송된다.
상기 1차 정제부로부터 트랜스 반응 유닛으로 유입된 정제 생성물 내의 디에스터계 화합물은 트랜스 반응 유닛(21)으로 유입된 제2 알코올(211)과 트랜스 에스터화 반응을 수행한다. 그 결과 알킬기가 치환된 디에스터계 화합물과 제1 알코올이 다시 생성되며, 상기 디에스터계 화합물과 생성된 제1 알코올, 미반응된 제2 알코올을 포함하는 트랜스 반응 생성물은 다음 중화수분리 장치(22)로 이송된다. 또한, 상기 에스터 반응 유닛의 경우와 마찬가지로, 제2 알코올의 끓는점이 제1 알코올의 끓는점보다 낮다는 점을 고려할 때 트랜스 반응 유닛에서도 제2 알코올의 기화가 발생할 수 있고, 이에 따라 상기 트랜스 반응 유닛 역시 기화된 알코올 등을 다시 트랜스 반응 유닛으로 투입하기 위한 환류 장치를 구비한 것일 수 있다.
중화수분리 장치로 이송된 트랜스 반응 생성물은 중화의 대상이 된다. 에스터화 반응은 산 조건에서 수행되기 때문에, 트랜스 반응 생성물 내에는 산성 물질, 예컨대 산성 촉매가 잔존할 수 있으며, 반응 원료에 해당 디카복실산 역시 산성 물질이라는 점을 고려하면 트랜스 반응 생성물의 중화가 필요하다. 중화수분리 장치의 내부 공간은 중화 공간과 수분리 공간으로 분리되며, 중화 공간에서 중화된 트랜스 반응 생성물은 통로를 통해 수분리 공간으로 이동하여 유기층과 폐수층으로 층분리된다. 중화 반응을 통해 물이 생성되고, 미처 제거되지 못한 제1 알코올은 디에스터계 화합물보다 물에 대한 친화력이 우수하므로, 분리된 유기층에는 에스터, 즉 디에스터계 화합물이 풍부하고, 폐수층에는 풍부한 물 및 미량의 제1 알코올이 포함된다. 분리된 유기층 스트림(222)은 유기층 라인을 통해 2차 정제부(23)로 이송되며, 폐수층 스트림(221)은 폐수처리조(3)로 이송된다. 폐수처리조로 이송되는 폐수층 스트림은 물 및 제2 알코올을 포함하며, 상기 스트림 내 제2 알코올의 농도는 0.01 내지 10 중량%, 0.1 내지 7 중량%, 또는 1 내지 5 중량%일 수 있다.
중화수분리 장치에서 분리된 유기층 내 물, 제1 알코올과 제2 알코올은 다음의 2차 정제부에서 제거된다. 앞선 1차 정제부와 중화수분리 장치에서 수행된 것과 같이, 본 2차 정제부에서 분리된 미반응 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 알코올(232)과 물 및 나머지 알코올을 포함하는 2차 폐수(231)는 각기 배출되며, 상기 2차 폐수는 폐수처리조로 이송된다(3). 최종 제품에 해당하는 디에스터계 조성물(233) 역시 별도로 배출된다. 상기 폐수처리조로 이송되는 2차 폐수는 물, 제1 알코올 및 제2 알코올을 포함하며, 2차 폐수 내 제2 알코올의 농도는 2차 폐수 총 중량에 대하여 0.01 내지 10 중량% 또는 0.1 내지 5 중량%일 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 중화수분리 장치 및 2차 정제부의 운전 과정에서 생성되는 폐수 및 2차 폐수는 물과 함께 제1 알코올 및 제2 알코올을 포함하며, 폐수 내의 상기 제1 알코올 및 제2 알코올을 분리하여 다시 활용하고자 하는 것이 본 발명의 기술적 특징이다. 이를 위해 본 발명의 제조 시스템은 폐수처리조(3)를 포함한다. 폐수처리조로 이송된 폐수(221)와 2차 폐수(231)는 다량의 물과 제1 알코올 및 제2 알코올을 포함하며, 특히 탄소수가 적은 제2 알코올은 물과의 친화력이 준수한 편이기 때문에 상기 알코올들은 물과 잘 혼합된 상태로 존재한다. 따라서, 상기 폐수 내의 알코올을 분리 해내기 위해서는 제2 알코올과의 친화력이 우수하면서도, 물과는 친화력이 상대적으로 떨어지는 추출제를 별도로 투입할 필요가 있으며, 본 발명에서는 추출제로 반응 원료에 해당하는 제1 알코올 스트림(301)을 폐수 처리조에 투입한다.
