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KR102827947B1 - Reactor and Production Facilities for 1,3,5-trioxane in Polyoxymethylene Manufacturing Process - Google Patents

Reactor and Production Facilities for 1,3,5-trioxane in Polyoxymethylene Manufacturing Process Download PDF

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KR102827947B1
KR102827947B1 KR1020250047167A KR20250047167A KR102827947B1 KR 102827947 B1 KR102827947 B1 KR 102827947B1 KR 1020250047167 A KR1020250047167 A KR 1020250047167A KR 20250047167 A KR20250047167 A KR 20250047167A KR 102827947 B1 KR102827947 B1 KR 102827947B1
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KR
South Korea
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trioxane
formalin
reboiler
pipe
main body
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KR1020250047167A
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Korean (ko)
Inventor
박웅근
이갑성
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피엔아이디 주식회사
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Abstract

본 발명은 폴리옥시메틸렌을 제조하는 공정에서 포르말린을 효율적으로 반응시켜 1,3,5-트리옥산(1,3,5-trioxane)을 제조하는 반응기 및 이를 포함하는 트리옥산 생산설비에 관한 것이다.
본 발명에 따른 트리옥산 반응기(10)는 압력과 온도를 높게 유지하고 포르말린과 촉매의 혼합 효율을 증가시켜 트리옥산을 공간적 및 시간적으로 높은 수율로 제조하고 부반응을 줄여서 트리옥산의 생산량이 증가하며, 리보일러(12)에서의 국부 과열이 방지되고 튜브의 막힘 현상이 억제되어 장기간 연속운전이 가능하다.
또한, 트리옥산 생산설비(100)는 트리옥산 반응기(10) 내의 촉매가 다음 단계로 유출되는 것이 억제되어 설비의 부식이 줄어들고, 포르말린 공급원(S1)으로 부터 공급되는 저온의 고농도 포르말린과 트리옥산 증류탑(20)에서 회수된 고온의 저농도 포르말린이 트리옥산 반응기(10)의 본체(11)와 리보일러(12)를 순환하는 반응 혼합물과 합쳐져 트리옥산 반응기(10)에 공급되므로 최적의 반응 농도와 온도로 트리옥산을 제조할 수 있다.
The present invention relates to a reactor for efficiently reacting formalin to produce 1,3,5-trioxane in a process for producing polyoxymethylene, and a trioxane production facility including the reactor.
The trioxane reactor (10) according to the present invention maintains high pressure and temperature and increases the mixing efficiency of formalin and a catalyst to produce trioxane with a high yield in terms of space and time, reduces side reactions to increase the production amount of trioxane, and prevents local overheating in the reboiler (12) and suppresses clogging of the tube, enabling continuous operation for a long period of time.
In addition, the trioxane production facility (100) suppresses the catalyst in the trioxane reactor (10) from leaking to the next stage, thereby reducing corrosion of the facility, and the low-temperature, high-concentration formalin supplied from the formalin supply source (S1) and the high-temperature, low-concentration formalin recovered from the trioxane distillation tower (20) are combined with the reaction mixture circulating through the main body (11) and reboiler (12) of the trioxane reactor (10) and supplied to the trioxane reactor (10), thereby enabling the production of trioxane at an optimal reaction concentration and temperature.

Description

폴리옥시메틸렌 제조공정에서의 1,3,5-트리옥산 반응기 및 생산설비{Reactor and Production Facilities for 1,3,5-trioxane in Polyoxymethylene Manufacturing Process}{Reactor and Production Facilities for 1,3,5-trioxane in Polyoxymethylene Manufacturing Process}

본 발명은 폴리옥시메틸렌을 제조하는 공정에서 포르말린을 효율적으로 반응시켜 1,3,5-트리옥산(1,3,5-trioxane, 이하 '트리옥산'이라고 함)을 제조하는 반응기 및 이를 포함하는 트리옥산 생산설비에 관한 것이다.The present invention relates to a reactor for efficiently reacting formalin in a process for producing polyoxymethylene to produce 1,3,5-trioxane (hereinafter referred to as “trioxane”), and a trioxane production facility including the reactor.

폴리옥시메틸렌(polyoxymethylene, POM)은 폴리아세탈(polyacetal)이라고도 하며, 엔지니어링 플라스틱의 한 종류로서 자동차 내장재, 각종 전기제품의 주요 부품, 건설 부자재, 장난감 등에 널리 사용되고 있다.Polyoxymethylene (POM), also known as polyacetal, is a type of engineering plastic that is widely used in automobile interior materials, key components of various electrical appliances, construction materials, toys, etc.

폴리옥시메틸렌은 포름알데하이드(CH2O) 분자가 연속적으로 연결된 폴리머로서, 폴리머가 포름알데하이드 분자끼리만 결합하면 호모폴리머((-CH2-O-)n)이고, 포름알데하이드 분자 사이에 강한 결합력인 C-C 결합을 가진 코-모노머(co-monomer)가 무작위로 분산되어 있으면 코폴리머((-CH2-O-CH2-CH2-O-CH2-O-)n)이다.Polyoxymethylene is a polymer in which formaldehyde (CH 2 O) molecules are continuously linked. If the polymer is made up of only formaldehyde molecules, it is a homopolymer ((-CH 2 -O-)n), and if co-monomers with strong C-C bonds between formaldehyde molecules are randomly dispersed, it is a copolymer ((-CH 2 -O-CH 2 -CH 2 -O -CH 2 -O-)n).

원료인 포름알데하이드는 물, 메탄올 등의 불순물과 분리되기 어렵기 때문에 산 촉매 존재 하에서 포름알데하이드 분자 3개를 고리형태로 결합한 트리옥산((CH2O)3)을 제조하여 불순물을 제거한 후 촉매를 사용하여 코-모노머와 중합하여 조 폴리머(crude polymer)를 형성시키고 이를 안정화하여 폴리옥시메틸렌 코폴리머를 얻는다.Since the raw material formaldehyde is difficult to separate from impurities such as water and methanol, trioxane ((CH 2 O) 3 ) is produced by combining three formaldehyde molecules in a ring shape in the presence of an acid catalyst, and then the impurities are removed. Then, a crude polymer is formed by polymerizing with a co-monomer using a catalyst, and this is stabilized to obtain a polyoxymethylene copolymer.

산업 현장에서는 45 % 포르말린(formalin)을 농축하여 65~75 %의 고농도 포르말린을 제조하는 포르말린 농축공정, 고농도 포르말린을 황산 등의 산 촉매와 함께 트리옥산 반응기에서 가열하여 트리옥산을 합성하고 정제하는 모노머 공정, 정제된 트리옥산을 디옥솔란(dioxolane) 등의 코모노머와 서로 중합하여 조 폴리머를 제조하는 중합공정, 중합된 조 폴리머는 폴리머 말단 부위에 불안정한 말단기를 가지고 있으므로 첨가제를 투입하여 안정화시키고 수요에 적절한 화학적·물리적 성질을 변화시키는 안정화 공정을 거친 후 펠렛 공정을 통하여 제품화한다.In industrial sites, there are various processes including a formalin concentration process that concentrates 45% formalin to produce high-concentration formalin of 65-75%, a monomer process that heats high-concentration formalin in a trioxane reactor with an acid catalyst such as sulfuric acid to synthesize and purify trioxane, a polymerization process that polymerizes the purified trioxane with a comonomer such as dioxolane to produce a crude polymer, and a stabilization process that adds additives to stabilize the polymer terminals because the polymer has unstable terminal groups, and changes the chemical and physical properties appropriate to demand, before turning it into a product through a pellet process.

이들 공정 중에서 폴리옥시메틸렌의 모노머인 트리옥산을 합성하는 공정이 폴리옥시메틸렌의 제조 수율, 순도 면에서 특히 중요하고, 이에 따라 종래의 폴리옥시메틸렌 제조기술에서 트리옥산의 제조방법에 대한 연구가 집중적으로 진행되어 왔다.Among these processes, the process for synthesizing trioxane, a monomer of polyoxymethylene, is particularly important in terms of the production yield and purity of polyoxymethylene, and accordingly, research on methods for producing trioxane has been intensively conducted in conventional polyoxymethylene production technologies.

