KR102759664B1 - 카보네이트의 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 카보네이트의 제조 방법에 관한다. 본 발명의 카보네이트의 제조 방법은, 높은 DMC 전환율로, 고순도의 EMC와 DEC를 효과적으로 제조할 수 있다. 본 발명의 방법은 열 교환기의 부하를 줄여서 에너지 비용 및 유지 관리 비용을 절감할 수 있다.

Description

카보네이트의 제조 방법{Manufacturing method of carbonates}
본 발명은 카보네이트의 제조 방법에 관한다. 구체적으로, 본 발명은 카보네이트의 제조 반응의 생성물에서 목적 생성물을 고순도로 정제할 수 있는 방법에 관한다.
배터리 전해액의 유기 용매로는 주로 에틸메틸 카보네이트(EMC)와 디에틸 카보네이트(DEC)를 사용한다. EMC와 DMC는 디메틸 카보네이트(DMC)와 에탄올(EtOH)의 에스테르 교환 반응으로 제조된다. 해당 반응은 가역 반응이기도 하다. 또한 해당 반응을 촉매의 존재 하에 진행할 수도 있다. 하기 그림 1은 해당 반응을 나타낸 것이다(여기서 MeOH는 메탄올의 약어다):
[그림 1]
상기 반응에 적용하는 촉매로는 활성이 우수한 염기 촉매(NaOH, KOH 등) 등이 있다. 하지만, 염기 촉매는 유기 용매, 특히 카보네이트에 대한 용해도가 낮기 때문에, DMC, EMC 및 DEC에 용해되지 않는다. 그러므로, 염기 촉매는 반응 증류 공정 혹은 정제 공정에서 공정 불량의 원인인 컬럼 플러깅(column plugging)을 유발한다. 즉 보통은 상기 반응에 적용한 촉매를 제거한 다음에, 후공정(예: 분리 및 정제 등)을 진행하여 카보네이트를 생산한다. 위의 문제는 주로 유동층 반응기에서 발생한다.
특허문헌 1은 DMC와 알코올, 나트륨 메톡사이드 촉매를 이용하는 카보네이트 제조 방법을 소개한다. 특허문헌 1은 반응 증류를 통해 EMC와 DEC를 제조한다. 여기서, 특허문헌 1은 반응 증류를 진행하는 증류탑 후단에 고체(촉매)를 분리하는 스트레이너를 설치하여 촉매를 효율적으로 제거하고자 한다. 그러나, 반응 증류탑에서 알코올을 증류하면 그 과정에서 촉매가 석출된다. 따라서, 증류탑 내부에 석출된 촉매가 쌓이기 때문에 컬럼에 플러깅이 발생한다. 또한, 특허문헌 1은 생성물인 EMC와 DEC를 회수하는 과정에서 반응 증류에 사용하는 증류 컬럼(제1 반응 증류 컬럼)을 제외하고 2개의 추가 반응 증류 컬럼(제2 및 제3 반응 증류 컬럼)을 사용한다. 여기서 제2 반응 증류 컬럼의 탑저에서 DEC를 획득하고, 제3 증류 컬럼의 탑저에서 EMC를 획득한다. 증류탑 탑저에서 생성물을 얻으면, 공정 상 발생하는 금속과 불순물이 함께 포함되므로, 고순도의 카보네이트를 얻기 어렵다. 이러한 카보네이트를 리튬 이온 배터리에 적용하면 전지 저항이 상승하게 된다. 또한, EMC(비점: 107 ℃) 대비 더 높은 비점을 갖는 DEC(비점: 125.8 ℃)를 먼저 얻기 위해서는 반응 후의 열교환기에 더 높은 열(전달) 부하 및 열전달율이 필요하다. 따라서 특허문헌 1의 방식에 따르면 에너지 비용이 증가한다.
특허문헌 2는 겔(gel) 형 강염기 이온 교환 수지 촉매를 에스테르 교환 촉매로 사용하여 추출 증류를 통해 카보네이트를 제조하는 방법을 소개한다. 추출 증류에서는 추출제로 생성물을 분리하는 분리 공정이 필요하므로, 설비 및 에너지 비용이 증가한다. 또한 이온 교환 수지 촉매는 보통 낮은 강도를 가지므로, 교환기 유실과 미세 가루가 형성되어 이의 비활성화가 빠르게 진행된다. 그 결과, 반응기 내부 압력도 상승하므로, 주기적으로 촉매를 교체해야 한다. 그리고 카보네이트에 미량의 추출제가 존재할 수 있으므로, 순도를 높이기 위한 추가의 공정도 필요하다.
따라서, 높은 DMC 전환율로, 고순도의 EMC와 DEC를 효과적으로 제조할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요하다.