일반적으로, 층분리를 위한 추출제로는 층분리의 대상이 되는 혼합물 성분에 따라 다양한 물질들이 활용될 수 있으나, 본 발명에서와 같은 일련의 제조 시스템에 적용될 수 있는 추출제를 선택하기 위해서는 다양한 조건들을 고려하여야 한다. 예컨대, 추출제 역시 한 관점에서는 불순물로 작용되기 때문에 이후의 추가 공정을 통해 잔존하는 추출제를 제거하여야 할 필요성이 있을 수 있고, 추출제를 보관 및 투입하기 위한 별도의 장치 역시 요구된다. 이에 본 발명에서는 추출제로 반응 원료에 해당하는 제1 알코올을 사용함으로써, 별도의 보관 장치 없이 추가 투입을 위한 라인만으로 반응 원료 중 일부를 추출제로 사용할 수 있고, 추출제를 사용한 결과 분리된 층은 제1 알코올과 제2 알코올의 혼합 알코올층이 되어 앞서 미반응 알코올 제거를 통해 얻어진 혼합 알코올층과 성분이 동일하게 되므로, 폐수처리조에서 분리된 층을 별도의 처리 없이 즉시 혼합 알코올 탱크 등으로 투입할 수 있어, 전체 공정의 효율성을 개선할 수 있다. 또한, 추출제로 사용된 제1 알코올은 제거되지 않고 혼합 알코올의 형태로 공정 내에 잔존하기 때문에, 이후 반응기 가열 등을 위한 스팀 생성의 연료로 사용되거나, 분리되어 다시 반응 원료 또는 추출제로 사용될 수 있다는 점에서 공정의 경제성 역시 크게 개선할 수 있다.
상기 폐수처리조 내부의 층분리 공간의 온도를 조절함으로써, 더욱 효율적인 층분리가 가능할 수 있으며, 이를 위해 폐수처리조는 층분리 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부를 포함할 수 있다. 온도 제어부는 층분리 공간의 온도를 제어할 수 있는 수단이라면 특별한 제한 없이 적용이 가능하고, 예컨대 폐수처리조의 가열에 사용되는 스팀의 양을 조절할 수 있게 하는 스팀 투입 라인의 유량 제어 밸브나, 직접적으로 층분리기를 가열할 수 있는 가열로 또는 가열 자켓과 같은 수단이 상기 온도 제어부로 사용될 수 있다.
상기 온도 제어와 마찬가지로, 폐수처리조에 추출제로 투입되는 제1 알코올의 양을 조절함으로써, 더욱 효율적인 층분리가 가능할 수 있으며, 이를 위해 폐수처리조는 유량을 제어할 수 있는 유량 제어부를 포함할 수 있다. 상기 유량 제어부는 투입되는 제1 알코올의 유량을 제어할 수 있는 것이라면 특별한 제한 없이 적용이 가능하고, 예컨대 제1 알코올 투입 라인에 적용되는 유량 제어 밸브와 같은 수단일 수 있다.
투입된 상기 제1 알코올에 의하여, 물, 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 폐액은 제1 알코올과 제2 알코올이 풍부한 혼합 알코올층 및 물이 풍부한 폐수층으로 분리되고, 분리된 혼합 알코올 스트림(302) 및 최종 폐수 스트림(303)은 각기 나뉘어 배출된다. 배출된 최종 폐수 스트림 내의 알코올 함량은 앞선 처리를 통해 크게 낮아지며, 혼합 알코올 스트림은 바로 연료로 사용되거나, 또는 본 발명의 시스템에 추가로 포함될 수 있는 혼합 알코올 탱크(4) 등에 저장되어 이후 활용될 수 있다.