예를 들어, 한국등록특허공보 제0893693호에서는 트리옥산의 순도를 향상시키기 위하여 50~60 %의 포르말린에 추출용제인 디클로로에탄(dichloroethane), 반응 완충제인 DOP 및 촉매인 농황산을 반응시켜 트리옥산을 합성하고, 미국등록특허공보 제3637751호에서는 파라포름알데하이드(paraformaldehyde)의 침전에 의한 리보일러 튜브(reboiler tube)의 막힘을 방지하기 위하여 유상인 1가 알코올(monohydric alcohol)과 o-프탈산(o-phthalic acid)의 디에스테르(diester)의 존재 하에 포름알데하이드 수용액을 산 촉매의 작용 하에 증류하여 트리옥산을 제조하며, 미국등록특허공보 제3310572호에서는 트리옥산의 반응성 향상을 위하여 60~80 % 포르말린에 산 촉매인 황산과 안정화제인 파라핀오일(paraffinic oil)을 혼합하고 증류하여 트리옥산을 제조하고, 미국등록특허공보 제3732252호에서는 트리옥산 전환율의 증가를 위하여 25~80 %의 산 촉매 하에 포름알데하이드 수용액에 유전율 40 미만인 알코올, 에테르 또는 에스테르와 같은 가용성 유기 화합물을 첨가하고 가열하여 트리옥산을 합성하며, 미국등록특허공보 제4110298호에서는 트리옥산 전환율의 증가를 위하여 산 촉매 하에 포름알데하이드 수용액에 폴리옥시프로필렌 글리콜(polyoxypropylene glycol)의 모노부틸 에테르(monobutyl ether) 유성 액상을 첨가하여 트리옥산을 제조한다.For example, in Korean Patent Publication No. 0893693, in order to improve the purity of trioxane, trioxane is synthesized by reacting 50-60% formalin with dichloroethane as an extraction solvent, DOP as a reaction buffer, and concentrated sulfuric acid as a catalyst, and in U.S. Patent Publication No. 3637751, in order to prevent clogging of a reboiler tube due to precipitation of paraformaldehyde, trioxane is manufactured by distilling an aqueous formaldehyde solution under the action of an acid catalyst in the presence of a monohydric alcohol and a diester of o-phthalic acid as an oil phase, and in U.S. Patent Publication No. 3310572, in order to improve the reactivity of trioxane, sulfuric acid as an acid catalyst and paraffinic oil as a stabilizer are added to 60-80% formalin. Mixing and distillation are used to manufacture trioxane, and in U.S. Patent Publication No. 3,732,252, in order to increase the conversion rate of trioxane, an soluble organic compound such as an alcohol, ether or ester having a dielectric constant of less than 40 is added to an aqueous formaldehyde solution in the presence of an acid catalyst of 25 to 80% and heated to synthesize trioxane, and in U.S. Patent Publication No. 4,110,298, in order to increase the conversion rate of trioxane, a monobutyl ether oily liquid of polyoxypropylene glycol is added to an aqueous formaldehyde solution in the presence of an acid catalyst to manufacture trioxane.

상기 발명들에서는 트리옥산의 수율, 즉 포름알데하이드가 트리옥산으로 전환되는 비율이 증류 속도에 반비례하는 것으로 추정하였는데, 미국등록특허공보 제3470208호에서는 수율 감소 속도가 증류 속도의 증가 속도만큼 크지 않고 증류 속도의 증가에 따른 트리옥산의 수율에 미치는 부정적인 영향은 미반응 포름알데하이드를 증류액에 재순환시켜 상쇄할 수 있다고 하였다.In the above inventions, it was estimated that the yield of trioxane, that is, the rate at which formaldehyde is converted into trioxane, is inversely proportional to the distillation rate. However, U.S. Patent Publication No. 3,470,208 states that the rate of decrease in yield is not as great as the rate of increase in distillation rate, and that the negative effect on the yield of trioxane due to the increase in distillation rate can be offset by recycling unreacted formaldehyde into the distillate.

이에, 상기 발명에서는 트리옥산과 비휘발성 강산 촉매의 반응 혼합물을 증류하여 1000 g의 혼합물당 시간당 약 150 g 이상의 높은 생산성으로 트리옥산을 생성시킨 후 생성물을 알칼리 금속 탄산염, 알칼리 토금속 산화물 또는 음이온 교환 수지인 염기성 화합물과 접촉시키고 여과, 분별 증류 등을 통해 불순물을 제거하여 고순도의 트리옥산을 높은 수율로 회수하며, 증류 속도를 증가시킴으로써 증류 수율은 감소하나 트리옥산의 생산성은 증가하게 된다.Accordingly, in the above invention, a reaction mixture of trioxane and a nonvolatile strong acid catalyst is distilled to produce trioxane at a high productivity of about 150 g per hour or more per 1000 g of the mixture, and then the product is contacted with a basic compound such as an alkali metal carbonate, an alkaline earth metal oxide or an anion exchange resin, and impurities are removed through filtration, fractional distillation, etc. to recover high-purity trioxane at a high yield, and by increasing the distillation speed, the distillation yield decreases but the productivity of trioxane increases.

그러나 트리옥산의 생산을 증가시키기 위해서는 반응 혼합물인 포르말린과 산 촉매의 농도를 가능한 한 높게 유지해야 하는데, 고농도의 포르말린은 부반응으로 인해 파라포름알데하이드를 생성하면서 침전되어 트리옥산 반응기 하부의 리보일러 튜브를 막아서 연속운전을 방해하고, 고농도의 산 촉매는 부반응도 증가시켜 중합 반응을 방해하는 불순물을 많이 발생시킨다.However, in order to increase the production of trioxane, the concentration of the reaction mixture, formalin and acid catalyst, must be kept as high as possible. High-concentration formalin precipitates and produces paraformaldehyde as a side reaction, which blocks the reboiler tube at the bottom of the trioxane reactor and hinders continuous operation. In addition, high-concentration acid catalyst increases side reactions and generates many impurities that hinder the polymerization reaction.

또한, 폴리옥시메틸렌의 수요가 날로 증가하여 이에 대한 생산시설의 대형화가 필수적이고, 이 중 트리옥산 반응기는 황산과 같이 부식성이 강한 산 촉매에 의한 부식을 방지하기 위해 내부를 내산성 재질인 그라스(glass)를 라이닝(linning)하여 제작하여야 하기 때문에 제작비용이 상승하며, 더불어 그라스 라이닝한 대형 반응기는 제작소에서 폴리옥시메틸렌 생산시설까지 운반상의 문제점이 많아서 여러 개의 소형 반응기를 병열로 설치할 수밖에 없으므로 생산현장에서 설치비와 운전비가 증가하는 단점이 있다.In addition, as the demand for polyoxymethylene increases day by day, it is essential to enlarge the production facilities for it, and among these, the trioxane reactor must be manufactured with an internal lining of acid-resistant glass to prevent corrosion by highly corrosive acid catalysts such as sulfuric acid, which increases the production cost. In addition, large-scale glass-lined reactors have many problems in transporting them from the manufacturing plant to the polyoxymethylene production facility, so several small reactors have to be installed in parallel, which increases the installation and operating costs at the production site.

한국공개특허 제10-2006-0043301호: 1,3,5-트리옥산의 연속 제조 방법Korean Patent Publication No. 10-2006-0043301: Continuous production method of 1,3,5-trioxane 한국등록특허 제10-1092220호: 1,3,5―트리옥산의 제조방법Korean Patent No. 10-1092220: Method for producing 1,3,5-trioxane

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위한 것으로서, 폴리옥시메틸렌 제조공정에서 트리옥산 생산 설비의 설치 및 운전 비용을 줄이고 생산 수율을 높이면서 운전 장애를 방지하여 트리옥산을 연속적으로 생산할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.The present invention is intended to solve the above problems, and provides a method for continuously producing trioxane by reducing the installation and operation costs of a trioxane production facility in a polyoxymethylene manufacturing process, increasing the production yield, and preventing operation failures.

상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은 포르말린과 촉매가 인입되고, 가열에 의해 포르말린이 중합되어 트리옥산을 생성하는 본체(11); 상기 본체(11)의 하부 중심과 유통가능하게 일체로 설치되고, 본체(11)로부터 인입되는 반응 혼합물을 가열하여 본체(11)로 반송하는 리보일러(12); 일단이 상기 본체(11)의 하부에 접속되고 타단이 리보일러(12)의 하부에 접속되어 본체(11)의 반응 혼합물을 리보일러(12)의 하부로 이송하는 리보일러 순환배관(L1); 및 상기 리보일러 순환배관(L1)에 접속되어 고농도의 포르말린과 저농도의 포르말린을 공급하는 포르말린 회수배관(L2);을 포함하는 트리옥산 반응기(10)를 제공한다.In order to solve the above problem, the present invention provides a trioxane reactor (10) including a main body (11) into which formalin and a catalyst are introduced and into which formalin is polymerized by heating to produce trioxane; a reboiler (12) which is installed integrally with the lower center of the main body (11) so as to be circulated and which heats a reaction mixture introduced from the main body (11) and returns it to the main body (11); a reboiler circulation pipe (L1) which has one end connected to the lower part of the main body (11) and the other end connected to the lower part of the reboiler (12) and which transports the reaction mixture of the main body (11) to the lower part of the reboiler (12); and a formalin recovery pipe (L2) which is connected to the reboiler circulation pipe (L1) and supplies high-concentration formalin and low-concentration formalin.