CN 103804124 B KR 10-2011-0105379 A
본 발명에서는 높은 DMC 전환율로, 고순도의 EMC와 DEC를 효과적으로 제조하고자 한다.
본 발명에서는 열 교환기의 부하를 줄여서 에너지 비용 및 유지 관리 비용을 절감하고자 한다.
본 발명 카보네이트의 제조 방법은, 디메틸 카보네이트 및 에탄올을 포함하는 원료를 고정층 반응기 시스템에 투입하고, 상기 원료의 에스테르 교환 반응을 유도하여, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 및 메탄올을 포함하는 생성물을 제조하는, 제1 단계; 상기 생성물 및 상기 원료의 미반응분을 포함하는 반응기 유출물을 제1 분리 시스템에서 분리하여 에탄올, 메탄올 및 디메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제1 분리 시스템 탑정 흐름, 및 디에틸 카보네이트 및 에틸메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제1 분리 시스템 탑저 흐름을 얻는, 제2 단계; 상기 제1 분리 시스템 탑저 흐름을 제2 분리 시스템에서 분리하여 에틸메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제2 분리 시스템 탑정 흐름, 및 디에틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 얻는, 제3 단계; 및 상기 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 제3 분리 시스템에서 분리하여 디에틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제3 분리 시스템 탑정 흐름을 얻는, 제4 단계;를 포함하고, 상기 제2 단계 내지 제4 단계 중 어느 하나의 단계는, 상기 제1 분리 시스템 내지 상기 제3 분리 시스템 중 어느 하나의 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정하는 것이다.
본 발명의 카보네이트의 제조 방법은, 높은 DMC 전환율로, 고순도의 EMC와 DEC를 효과적으로 제조할 수 있다.
본 발명의 방법은 열 교환기의 부하를 줄여서 에너지 비용 및 유지 관리 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 카보네이트의 제조 방법의 공정 모식도다.
이하 본 출원의 내용에 대해서 보다 상세하게 설명한다.
본 발명은 카보네이트의 제조 방법에 관한다. 구체적으로, 본 발명은 액상 카보네이트, 또는 카보네이트계 용매의 제조 방법에 관한다. 본 발명에서는 카보네이트를 고순도로 얻고자 한다. 또한 본 발명에서는 카보네이트를 얻는 과정을 높은 에너지 효율과 저비용으로 쉽게 진행하고자 한다.
본 발명에서는 DMC와 에탄올의 에스테르 교환 반응으로 얻는 카보네이트를 제조하고자 한다. 이를 위해 본 발명에서는 크게 DMC와 에탄올의 에스테르 교환 반응을 진행하고, 그 반응 생성물을 정제하는 과정을 진행한다.
이를 위해 본 발명의 방법은, 적어도 4 단계를 진행한다.
본 발명의 방법은, 제1 단계에서, 디메틸 카보네이트 및 에탄올을 포함하는 원료를 고정층 반응기 시스템에 투입하고, 상기 원료의 에스테르 교환 반응을 유도하여, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 및 메탄올을 포함하는 생성물을 제조한다.
디메틸 카보네이트와 에탄올의 에스테르 교환을 통해 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 및 메탄올을 포함하는 생성물을 제조할 수 있다.
촉매를 사용하는 반응기는 크게 두가지 종류로 나누어진다. 첫째는 유동층 반응기고, 둘째는 고정층 반응기다.
유동층 반응기에서는 용어 그대로 촉매가 반응기 내에서 유동한다. 이 때문에 생성물에 촉매가 포함될 수도 있어서, 생성물을 분리하거나 정제하는 공정에 투입하기 전에 촉매의 제거가 필요하다. 촉매를 제거하지 않으면, 분리 및/또는 정제 공정의 불량의 원인인 컬럼 플러깅 현상이 발생하기 때문이다.
고정층 반응기에서는, 촉매가 반응기 안에서 고정된 상태로 존재한다. 따라서 반응이 완료되어도 촉매는 반응기 안에 있으므로, 생성물에는 촉매가 포함되어 있지 않다. 따라서, 고정층 반응기를 사용하는 경우, 별도로 촉매를 제거하는 공정이 필요하지 않다. 본 발명에서는 고정층 반응기를 적용한다. 그 결과 본 발명의 방법은, 반응에 적용한 촉매를 제거하는 공정이 필요하지도 않고, 촉매로 인하여 발생하는 전술한 문제점이 발생할 우려도 없다.
본 발명에서는 위에서 제조한 원료를 반응기 시스템에 투입한다. 본 명세서에서는, 용어 “반응기 시스템”을, 반응기 단독이 아닌, 반응기에 부설된 기타 설비, 또는 다른 추가의 반응기를 총괄하는 개념으로 사용한다. 즉, 반응기 시스템은, 단일 반응기와 이에 부설된 기타 설비, 복수의 반응기, 또는 복수의 반응기와 이에 부설된 기타 설비를 포함한다.