본 발명의 제조 시스템은 혼합 알코올 탱크(4)를 포함할 수 있다. 혼합 알코올 탱크는 앞선 2차 정제부에서 제거된 제1 알코올과 제2 알코올의 혼합 알코올과, 폐수처리조에서 분리된 혼합 알코올을 모두 혼합하여 보관하는 역할을 수행하며, 앞선 1차 정제부에서 제거된 미반응 제1차 알코올 스트림이 혼합 알코올 탱크로 이송되는 경우라면, 상기 미반응 제1 알코올도 함께 혼합하여 보관할 수 있다. 미반응 알코올과 폐수로부터 회수한 혼합 알코올을 이와 같은 형태로 보관할 경우, 이후의 정제 과정 등을 통해 잔존하는 불순물 제거 등의 처리 등이 용이하며, 운전 도중 필요에 맞게 달리 적용할 수 있게 한다는 점에서 장점이 있다.
또한, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제조 시스템은 알코올 회수부(5)를 더 포함할 수 있다. 본 발명의 제조 시스템이 앞선 혼합 알코올 탱크를 포함할 경우, 혼합된 형태로 존재하는 알코올들을 분리하여 반응 원료 또는 추출제로 사용하기 위해서는, 이들을 분리할 필요가 있으며, 이 경우 알코올 회수부를 통해 제1 알코올 및 제2 알코올이 분리될 수 있다. 알코올 회수부의 내부 정제공간에서 분리된 제1 알코올 스트림(501)은 에스터 반응 유닛(10)으로, 제2 알코올 스트림(502)은 트랜스 반응 유닛(21)으로 이송되어 반응 원료로 사용될 수 있으며, 제1 알코올 스트림 중 일부는 다시 폐수처리조로 이송되어 추출제로 활용될 수도 있다.
본 발명의 디에스테르계 조성물 제조 시스템은 연속식으로 운전된다. 본 발명의 제조 시스템이 연속식으로 운전되기 때문에 각 스트림의 일정한 유지가 가능하고, 폐수처리조 등의 부피가 작게 유지될 수 있어 전체 공정이 더욱 경제적이다.
디에스터계 조성물의 제조방법
본 발명은 디카복실산과 제1 알코올의 에스터화 반응으로 생성된 반응 생성물 내 미반응 제1 알코올을 제거하여 정제 생성물을 수득하는 단계(S1), 상기 정제 생성물을 제2 알코올과 트랜스 에스터화 반응시켜 트랜스 반응 생성물을 수득하는 단계(S2), 상기 트랜스 반응 생성물을 중화 및 수분리하여 물이 풍부한 폐수층과 에스터가 풍부한 유기층으로 분리하고, 상기 폐수층은 폐수처리조로 이송하는 단계(S3), 상기 에스터가 풍부한 유기층을 디에스터계 조성물, 미반응 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 알코올, 및 물과 제1 알코올 및 제2 알코올을 포함한 2차 폐수의 세 스트림으로 분리하고, 상기 2차 폐수는 폐수처리조로 이송하는 단계(S4) 및 상기 폐수처리조에 추출제를 투입하여 혼합 폐액을 최종 폐수층과 혼합 알코올층으로 층분리하는 단계(S5)를 포함하며, 상기 추출제는 제1 알코올을 포함하는 것인 디에스터계 조성물의 제조방법을 제공한다.
상기 디에스터계 조성물의 제조방법은 앞서 설명한 디에스터계 조성물의 제조 시스템을 통해 수행될 수 있는 것으로, 상기 S1 단계는 에스터 반응 유닛 및 1차 정제부에서, S2 단계는 트랜스 반응 유닛에서, S3 단계는 중화수분리 장치에서, S4 단계는 2차 정제부에서, S5 단계는 폐수처리조에서 수행된다.