또한, 본 발명은 상기 트리옥산 반응기(10); 상기 본체(11)의 상부로부터 유입되는 기체가 기액 분리되는 트리옥산 증류탑(20); 상기 트리옥산 증류탑(20) 하단의 액체를 포르말린 회수배관(L2)으로 이송하는 회수펌프(30); 상기 트리옥산 증류탑(20)의 상부로부터 배출되는 기체를 응축시키는 냉각기(40); 상기 냉각기(40)에서 응축된 응축액을 수용하는 환류드럼(50); 상기 환류드럼(50)의 응축액을 트리옥산 증류탑(20)의 상부로 반송하는 환류펌프(60); 및 상기 트리옥산 증류탑(20)의 상부로부터 배출되는 기체를 조 폴리머 중합공정으로 이송하는 증류탑 상부배관(L4);을 포함하는 트리옥산 생산설비(100)를 제공한다.In addition, the present invention provides a trioxane production facility (100) including: the trioxane reactor (10); a trioxane distillation tower (20) in which gas flowing in from the upper portion of the main body (11) is separated into gas and liquid; a recovery pump (30) for transferring liquid from the lower portion of the trioxane distillation tower (20) to a formalin recovery pipe (L2); a cooler (40) for condensing gas discharged from the upper portion of the trioxane distillation tower (20); a reflux drum (50) for receiving a condensate condensed in the cooler (40); a reflux pump (60) for returning the condensate of the reflux drum (50) to the upper portion of the trioxane distillation tower (20); and a distillation tower upper pipe (L4) for transferring gas discharged from the upper portion of the trioxane distillation tower (20) to a crude polymerization process.

본 발명에 따른 트리옥산 반응기(10)는 압력과 온도를 높게 유지하고 포르말린과 촉매의 혼합 효율을 증가시켜 트리옥산을 공간적 및 시간적으로 높은 수율로 제조하고 부반응을 줄여서 트리옥산의 생산량이 증가하며, 리보일러(12)에서의 국부 과열이 방지되고 튜브의 막힘 현상이 억제되어 장기간 연속운전이 가능하다.The trioxane reactor (10) according to the present invention maintains high pressure and temperature and increases the mixing efficiency of formalin and a catalyst to produce trioxane with a high yield in terms of space and time, reduces side reactions to increase the production amount of trioxane, and prevents local overheating in the reboiler (12) and suppresses clogging of the tube, enabling continuous operation for a long period of time.

또한, 트리옥산 생산설비(100)는 트리옥산 반응기(10) 내의 촉매가 다음 단계로 유출되는 것이 억제되어 설비의 부식이 줄어들고, 포르말린 공급원(S1)으로 부터 공급되는 저온의 고농도 포르말린과 트리옥산 증류탑(20)에서 회수된 고온의 저농도 포르말린이 트리옥산 반응기(10)의 본체(11)와 리보일러(12)를 순환하는 반응 혼합물과 합쳐져 트리옥산 반응기(10)에 공급되므로 최적의 반응 농도와 온도로 트리옥산을 제조할 수 있다.In addition, the trioxane production facility (100) suppresses the catalyst in the trioxane reactor (10) from leaking to the next stage, thereby reducing corrosion of the facility, and the low-temperature, high-concentration formalin supplied from the formalin supply source (S1) and the high-temperature, low-concentration formalin recovered from the trioxane distillation tower (20) are combined with the reaction mixture circulating through the main body (11) and reboiler (12) of the trioxane reactor (10) and supplied to the trioxane reactor (10), thereby enabling the production of trioxane at an optimal reaction concentration and temperature.

도 1은 본 발명에 따른 트리옥산 반응기 및 생산설비의 개략적인 구성도이다.
도 2는 포르말린 회수배관(L2)이 2 개의 리보일러 순환배관(L1a, L1b)에 각각 접속되어 있는 모습을 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 리보일러 순환배관(L1)을 보온하기 위한 스팀헤더 배관(L6)과 스팀 튜브(L7)를 개념적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 트리옥산 반응기(10) 본체(11)의 내부 상부에 설치된 미스트 분리기(13)를 개념적으로 보여주는 도면이다.
Figure 1 is a schematic diagram of a trioxane reactor and production facility according to the present invention.
Figure 2 is a conceptual drawing showing a formalin recovery pipe (L2) connected to two reboiler circulation pipes (L1a, L1b).
Figure 3 is a conceptual drawing showing a steam header pipe (L6) and a steam tube (L7) for insulating the reboiler circulation pipe (L1).
Figure 4 is a drawing conceptually showing a mist separator (13) installed in the upper part of the inside of the main body (11) of a trioxane reactor (10).

이하, 본 발명을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.

각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.When adding reference signs to components of each drawing, it should be noted that identical components are given the same signs as much as possible even if they are shown on different drawings.

또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.In addition, when describing the present invention, if it is determined that a detailed description of a related known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description is omitted.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 트리옥산 반응기가 부호 10으로서 지시되어 있다.In FIG. 1, a trioxane reactor according to one embodiment of the present invention is indicated by reference numeral 10.

트리옥산 반응기(10)는 포르말린과 촉매(이하, '반응 혼합물'이라고 함)가 인입되고, 가열에 의해 포르말린이 중합되어 트리옥산을 생성하는 본체(11); 상기 본체(11)의 하부 중심과 유통가능하게 일체로 설치되고, 본체(11)로부터 인입되는 반응 혼합물을 가열하여 본체(11)로 반송하는 리보일러(12); 일단이 상기 본체(11)의 하부에 접속되고 타단이 리보일러(12)의 하부에 접속되어 본체(11)의 반응 혼합물을 리보일러(12)의 하부로 이송하는 리보일러 순환배관(L1);을 포함한다.A trioxane reactor (10) comprises a main body (11) into which formalin and a catalyst (hereinafter referred to as “reaction mixture”) are introduced and the formalin is polymerized by heating to produce trioxane; a reboiler (12) which is installed integrally with the lower center of the main body (11) so as to be circulated, and which heats the reaction mixture introduced from the main body (11) and returns it to the main body (11); and a reboiler circulation pipe (L1) which has one end connected to the lower part of the main body (11) and the other end connected to the lower part of the reboiler (12) and transfers the reaction mixture of the main body (11) to the lower part of the reboiler (12).

또한, 상기 트리옥산 반응기(10)는 본체(11)에 고농도의 포르말린을 공급하는 포르말린 공급원(S1)과 리보일러(12)에 열매체를 공급하는 열원(S2)을 포함하며, 포르말린 공급원(S1)은 리보일러 순환배관(L1)을 통하여 리보일러(12)를 거쳐 본체(11)에 공급되고 열원(S2)은 리보일러(12)에 내장된 튜브(tube)의 외측 공간(shell side)에 공급되며, 열원(S2)의 열매체로서 스팀(steam)을 사용하는 것이 바람직하다.In addition, the trioxane reactor (10) includes a formalin supply source (S1) that supplies high-concentration formalin to the main body (11) and a heat source (S2) that supplies a heat medium to the reboiler (12). The formalin supply source (S1) is supplied to the main body (11) through the reboiler (12) via the reboiler circulation pipe (L1), and the heat source (S2) is supplied to the outer space (shell side) of a tube built into the reboiler (12). It is preferable to use steam as the heat medium of the heat source (S2).

상기 촉매로서 황산과 같은 산 촉매를 사용하는 것이 바람직하고, 본체(11) 내부는 산 촉매에 의한 부식 방지를 위해 종래의 그라스 라이닝 대신에 티타늄(titanium) 또는 지르코늄(zirconium)으로 라이닝하여 외부 충격에 의한 균열이나 파손을 방지할 수도 있다.It is preferable to use an acid catalyst such as sulfuric acid as the above catalyst, and the interior of the main body (11) may be lined with titanium or zirconium instead of the conventional glass lining to prevent corrosion by the acid catalyst, thereby preventing cracks or breakage due to external impact.

고농도의 포르말린은 촉매에 의해 트리옥산을 생성하는 과정에서 파라포름알데하이드와 같은 부 반응물이 발생하고 이러한 부 반응물은 리보일러 순환배관(L1)과 리보일러(12)에 내장된 튜브를 막을 수 있으므로, 상기 리보일러 순환배관(L1)을 2개 이상 설치하고 복수의 리보일러 순환배관(L1a, L1b)은 리보일러(12)를 중심으로 서로 대칭적으로 마주보게 배치하는 것이 바람직하다(도 2 참조).High concentration of formalin generates side products such as paraformaldehyde in the process of generating trioxane by a catalyst, and these side products can block the reboiler circulation pipe (L1) and the tubes built into the reboiler (12). Therefore, it is preferable to install two or more reboiler circulation pipes (L1) and arrange the multiple reboiler circulation pipes (L1a, L1b) to face each other symmetrically with the reboiler (12) as the center (see FIG. 2).

리보일러 순환배관(L1)이 내부에 흐르는 반응 혼합물에 비하여 온도가 낮으면 부 반응물인 파라포름알데하이드 등이 석출하여 배관 내벽에 부착하므로 리보일러 순환배관(L1)의 외부를 보온하여 이를 방지한다.If the temperature of the reboiler circulation pipe (L1) is lower than that of the reaction mixture flowing inside, by-products such as paraformaldehyde precipitate and attach to the inner wall of the pipe, so the outside of the reboiler circulation pipe (L1) is insulated to prevent this.