본 발명의 방법은, 상기 원료의 디메틸 카보네이트 및 에탄올의 에스테르 교환 반응을 상기 반응기 시스템에서 진행한다. 그 결과 상기 에틸메틸 카보네이트(EMC), 디에틸 카보네이트(DEC) 및 메탄올(MeOH)을 포함하는 생성물이 제조된다. 이 생성물은 원료의 미반응물과 함께 상기 반응기 시스템에서 반응기 유출물로서 배출된다. 전술한 것처럼 본 발명의 방법은 고정층 반응기를 사용하므로, 반응기 유출물에는 촉매가 포함되지 않을 수 있다.
본 발명의 방법은, 제2 단계에서, 상기 생성물 및 상기 원료의 미반응분을 포함하는 반응기 유출물을 분리한다. 구체적으로, 본 발명의 방법은 상기 생성물 및 상기 원료의 미반응분을 포함하는 반응기 유출물을 제1 분리 시스템에서 분리하여 에탄올, 메탄올 및 디메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제1 분리 시스템 탑정 흐름 및 디에틸 카보네이트 및 에틸메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제1 분리 시스템 탑저 흐름을 얻는다. 보다 구체적으로, 본 발명의 방법은 상기 제2 단계에서, 상기 반응기 유출물을 제1 분리 시스템에 공급하고, 상기 제1 분리 시스템은 상기 반응기 유출물의 저비점 성분은 제1 분리 시스템의 탑정에서 배출하며, 상기 반응기 유출물의 고비점 성분은 제1 분리 시스템의 탑저에서 배출한다.
본 명세서에서, 분리 시스템의 탑정에서 배출하는 흐름을 분리 시스템 탑정 흐름으로 지칭한다.
본 명세서에서, 분리 시스템의 탑저에서 배출하는 흐름을 분리 시스템 탑저 흐름으로 지칭한다.
상기 반응기 유출물이 포함하는 성분에서 저비점 성분은 에탄올, 메탄올 및 디메틸 카보네이트를 주성분으로 포함한다. 또한 상기 반응기 유출물이 포함하는 성분에서 고비점 성분은 디에틸 카보네이트 및 에틸메틸 카보네이트를 주성분으로 포함한다.
본 명세서에서, 특정 성분을 주성분으로 포함한다는 것은, 해당 성분을 전체 기준 60 중량% 이상, 65 중량% 이상, 70 중량% 이상, 75 중량% 이상, 80 중량% 이상, 85 중량% 이상, 90 중량% 이상, 95 중량% 이상, 97 중량% 이상 또는 99 중량% 이상의 비율로 포함하고, 100 중량% 미만, 또는 대략 100 중량%의 비율로 포함하는 것을 의미할 수 있다.
또한, 본 명세서에서 분리 시스템은, 분리 공정을 진행하는 탑 형태의 구조물인 분리 컬럼뿐 아니라, 이의 탑저 흐름 중에서 상기 분리 컬럼으로 환류되는 일부 흐름을 다시 가열하는 재비기, 이의 탑정 흐름 중에서 상기 분리 컬럼으로 환류되는 일부 흐름을 냉각시키는 냉각기(또는 그 흐름을 응축시키는 응축기)를 포괄하는 개념으로 사용된다.
본 발명의 방법은, 제3 단계에서, 상기 제1 분리 시스템 탑저 흐름을 분리한다. 구체적으로, 본 발명의 방법은 상기 제3 단계에서 상기 제1 분리 시스템 탑저 흐름을 제2 분리 시스템에서 분리하여 에틸메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제2 분리 시스템 탑정 흐름, 및 디에틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 얻는다. 보다 구체적으로, 본 발명의 방법은 제2 단계에서, 상기 제1 분리 시스템 탑저 흐름을 제2 분리 시스템에 공급하고, 상기 제2 분리 시스템에서 상기 제1 분리 시스템 탑저 흐름을 분리하여 에틸메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제2 분리 시스템 탑정 흐름 및 디에틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 얻는다.
본 발명의 방법은, 제4 단계에서, 상기 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 분리한다. 구체적으로, 본 발명의 방법은, 제4 단계에서 상기 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 제3 분리 시스템에서 분리하여 디에틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제3 분리 시스템 탑정 흐름을 얻는다. 보다 구체적으로, 본 발명의 방법은 제4 단계에서, 상기 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 제3 분리 시스템에서 분리하여 저비점 성분인 디에틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제3 분리 시스템 탑정 흐름 및 고비점 성분인 잔부 중질물(heavies)을 주성분으로 포함하는 제3 분리 시스템 탑저 흐름을 얻는다. 즉, 본 발명은, 상기 제4 단계에서, 상기 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 제3 분리 시스템에 공급하고, 상기 제3 분리 시스템에서 상기 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 분리하여 디에틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제3 분리 시스템 탑정 흐름을 얻는다.