또한, 상기 제조방법은 상기 S4 단계에서 분리된 미반응 혼합 알코올 스트림 및 S5 단계에서 분리된 혼합 알코올층은 혼합 알코올 탱크로 이송되며, 상기 혼합 알코올 탱크의 혼합 알코올을 제1 알코올 및 제2 알코올로 분리하는 단계(S5)를 더 포함할 수 있으며, 상기 S5 단계는 앞서 설명한 알코올 회수부에서 수행될 수 있다. 상기 S5 단계에서 분리된 제1 알코올은 S1 단계에서의 에스터화 반응에 사용되고, 분리된 제2 알코올은 S3 단계에서의 트랜스 에스터화 반응에 사용되도록 할 수 있다. 한편, 상기 미반응 혼합 알코올 스트림과 혼합 알코올층에 더하여, 1차 정제부에서 제거된 미반응 제1 알코올 스트림이 혼합 알코올 탱크로 이송되도록 하는 경우에도, 동일하게 혼합 알코올 탱크의 혼합 알코올을 제1 알코올 및 제2 알코올로 분리하여 사용할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 S5 단계에서의 폐수처리조 온도는 50 내지 100℃, 바람직하게는 60 내지 90℃ 일 수 있다. 폐수처리조의 온도를 이보다 낮게 하는 경우에는 층분리에 필요한 에너지가 충분히 공급되지 않아, 층분리가 원활하게 수행되지 않을 수 있고, 이보다 높은 경우에는 폐수 처리조에 포함되는 알코올이나 물의 기화가 발생하여 층분리의 방해 요인으로 작용할 수 있다.
본 발명의 제조방법에 있어서, 상기 S5 단계에서 폐수처리조로 투입되는 제1 알코올의 유입되는 폐수 총량 대비 투입율(중량%)은 5 내지 60%, 바람직하게는 10 내지 50% 일 수 있다. 추출제를 이보다 많게 투입하는 경우에는 사용되는 추출제의 양에 비해 폐수 내 알코올 분리 효율이 개선되지 않음과 동시에 오히려 회수되는 혼합 알코올 층의 수분 함량이 증가하는 문제점이 있고, 이보다 적게 투입하는 경우에는 층분리 자체가 원활하게 이뤄지지 않을 가능성이 높다.
본 발명의 제조 시스템 및 제조방법에 있어서, 상기 디카복실산은 프탈산, 테레프탈산, 이소프탈산 및 사이클로헥산 디카복실산으로 이루어진 군에서 선택되는 것일 수 있고, 상기 제1 알코올은 탄소수 7 내지 12의 1차 알코올이고, 제2 알코올은 탄소수 3 내지 6의 1차 알코올일 수 있다. 상기 1차 알코올은 직쇄 또는 분쇄형의 1차 알코올을 모두 포함한다. 이와 같은 디카복실산 및 알코올을 이용하여 제조되는 디에스터계 조성물은 가소제로서의 성능이 우수하다는 장점이 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 범위를 한정하기 위한 것이 아니다
실시예 및 비교예
도 1과 같은 제조 시스템을 구성한 후, 디카복실산으로는 테레프탈산, 제1 알코올로는 2-에틸헥실 알코올, 제2 알코올로는 n-부탄올을 사용하였으며, 층분리기 온도와 제1 알코올 투입율을 달리하여 제1 알코올 및 제2 알코올의 회수율, 배출되는 폐수 내의 알코올 농도, BOD 및 COD 값과 폐수처리조에서 혼합 알코올 탱크로 투입되는 알코올층의 수분함량과 수분양을 측정하였다. 그 결과를 하기 표 1로 나타내었다.
층분리기 온도
(℃) 		제1 알코올 투입율
(%)		 제1 알코올 회수율
(%)		 제2 알코올 회수율
(%)		 폐수 내 알코올 농도
(%)		 폐수 내 BOD
(ppm)		 폐수 내 COD
(ppm)		 알코올층 수분함량
(%)		 알코올층 수분양
(kg/hr)
비교예 74 0 0 2.08 37,109 61,849 - -
실시예 1-1 70 10 99.03 52.35 1.10 19,489 32,482 9.83 28.8
실시예 1-2 75 10 98.95 53.72 1.08 19,175 31,958 9.97 29.3
실시예 2-1 60 30 99.72 74.70 0.64 11,217 18,694 9.50 79
실시예 2-2 70 30 99.66 76.93 0.61 10,767 17,945 9.73 81
실시예 2-3 80 30 99.60 78.62 0.59 10,544 17,573 9.98 83
실시예 3-1 60 50 99.83 83.44 0.46 8,095 13,491 9.48 129
실시예 3-2 70 50 99.80 85.01 0.44 7,872 13,119 9.70 132
실시예 3-3 80 50 99.76 86.17 0.44 7,833 13,055 9.93 136
실시예 3-4 90 50 99.72 87.00 0.44 7,957 13,262 10.18 139
상기 표로부터 확인할 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제조발명 및 제조 시스템을 사용할 경우 높은 회수율로 반응 원료인 제1 알코올과 제2 알코올을 회수하여 반응 원료로 재사용할 수 있으면서도, 폐수 내의 알코올 함량이 적어 BOD 및 COD 값 역시 낮아 친환경적이라는 점을 확인하였다. 특히 층분리기를 설치하지 않은 비교예에 비해, 최소 약 50%의 폐수 내 알코올 농도 저감 효과를 확인하였으며, BOD 및 COD 값 역시 적어도 절반 이상 감소하는 것을 확인하였다. 한편, 추출제가 많은 양으로 투입될수록 알코올의 회수율이 증가함에 따라 폐수 내 알코올의 농도 역시 감소하는 경향성이 있으나, 이와 트레이드-오프 관계에 있는 알코올층의 수분양은 증가하는 것을 확인하였다. 층분리기 온도 역시, 온도가 증가함에 따라 폐수 내 알코올 농도가 증가한다는 점을 확인하였다.
