KR20200078104A - 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법 - Google Patents

아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증류탑에 암모니아, 아크릴로니트릴계 단량체, 물 및 유기용매를 포함하는 피드를 공급하는 단계; 상기 피드를 상기 암모니아를 포함하는 제1 분획, 상기 아크릴로니트릴계 단량체 및 물을 포함하는 제2 분획, 및 상기 물 및 유기용매를 포함하는 제3 분획으로 1차 분리하는 단계; 및 상기 제1 내지 제3 분획을 각각 회수하는 단계를 포함하고, 상기 제2 분획은 상기 증류탑의 중단부로 회수하는 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법에 관한 것이다.

Description

아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법{METHOD FOR PURIFYING ACRYLONITRILE BASED MONOMER}
본 발명은 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 암모니아를 사용한 아크릴로니트릴계 섬유의 제조공정에서 발생된 폐액으로부터 아크릴로니트릴계 단량체를 고순도로 정제할 수 있는 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법에 관한 것이다.
아크릴로니트릴계 섬유의 제조공정에서는 아크릴로니트릴계 중합체를 디메틸설폭사이드에 용해시킨 방사원액이 사용된다. 또한, 방사성을 향상시키기 위하여, 암모니아 또는 암모니아수를 투입하고 방사원액을 제조한 후, 상기 방사원액을 방사구금을 통해 응고용액에 토출시켜 응고사를 제조할 수 있다. 한편, 상기 방사원액이 토출된 응고용액은 암모니아, 아크릴로니트릴계 단량체, 물 및 유기용매가 포함된 혼합물일 수 있다.
한편, 아크릴로니트릴계 섬유의 제조공정에서 경제성을 확보하기 위하여, 아크릴로니트릴계 섬유의 제조공정 중에 발생된 폐액을 회수하여 재사용하는 방안이 제안되었다. 하지만, 아크릴로니트릴계 단량체와 물은 공비를 이루므로 폐액을 증류하여 아크릴로니트릴계 단량체를 고순도로 정제하기 어렵다. 이에 아크릴로니트릴계 단량체와 물이 혼합된 상태로 회수되어 원료로 재사용되었다. 또한, 암모니아가 방사원액에 투입될 경우, 회수된 폐액의 공비점이 변화하여 아크릴로니트릴계 단량체와 물을 분리하기가 더 어려워진다. 이에 물이 더 많이 포함된 상태로 아크릴로니트릴계 단량체를 포함하는 혼합물이 회수되고, 이러한 혼합물을 원료로 사용하였을 때, 아크릴로니트릴계 중합체의 물성의 편차가 커져 아크릴로니트릴계 섬유의 물성이 현저하게 저하되는 문제가 발생하였다.
이에 아크릴로니트릴계 섬유의 제조공정에서 발생한 폐액으로부터 아크릴로니트릴계 단량체를 고순도로 정제하는 방법이 연구되고 있다.
JP2008-308775A
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 암모니아를 사용한 아크릴로니트릴계 섬유의 제조 공정에서 발생된 폐액으로부터 고순도로 아크릴로니트릴계 단량체를 정제할 수 있는 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법을 제공하는 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 증류탑에 암모니아, 아크릴로니트릴계 단량체, 물 및 유기용매를 포함하는 피드를 공급하는 단계; 상기 피드를 상기 암모니아를 포함하는 제1 분획, 상기 아크릴로니트릴계 단량체 및 물을 포함하는 제2 분획, 및 상기 물 및 유기용매를 포함하는 제3 분획으로 1차 분리하는 단계; 및 상기 제1 내지 제3 분획을 각각 회수하는 단계를 포함하고, 상기 제2 분획은 상기 증류탑의 중단부로 회수하는 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법을 제공한다.
본 발명의 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법에 따르면, 암모니아를 사용한 아크릴로니트릴계 섬유의 제조 공정에서 발생한 폐액으로부터 암모니아를 효율적으로 분리할 수 있으므로, 폐액으로부터 아크릴로니트릴계 단량체를 고순도로 정제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법에서 사용될 수 있는 분리시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 비교예 1의 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법을 수행할 수 있는 분리시스템을 도시한 것이다.
도 3은 비교예 2의 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법을 수행할 수 있는 분리시스템을 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.
본 발명에서 분획(fraction)은 피드 등의 혼합물이 여러 그룹으로 나누어졌음을 나타내는 것이다.