종래에는 리보일러 순환배관(L1)의 외부에 스팀 재킷(steam jacket)을 설치하여 스팀 재킷 내부에 흐르는 고온의 스팀을 이용하여 배관을 보온하나, 스팀이 스팀 재킷 내부에서 응축하고 응축수의 배출이 원활하지 못하면 해머링(hammering) 현상이 발생하며, 해머링 현상은 배관에 강한 충격을 주어 배관에 변형이나 파손을 야기하므로 반응 혼합물의 순환에 장애가 발생할 수 있다.Conventionally, a steam jacket is installed on the outside of a reboiler circulation pipe (L1) to insulate the pipe using the high-temperature steam flowing inside the steam jacket. However, if the steam condenses inside the steam jacket and the condensate is not discharged smoothly, a hammering phenomenon occurs. The hammering phenomenon gives a strong impact to the pipe, causing deformation or damage to the pipe, which may hinder the circulation of the reaction mixture.

이를 해결하기 위하여 스팀 자켓 대신에 스팀 트레이싱(steam tracing)을 설치할 수 있는데, 스팀 트레이싱은 내부에 스팀이 흐르는 스팀 튜브를 배관에 직접 닿도록 감아서 열전달 효율을 높이고 스팀 튜브의 외부는 보온재로 감싸서 스팀의 열이 외부로 손실되는 것을 억제하나, 이는 스팀 트레이싱의 스팀이 공급되는 입구 쪽은 스팀 온도가 높아서 리보일러 순환배관(L1a, L1b)이 과열되고 이로 인해 배관 내의 반응 혼합물이 국부 과열로 인하여 증발할 수 있으며, 증발된 증기는 반응 혼합물의 흐름을 방해하여 리보일러(12)의 효율이 감소하며, 스팀이 배출되는 출구 쪽은 스팀 온도가 낮아져 배관의 보온 효과가 감소함에 따라 부 반응물이 석출하여 배관 내벽에 부착하고 이로 인해 반응 혼합물의 흐름이 방해를 받아서 리보일러(12)의 효율이 감소하게 된다.To solve this problem, steam tracing can be installed instead of a steam jacket. Steam tracing increases heat transfer efficiency by wrapping steam tubes, through which steam flows, so that they are in direct contact with the pipe, and the outside of the steam tubes is wrapped with insulating material to prevent heat from being lost to the outside. However, the steam temperature is high on the inlet side of the steam tracing where steam is supplied, so that the reboiler circulation pipes (L1a, L1b) are overheated, and as a result, the reaction mixture inside the pipe may evaporate due to local overheating. The evaporated steam interferes with the flow of the reaction mixture, which reduces the efficiency of the reboiler (12). On the outlet side where steam is discharged, the steam temperature is low, so that the insulating effect of the pipe is reduced, and by-products are precipitated and attached to the inner wall of the pipe, which interferes with the flow of the reaction mixture, thereby reducing the efficiency of the reboiler (12).

이에, 리보일러 순환배관(L1)의 외부를 먼저 보온재로 감싸고 보온재 외곽에 링 타입(ring type)의 스팀헤더(steam header) 배관(L6)을 설치하며, 스팀헤더 배관(L6)에 여러 개의 스팀 튜브(L7)를 연결하여 보온재 외부에 감은 다음 스팀 튜브(L7) 외부를 다시 보온재로 감싸서 스팀의 열이 외부로 손실되는 것을 억제한다(도 3 참조).Accordingly, the outside of the reboiler circulation pipe (L1) is first wrapped with insulation material, and a ring type steam header pipe (L6) is installed on the outside of the insulation material, and several steam tubes (L7) are connected to the steam header pipe (L6) and wrapped around the outside of the insulation material, and then the outside of the steam tubes (L7) is wrapped again with insulation material to prevent the heat of the steam from being lost to the outside (see Fig. 3).

스팀헤더 배관(L6)은 복수의 리보일러 순환배관(L1a, L1b) 각각에 설치하고 각각의 리보일러 순환배관(L1a, L1b)의 상·하부에 복수개 설치할 수 있으며, 스팀헤더 배관(L6) 내의 스팀은 스팀 튜브(L7)를 통하여 리보일러 순환배관(L1a, L1b)의 보온재 외부에 균등하게 공급되므로 리보일러 순환배관(L1a, L1b) 내 반응 혼합물의 국부 과열 또는 온도 저하가 방지되어 리보일러(12)의 효율적인 운전이 가능하다.A steam header pipe (L6) is installed in each of a plurality of reboiler circulation pipes (L1a, L1b), and a plurality of steam header pipes (L6) can be installed above and below each reboiler circulation pipe (L1a, L1b). Steam in the steam header pipe (L6) is evenly supplied to the outside of the insulation material of the reboiler circulation pipe (L1a, L1b) through the steam tube (L7), so that local overheating or temperature drop of the reaction mixture in the reboiler circulation pipe (L1a, L1b) is prevented, enabling efficient operation of the reboiler (12).

선행기술문헌인 한국공개특허 제10-2006-0043301호와 한국등록특허 제10-1092220호에서는 트리옥산 반응기의 반응 혼합물이 하부 배관을 통하여 가열장치로 이송되어 가열된 후 배관을 통하여 다시 반응기의 하부로 반송되는데, 반응 혼합물의 이송과 반송 과정에서 파라포름알데하이드가 석출하면서 배관의 내벽과 가열장치의 튜브에 부착하여 반응기의 연속 운전을 방해하나, 상기와 같이 본체(11)와 리보일러(12)를 상하 일체로 접촉 설치하여 반응 혼합물이 본체(11)에서 리보일러(12)로 이송되는 구간을 최단거리로 줄이고 리보일러(12)에서 본체(11)로 반송되는 구간을 없애며 스팀헤더 배관(L6)을 이용하여 국부 과열이나 온도 저하를 방지함으로써 리보일러(12)의 튜브와 리보일러 순환배관(L1)에서 파라포름알데하이드의 석출을 억제할 수 있어서 본체(11)와 리보일러(12)를 순환하는 반응 혼합물의 흐름이 방해받지 않고 연속 운전이 가능하다.In prior art documents, Korean Patent Publication No. 10-2006-0043301 and Korean Registration Patent No. 10-1092220, the reaction mixture of the trioxane reactor is transferred to the heating device through the lower pipe, heated, and then returned to the lower part of the reactor through the pipe. During the transfer and return process of the reaction mixture, paraformaldehyde precipitates and attaches to the inner wall of the pipe and the tube of the heating device, thereby hindering the continuous operation of the reactor. However, as described above, by installing the main body (11) and the reboiler (12) in contact with each other from above and below, the section in which the reaction mixture is transferred from the main body (11) to the reboiler (12) is reduced to the shortest distance, the section in which the reaction mixture is returned from the reboiler (12) to the main body (11) is eliminated, and the steam header pipe (L6) is used to prevent local overheating or temperature drop, thereby suppressing the precipitation of paraformaldehyde in the tube of the reboiler (12) and the reboiler circulation pipe (L1). Continuous operation is possible without interruption in the flow of the reaction mixture circulating through the main body (11) and the reboiler (12).

포르말린을 트리옥산으로 반응시키는 공정에서는 일반적으로 황산과 같은 산 촉매를 사용하는데, 이러한 산 촉매는 트리옥산 반응기(10)의 운전 중 일부가 작은 물방울 형태로 본체(11)의 내부 벽면을 타고 올라가 상부의 증기가 배출되는 통로로 유출되며, 유출된 산 촉매는 후 공정의 라이닝되지 않은 설비에 부식을 유발한다.In the process of reacting formalin with trioxane, an acid catalyst such as sulfuric acid is generally used. During the operation of the trioxane reactor (10), some of this acid catalyst rises up the inner wall of the main body (11) in the form of small water droplets and flows out through the passage where the vapor is discharged at the top. The flowed out acid catalyst causes corrosion in unlined equipment of the subsequent process.

이를 방지하기 위하여, 트리옥산 반응기(10) 본체(11)의 증기 배출 통로인 증기배관(L3)의 본체(11) 내부 입구에 미스트 분리기(13)를 설치하는 것이 바람직하다.To prevent this, it is desirable to install a mist separator (13) at the inlet inside the main body (11) of the steam pipe (L3), which is the steam discharge passage of the main body (11) of the trioxane reactor (10).

상기 미스트 분리기(13)는 양쪽 개구부의 크기가 동일한 원통-1(13-1)과 양쪽 개구부의 크기가 다른 테이퍼형(tapered shape) 원통-2(13-2)를 결합한 형상으로서, 원통-2의 넓은 쪽 개구부 지름은 원통-1의 개구부 지름보다 크고, 원통-1의 일측 개구부는 원통-2의 좁은 쪽 개구부와 빈틈없이 결합되며, 원통-1의 타측 개구부는 증기배관(L3)의 입구를 중심으로 가장자리에 빈틈없이 결합된다(도 4 참조).The above mist separator (13) is a shape that combines a cylinder-1 (13-1) having the same size of both openings and a tapered cylinder-2 (13-2) having different sizes of both openings, the diameter of the wide opening of the cylinder-2 is larger than the diameter of the opening of the cylinder-1, one opening of the cylinder-1 is joined to the narrow opening of the cylinder-2 without a gap, and the other opening of the cylinder-1 is joined to the edge without a gap centered on the inlet of the steam pipe (L3) (see FIG. 4).