위의 제2 단계 내지 제4 단계는 고비점 성분을 먼저 분리하여 배출하는 기존의 방법과 다르다. 위의 단계에서는 저비점 성분을 먼저 분리하여 배출한다. 이를 통해 본 발명의 방법은 분리에 필요한 열교환기의 부하를 감소시킬 수 있어서, 에너지 비용 및 유지 비용을 절감할 수 있다.
또한 본 발명에서는, 상기 분리 시스템의 운전 조건을 적당히 조절해야 99.9% 이상의 고순도의 카보네이트를 얻을 수 있다. 구체적으로, 본 발명의 방법에서, 상기 제2 단계 내지 제4 단계 중 어느 하나의 단계는, 상기 제1 분리 시스템 내지 상기 제3 분리 시스템 중 어느 하나의 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정하는 것이다. 즉 본 발명에서 적용하는 분리 시스템 중 적어도 하나의 분리 시스템의 환류비를 위와 같이 조절해야 한다. 다른 구현예에서, 상기 제2 단계 내지 제4 단계 중 2개 이상의 단계는, 상기 제1 분리 시스템 내지 상기 제3 분리 시스템 중 2개 이상의 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정할 수 있다.
본 발명과 같은 방식을 적용하더라도, 분리 시스템 전부의 환류비가 위의 범위를 벗어나면 여러 문제가 발생한다. 구체적으로, 분리 시스템 전부의 환류비가 0.5 미만이면, 탑정에서 유출액량에 대한 환류액량의 비가 적어 제품의 유출량은 증가하나, 고순도의 카보네이트를 획득하기 어렵다. 또한, 분리 시스템 전부의 환류비가 5를 초과하면, 탑정에서 유출액량에 대한 환류액량의 비가 증가하여 고순도의 카보네이트를 획득할 수 있으나, 유출액량이 적어 제품 획득 시간이 증가하고, 운전비가 상승한다.
본 명세서에서 환류비(Reflux ratio, R)는 유출액량에 대한 환류액량의 비를 의미한다. 즉, 특정 컬럼 또는 반응기에서 유출된 액상의 양을 기준으로, 상기 컬럼 또는 반응기로 돌아가는 액상의 양을 환류비로 지칭할 수 있다.
도 1은 본 발명의 방법의 진행 과정을 간단히 나타낸 것이다. 도 1의 내용을 다음과 같이 요약할 수 있다. Drum(A)는 이온 교환 수지 재사용을 위한 용액을 보관하는 용기(황산/NaOH 등)다. Drum(A)는 이온 교환 수지의 효율 저하 시 용액을 순환시켜 이온 교환 수지를 재생시킬 수 있다. 반응기(B)는 반응기 시스템이다. 반응기(B)는 복수 고정층 반응기가 직렬 연결되어 가동된다. 반응기를 통해 나온 하단의 물질은 제1 분리 시스템(C)로 보내진다. 제1 분리 시스템(C) 상단에서 DMC/MeOH/EtOH를, 하단에서 EMC/DEC를 획득한다. 제2 분리 시스템(D) 상단에서 EMC를 회수한다. 하단 유출물은 제3 분리 시스템(E)으로 보내진다. 제3 분리 시스템(E) 상단에서 DEC를 회수하며, 제3 분리 시스템 하단의 중질물(Heavier)은 폐기한다.
일 구현예에서, 상기 원료 내 반응물(DMC 및 EtOH)의 혼합 비율 또한 적절히 조절될 수 있다. 예를 들어, 상기 원료에서 디메틸 카보네이트의 중량(DMC)과 에탄올의 중량(EtOH)의 비율(EtOH/DMC)은 0.1 내지 10 범위 내일 수 있다. 다른 구현예에서, 상기 비율(EtOH/DMC)은 0.15 이상 또는 0.2 이상일 수 있고, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하 또는 5 이하일 수 있다. 상기 범위 내에서 반응물이 촉매와 적절히 접촉하여 반응을 진행할 수 있고, 추후 정제 공정에서 에너지의 낭비를 줄일 수 있다. 이 외에도 목적 생성물이 무엇인지에 따라 이들 사이의 비율을 조절할 수도 있다. 예를 들어, DEC에 대한 수요가 높아서 이를 목적 생성물로 하여 이의 선택도를 높이는 방향으로 조성을 설정하는 것이 보통이나, 미래에는 EMC에 대한 수요가 높다고 예상되기 때문이다.
상기 반응기 시스템도 적절히 설계 가능하다.