본 발명의 일실시예에 따른 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법은 1) 증류탑에 암모니아, 아크릴로니트릴계 단량체, 물 및 유기용매를 포함하는 피드를 공급하는 단계; 2) 상기 피드를 상기 암모니아를 포함하는 제1 분획, 상기 아크릴로니트릴계 단량체 및 물을 포함하는 제2 분획, 및 상기 물 및 유기용매를 포함하는 제3 분획으로 1차 분리하는 단계; 및 3) 상기 제1 내지 제3 분획을 각각 회수하는 단계를 포함하고, 상기 제2 분획은 상기 증류탑의 중단부로 회수한다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법은 상기 회수하는 단계 이후에, 4) 상기 제2 분획을 아크릴로니트릴계 단량체를 포함하는 제4 분획 및 물을 포함하는 제5 분획으로 2차 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법은 상기 회수하는 단계 이후에, 5) 상기 제3 분획을 물을 포함하는 제6 분획 및 유기용매를 포함하는 제7 분획으로 3차 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법의 각 단계에 대하여 상세하게 설명한다.
1) 피드를 공급하는 단계
우선 증류탑에 암모니아, 아크릴로니트릴계 단량체, 물 및 유기용매를 포함하는 피드를 공급한다.
상기 피드는 아크릴로니트릴계 섬유의 제조공정에서 발생된 폐액일 수 있다. 구체적으로 상기 아크릴로니트릴계 섬유는 아크릴로니트릴계 단량체를 주성분으로 하는 단량체 혼합물을 중합하여 중합체를 제조하는 단계; 상기 중합체, 유기용매 및 암모니아를 포함하는 방사원액을 제조하는 단계; 상기 방사원액을 물 및 유기용매를 포함하는 응고용액에 방사시켜 응고사를 제조하는 단계; 상기 응고사를 수세 및 연신하여 연신사를 제조하는 단계 및 상기 연신사를 산화 안정화시키는 단계를 포함하는 제조방법으로 제조될 수 있다.
여기서, 상기 응고사를 제조하는 단계 및/또는 연신사를 제조하는 단계에서 발생된 폐액이 본 발명에서 사용되는 피드일 수 있다. 상기 폐액에는 암모니아, 미반응 단량체인 아크릴로니트릴계 단량체, 물 및 유기용매가 포함될 수 있다. 상기 아크릴로니트릴계 단량체는 아크릴로니트릴, 메타크릴로니트릴 및 에타크릴로니트릴로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 이 중 아크릴로니트릴이 바람직하다. 상기 유기용매는 디메틸설폭사이드, 디메틸아세트아미드 및 디메틸포름아미드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있고, 이 중 디메틸설폭사이드가 바람직하다.
2) 1차 분리하는 단계
이어서, 상기 피드를 상기 암모니아를 포함하는 제1 분획, 상기 아크릴로니트릴계 단량체 및 물을 포함하는 제2 분획, 및 상기 물 및 유기용매를 포함하는 제3 분획으로 분리한다.
한편, 아크릴로니트릴계 단량체, 즉 미반응 단량체를 회수하기 위한 공정에 있어서는, 방사 후의 폐액으로부터 아크릴로니트릴계 단량체 분획과 유기용매 분획으로만 분리하여 미반응 단량체를 회수하는 것이 일반적이다. 그러나, 아크릴로니트릴계 단량체는 물과 공비를 형성하고, 이에 따라 액-액 분리가 필요한 혼합물인데, 상기 방사 공정의 폐액에는 섬유의 친수화를 위한 암모니아가 필수적으로 포함되어 있고, 이 암모니아는 아크릴로니트릴계 단량체와 물의 액-액 분리가 가능한 구간을 더욱 좁게 하여, 이와 같은 분리 공정에서는 아크릴로니트릴계 단량체의 회수액에 물이 상당량 포함되어 나오는 문제가 있어 왔다.
상기의 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 정제방법에서는, 아크릴로니트릴계 단량체와 물의 액-액 분리 가능 구간을 좁게 하는 암모니아를 별도의 분획으로 분리하는 것을 도입함으로써, 아크릴로니트릴계 단량체 회수액에 물이 최소한으로 포함될 수 있게 된다.
상기 피드를 제1 내지 제3 분획으로 분리하기 위하여 1회 이상의 증류공정이 수행될 수 있다.