10: 에스터 반응 유닛
101: 디카복실산과 제1 알코올의 에스터화 반응 생성물 스트림
102: 디카복실산 스트림
103: 제1 알코올 스트림
11: 1차 정제부
111: 제거된 미반응 제1 알코올 스트림
112: 정제 생성물 스트림
21: 트랜스 반응 유닛
211: 제2 알코올 스트림
212: 트랜스 반응 생성물 스트림
22: 중화수분리 장치
221: 폐수 스트림
222: 유기층 스트림
23: 2차 정제부
231: 2차 폐수 스트림
232: 제거된 혼합 알코올 스트림
233: 제품 스트림
3: 폐수처리조
301: 제1 알코올 스트림
302: 혼합 알코올 스트림
303: 최종 폐수 스트림
4: 혼합 알코올 탱크
401: 혼합 알코올 스트림
5: 알코올 회수부
501: 제1 알코올 회수 스트림
502: 제2 알코올 회수 스트림

Claims (16)

  1. 디카복실산과 제1 알코올의 에스터화 반응의 반응 생성물이 정제 생성물 및 미반응물인 제1 알코올로 분리되는 정제 공간과, 이들이 분리 배출되도록 정제 생성물 라인 및 미반응물 회수 라인을 구비하는 1차 정제부;
    1차 정제부의 정제 생성물 라인으로부터 유입된 정제 생성물과 별도의 알코올 투입구로 유입된 제2 알코올의 트랜스 에스터화 반응이 수행되는 내부 공간과, 생성된 트랜스 반응 생성물을 배출하는 트랜스 반응 생성물 라인을 구비하는 트랜스 반응 유닛;
    내부를 중화 공간 및 수분리 공간으로 분리하되 유체의 이동이 가능한 통로를 형성하는 격벽과, 상기 수분리 공간에서 에스터가 풍부한 유기층 및 물이 풍부한 폐수층으로 분리되어 배출되도록 유기층 라인 및 폐수 라인을 구비하고, 상기 트랜스 반응 생성물 라인이 상기 중화 공간으로 연결되는 중화수분리 장치;
    중화수분리 장치의 유기층 라인으로부터 유입된 에스터가 풍부한 유기층이 미반응 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 알코올, 물과 제1 알코올 및 제2 알코올을 포함하는 혼합 폐수 및 디에스터계 조성물의 세 스트림으로 분리 배출되도록 미반응물 회수 라인, 2차 폐수 라인 및 제품 라인이 구비된 2차 정제부; 및
    중화수분리 장치의 폐수 라인 및 2차 정제부의 2차 폐수 라인과 연결되는 폐수 투입 라인과, 추출제인 제1 알코올을 투입하는 추출제 투입 라인과, 물, 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 폐액이 혼합 알코올층 및 폐수층으로 층분리되는 층분리 공간과, 이들이 분리 배출되도록 혼합 알코올 회수 라인 및 최종 폐수 라인을 각각 구비하는 폐수처리조;를 포함하는 디에스터계 조성물의 제조 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    2차 정제부의 미반응물 회수 라인 및 폐수 처리조의 혼합 알코올 회수 라인이 내부 혼합 알코올 보관 공간으로 연결되는 혼합 알코올 탱크를 더 포함하는 디에스터계 조성물의 제조 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    디카복실산과 제1 알코올의 에스터화 반응이 수행되는 에스터 반응 유닛을 더 포함하고,
    1차 정제부의 미반응물 회수 라인은 에스터 반응 유닛 및 혼합 알코올 탱크 중 선택되는 하나 이상으로 연결되는 것인 디에스터계 조성물의 제조 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 혼합 알코올 탱크는 보관하는 혼합 알코올을 배출하는 혼합 알코올 배출 라인을 구비하고,