일 구현예에서, 상기 고정층 반응기는 이온 교환 수지 촉매가 충진된 고정층 반응기일 수 있다. 적절한 이온 교환 수지 촉매를 적용함으로써, 반응물과의 접촉을 극대화시킬 수 있다. 그 결과 빠른 반응 속도 및 높은 반응 효율로 목적 생성물인 카보네이트를 제조할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 이온 교환 수지 촉매는 염기성 이온 교환 수지 촉매 또는 산성 이온 교환 수지 촉매일 수 있다. 구체적으로, 상기 이온 교환 수지 촉매는 염기성 이온 교환 수지 촉매일 수 있다.
산성 이온 교환 수지는 강산성 이온 교환 수지와 약산성 이온 교환 수지로 나누어 질 수 있다. 보통 강산성 이온 교환 수지 촉매를 사용할 수 있고, 이 때 상기 수지 촉매는 교환기로는 설포네이트 이온, 이온형으로는 수소 이온을 가지는 것을 적용할 수 있다.
염기성 이온 교환 수지 촉매는, 약염기성 이온 교환 수지 촉매와 강염기성 이온 교환 수지 촉매로 나누어질 수 있다. 강염기성 이온 교환 수지 촉매는 이온형으로 음이온(Br-), 티오시안산염(thiocyanate, SCN-) 음이온, 염소 음이온(Cl-), 아세테이트 음이온(acetate, CH3COO-), 히드록시기 음이온(OH-), 불소 음이온(F-) 등을 가질 수 있다. 약염기성 이온 교환 수지 촉매는 이온형으로 구연삼염 음이온(citrate, C3H5O(COO)3 3-), 설페이트(sulfate, SO4 2-) 등을 가질 수 있다.
일 구현예에서, 이온 교환 수지 촉매는 다공성 이온 교환 수지 촉매 또는 겔형 이온 교환 수지 촉매일 수 있다. 구체적으로, 상기 이온 교환 수지 촉매는 다공성 이온 교환 수지 촉매일 수 있다. 다공성 이온 교환 수지는 표면에 많은(약 10~1,000개) 거대 세공(macropore)을 가져서, 겔형 수지 대비 화학적으로 안정적이다. 또한, 다공성 이온 교환 수지는 넓은 표면적을 가져서 반응물과의 접촉 면적을 극대화할 수 있다.
다공형 이온 교환 수지는, 탈색성이 우수하여 반응 초기에 이온 교환 수지의 세척 시간 및 세척 용매의 사용량을 상대적으로 감소시킬 수 있다. 또한, 다공형 이온 교환 수지는 강도가 높고, 재사용하는 경우 교환기 유실과 미세 가루의 형성이 적어서, 재사용 주기가 길다.
일 구현예에서, 이온 교환 수지 촉매는, 교환 용량이 1(eq/ℓ-wet resin) 이상, 1.5 (eq/ℓ-wet resin) 이하일 수 있다. 일반적으로 이온 교환 수지의 가교도가 높을수록 모체에 교환기가 많이 붙어있기 때문에 교환 용량이 큰 경향이 있다. 그러나, 이온 교환 수지의 가교도가 높으면 모체와 교환기의 강한 결합으로 반응에 참여하는 교환기가 감소하기 때문에, 반응 효율이 감소한다. 따라서, 상기 범위 교환 용량 범위 내에서 적절한 반응 속도와 급격한 부피 변화에도 강도를 유지할 수 있다.
따라서, 상기 특성을 모두 충족하는 이온 교환 수지 촉매를 적용하는 것이 가장 유리할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 고정층 반응기 시스템은 염기성 이온 교환 수지 촉매가 충진된 고정층 반응기를 포함하고, 상기 염기성 이온 교환 수지는 다공성이며, 상기 염기성 이온 교환 수지의 교환 용량은 1 (eq/ℓ-wet resin) 내지 1.5 (eq/ℓ-wet resin) 범위 내일 수 있다.
또한 본 발명은 상기 반응기 시스템의 반응기 설비를 적절하게 설계할 수 있다. 본 발명에서 상기 고정층 반응기 시스템은, 상기 고정층 반응기를 복수 개 갖는 시스템일 수 있다. 즉 상기 고정층 반응기 시스템은 상기 고정층 반응기를 2개 이상 포함할 수 있다. 또한 본 발명에서, 상기 고정층 반응기 시스템은 상기 복수의 고정층 반응기 직렬로 연결할 수 있다. 여기서 직렬로 복수의 반응기를 연결하는 것은 어느 하나의 반응기의 유출구가 다른 하나의 반응기의 유입구에 연결되는 것을 의미한다. 일 구현예에서, 상기 고정층 반응기 시스템은 직렬로 연결된 복수의 고정층 반응기를 포함할 수 있다.