상기 제1 분획은 암모니아를 주요 구성요소로 포함하는 분획을 의미할 수 있고, 상기 제1 내지 제3 분획 중 암모니아가 가장 많은 함량으로 포함된 분획을 의미할 수 있다. 상기 제1 분획은 아크릴로니트릴계 단량체를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 분획에 포함된 암모니아가 상기 피드의 구성요소 중 끓는점이 가장 낮으므로, 상기 제1 분획은 증류탑의 상단부로 분리될 수 있다.
상기 제2 분획은 아크릴로니트릴계 단량체 및 물을 주요 구성요소로 포함하는 분획을 의미할 수 있고, 제1 내지 제3 분획 중 아크릴로니트릴계 단량체가 가장 많은 함량으로 포함된 분획을 의미할 수 있다.
상기 제3 분획은 물 및 유기용매를 주요 구성요소로 포함하는 분획을 의미할 수 있고, 제1 내지 제3 분획 중 물 및 유기용매를 가장 많은 함량으로 포함된 분획을 의미할 수 있다. 상기 제3 분획은 상기 피드의 구성요소 중 끓는점이 높은 물 및 유기용매를 포함하므로, 상기 제3 분획은 상기 증류탑의 하단부로 분리될 수 있다.
한편, 상기 증류탑은 탑정의 온도가 탑저의 온도보다 낮을 수 있다. 상세하게는 상기 증류탑의 탑정의 온도는 상압을 기준으로 0 내지 60 ℃, 10 내지 50 ℃ 또는 20 내지 45 ℃일 수 있고, 이 중 20 내지 45 ℃가 바람직하다. 상기 증류탑의 탑저의 온도는 상압을 기준으로 70 내지 130 ℃, 80 내지 120 ℃ 또는 90 내지 110 ℃일 수 있고, 이 중 90 내지 110 ℃가 바람직하다. 상술한 조건을 만족하면, 상기 증류탑 내에서 상기 피드가 원하는 조성의 제1 내지 제3 분획으로 용이하게 분리될 수 있다.
상기 증류탑의 탑정 및 탑저 압력은 탑정 및 탑저의 온도와 비례 관계로서, 상기 증류탑의 탑정 및 탑저의 온도가 높아지면 탑정 및 탑저의 압력도 높아지며, 상기 증류탑의 탑정 및 탑저의 온도가 낮아지면 탑정 및 탑저의 압력도 낮아질 수 있다. 따라서 상술한 조건은 운전 압력이 변경됨에 따라 온도 조건이 달라질 수 있다.
3) 회수하는 단계
이어서, 상기 제1 내지 제3 분획을 각각 회수하고, 여기서, 상기 제2 분획은 상기 증류탑의 중단부로 회수한다.
상기 증류탑의 중단부는 상기 증류탑의 높이의 30 내지 95 %, 40 내지 90 %, 50 내지 80 %, 또는 50 내지 70 %인 지점일 수 있고, 이 중 50 내지 70 %인 지점이 바람직하다. 상술한 조건을 만족하면, 상기 증류탑의 중단부로부터 제2 분획을 회수할 시 아크릴로니트릴계 단량체를 최대로 회수할 수 있다. 상술한 높이보다 높은 위치에서 제2 분획이 회수되면, 제2 분획 내에 암모니아가 과량으로 포함될 수 있고, 상술한 높이보다 낮은 위치에서 제2 분획이 회수되면, 제2 분획 내에 유기 용매가 과량으로 포함될 수 있다. 여기서, 상기 증류탑의 탑저는 상기 증류탑 높이의 0%, 탑정은 상기 증류탑 높이의 100 %를 의미할 수 있다.
한편, 상기 증류탑은 제1 분획이 배출 및 회수되는 제1 라인, 제2 분획이 배출 및 회수되는 제2 라인 및 제3 분획을 배출 및 회수되는 제3 라인을 포함할 수 있다.
상기 제1 라인은 상기 증류탑의 탑정에 위치할 수 있고, 상기 제2 라인은 상기 증류탑의 중단부에 위치할 수 있고, 상기 제3 라인은 상기 증류탑의 탑저에 위치할 수 있다.
상기 제2 라인의 위치는 제2 분획 내에 암모니아의 포함 여부뿐만 아니라, 암모니아의 함량에도 영향을 미치는 요소로서, 상술한 증류탑의 중단부 내에 위치하는 것이 바람직하다.