따라서 원통-2의 넓은 쪽 개구부는 하방향으로 배치되어 본체(11)의 내벽을 따라 올라온 산 촉매는 미스트 분리기(13)의 원통-1과 원통-2의 외벽을 따라 하향하다가 원통-2의 넓은 쪽 개구부 끝단에서 자연낙하하게 된다.Accordingly, the wide opening of cylinder-2 is positioned downward, so that the acid catalyst that rises along the inner wall of the main body (11) flows downward along the outer walls of cylinders-1 and-2 of the mist separator (13) and naturally falls from the end of the wide opening of cylinder-2.

또한, 도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 트리옥산 생산설비가 부호 100으로서 지시되어 있다.Additionally, in FIG. 1, a trioxane production facility according to one embodiment of the present invention is indicated by reference numeral 100.

트리옥산 생산설비(100)는 본체(11)와 리보일러(12)로 구성되어 가열에 의해 포르말린을 트리옥산으로 중합하는 트리옥산 반응기(10); 상기 본체(11)의 상부로부터 유입되는 기체가 기액 분리되는 트리옥산 증류탑(20); 상기 트리옥산 증류탑(20) 하단의 액체를 리보일러(12)로 이송하는 회수펌프(30); 상기 트리옥산 증류탑(20)의 상부로부터 배출되는 기체를 냉각시켜 응축하는 냉각기(40); 상기 냉각기(40)에서 응축된 응축액을 수용하는 환류드럼(50); 상기 환류드럼(50)의 응축액을 트리옥산 증류탑(20)의 상부로 반송하는 환류펌프(60); 및 상기 트리옥산 증류탑(20)의 상부로부터 배출되는 기체 중 일부를 조 폴리머 중합공정(도시하지 않음)으로 이송하는 증류탑 상부배관(L4);을 포함한다.The trioxane production facility (100) comprises a main body (11) and a reboiler (12), and includes a trioxane reactor (10) that polymerizes formalin into trioxane by heating; a trioxane distillation tower (20) in which gas flowing in from the upper portion of the main body (11) is separated into gas and liquid; a recovery pump (30) that transfers liquid from the lower portion of the trioxane distillation tower (20) to the reboiler (12); a cooler (40) that cools and condenses gas discharged from the upper portion of the trioxane distillation tower (20); a reflux drum (50) that receives the condensate condensed in the cooler (40); a reflux pump (60) that returns the condensate of the reflux drum (50) to the upper portion of the trioxane distillation tower (20); and a distillation tower upper pipe (L4) that transfers some of the gas discharged from the upper portion of the trioxane distillation tower (20) to a crude polymerization process (not shown).

트리옥산 증류탑(20)에는 밸브트레이(valve tray)가 내장되어 트리옥산 반응기(10)로부터 인입되는 증기가 기액분리되며, 트리옥산 증류탑(20) 상단의 분리된 기체는 증류탑 상부배관(L4)을 통하여 냉각기(40) 또는 조 폴리머 중합공정으로 이송되고, 트리옥산 증류탑(20) 하단의 분리된 액체는 회수펌프(30)를 통하여 트리옥산 반응기(10)로 반송된다.A valve tray is built into the trioxane distillation tower (20) so that the vapor introduced from the trioxane reactor (10) is separated into gas and liquid. The separated gas at the top of the trioxane distillation tower (20) is transferred to a cooler (40) or a crude polymerization process through the upper pipe (L4) of the distillation tower, and the separated liquid at the bottom of the trioxane distillation tower (20) is returned to the trioxane reactor (10) through the recovery pump (30).

상기 회수펌프(30)의 토출구에는 포르말린 회수배관(L2)이 설치되어 리보일러 순환배관(L1)에 접속되고, 포르말린 회수배관(L2)은 복수의 리보일러 순환배관(L1a, L1b)에 각각 접속되며, 포르말린 회수배관(L2)에는 트리옥산 반응기(10)에 고농도의 포르말린을 공급하는 포르말린 공급원(S1)이 접속되어 있다(도 2 참조).A formalin recovery pipe (L2) is installed at the discharge port of the above recovery pump (30) and connected to a reboiler circulation pipe (L1). The formalin recovery pipe (L2) is connected to a plurality of reboiler circulation pipes (L1a, L1b), and a formalin supply source (S1) for supplying high-concentration formalin to a trioxane reactor (10) is connected to the formalin recovery pipe (L2) (see FIG. 2).

상기 증류탑 상부배관(L4)에는 질소공급원(S3)과 연결된 질소공급관(L5)이 접속되고 질소공급관(L5)에는 질소공급밸브(V1)가 설치되며, 질소공급관(L5) 접속부의 하류(downstream)에는 압력조절장치(PIC)가 설치되고 압력조절장치(PIC)의 하류에는 압력조절밸브(V2)가 설치되어 있으며, 압력조절장치(PIC)가 증류탑 상부배관(L4)의 압력을 측정하여 질소공급밸브(V1)와 압력조절밸브(V2)를 제어함으로써 트리옥산 증류탑(20) 내의 운전압력을 조절한다.A nitrogen supply pipe (L5) connected to a nitrogen supply source (S3) is connected to the upper pipe (L4) of the distillation tower, and a nitrogen supply valve (V1) is installed in the nitrogen supply pipe (L5). A pressure regulating device (PIC) is installed downstream of the connection portion of the nitrogen supply pipe (L5), and a pressure regulating valve (V2) is installed downstream of the pressure regulating device (PIC). The pressure regulating device (PIC) measures the pressure of the upper pipe (L4) of the distillation tower and controls the nitrogen supply valve (V1) and the pressure regulating valve (V2), thereby controlling the operating pressure in the trioxane distillation tower (20).

상기와 같이 구성된 본 발명의 트리옥산 반응기(10) 및 생산설비(100)는 다음과 같이 운전될 수 있다.The trioxane reactor (10) and production facility (100) of the present invention configured as described above can be operated as follows.

먼저, 폴리옥시메틸렌 제조공정의 준비단계로서, 포르말린 농축공정에서 포르말린을 농축하여 고농도의 포르말린, 예를 들어 65~75 중량%의 고농도 포르말린을 제조한 다음(도시하지 않음), 상기 제조된 고농도의 포르말린을 포르말린 공급원(S1), 포르말린 회수배관(L2), 리보일러 순환배관(L1a, L1b) 및 리보일러(12)를 경유하여 트리옥산 반응기(10)의 본체(11)로 공급하고 여기에 산 촉매, 바람직하게는 황산을 반응 혼합물의 적정 농도로 트리옥산 반응기(10)로 공급하며, 열원(S2)으로부터 열매체, 바람직하게는 160~170 ℃의 포화증기를 리보일러(12)에 공급하여 본체(11) 내의 포르말린을 촉매적으로 중합반응시킴으로써 반응산물인 1,3,5-트리옥산을 생성한다.First, as a preparatory step for a polyoxymethylene manufacturing process, formalin is concentrated in a formalin concentration process to manufacture high-concentration formalin, for example, high-concentration formalin of 65 to 75 wt% (not shown), and then the manufactured high-concentration formalin is supplied to the main body (11) of the trioxane reactor (10) via a formalin supply source (S1), a formalin recovery pipe (L2), a reboiler circulation pipe (L1a, L1b), and a reboiler (12), and an acid catalyst, preferably sulfuric acid, is supplied to the trioxane reactor (10) at an appropriate concentration of the reaction mixture, and a heat medium, preferably saturated steam of 160 to 170° C., is supplied from a heat source (S2) to the reboiler (12) to catalytically polymerize the formalin in the main body (11), thereby producing 1,3,5-trioxane as a reaction product.

고농도의 포르말린은 포르말린 공급원(S1)으로부터 연속적으로 공급되고, 촉매는 반응 중에 소모된 양만큼 보충해주어 본체(11) 내 반응 혼합물의 촉매 농도는 항상 일정하게 유지하며, 촉매는 포르말린 공급원(S1)으로부터 고농도의 포르말린이 공급되는 배관을 통하여 공급할 수 있다.High-concentration formalin is continuously supplied from a formalin supply source (S1), and the catalyst is replenished in the amount consumed during the reaction, so that the catalyst concentration of the reaction mixture in the main body (11) is always kept constant. The catalyst can be supplied through a pipe through which high-concentration formalin is supplied from the formalin supply source (S1).

본체(11) 내의 포르말린은 촉매와 함께 자중에 의해 리보일러 순환배관(L1)을 통하여 리보일러(12)의 하부 챔버(chamber)로 내려간 후 리보일러(12)의 튜브를 상방향으로 통과하며, 튜브를 통과하는 동안 튜브의 외측 공간에 공급되는 열매체에 의해 가열되어 다시 본체(11)로 순환된다.Formalin inside the main body (11) descends to the lower chamber of the reboiler (12) through the reboiler circulation pipe (L1) by its own weight together with the catalyst, then passes upward through the tube of the reboiler (12), and while passing through the tube, is heated by the heat medium supplied to the outer space of the tube and circulated back to the main body (11).

