1. 아크릴산 개요

아크릴산(AA)은 중요한 불포화 유기산이자 기본 화학 모노머이다. 분자 구조에는 카복실기와 탄소-탄소 이중 결합이 모두 포함되어 있어 높은 화학 반응성을 지닌다.

슈퍼흡수성 폴리머, 아크릴 에스터, 접착제, 코팅제, 에멀젼 및 다양한 기능성 고분자 재료 제조에 광범위하게 사용된다.

산업용 아크릴산은 주로 프로필렌 또는 아크롤레인의 촉매 산화를 통해 생산된다. 원료 아크릴산에는 일반적으로 물, 아세트산, 포름산, 아세트알데하이드, 아크롤레인 등 저비점 불순물과 말레산/말레산 무수물, 벤즈알데하이드, 아크릴산 이량체 등 고비점 부산물이 포함되어 있다. 제조 공정에 따라 프로피온산 및 퓨르푸랄과 같은 미량 불순물도 관리해야 할 수 있다.

아크릴산의 대기압 끓는점은 약 141°C이며, 또한 고도로 중합 가능한 모노머이다. 온도 상승, 억제제 조절 부족, 국부적 과열 또는 불순물 오염은 모두 원치 않는 중합 위험을 증가시킬 수 있다.

따라서 아크릴산 정제는 단순히 제품 순도를 높이는 작업이 아니다. 신뢰할 수 있는 공정은 낮은 끓는점 불순물 제거, 고체 잔류물에서의 아크릴산 회수, 그리고 정제 시스템 전체에 걸친 중합 반응 억제를 동시에 해결해야 한다.

고순도 빙결 아크릴산(GAA)의 경우, 일반적으로 제품 순도를 99.5% 이상으로 목표로 하며, 수분 함량, 색도 및 저해제 함량에 대해 엄격한 규격을 요구한다.

2. 아크릴산 정제의 주요 과제

과제 1: 높은 수분 함량 및 복잡한 낮은 끓는점 불순물

원료 아크릴산에는 물, 아세트산, 포름산 및 다양한 알데하이드 불순물이 포함될 수 있으며, 이들은 각기 다른 휘발성을 지닌다. 단순 증발 공정으로 일부 경질 성분을 제거할 수는 있으나, 최종 제품 내 잔류 산, 알데하이드 및 수분 함량을 일관되게 조절하기는 어렵다.

이것은 아크릴산이 하류 중합 공정에 사용될 때 특히 중요해진다. 극미량의 불순물조차도 최종 제품의 순도, 색상, 중합 거동 및 최종 중합체 품질에 영향을 줄 수 있다.

YHCHEM SOLUTION

YHCHEM은 휘발도 차이에 따라 물과 저비점 불순물을 분리하기 위해 단계적 진공 증류를 사용한다. 압력 강하가 낮은 충전재, 최적화된 환류 제어 및 액체 보유량 감소 기술을 결합함으로써, 시스템은 분리 효율을 높이면서도 고온 구역 내 아크릴산의 체류 시간을 줄인다.

 

수분 함량이 상대적으로 높거나 불순물 프로파일이 복잡한 원료의 경우, 추가 탈수 장치 또는 전처리 장치를 공정에 통합할 수도 있다.

과제 2: 아크릴산 중합, 오염 및 탑 막힘

기존의 배치식 증류 공정에서는 아크릴산이 재비등기 및 탑 하부에 오랜 시간 머무를 수 있다. 국소 온도가 과도하게 상승하거나 저해제 조건이 불안정해지면 아크릴산이 이량체화 또는 중합 반응을 일으킬 수 있다. 이렇게 생성된 중합체는 열교환기, 충전재, 배관 등에 퇴적되어 열전달 효율 저하, 압력 강하 증가, 오염, 심지어 막힘 현상을 유발할 수 있다.

YHCHEM SOLUTION

아크릴산의 기화 온도를 낮추기 위해 진공 작동 방식을 채택하며, 연속적인 공급 및 배출과 낮은 용량 설계를 통해 고온 영역 내 체류 시간을 단축한다.

이 시스템은 또한 저해제 주입, 온도 모니터링, 진공 제어, 이상 온도 연동 보호 기능을 통합할 수 있다. 온도, 진공도, 체류 시간, 저해제 조건을 조율함으로써 공정 측면과 장비 설계 측면 모두에서 중합 위험을 줄인다.

과제 3: 중성분 축적 및 아크릴산 손실

정류가 진행됨에 따라 말레인 화합물, 아크릴산 이량체, 올리고머 및 기타 고비점 불순물이 탑 바닥에 점차 축적된다. 이러한 중잔류물을 계속 가열하면 에너지 소비가 증가할 뿐만 아니라 이량체화 및 중합 반응도 가속화될 수 있다. 그러나 잔류물을 직접 배출하면 회수 가능한 아크릴산의 상당한 손실이 발생할 수 있다.