4) 2차 분리하는 단계
상기 회수하는 단계 이후에, 상기 제2 분획을 아크릴로니트릴계 단량체를 포함하는 제4 분획 및 물을 포함하는 제5 분획으로 2차 분리할 수 있다.
상기 2차 분리하는 단계는 상기 제2 분획을 상기 제4 분획 및 제5 분획으로 액-액 분리하는 단계일 수 있으며, 상기 제2 분획이 상기 제2 라인을 통해 액-액 분리장치로 이송되어 상기 제4 분획 및 제5 분획으로 액-액 분리될 수 있다.
상기 제2 분획 내에는 암모니아가 존재하지 않거나 미량으로 존재할 수 있으므로, 상기 제2 분획은 암모니아로 인한 공비점 변화가 최소화될 수 있다. 이로 인해 상기 제2 분획은 액-액 분리를 통해 제4 분획 및 제5 분획으로 용이하게 분리될 수 있다.
여기서, 상기 제4 분획은 아크릴로니트릴계 단량체를 주요 구성요소로 포함하는 분획을 의미할 수 있고, 상기 제5 분획 대비 아크릴로니트릴계 단량체를 많이 포함한 분획일 수 있다. 상기 제4 분획은 아크릴로니트릴계 단량체를 최대한 많이 포함하고 물을 최소한으로 포함하는 분획을 의미할 수 있다. 구체적으로 상기 제4 분획은 아크릴로니트릴계 단량체와 물을 2:1 내지 30:1, 3:1 내지 20:1 또는 5:1 내지 15:1의 중량비로 포함할 수 있고, 이 중 5:1 내지 15:1의 중량비로 포함하는 것이 바람직하다. 상술한 범위를 만족하도록 운전을 해야 아크릴로니트릴계 단량체를 회수하기 재사용하기 적합할 수 있다.
상기 제5 분획은 물을 주요 구성요소로 포함하는 분획을 의미할 수 있고, 상기 제4 분획 대비 물을 많이 포함한 분획을 의미할 수 있다.
5) 3차 분리하는 단계
상기 회수하는 단계 이후에, 상기 제3 분획을 물을 포함하는 제6 분획 및 유기용매를 포함하는 제7 분획으로 3차 분리할 수 있다.
상기 3차 분리하는 단계는 제3 분획을 증류하여 제6 분획 및 제7 분획으로 분리하는 단계일 수 있으며, 상기 제3 분획을 상기 제3 라인을 통해 다른 증류탑으로 이송되어 상기 제6 분획 및 제7 분획으로 분리하는 단계일 수 있다. 상기 제6 분획은 물을 주요 구성요소로 포함하는 분획을 의미할 수 있고, 상기 제7 분획 대비 물을 많이 포함하는 분획을 의미할 수 있다. 상기 제7 분획은 유기용매를 주요 구성요소로 포함하는 분획을 의미할 수 있고, 상기 제6 분획 대비 유기용매를 많이 포함하는 분획을 의미할 수 있다. 상기 제6 분획 및 제7 분획은 회수되어 아크릴로니트릴계 섬유의 제조공정의 원료로 재사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법은 후술하는 분리시스템을 이용하여 수행될 수 있다. 상기 분리시스템을 도 1을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법에서 사용될 수 있는 분리시스템을 개략적으로 도시한 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 분리시스템(100)은 제1 증류탑(20)을 포함한다. 상기 제1 증류탑(20)은 액-액 분리장치(30)를 더 포함할 수 있고, 상기 액-액 분리장치(30)는 디캔터일 수 있다.
상기 제1 증류탑(20)은 상기 피드를 암모니아, 아크릴로니트릴계 단량체, 유기용매 및 물을 포함하는 피드로부터 암모니아를 포함하는 제1 분획; 아크릴로니트릴계 단량체 및 물을 포함하는 제2 분획; 및 상기 물 및 유기용매를 포함하는 제3 분획으로 분리시키는 장치일 수 있다. 상기 제1 증류탑(20)은 피드를 공급하는 투입라인(11); 탑정에 위치하고 제1 분획이 배출 및 회수되는 제1 라인(21); 중단부에 위치하고 제2 분획이 배출 및 회수되는 제2 라인(22); 및 탑저에 위치하고 제3 분획이 배출 및 회수되는 제3 라인(23)을 포함할 수 있다.