상기 반응기 시스템에서 고정층 반응기의 수도 적절히 조절할 수 있다. 고정층 반응기 시스템은 2개 이상 내지 10개 이하의 상기 고정층 반응기를 직렬 연결한 시스템일 수 있다.
본 발명은 기존의 방법과 달리 반응성 증류(reactive distillation) 또는 추출 증류를 진행하지 않을 수 있다. 즉 본 발명의 방법은, 상기 분리 시스템으로 트레이 컬럼 또는 팩킹 컬럼을 적용할 수 있다. 트레이 컬럼과 팩킹 컬럼의 의미는 공지이므로, 상세한 설명은 생략한다. 트레이 컬럼과 팩킹 컬럼은 그 설계와 관련한 이론 및 경험 자료가 매우 풍부하므로, 이를 사용하면 체계적 분리 정제 시스템 설계가 가능하다. 즉, 일 구현예에서, 상기 제1 분리 시스템 내지 상기 제3 분리 시스템은 모두 트레이 컬럼 또는 팩킹 컬럼일 수 있다.
이전의 과정이 본 발명의 방법에서 반응 공정에 해당했다면, 후술하는 공정은 분리(또는 정제) 공정일 수 있다. 상기 분리 시스템을 이용한 분리 또는 정제 과정에서 적용되는 분리 시스템의 운전 조건 또한 적절히 조절될 수 있다.
상기 제2 단계에서의 분리 정제 조건 또한 적절히 조절될 수 있다.
일 예시에서, 상기 제4 단계는 상기 제1 분리 시스템으로 이론 단수가 15 단 내지 80 단 범위 내인 분리 시스템을 적용할 수 있다. 상기 범위 내에서 적절한 단 효율을 나타내면서, 동시에 경제적으로 분리 시스템을 제조할 수 있다. 또한 상기 범위 내에서, 유지 보수가 쉬우며, 분리 시스템의 열 수지도 쉽게 조정할 수 있다.
일 예시에서, 상기 제2 단계는 상기 제1 분리 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정할 수 있다. 이렇게 설정함에 따른 효과는 전술한 것과 같다.
또한 상기 제1 단계와 제2 단계의 조합은 종래의 반응성 증류와 비슷한 기작을 가진다. 다만 제3 단계 및 제4 단계에서 탑정을 통해 목적 생성물을 비점 순서로 배출하는데, 이는 탑저를 통해 목적 생성물을 반대의 순서로 배출하는 종래의 방식과 확실한 차별점이 된다. 특히 본 발명은 이를 위해서 상기 제2 단계 내지 제4 단계 각각에서의 운전 조건을 조절할 필요가 있다.
일 예시에서, 상기 제2 단계는, 상기 제1 분리 시스템의 재비기의 온도를 90 ℃ 내지 100 ℃ 범위 내로 설정할 수 있다. 이 때 제1 분리 시스템의 탑정 흐름은 에탄올, 메탄올 및 DMC를 주성분으로 포함할 수 있고, 제1 분리 시스템의 탑저 흐름은 DEC 및 EMC를 주성분으로 포함할 수 있다.
상기 제3 단계에서의 분리 정제 조건 또한 적절히 조절될 수 있다.
일 예시에서, 상기 제3 단계는 상기 제2 분리 시스템으로 이론 단수가 15 단 내지 80 단 범위 내인 분리 시스템을 적용할 수 있다. 상기 범위 내에서 적절한 단 효율을 나타내면서, 동시에 경제적으로 분리 시스템을 제조할 수 있다. 또한 상기 범위 내에서, 유지 보수가 쉬우며, 분리 시스템의 열 수지도 쉽게 조정할 수 있다.
일 예시에서, 상기 제3 단계는 상기 제2 분리 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정할 수 있다. 이렇게 설정함에 따른 효과는 전술한 것과 같다.
일 예시에서, 상기 제3 단계는, 상기 제2 분리 시스템의 재비기의 온도를 110 ℃ 내지 120 ℃ 범위 내로 설정할 수 있다. 이 때 제2 분리 시스템의 탑정 흐름은 EMC를 주성분으로 포함할 수 있고, 제2 분리 시스템의 탑저 흐름은 DEC 를 주성분으로 포함할 수 있다.
상기 제4 단계에서의 분리 정제 조건 또한 적절히 조절될 수 있다.
일 예시에서, 상기 제4 단계는 상기 제3 분리 시스템으로 이론 단수가 15 단 내지 80 단 범위 내인 분리 시스템을 적용할 수 있다. 상기 범위 내에서 적절한 단 효율을 나타내면서, 동시에 경제적으로 분리 시스템을 제조할 수 있다. 또한 상기 범위 내에서, 유지 보수가 쉬우며, 분리 시스템의 열 수지도 쉽게 조정할 수 있다.
일 예시에서, 상기 제4 단계는 상기 제3 분리 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정할 수 있다. 이렇게 설정함에 따른 효과는 전술한 것과 같다.