트리옥산 반응기(10)는 압력 0.1~4.0 ㎏/㎠.g, 온도 102~115 ℃로 운전되고 본체(11) 내의 포르말린은 농도 40~75 중량%로 유지되며, 반응 혼합물은 포르말린 90~98 중량%와 촉매 2~10 중량%로 구성되고 여기에 부 반응물이 포함되며, 포르말린의 평균 체류시간 약 60 분 정도인 것이 바람직하다.The trioxane reactor (10) is operated at a pressure of 0.1 to 4.0 kg/cm2.g and a temperature of 102 to 115°C, and the formalin in the main body (11) is maintained at a concentration of 40 to 75 wt%, and the reaction mixture is composed of 90 to 98 wt% of formalin and 2 to 10 wt% of a catalyst, including side reactants, and it is preferable that the average residence time of formalin is about 60 minutes.

3 몰(mol)의 포름알데하이드가 반응하여 1 몰의 트리옥산으로 제조되고, 트리옥산 반응기(10) 내의 포르말린 농도, 촉매 농도, 압력 및 온도가 높을수록 트리옥산의 생산량이 증가한다.3 mol (mol) of formaldehyde reacts to produce 1 mol of trioxane, and the higher the formalin concentration, catalyst concentration, pressure, and temperature in the trioxane reactor (10), the higher the production amount of trioxane.

그런데 포르말린 농도가 높으면 트리옥산 생산량을 증가시킬 수 있으나 부 반응물인 파라포름알데하이드가 생성 및 침전될 가능성이 높고, 이로 인해 리보일러(12)의 열교환 효율이 떨어져 트리옥산 생산량이 오히려 감소하며 심할 경우 리보일러(12) 튜브가 막혀서 가동을 중지하고 리보일러(12)를 청소하여야 한다.However, if the formalin concentration is high, the production of trioxane can be increased, but there is a high possibility that paraformaldehyde, a side reaction product, will be generated and precipitated, which reduces the heat exchange efficiency of the reboiler (12), thus reducing the production of trioxane. In severe cases, the reboiler (12) tube may become clogged, requiring the operation to be stopped and the reboiler (12) to be cleaned.

또한, 촉매 농도가 높으면 트리옥산 생산량이 증가하나 상대적으로 부반응도 증가하여 중합반응을 방해하는 불순물이 많이 발생함에 따라 후 공정의 부하율이 증가하고 수율이 감소하며, 반응 혼합물에 메탄올 농도가 높아도 이러한 불순물이 많이 생성되므로 바람직하지 않다.In addition, a high catalyst concentration increases the production of trioxane, but relatively, side reactions also increase, which generates a lot of impurities that interfere with the polymerization reaction, thus increasing the load rate of the post-process and decreasing the yield. In addition, a high methanol concentration in the reaction mixture also generates a lot of these impurities, which is not desirable.

따라서 도 1과 같이 리보일러 순환배관(L1a, L1b)을 2 개 이상 설치하여 반응 혼합물이 리보일러(12)의 튜브를 용이하게 순환하도록 하고, 포르말린 회수배관(L2)을 리보일러 순환배관(L1a, L1b)에 접속시켜 트리옥산 증류탑(20)으로부터 회수되는 저농도의 포르말린을 리보일러(12)로 직접 공급함으로써, 리보일러(12) 튜브 내에 포르말린 농도가 낮아져 파라포름알데하이드의 생성이 감소하고 튜브 벽면에 고착되는 스케일(scale) 발생이 줄어들므로 트리옥산 반응기(10) 및 트리옥산 생산설비(100)의 장기간 운전이 가능하다.Therefore, as shown in Fig. 1, by installing two or more reboiler circulation pipes (L1a, L1b) so that the reaction mixture can easily circulate through the tubes of the reboiler (12), and connecting the formalin recovery pipe (L2) to the reboiler circulation pipes (L1a, L1b) so that low-concentration formalin recovered from the trioxane distillation tower (20) is directly supplied to the reboiler (12), the formalin concentration inside the reboiler (12) tubes is lowered, which reduces the production of paraformaldehyde and reduces the occurrence of scale adhering to the tube walls, thereby enabling long-term operation of the trioxane reactor (10) and the trioxane production facility (100).

또한, 반응 혼합물과 회수 포르말린이 합쳐진 후 리보일러(12)의 튜브를 통과하여 트리옥산 반응기(10)의 하부로 진입하므로, 튜브 내의 유속이 빨라져 스케일 고착을 더욱 감소시키고 빠른 유속은 트리옥산 반응기(10) 내의 반응 혼합물을 빠르게 유동시켜 포르말린과 촉매의 혼합 효율을 증가시키며, 이 결과 트리옥산 중합반응이 촉진되어 단위 시간당 및 부피당 더 많은 트리옥산을 생산할 수 있고 더불어 본체(11)에 별도의 교반 설비를 설치하지 않아도 된다.In addition, since the reaction mixture and the recovered formalin are combined and then pass through the tube of the reboiler (12) to enter the lower part of the trioxane reactor (10), the flow velocity inside the tube becomes fast, which further reduces scale adhesion, and the fast flow velocity quickly flows the reaction mixture inside the trioxane reactor (10) to increase the mixing efficiency of formalin and the catalyst, and as a result, the trioxane polymerization reaction is promoted, so that more trioxane can be produced per unit time and volume, and in addition, there is no need to install a separate stirring facility in the main body (11).

트리옥산 반응기(10)에서 생성된 트리옥산은 미반응 포르말린, 반응된 트리옥산, 물 등과 함께 증기(vapour) 형태로 트리옥산 반응기(10) 상부의 증기배관(L3)을 통하여 트리옥산 증류탑(20)의 하단으로 이송된 후 밸브트레이(valve tray)가 내장된 트리옥산 증류탑(20)을 상승하면서 증기의 트리옥산 농도가 높아지고, 트리옥산 증류탑(20)의 하단에는 물과 일부의 트리옥산이 포함된 저농도의 포르말린이 모이게 된다.Trioxane produced in the trioxane reactor (10) is transferred to the bottom of the trioxane distillation tower (20) through the vapor pipe (L3) at the top of the trioxane reactor (10) in the form of vapor together with unreacted formalin, reacted trioxane, water, etc., and then rises up the trioxane distillation tower (20) equipped with a valve tray, whereby the concentration of trioxane in the vapor increases, and low-concentration formalin containing water and some trioxane is collected at the bottom of the trioxane distillation tower (20).

트리옥산 증류탑(20) 하단의 저농도 포르말린은 회수펌프(30)에 의해 포르말린 회수배관(L2), 리보일러 순환배관(L1), 리보일러(12)를 거쳐 트리옥산 반응기(10)로 회수되며, 포르말린 회수배관(L2)에는 고농도의 포르말린을 공급하는 포르말린 공급원(S1)이 접속되어 고농도 포르말린과 함께 트리옥산 반응에 다시 참여한다.Low-concentration formalin at the bottom of the trioxane distillation tower (20) is recovered to the trioxane reactor (10) via the formalin recovery pipe (L2), the reboiler circulation pipe (L1), and the reboiler (12) by the recovery pump (30), and a formalin supply source (S1) that supplies high-concentration formalin is connected to the formalin recovery pipe (L2) so that it participates in the trioxane reaction again together with the high-concentration formalin.

전 공정(pre-process)인 포르말린 농축공정에서 농축된 고농도의 포르말린은 약 70 ℃ 정도로 온도가 낮아서 100 ℃ 이상으로 운전되는 트리옥산 반응기(10)에 직접 투입되면 온도 차이로 인하여 트리옥산 중합반응에 악영향을 미칠 수 있으나, 상기와 같이 저온의 고농도 포르말린이 자신보다 4배 이상 유량이 많은 고온의 저농도 포르말린과 혼합되어 온도가 1차 상승하고 포르말린 농도가 최적 반응 농도로 조절되며, 리보일러(12)를 통과하면서 열매체에 의해 2차 승온되어 포르말린 온도가 최적 반응 온도로 조절되므로, 포르말린이 최적의 반응 농도와 온도로 조절된 후 반응에 참여할 수 있다.In the formalin concentration process, which is a pre-process, the concentrated high-concentration formalin has a low temperature of about 70°C, and if directly injected into the trioxane reactor (10) operated at over 100°C, it may have a negative effect on the trioxane polymerization reaction due to the temperature difference. However, as described above, the low-temperature, high-concentration formalin is mixed with the high-temperature, low-concentration formalin whose flow rate is four times or more than its own, so that the temperature rises first and the formalin concentration is adjusted to the optimal reaction concentration. Then, as it passes through the reboiler (12), the temperature is raised a second time by the heat medium, so that the formalin temperature is adjusted to the optimal reaction temperature. Therefore, the formalin can participate in the reaction after being adjusted to the optimal reaction concentration and temperature.

통상, 트리옥산 중합반응에 사용하는 촉매는 부식성이 강한 산 촉매를 사용하므로 본체(11)와 리보일러(12)를 순환하는 반응 혼합물에 포함된 촉매가 리보일러(12)의 튜브를 부식시켜 리보일러(12)의 운전 수명을 단축시키는 문제가 있다.Normally, a highly corrosive acid catalyst is used as a catalyst used in trioxane polymerization reaction, so there is a problem that the catalyst included in the reaction mixture circulating through the main body (11) and the reboiler (12) corrodes the tube of the reboiler (12), thereby shortening the operating life of the reboiler (12).