상기 액-액 분리장치(30)는 제2 분획을 아크릴로니트릴계 단량체를 포함하는 제4 분획과 물을 포함하는 제5 분획으로 분리시키는 장치일 수 있고, 상기 제4 분획을 회수하는 제4 라인(24) 및 상기 제5 분획을 제1 증류탑(20)으로 공급하는 제5 라인(25)을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 제1 내지 제5 라인(21~25)은 각각 열 교환기를 포함할 수 있다.
또한 상기 분리시스템(100)은 제2 증류탑(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 증류탑은 제3 분획을 물을 포함하는 제6 분획과 유기용매를 포함하는 제7 분획으로 분리시키는 장치일 수 있다. 상기 제2 증류탑은 제3 라인(24)에 의해 상기 제1 증류탑(20)과 연결될 수 있고, 상기 제2 증류탑의 탑정은 상기 제6 분획이 회수되는 제6 라인(미도시) 및 제7 분획이 회수되는 제7 라인(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 제6 및 제7 라인(미도시)은 각각 열 교환기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법을 상술한 분리시스템(100)을 이용하여 수행하는 경우, 암모니아, 아크릴로니트릴계 단량체, 물 및 유기용매를 포함하는 피드를 투입라인(11)을 통하여 제1 증류탑(20)으로 공급하고, 상기 암모니아를 포함하는 제1 분획, 상기 아크릴로니트릴계 단량체 및 물을 포함하는 제2 분획, 상기 물 및 유기용매를 포함하는 제3 분획으로 분리될 수 있다. 상기 제1 분획은 제1 라인(21)에 의하여 제1 증류탑(20)의 탑정에서 배출되어 회수될 수 있다. 상기 제2 분획은 제2 라인(22)에 의하여 상기 제1 증류탑(20)의 중단부에서 배출되어 회수된 후 상기 액-액 분리장치(30)으로 이송될 수 있다. 상기 제3 분획은 제3 라인(23)에 의하여 상기 제1 증류탑(20)의 탑저에서 배출되어 회수된 후 상기 제2 증류탑(40)으로 이송될 수 있다. 이때, 상기 제1 증류탑(20)은 탑정의 온도가 상압을 기준으로 0 내지 60 ℃, 탑저의 온도가 상압을 기준으로 70 내지 130 ℃인 조건 하에서 운전될 수 있다.
상기 제2 분획은 상기 액-액 분리장치(30)에서 아크릴로니트릴계 단량체를 포함하는 제4 분획과 물을 포함하는 제5 분획으로 분리될 수 있다. 또한, 상기 제4 분획이 상기 액-액 분리장치(30)에서 배출되어 제4 라인(24)에 의하여 회수될 수 있고, 상기 제5 분획은 상기 액-액 분리장치(30)에서 배출되어, 상기 제1 증류탑(20)으로 공급될 수 있다.
상기 제3 분획은 제2 증류탑(미도시)에서 물을 포함하는 제6 분획과 유기용매를 포함하는 제7 분획으로 분리될 수 있다. 상기 제6 분획은 제6 라인(미도시)에 의하여 상기 제2 증류탑(미도시)의 탑정에서 배출되어 회수될 수 있다. 상기 제7 분획은 제7 라인(미도시)에 의하여 상기 제2 증류탑(미도시)의 탑저에서 배출되어 회수될 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
실시예
도 1에 도시된 바와 같은 분리시스템(100)을 이용하여 암모니아(NH3), 아크릴로니트릴(AN), 물(H2O), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 고비점 물질(HB)을 포함하는 피드로부터 아크릴로니트릴을 정제하였다. 상기 피드는 아크릴로니트릴계 섬유의 제조 공정 중 발생된 폐액이었다.
상세하게는 상기 피드를 55 ℃, 상압(760 torr)의 조건 하에서 하기 표 1에 기재된 조건으로 투입라인(11)을 통해 제1 증류탑(20)으로 공급하였다. 이어서, 상기 제1 증류탑(20)을 하기 표 1에 기재된 조건에서 운전하여 상기 피드를 제1 내지 제3 분획으로 분리하였고, 상기 제1 내지 제3 분획을 각각 제1 내지 제3 라인(21~23)으로 배출하였다. 여기서, 상기 제1 라인(21)은 상기 제1 증류탑(20)의 탑정(100%)에 연결되어 있고, 상기 제2 라인(22)은 하기 표 1에 기재된 상기 증류탑(20)의 높이에 연결되어 있고, 상기 제3 라인(23)은 제1 증류탑(20)의 탑저(0%)에 연결되어 있다.