YHCHEM SOLUTION

정류 시스템 하류에 중잔류물로부터 아크릴산을 심층적으로 회수하기 위한 와이프드 필름 증발기가 설치된다. 회전식 와이퍼가 물질을 가열면 위에 얇고 균일한 막으로 분산시킨다. 따라서 잔류 아크릴산은 짧은 체류 시간 내에 신속하게 기화되며, 이량체, 올리고머 및 기타 고비점 잔류물은 중상 배출구를 통해 지속적으로 배출된다.

주 정제 공정용 정류 + 잔류물 회수용 와이프드 필름 증발

증류탑을 강제로 작동시켜 점점 농축되는 바닥 잔류물을 계속해서 기화시키는 대신, 와이프드 필름 증발기는 귀중한 아크릴산을 회수하면서 장시간 열 노출을 최소화하는 데 더 적합한 방법을 제공한다.

 

3. YHCHEM 통합 아크릴산 정제 공정

아크릴산의 특성—즉, 중합이 용이하고 불순물 조성이 복잡하며 고비점 잔류물 처리가 어려운 점—을 고려하여 YHCHEM은 통합 연속 정제 공정을 제안한다.

공급원료 전처리 → 진공 경질성분 제거/탈수 → 아크릴산 증류 → 와이프드 필름 잔류물 회수 → 제품 응축 및 안정화

진공 증류와 와이프드 필름 증발을 결합함으로써 각기 다른 불순물을 전용 공정 단계에서 개별적으로 처리할 수 있다.

3.1 공급원료 전처리 및 중합 억제

정제 이전에 공급 원료의 조성, 수분 함량, 저비점 불순물, 고비점 성분 및 억제제 상태를 분석한다. 실제 원료의 특성에 따라 여과, 예열 및 억제제 투입 시스템을 구성하여 하류 증류 공정에 안정적인 공급 조건을 제공할 수 있다.

3.2 진공 저비점 성분 제거 및 탈수

진공 작동은 시스템의 분리 온도를 낮춘다. 증류 탑 내 다단계 기체-액체 질량이동을 통해 물, 아세트산 및 기타 저비점 성분을 효과적으로 제거할 수 있다.

환류비, 공급 위치 및 탑 내부 부하를 최적화하여 경질 성분 분리를 효율적으로 수행하면서 아크릴산이 고온 구역에 머무는 시간을 최소화한다.

3.3 증류에 의한 아크릴산 정제

경질 성분을 제거한 후, 원료는 주 정제 탑으로 유입된다. 진공도, 환류비, 액체 보유량 및 재비등기 열 부하를 조정하여 아크릴산 순도를 추가로 향상시킨다.

프로피온산과 같은 끓는점에 가까운 불순물 함량이 상대적으로 높은 특수 원료의 경우, 단순히 온도나 환류비를 증가시키는 대신, 공급 원료의 GC 분석 결과와 목표 제품 사양에 따라 정제 공정을 별도로 설계해야 한다.

3.4 와이프드 필름 증발에 의한 고비점 잔류물 회수

정류탑 하부에서 배출되는 고비점 잔류물이 연속적으로 와이프드 필름 증발기로 유입된다. 와이퍼는 원료를 균일한 얇은 막으로 형성하여 열 및 물질 전달 효율을 현저히 향상시킨다.

잔류물 내 회수 가능한 아크릴산은 신속하게 기화되어 응축되며, 다이머, 올리고머, 폴리머 및 기타 고비점 불순물은 중상 배출구를 통해 제거된다.

이 단계의 주요 목적은 탑 바닥 잔류물에서 고가의 아크릴산을 회수하여 원료 손실을 줄이고, 재비등기 내 장시간 가열로 인한 중합 위험을 최소화하는 것이다.

3.5 제품 안정화 및 안전 제어

정제된 아크릴산은 응축되어 제품 저장 탱크로 이송된다. 억제제 농도 및 저장 조건은 요구되는 제품 사양에 따라 제어할 수 있다.

완전한 시스템에는 온도, 압력, 진공, 냉각 및 억제제 공급을 위한 모니터링 및 연동 기능을 장착할 수 있다. 이상적인 온도 상승, 진공 변동 또는 냉각 시스템 고장 시, 해당 보호 조치가 자동으로 작동하여 연속 운전의 안전성과 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

4. 다양한 등급의 아크릴산을 위한 공정 경로

산업용 등급 / 에스터화 원료

사전 처리 → 진공 경질 성분 제거 / 탈수 → 증류

주요 목적은 수분, 아세트산 및 기타 저비점 불순물을 제어하여 아크릴산이 하류 에스터화 공정 또는 기존 중합 공정의 요구 사항을 충족하도록 하는 것이다.

고순도 빙결 아크릴산(GAA)

정밀 경질 성분 제거 → 진공 정제 증류 → 와이프드 필름 잔류물 회수 → 제품 안정화

이 공정은 아크릴산 순도를 99.5% 이상으로 달성하도록 설계할 수 있으며, 동시에 수분, 저비점 불순물 및 제품 색상에 대해 보다 엄격한 제어를 제공한다.