    혼합 알코올 배출 라인과 연결되는 혼합 알코올 유입 라인, 혼합 알코올을 제1 알코올과 제2 알코올로 분리되는 정제 공간과 분리된 제1 알코올 및 제2 알코올을 각각 배출하는 제1 알코올 회수 라인 및 제2 알코올 회수 라인을 구비하는 알코올 회수부; 를 더 포함하는 디에스터계 조성물의 제조 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 폐수처리조는 층분리 공간의 온도를 제어하기 위한 온도 제어부를 더 포함하는 것인 디에스터계 조성물의 제조 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 폐수처리조는 추출제로 투입되는 제1 알코올의 유량을 제어할 수 있는 유량 제어부를 더 포함하는 것인 디에스터계 조성물의 제조 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중화수분리 장치의 폐수 라인 내 스트림은 물 및 제2 알코올을 포함하며, 상기 스트림 내의 제2 알코올 농도는 0.01 내지 10 중량%인 디에스터계 조성물의 제조 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 2차 정제부의 2차 폐수 라인 내 스트림은 물, 제1 알코올 및 제2 알코올을 포함하며, 상기 스트림 내의 제2 알코올 농도는 0.01 내지 10 중량% 인 디에스터계 조성물의 제조 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    연속식으로 운전되는 것인 디에스터계 조성물의 제조 시스템.
  10. 디카복실산과 제1 알코올의 에스터화 반응으로 생성된 반응 생성물 내 미반응 제1 알코올을 제거하여 정제 생성물을 수득하는 단계(S1);
    상기 정제 생성물을 제2 알코올과 트랜스 에스터화 반응시켜 트랜스 반응 생성물을 수득하는 단계(S2);
    상기 트랜스 반응 생성물을 중화 및 수분리하여 물이 풍부한 폐수층과 에스터가 풍부한 유기층으로 분리하고, 상기 폐수층은 폐수처리조로 이송하는 단계(S3);
    상기 에스터가 풍부한 유기층을 디에스터계 조성물, 미반응 제1 알코올 및 제2 알코올의 혼합 알코올, 및 물과 제1 알코올 및 제2 알코올을 포함한 2차 폐수의 세 스트림으로 분리하고, 상기 2차 폐수는 폐수처리조로 이송하는 단계(S4); 및
    상기 폐수처리조에 추출제를 투입하여 혼합 폐액을 최종 폐수층과 혼합 알코올층으로 층분리하는 단계(S5);를 포함하며,
    상기 추출제는 제1 알코올을 포함하는 것인 디에스터계 조성물의 제조방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 S4 단계에서 분리된 혼합 알코올 스트림 및 S5 단계에서 분리된 혼합 알코올층은 혼합 알코올 탱크로 이송되며,
    상기 혼합 알코올 탱크의 혼합 알코올을 제1 알코올 및 제2 알코올로 분리하는 단계(S6);를 더 포함하는 디에스터계 조성물의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 S6 단계에서 분리된 제1 알코올은 S1 단계에서의 에스터화 반응에 사용되고, 분리된 제2 알코올은 S2 단계에서의 트랜스 에스터화 반응에 사용되도록 하는 것인 디에스터계 조성물의 제조방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 S5 단계에서의 폐수처리조 온도는 50 내지 100℃인 디에스터계 조성물의 제조방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 S5 단계에서 폐수처리조로 투입되는 제1 알코올의 투입율은 5 내지 60%인 디에스터계 조성물의 제조방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 디카복실산은 프탈산, 테레프탈산, 이소프탈산 및 사이클로헥산 디카복실산으로 이루어진 군에서 선택되는 것인 디에스터계 조성물의 제조방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 제1 알코올은 탄소수 7 내지 12의 알코올이고, 제2 알코올은 탄소수 3 내지 6의 알코올인 디에스터계 조성물의 제조방법.
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