이어서, 상기 제2 분획을 제2 라인(22)에 의하여 액-액 분리장치(30)로 공급하였고, 상기 액-액 분리장치(30)를 하기 표 1에 기재된 조건에서 운전하여 상기 제2 분획을 제4 분획 및 제5 분획으로 분리하였다. 상기 제4 분획은 제4 라인(24)으로 배출되어 회수되었고, 제5 분획은 제5 라인(25)으로 배출된 후, 상기 제1 증류탑으로 공급되었다. 상기 제1 내지 제4 라인을 통해 배출되는 제1 내지 제4 분획 내 성분을 하기 표 1에 기재하였다.
비교예 1
비교예 1은 실시예 1과 같은 조성의 피드를 투입하면서 도 2에서 도시한 방식으로 분리하는 예시이다.
도 2는 비교예 1의 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법을 수행할 수 있는 분리시스템(200)을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 제1 증류탑(50)은 일측면에 피드를 공급하는 투입라인(11’), 탑정에 위치하는 제1 라인(51) 및 탑저에 위치하는 제3 라인(53)을 포함한다.
도 2에 도시된 바와 같은 분리시스템(200)을 이용하여 암모니아(NH3), 아크릴로니트릴(AN), 물(H2O), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 고비점 물질(HB)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 피드로부터 아크릴로니트릴을 정제하였다.
상세하게는 상기 피드를 55 ℃, 상압(760 torr)의 조건 하에서 하기 표 2에 기재된 조건으로 투입라인(11’)을 통해 제1 증류탑(50)으로 공급하였다. 이어서, 상기 제1 증류탑(50)을 하기 표 2에 기재된 조건에서 운전하여 상기 피드를 아크릴로니트릴 풍부 분획 및 물 풍부 분획으로 분리하였고, 상기 아크릴로니트릴 풍부 분획을 제1 라인(51)으로 배출하였고, 물 풍부 분획을 제3 라인(53)으로 배출하였다. 상기 제1 라인(51) 및 제3 라인(53)을 통해 배출되는 아크릴로니트릴 풍부 분획 및 물 풍부 분획 내 성분을 하기 표 2에 기재하였다.
비교예 2
비교예 2는 피드 내 암모니아(NH3)가 없는 것을 제외하고 실시예 1과 동일한 피드를 공급하면서 도 3에서 도시한 방식으로 아크릴로니트릴계 단량체를 정제하는 예시이다.
도 3은 비교예 2의 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법을 수행할 수 있는 분리시스템(200)을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 제1 증류탑(70)은 일측면에 피드를 공급하는 투입라인(11”), 탑정에 위치하는 제1 라인(71) 및 탑저에 위치하는 제3 라인(73)을 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같은 분리시스템(300)을 이용하여 아크릴로니트릴(AN), 물(H2O), 디메틸설폭사이드(DMSO) 및 고비점 물질(HB)로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상을 포함하는 피드로부터 아크릴로니트릴을 정제하였다.
상세하게는 상기 피드를 55 ℃, 상압(760 torr)의 조건 하에서 하기 표 3에 기재된 조건으로 투입라인(11”)을 통해 제1 증류탑(70)으로 공급하였다. 이어서, 상기 제1 증류탑(70)을 하기 표 3에 기재된 조건에서 운전하여 상기 피드를 아크릴로니트릴 풍부 분획 및 물 풍부 분획으로 분리하였고, 상기 아크릴로니트릴 풍부 분획을 제1 라인(71)로 배출하였고, 물 풍부 분획을 제3 라인(73)으로 배출하였다. 상기 제1 라인(71) 및 제3 라인(73)을 통해 배출되는 아크릴로니트릴 풍부 분획 및 물 풍부 분획 내 성분을 하기 표 3에 기재하였다.
이어서, 상기 제1 분획을 제1 라인(71)에 의하여 액-액 분리장치(80)로 공급하였고, 상기 액-액 분리장치(80)을 하기 표 3에 기재된 조건에서 운전하여 상기 제1 분획을 제4 분획 및 제5 분획으로 분리하였다. 상기 제4 분획은 제4 라인(74)으로 배출되어 회수되었고, 제5 분획은 제3 증류탑으로 배출되었다. 상기 제1, 제3 및 제4 라인(71, 73, 74)을 통해 배출되는 제1, 제3 및 제4 분획 내 성분을 하기 표 3에 기재하였다.