특수 고분자 등급 아크릴산

프로피온산, 알데하이드, 말레인 화합물과 같은 미량 불순물에 대한 요구가 더욱 엄격한 응용 분야의 경우, 정제 공정은 공급 원료의 GC 조성, 목표 순도 및 필요 처리 용량에 따라 맞춤형으로 설계할 수 있다.

5. YHCHEM 아크릴산 정제 시스템의 주요 이점

낮은 온도 및 짧은 체류 시간. 진공 증류는 작동 온도를 낮추고, 와이프드 필름 증발은 중질 잔류물에 가해지는 열 노출을 최소화한다. 이를 통해 이량체화, 중합 및 장비 오염을 줄일 수 있다.

경질 불순물과 중질 불순물의 단계적 분리. 전단 증류 구간에서는 수분과 저비점 불순물을 제거하고, 후단의 와이프드 필름 증발기에서는 고비점 잔류물로부터 아크릴산을 회수한다. 각 분리 유닛은 그 용도에 가장 적합한 방식으로 기능한다.

높은 아크릴산 회수율. 증류탑 바텀 잔류물에 남아 있는 귀중한 아크릴산을 추가로 회수함으로써, 중질 성분 배출로 인한 원료 손실을 줄일 수 있다.

특화된 중합 억제 및 안전 관리. 억제제 주입량, 온도, 진공도, 체류 시간을 아크릴산의 중합 특성에 특화된 통합 시스템으로 관리할 수 있다.

통합 연속 공정. 증류, 와이프드 필름 증발, 응축, 진공, 온도 제어 및 자동화를 공정 개발, 시험 규모 검증, 확장 및 연속 산업 생산에 적합한 완전한 시스템으로 통합할 수 있다.

6. 대표적인 아크릴산 정제 사례

사례 1: 장쑤성 소재 신소재 기업

중합 및 오염 감소, 아크릴산 손실 최소화

장쑤성 소재 한 신소재 제조업체는 말레인 화합물, 아크릴산 이량체, 올리고머 및 기타 고비점 불순물을 함유한 원료 아크릴산 정제 과정에서 어려움을 겪고 있었다.

기존 공정은 배치식 진공 증류를 사용하였다. 아크릴산 회수율을 높이기 위해 탑 하부 잔류물을 장시간 지속적으로 가열해야 했다.

중분자 성분의 농도가 증가함에 따라 아크릴산은 고온 조건에서 더 오랜 시간 동안 유지되었다. 이로 인해 점차 중합체 퇴적 현상이 발생하였고, 열전달 효율이 저하되었으며, 장비 오염과 배관 막힘 문제가 야기되었다. 동시에 회수 가능한 아크릴산의 상당량이 중질 잔류물과 함께 배출되었고, 장비 세정을 위해 빈번한 가동 중단이 필요하였다.

장시간 고온 체류 및 중질 잔류물로부터의 회수 효율 저하 문제를 해결하기 위해, YHCHEM은 공정을 다음과 같이 개선하였다.

진공 증류 탑 + 와이프드 필름 증발기

진공 증류 탑은 아크릴산을 물, 아세트산 및 기타 저비점 불순물로부터 주로 분리하는 역할을 한다. 탑 하부에서 생성된 고비점 잔류물은 연속적으로 와이프드 필름 증발기로 이송되며, 여기서 잔류 아크릴산이 얇은 막 상태에서 신속히 기화되어 응축을 통해 회수된다.

다이머, 올리고머 및 폴리머 잔류물은 중질상 배출구를 통해 배출된다. 이 시스템에는 폴리머화 위험을 추가로 줄이기 위한 억제제 투입, 온도 조절 및 진공 제어 기능이 포함되어 있다.

 

프로젝트 결과

공정 최적화 후, 원료의 폴리머화 위험과 장비 오염 위험이 크게 감소하였다. 아크릴산 순도는 99.5% 이상이라는 목표 범위 내에서 안정적으로 유지되었으며, 중질 잔류물 내 유가 성분의 회수가 추가로 이루어졌다. 또한 장비 세척 빈도가 줄어들었고, 연속 운전의 안정성이 향상되었다.

7. 왜 아크릴산 정제에 YHCHEM을 선택해야 하나요?

아크릴산 정제의 핵심은 단순히 더 높은 제품 순도를 달성하는 데 있는 것이 아니다. 보다 중요하게는, 저비점 불순물, 고비점 잔류물 및 유가 아크릴산을 안정적으로 분리하면서 폴리머화 위험을 최소화하는 공정을 제공해야 한다.

진공 증류, 와이프드 필름 증발 및 전용 중합 억제 안전 제어를 결합함으로써 YHCHEM은 전용 처리 단계에서 서로 다른 불순물 그룹을 분리한다.

이 방식은 고온 체류 시간을 단축하고, 탑 하부 잔류물로 인한 아크릴산 손실을 줄이며, 제품 품질을 향상시키고 전체 시스템의 연속 운전 능력을 강화하는 데 기여한다.

YHCHEM은 아크릴산 정제, 고비점 잔류물 회수, 고순도 아크릴산 생산, 소규모 시험 및 연속 공정 확장에 대한 통합 공정 및 장비 솔루션을 제공할 수 있다.