일 예시에서, 상기 제4 단계는, 상기 제3 분리 시스템의 재비기의 온도를 130 ℃ 내지 140 ℃ 범위 내로 설정할 수 있다. 이 때 제3 분리 시스템의 탑정 흐름은 DEC를 주성분으로 포함할 수 있고, 제3 분리 시스템의 탑저 흐름은 잔부 중질물을 주성분으로 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 카보네이트 제조 방법은 제조 방법은 전술한 단계들 이외에도, 상기 각 단계의 이전 또는 이후에 당업계에 공지된 통상적인 단계를 추가로 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예로 보다 상세히 설명한다. 그러나 하기 실시예가 본 발명의 내용을 제한하지는 않는다.
[기체 크로마토그래피]
생성물의 순도, 생성물 내 불순물 및 중질분(heavies) 함량 분석은 기체 크로마토그래피(GC)로 진행했다. 구체적으로, 분석 대상 물질 1 g을 취하여, 0.1 g의 m-자일렌과 혼합한 시료에 대해 GC를 진행했다. GC 장비로는 영인크로매스社의 YL6500GC 제품을 사용했으며, 여기서 GC 컬럼은 Agilent社의 DB-1 30 m * 0.32 mm였고, GC 검출기는 FID였다.
[ICP-AES]
생성물 내 금속 함량 분석은, 유도 결합 플라즈마 원자 방출 분광기(ICP-AES)를 사용하여 측정했다. Perkinelmer社의 Optima 8300 모델을 사용했다. 유출물 샘플 10 g과 70 % 질산 10 ml 및 물 10 ml을 혼합하여 250 ℃에서 2 시간 가열 후 분석을 진행했다.
[색상]
생성물 색상은 APHA로 평가했다. APHA는 Hazen 또는 Pt/Co 색상이라고 불리기도 하며, 이는 액상 시료의 황색 정도를 의미한다. APHA 측정을 위해, Tintometer社의 자동 색상 측정기인 PFX 995 모델을 사용했다. 시료를 Cell 높이의 3/4 정도 채운 다음, 오른쪽 위치에 밀착시키고, 온도를 상온으로 설정하여 READ 키를 눌러 분석을 진행했다. 3회 측정 후 평균 값을 결과값으로 했다.
[실시예]
고정층 반응기(Fixed bed reactor) 4 개를 직렬 연결한 반응 시스템을 준비했다. 각 반응기 당 이온 교환 수지로서 교환기로 트리메틸암모늄(TMA) 이온을 갖고, 이온형으로 염소 이온을 가지며, 교환 용량이 1.3 eq/L인 다공형 강염기성 음이온 교환 수지(삼양社, Trilte AMP-18) 80 cc(58 g)을 충진했다. 원료는 에탄올(EtOH)과 DMC를 0.8의 질량 비(EtOH/DMC)로 포함했다. 원료를 2 cc/min로 반응기 시스템에 연속 공급하면서, 시스템의 온도를 70 ℃로 유지하며, 시스템 운전을 진행했다.
상기 반응 생성물을 제1 분리 시스템으로 공급했다. 상기 제1 분리 시스템의 단수는 60이었다. 3의 환류비, 상압, 93~100 ℃ 재비기 온도에서 분리를 진행했다. 탑정에서 DMC, EtOH 및 MeOH를 주성분으로 포함하는 유출물을 얻었고, 탑저에서 EMC와 DEC를 주성분으로 포함하는 유출물을 얻었다.
상기 제1 분리 시스템의 탑저 유출물을 제2 분리 시스템으로 공급했다. 상기 제2 분리 시스템의 단수는 60이었다. 3의 환류비, 상압, 110~120 ℃ 재비기 온도에서 분리를 진행했다. 제2 분리 시스템의 탑정에서 순도 99.9% 이상이고, 1 ppm 이하의 총 금속 함량의 EMC를 얻었다. 제2 분리 시스템의 탑저에서 DEC를 주성분으로 포함하는 유출물을 얻었다.
제2 분리 시스템의 탑저 유출물을 제3 분리 시스템으로 공급했다. 상기 제3 분리 시스템의 단수는 60이었다. 3의 환류비, 상압, 130~140 ℃ 재비기 온도에서 분리를 진행했다. 제3 분리 시스템의 탑정에서 순도 99.9 % 이상이고, 1 ppm 이하의 총 금속 함량의 DEC를 얻었다. 제3 분리 시스템의 탑저에서 얻은 중질물은 폐기했다.
[비교예 1]
제1 분리 시스템 내지 제3 분리 시스템에서의 환류비를 전부 0.3으로 설정한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 과정을 진행했다.