구분 실시예
1 2 3 4 5
피드
(㎏/시)		 NH3 0.21 0.11 0.21 0.21 0.21
AN 2.17 2.17 2.17 2.17 2.17
H2O 237.18 237.18 237.18 237.18 237.18
DMSO 180.20 180.20 180.20 180.2 180.2
HB 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26
합 420.02 419.92 420.02 420.02 420.02
제1 증류탑의 탑정 온도(℃) 40 40 40 40 30
압력(torr) 500 518 760 500 500
제1 증류탑의 탑저 온도(℃) 96 96 107 96 96
압력(torr) 540 540 800 540 540
제1 라인(21)
(㎏/시)		 NH3 0.21 0.11 0.21 0.2 0.21
AN 0.34 0.17 0.17 0.32 0.17
H2O 0.02 0.01 0.01 0.02 0.01
DMSO - - - - -
HB - - - - -
합 0.57 0.29 0.39 0.54 0.39
제2 라인 위치(%) 50 50 50 80 50
제2 라인(22)
(㎏/시)		 NH3 - - - 0.02 -
AN 1.9 2.05 2.05 1.94 2.04
H2O 1.09 0.94 0.94 1.04 0.95
DMSO 0.01 0.01 0.01 - 0.01
HB - - - - -
합 3.00 3.00 3.00 3.00 3.00
제3 라인(23)
(㎏/시) 		NH3 - - - - -
AN - - - - -
H2O 236.96 236.96 236.95 236.91 236.97
DMSO 180.2 180.02 180.2 180.2 180.2
HB 0.26 0.26 0.26 0.26 0.26
합 417.42 417.42 417.41 417.37 417.43
액-액 분리장치 온도(℃) 40 40 40 40 30
압력(torr) 760 760 800 760 760
제4 라인(24)
(㎏/시)		 NH3 - - - 0.01 -
AN 1.83 2.00 2.00 1.85 2.00
H2O 0.20 0.21 0.22 0.25 0.20
DMSO - - - - -
HB - - - - -
합 2.03 2.21 2.22 2.11 2.20
구분 비교예 1
피드
(㎏/시)		 NH3 0.21
AN 2.17
H2O 237.18
DMSO 180.20
HB 0.26
합 420.02
제1 증류탑(50)의 탑정 온도(℃) 40
압력(torr) 500
제1 증류탑(50)의 탑저 온도(℃) 96
압력(torr) 540
제1 라인(51) (㎏/시) NH3 0.20
AN 2.17
H2O 1.08
DMSO -
HB -
합 3.45
제3 라인(53) (㎏/시) NH3 0.01
AN -
H2O 236.1
DMSO 180.2
HB 0.26
합 416.75
구분 비교예 2
피드
(㎏/시)		 NH3 -
AN 2.17
H2O 237.18
DMSO 180.2
HB 0.26
합 419.81
제1 증류탑(70)의 탑정 온도(℃) 40
압력(torr) 500
제1 증류탑(70)의 탑저 온도(℃) 96
압력(torr) 540
제1 라인(71) (㎏/시) NH3 -
AN 2.17
H2O 0.26
DMSO -
HB -
합 2.40
제3 라인(73) (㎏/시) NH3 -
AN -
H2O 236.95
DMSO 180.2
HB 0.26
합 417.41
액-액 분리장치(80) 온도(℃) 40
압력(torr) 500
제4 라인(74) (㎏/시) NH3 -
AN 2.17
H2O 0.23
DMSO -
HB -
합 2.40
표 1 내지 표 3을 참조하면, 실시예 1 내지 실시예 3, 실시예 5의 경우, 제2 라인을 통해 배출되는 제2 분획 내에 암모니아가 전혀 포함되지 않았다. 이에, 상기 제2 분획을 액-액 분리장치를 이용하여 제4 분획을 분리하였을 때, 제4 분획 내에는 아크릴로니트릴이 고순도로 포함되는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 암모니아를 전혀 포함하지 않은 피드로 정제공정을 수행한 비교예 2 대비 동등 수준으로 아크릴로니트릴을 회수할 수 있다는 것도 확인할 수 있었다.
한편, 실시예 3의 경우, 실시예 1 대비 제1 증류탑의 탑정 및 탑저의 압력을 올리고, 탑저의 온도를 높였으므로, 제 1 분획으로 아크릴로니트릴이 버려지는 양이 적어짐을 확인할 수 있다. 이에 따라 제2 분획 내 아크릴로니트릴을 최대한 많이 포함하고 물을 소량 포함할 수 있었다.