포르말린 공급원(S1)으로부터 공급되는 고농도의 포르말린에는 촉매가 포함되지 않거나 소량 포함되므로 고농도의 포르말린과 저농도 포르말린의 혼합액은 반응 혼합물에 비하여 촉매 농도가 낮으며, 상기와 같이 포르말린 회수배관(L2)을 리보일러 순환배관(L1)에 접속시켜 촉매 농도가 낮은 혼합액을 촉매 농도가 높은 반응 혼합물과 함께 리보일러(12)를 통과시키면 리보일러(12)의 튜브를 통과하는 반응 혼합물의 촉매 농도가 낮아지므로 튜브의 부식을 억제할 수 있다.Since the high-concentration formalin supplied from the formalin supply source (S1) does not contain a catalyst or contains a small amount of catalyst, the mixture of high-concentration formalin and low-concentration formalin has a lower catalyst concentration than the reaction mixture, and as described above, by connecting the formalin recovery pipe (L2) to the reboiler circulation pipe (L1) and allowing the mixture with a low catalyst concentration to pass through the reboiler (12) together with the reaction mixture with a high catalyst concentration, the catalyst concentration of the reaction mixture passing through the tube of the reboiler (12) is lowered, so that corrosion of the tube can be suppressed.

본체(11) 내의 반응 혼합물은 리보일러(12)의 가열에 의해 포르말린이 트리옥산으로 합성되어 상부로 끓어 오르고, 이때 촉매의 일부는 작은 물방울 형태로 본체(11)의 내벽을 타고 상승하는데, 증기배관(L3) 입구에 설치된 미스트 분리기(13)에 의해 촉매 액적(droplet)이 본체(11)로 회수되어 트리옥산 증류탑(20)으로 유출되는 것이 방지된다.The reaction mixture inside the main body (11) boils upwards as formalin is synthesized into trioxane by heating in the reboiler (12), and at this time, some of the catalyst rises along the inner wall of the main body (11) in the form of small water droplets. However, the catalyst droplets are recovered into the main body (11) by the mist separator (13) installed at the inlet of the steam pipe (L3) and prevented from flowing out to the trioxane distillation tower (20).

트리옥산 증류탑(20) 상단의 트리옥산 농도가 높은 증기는 냉각기(40)에서 냉각수에 의해 응축되어 환류드럼(50)으로 이송된 후 환류펌프(60)에 의해 트리옥산 증류탑(20)의 상단으로 반송되며, 환류펌프(60)의 토출 유량을 조절하여 트리옥산 증류탑(20)의 상·하단 온도를 제어할 수 있고 예를 들어 상단 89~99 ℃, 하단 97~107 ℃로 설정할 수 있으며, 이에 따라 트리옥산 증류탑(20)의 상부로 배출되는 증기의 트리옥산 농도를 조절할 수 있다.The vapor with a high trioxane concentration at the top of the trioxane distillation tower (20) is condensed by cooling water in a cooler (40), transferred to a reflux drum (50), and then returned to the top of the trioxane distillation tower (20) by a reflux pump (60). The upper and lower temperatures of the trioxane distillation tower (20) can be controlled by adjusting the discharge flow rate of the reflux pump (60). For example, the upper temperature can be set to 89 to 99° C. and the lower temperature can be set to 97 to 107° C. Accordingly, the trioxane concentration of the vapor discharged to the top of the trioxane distillation tower (20) can be controlled.

포르말린의 중합반응은 반응 압력을 높일수록 정반응으로 진행하여 트리옥산의 생산성이 높아지므로 트리옥산 증류탑(20) 상부의 증류탑 상부배관(L4)에 압력조절장치(PIC)를 설치하여 계 내의 압력을 높이고, 압력 조절을 통하여 트리옥산 반응기(10)의 온도도 용이하게 조절할 수 있다.Since the polymerization reaction of formalin progresses in a forward reaction as the reaction pressure increases, and thus the productivity of trioxane increases, a pressure control device (PIC) is installed in the upper pipe (L4) of the distillation tower (20) to increase the pressure within the system, and the temperature of the trioxane reactor (10) can also be easily controlled through pressure control.

압력조절장치(PIC)는 증류탑 상부배관(L4) 내의 압력을 측정하여 질소공급밸브(V1)와 압력조절밸브(V2)를 조절하며, 계 내 압력이 낮아지면 질소공급밸브(V1)를 열어서 질소공급원(S3)의 질소를 공급함으로써 압력을 높이고, 계 내 압력이 높으면 압력조절밸브(V2)를 열어서 트리옥산 생산공정의 압력을 조절할 수 있다.The pressure regulating device (PIC) measures the pressure inside the distillation column upper pipe (L4) and controls the nitrogen supply valve (V1) and the pressure regulating valve (V2). When the pressure inside the system drops, the nitrogen supply valve (V1) is opened to supply nitrogen from the nitrogen source (S3), thereby increasing the pressure. When the pressure inside the system is high, the pressure regulating valve (V2) is opened to control the pressure of the trioxane production process.

종래의 트리옥산 증류탑은 상층부를 진공상태로 유지하는데, 진공상태에서는 외부공기가 유입되기 쉬워서 트리옥산이 공기 중의 산소와 접촉하여 불안정한 상태로 변하면서 산화되어 포름산과 포름알데하이드로 변할 가능성이 상존하나, 상기와 같이 트리옥산 생산설비(100)를 정압, 예를 들어 5~7 ㎪로 유지하면 이러한 현상 또한 방지할 수 있다.The conventional trioxane distillation tower maintains the upper part in a vacuum state, but in a vacuum state, outside air is easily drawn in, so there is a constant possibility that trioxane may come into contact with oxygen in the air, become unstable, and be oxidized to change into formic acid and formaldehyde. However, if the trioxane production facility (100) is maintained at a constant pressure, for example, 5 to 7 kPa, as described above, this phenomenon can also be prevented.

증류탑 상부배관(L4)을 흐르는 트리옥산 증기의 일부는 후공정(post-process)인 중합공정으로 이송되어 폴리옥시메틸렌으로 제조되며, 트리옥산 증기를 트리옥산 흡수탑과 추출탑(도시하지 않음)을 거쳐 순수한 트리옥산으로 정제한 후 폴리옥시메틸렌 제조를 위한 조 폴리머 중합공정으로 이송할 수 있다.A portion of the trioxane vapor flowing through the upper pipe (L4) of the distillation tower is transferred to a polymerization process, which is a post-process, and is manufactured into polyoxymethylene. The trioxane vapor can be purified into pure trioxane through a trioxane absorption tower and an extraction tower (not shown) and then transferred to a crude polymerization process for manufacturing polyoxymethylene.

상기의 트리옥산 증기에는 대략 트리옥산 55 중량%, 포름알데하이드 18 중량%, 물 26 중량%와 부 반응물로서 미량의 메틸알(methylal), 포름산메틸(methyl formate), 폴리옥시메틸렌 디메톡사이드(polyoxymethylene dimethoxide), 파라포름알데하이드 등이 포함되며, 포름알데하이드의 전환율은 75.7 % 정도이고, 공간-시간 수율(반응한 포름알데하이드의 양을 기준)은 포름알데하이드 1 ㎏당 시간당 트리옥산 550 g 정도로서, 종래의 트리옥산 생산설비에 비해 높은 생산성을 달성할 수 있다.The above trioxane vapor contains approximately 55 wt% of trioxane, 18 wt% of formaldehyde, 26 wt% of water, and trace amounts of methylal, methyl formate, polyoxymethylene dimethoxide, paraformaldehyde, etc. as by-products. The formaldehyde conversion rate is approximately 75.7%, and the space-time yield (based on the amount of reacted formaldehyde) is approximately 550 g of trioxane per hour per 1 kg of formaldehyde, which can achieve higher productivity compared to conventional trioxane production facilities.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 예시적으로 설명한 것일 뿐 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 및 균등한 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하고 이와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.The above description is not intended to limit the technical idea of the present invention, but is merely an example, and various substitutions and equivalent modifications and variations are possible within the scope that does not depart from the technical idea of the present invention, and the protection scope of the present invention should be interpreted by the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be understood to be included in the scope of the rights of the present invention.