[비교예 2]
제3 분리 시스템을 적용하지 않고, DEC를 주성분으로 포함하는 제2 분리 시스템의 탑저 흐름을 얻는 운전을 진행한 것을 제외하고, 실시예 1과 동일한 과정을 진행했다. 실시예 및 비교예 1 내지 2의 결과를 비교하여 하기 표 1 및 표 2에 나타냈다.
결과 순도 EMC [%] DEC [%]
실시예 99.99 99.99
비교예 1 99.8 99.8
결과 구분 실시예 비교예 2
DEC 순도[%] 99.99 99.5
불순물/Heavier 함량[%] - 0.5
DEC 총 메탈 함량[ppm] 1 5
APHA(색상) 3 10
표 1에 따르면, 본 발명에 따른 분리 시스템의 환류비를 충족해야 함을 확인할 수 있다. 환류비가 0.5 미만이면, 탑정에서 유출액량에 대한 환류액량의 비가 적어 제품의 유출량은 증가한다. 그러나, 99.9 % 이상의 고순도의 카보네이트를 획득하기 어렵다.
표 2에 따르면, 분리 시스템 수를 충분히 사용하지 않고, 탑저에서 DEC를 수득하는 경우, 고순도의 카보네이트를 얻기 어렵다. 이 경우, 불순물이 많고, APHA 값이 너무 높아서 리튬 이온 전지용 유기 용매로 활용하기 어렵다. 따라서, 고순도 및 메탈 함량, APHA값을 고려하면 본 발명의 방법처럼 카보네이트를 제조해야 함을 알 수 있다.

Claims (7)

  1. 디메틸 카보네이트 및 에탄올을 포함하는 원료를 고정층 반응기 시스템에 투입하고, 상기 원료의 에스테르 교환 반응을 유도하여, 에틸메틸 카보네이트, 디에틸 카보네이트 및 메탄올을 포함하는 생성물을 제조하는, 제1 단계;
    상기 생성물 및 상기 원료의 미반응분을 포함하는 반응기 유출물을 제1 분리 시스템에서 분리하여 에탄올, 메탄올 및 디메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제1 분리 시스템 탑정 흐름, 및 디에틸 카보네이트 및 에틸메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제1 분리 시스템 탑저 흐름을 얻는, 제2 단계;
    상기 제1 분리 시스템 탑저 흐름을 제2 분리 시스템에서 분리하여 에틸메틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제2 분리 시스템 탑정 흐름, 및 디에틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 얻는, 제3 단계; 및
    상기 제2 분리 시스템 탑저 흐름을 제3 분리 시스템에서 분리하여 디에틸 카보네이트를 주성분으로 포함하는 제3 분리 시스템 탑정 흐름을 얻는, 제4 단계;를 포함하고,
    상기 제2 단계 내지 제4 단계 중 어느 하나의 단계는, 상기 제1 분리 시스템 내지 상기 제3 분리 시스템 중 어느 하나의 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정하는 것인,
    카보네이트의 제조 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 고정층 반응기 시스템은 염기성 이온 교환 수지 촉매가 충진된 고정층 반응기를 포함하고,
    상기 염기성 이온 교환 수지는 다공성이며,
    상기 염기성 이온 교환 수지의 교환 용량은 1 (eq/ℓ-wet resin) 내지 1.5 (eq/ℓ-wet resin) 범위 내인 것인,
    카보네이트의 제조 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 고정층 반응기 시스템은 직렬로 연결된 복수의 고정층 반응기를 포함하는 것인,
    카보네이트 제조 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 분리 시스템 내지 상기 제3 분리 시스템은 트레이 컬럼 또는 팩킹 컬럼인 것인,
    카보네이트 제조 방법.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 단계는, 상기 제1 분리 시스템으로 이론 단수가 15 단 내지 80 단 범위 내인 분리 시스템을 적용하고, 상기 제1 분리 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정하며, 상기 제1 분리 시스템의 재비기의 온도를 90 ℃ 내지 100 ℃ 범위 내로 설정하는 것인,
    카보네이트의 제조 방법.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 단계는, 상기 제2 분리 시스템으로 이론 단수가 15 단 내지 80 단 범위 내인 분리 시스템을 적용하고, 상기 제2 분리 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정하며, 상기 제2 분리 시스템의 재비기의 온도를 110 ℃ 내지 120 ℃ 범위 내로 설정하는 것인,
    카보네이트의 제조 방법.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제4 단계는, 상기 제3 분리 시스템으로 이론 단수가 15 단 내지 80 단 범위 내인 분리 시스템을 적용하고, 상기 제3 분리 시스템의 환류비를 0.5 내지 5 범위 내로 설정하며, 상기 제3 분리 시스템의 재비기의 온도를 130 ℃ 내지 140 ℃ 범위 내로 설정하는 것인,
    카보네이트의 제조 방법.
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