실시예 4의 경우, 실시예 1 대비 제2 라인의 위치를 높였으므로, 제2 분획 내에서 암모니아를 완전히 제거할 수 없었다. 이러한 결과로부터 제2 라인의 위치도 변수로 작용하는 것을 확인할 수 있었다.
실시예 5의 경우, 실시예 대비 제1 증류탑의 탑정의 온도를 낮췄으므로 실시예 3에서 탑정의 압력을 높인 것과 비슷한 효과로, 제 1 분획으로 아크릴로니트릴이 버려지는 양이 적어짐을 확인할 수 있었다. 이에 따라 제2 분획 내 아크릴로니트릴을 최대한 많이 포함하고 물을 소량 포함할 수 있었다.
한편, 비교예 1의 경우, 제1 증류탑의 중단부에 별도의 장치가 있지 않기 때문에, 제1 라인과 제3 라인으로 분획들을 배출할 수 밖에 없었고, 제1 라인으로 배출된 제1 분획에는 암모니아가 과량 포함되었다. 이러한 결과로부터 동일한 조건에서 제1 증류탑을 운전한다고 할지라도, 제2 분획을 중단부로 회수하지 않는다면, 암모니아가 제거되지 않는다는 것을 확인할 수 있었다. 이 때, 제1 라인(51)의 아크릴로니트릴계 단량체의 조성은 63 중량%이었다.
한편, 비교예 2의 경우, 피드에 암모니아가 없는 경우에는 아크릴로니트릴계 단량체를 증류탑 구성만으로 회수할 수 있음을 보여주었다. 이 때, 제4 라인(74)의 아크릴로니트릴계 단량체의 조성은 90 중량%이었다.
실시예 1 내지 실시예 3, 실시예 5의 경우, 암모니아를 분리해낸 후 제4 라인(24)의 아크릴로니트릴계 단량체의 조성은 90 중량%으로 피드에 암모니아가 없는 경우와 동등한 수준으로 아크릴로니트릴계 단량체를 회수할 수 있음을 보인다. 또한 암모니아를 완벽하게 제거하지 못한 실시예 4의 경우에도 제4 라인(24)의 아크릴로니트릴계 단량체의 조성은 88 중량% 수준으로 비교예 1보다 고순도로 얻을 수 있음을 확인하였다.
100, 200, 300: 분리시스템 11, 11’, 11”: 투입라인
20, 50, 70: 제1 증류탑 21, 51, 71: 제1 라인
22: 제2 라인 23, 53, 73: 제3 라인
24, 74: 제4 라인 25: 제5 라인
30, 80: 액-액 분리장치

Claims (10)

  1. 증류탑에 암모니아, 아크릴로니트릴계 단량체, 물 및 유기용매를 포함하는 피드를 공급하는 단계;
    상기 피드를 상기 암모니아를 포함하는 제1 분획, 상기 아크릴로니트릴계 단량체 및 물을 포함하는 제2 분획, 및 상기 물 및 유기용매를 포함하는 제3 분획으로 1차 분리하는 단계; 및
    상기 제1 내지 제3 분획을 각각 회수하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 분획은 상기 증류탑의 중단부로 회수하는 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 회수하는 단계 이후에,
    상기 제2 분획을 아크릴로니트릴계 단량체를 포함하는 제4 분획 및 물을 포함하는 제5 분획으로 2차 분리하는 단계를 더 포함하는 것인 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 2차 분리하는 단계는 상기 제2 분획을 상기 제4 분획 및 제5 분획으로 액-액 분리하는 단계인 것인 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 증류탑의 중단부는 상기 증류탑의 높이의 10 내지 90 %인 지점인 것인 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 분획을 상기 증류탑의 상단부로 분리하는 것인 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 증류탑의 탑정의 온도는 상압을 기준으로 0 내지 60 ℃인 것인 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3 분획을 상기 증류탑의 하단부로 분리하는 것인 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 증류탑의 탑저의 온도는 상압을 기준으로 70 내지 130 ℃인 것인 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 유기용매는 디메틸설폭사이드, 디메틸포름아미드 및 디메틸아세트아미드로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상인 것인 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 피드는 아크릴로니트릴계 섬유의 제조공정에서 발생된 폐액인 것인 아크릴로니트릴계 단량체의 정제방법.
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