100:트리옥산 생산설비, 10:트리옥산 반응기, 11:본체, 12:리보일러, 13:미스트 분리기, 13-1:원통-1, 13-2:원통-2, 20:트리옥산 증류탑, 30:회수펌프, 40:냉각기, 50:환류드럼, 60:환류펌프
L1/L1a/L1b:리보일러 순환배관, L2:포르말린 회수배관, L3:증기배관, L4:증류탑 상부배관, L5:질소공급관, L6:스팀헤더 배관, L7:스팀 튜브
S1:포르말린 공급원, S2:열원, S3:질소공급원
PIC:압력조절장치, V1:질소공급밸브, V2:압력조절밸브
100: Trioxane production facility, 10: Trioxane reactor, 11: Main body, 12: Reboiler, 13: Mist separator, 13-1: Cylinder-1, 13-2: Cylinder-2, 20: Trioxane distillation tower, 30: Recovery pump, 40: Cooler, 50: Reflux drum, 60: Reflux pump
L1/L1a/L1b: reboiler circulation pipe, L2: formalin recovery pipe, L3: steam pipe, L4: distillation tower top pipe, L5: nitrogen supply pipe, L6: steam header pipe, L7: steam tube
S1: formalin source, S2: heat source, S3: nitrogen source
PIC:Pressure regulator, V1:Nitrogen supply valve, V2:Pressure regulating valve

Claims (7)

포르말린과 촉매가 인입되고, 가열에 의해 포르말린이 중합되어 트리옥산을 생성하는 본체(11);
상기 본체(11)의 하부 중심과 유통가능하게 일체로 설치되고, 본체(11)로부터 인입되는 반응 혼합물을 가열하여 본체(11)로 반송하는 리보일러(12);
일단이 상기 본체(11)의 하부에 접속되고 타단이 리보일러(12)의 하부에 접속되어 본체(11)의 반응 혼합물을 리보일러(12)의 하부로 이송하는 리보일러 순환배관(L1); 및
상기 리보일러 순환배관(L1)에 접속되어 고농도의 포르말린과 저농도의 포르말린을 공급하는 포르말린 회수배관(L2);을 포함하는 트리옥산 반응기(10).
A body (11) into which formalin and a catalyst are introduced and the formalin is polymerized by heating to produce trioxane;
A reboiler (12) installed integrally with the lower center of the main body (11) so as to be circulated, and heats the reaction mixture introduced from the main body (11) and returns it to the main body (11);
A reboiler circulation pipe (L1) having one end connected to the lower part of the main body (11) and the other end connected to the lower part of the reboiler (12) to transfer the reaction mixture of the main body (11) to the lower part of the reboiler (12); and
A trioxane reactor (10) including a formalin recovery pipe (L2) connected to the above reboiler circulation pipe (L1) and supplying high-concentration formalin and low-concentration formalin.
청구항 1에 있어서,
상기 리보일러 순환배관(L1)은 2개 이상 설치되고, 복수의 리보일러 순환배관(L1a, L1b)은 리보일러(12)를 중심으로 서로 대칭적으로 마주보게 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 트리옥산 반응기(10).
In claim 1,
A trioxane reactor (10) characterized in that two or more reboiler circulation pipes (L1) are installed, and a plurality of reboiler circulation pipes (L1a, L1b) are arranged symmetrically facing each other with the reboiler (12) as the center.
청구항 1에 있어서,
상기 리보일러 순환배관(L1)은 배관 외부를 보온재로 감싸고 보온재 외곽에 링 타입의 스팀헤더 배관(L6)을 설치하며, 스팀헤더 배관(L6)에 여러 개의 스팀 튜브(L7)를 연결하여 상기 보온재 외부를 감은 다음 스팀 튜브(L7) 외부를 다시 보온재로 감싸는 것을 특징으로 하는 트리옥산 반응기(10).
In claim 1,
A trioxane reactor (10) characterized in that the above reboiler circulation pipe (L1) is wrapped with insulating material on the outside of the pipe, a ring-type steam header pipe (L6) is installed on the outside of the insulating material, several steam tubes (L7) are connected to the steam header pipe (L6) to wrap around the outside of the insulating material, and then the outside of the steam tubes (L7) is wrapped again with insulating material.
청구항 1에 있어서,
상기 본체(11)의 상부에 증기가 배출되는 증기배관(L3)이 설치되고, 본체(11) 내부의 증기배관(L3) 입구에 미스트 분리기(13)가 설치되며,
상기 미스트 분리기(13)는 양쪽 개구부의 크기가 동일한 원통-1(13-1)과 양쪽 개구부의 크기가 다른 테이퍼형 원통-2(13-2)을 결합한 형상으로서, 원통-2의 넓은 쪽 개구부 지름은 원통-1의 개구부 지름보다 크고, 원통-1의 일측 개구부는 원통-2의 좁은 쪽 개구부와 빈틈없이 결합되며, 원통-1의 타측 개구부는 증기배관(L3)의 입구를 중심으로 가장자리에 빈틈없이 결합된 것을 특징으로 하는 트리옥산 반응기(10).
In claim 1,
A steam pipe (L3) for discharging steam is installed on the upper part of the main body (11), and a mist separator (13) is installed at the inlet of the steam pipe (L3) inside the main body (11).
The above mist separator (13) is a trioxane reactor (10) characterized in that it is a shape that combines a cylinder-1 (13-1) having the same size of both openings and a tapered cylinder-2 (13-2) having different sizes of both openings, the diameter of the wide opening of the cylinder-2 is larger than the diameter of the opening of the cylinder-1, one opening of the cylinder-1 is joined to the narrow opening of the cylinder-2 without a gap, and the other opening of the cylinder-1 is joined to the edge without a gap centered on the inlet of the steam pipe (L3).
청구항 1에 있어서,
상기 본체(11)의 내부는 유리, 티타늄 또는 지르코늄으로 라이닝되어 있는 것을 특징으로 하는 트리옥산 반응기(10).
In claim 1,
A trioxane reactor (10) characterized in that the interior of the main body (11) is lined with glass, titanium or zirconium.
포르말린과 촉매가 인입되고 가열에 의해 포르말린이 중합되어 트리옥산을 생성하는 본체(11), 상기 본체(11)의 하부 중심과 유통가능하게 일체로 설치되고 본체(11)로부터 인입되는 반응 혼합물을 가열하여 본체(11)로 반송하는 리보일러(12), 일단이 상기 본체(11)의 하부에 접속되고 타단이 리보일러(12)의 하부에 접속되어 본체(11)의 반응 혼합물을 리보일러(12)의 하부로 이송하는 리보일러 순환배관(L1) 및 상기 리보일러 순환배관(L1)에 접속되어 고농도의 포르말린과 저농도의 포르말린을 공급하는 포르말린 회수배관(L2)을 포함하는 트리옥산 반응기(10);
상기 본체(11)의 상부로부터 유입되는 기체가 기액 분리되는 트리옥산 증류탑(20);
상기 트리옥산 증류탑(20) 하단의 액체를 포르말린 회수배관(L2)으로 이송하는 회수펌프(30);
상기 트리옥산 증류탑(20)의 상부로부터 배출되는 기체를 응축시키는 냉각기(40);
상기 냉각기(40)에서 응축된 응축액을 수용하는 환류드럼(50);
상기 환류드럼(50)의 응축액을 트리옥산 증류탑(20)의 상부로 반송하는 환류펌프(60); 및
상기 트리옥산 증류탑(20)의 상부로부터 배출되는 기체를 조 폴리머 중합공정으로 이송하는 증류탑 상부배관(L4);을 포함하는 트리옥산 생산설비(100).
A trioxane reactor (10) including a main body (11) into which formalin and a catalyst are introduced and the formalin is polymerized by heating to produce trioxane, a reboiler (12) which is installed integrally with the lower center of the main body (11) so as to be circulated and which heats a reaction mixture introduced from the main body (11) and returns it to the main body (11), a reboiler circulation pipe (L1) which has one end connected to the lower part of the main body (11) and the other end connected to the lower part of the reboiler (12) and which transports the reaction mixture of the main body (11) to the lower part of the reboiler (12), and a formalin recovery pipe (L2) which is connected to the reboiler circulation pipe (L1) and supplies high-concentration formalin and low-concentration formalin;
A trioxane distillation tower (20) in which gas flowing in from the upper part of the main body (11) is separated into gas and liquid;
A recovery pump (30) that transfers the liquid at the bottom of the above trioxane distillation tower (20) to a formalin recovery pipe (L2);
A cooler (40) that condenses the gas discharged from the upper portion of the trioxane distillation tower (20);
A reflux drum (50) that receives the condensate condensed in the above cooler (40);
A reflux pump (60) that returns the condensate of the above reflux drum (50) to the upper part of the trioxane distillation tower (20); and
A trioxane production facility (100) including a distillation tower upper pipe (L4) for transporting gas discharged from the upper portion of the trioxane distillation tower (20) to a crude polymerization process.
청구항 6에 있어서,
상기 증류탑 상부배관(L4)에 질소공급원(S3)과 연결된 질소공급관(L5)이 접속되고 질소공급관(L5)에는 질소공급밸브(V1)가 설치되며, 질소공급관(L5) 접속부의 하류에는 압력조절장치(PIC)가 설치되고 압력조절장치(PIC)의 하류에는 압력조절밸브(V2)가 설치되어, 압력조절장치(PIC)가 증류탑 상부배관(L4)의 압력을 측정하여 질소공급밸브(V1)와 압력조절밸브(V2)를 제어하는 것을 특징으로 하는 트리옥산 생산설비(100).
In claim 6,
A trioxane production facility (100) characterized in that a nitrogen supply pipe (L5) connected to a nitrogen supply source (S3) is connected to the upper pipe (L4) of the distillation tower, a nitrogen supply valve (V1) is installed in the nitrogen supply pipe (L5), a pressure regulating device (PIC) is installed downstream of the connection portion of the nitrogen supply pipe (L5), and a pressure regulating valve (V2) is installed downstream of the pressure regulating device (PIC), and the pressure regulating device (PIC) measures the pressure of the upper pipe (L4) of the distillation tower and controls the nitrogen supply valve (V1) and the pressure regulating valve (V2).
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