카프로락탐 이야기
■ 카프로락탐의 생산공정
카프로락탐의 제조 공정은 출발 원료에 따라 싸이클로헥산, 페놀, 톨루엔의 3가지로 대별할 수 있다. 세계의 카프로락탐 생산 능력을 원료별 사용비율로 보면 싸이클로헥산이 70%, 페놀이 25%이고 나머지는 톨루엔이 차지하고 있다
싸이클로헥사논은 싸이클로헥산을 원료로 하여 150～160℃ 약 10기압((주)카프로의 경우)에서 코발트염 촉매 존재 하에 공기를 주입하여 싸이클로헥사논과 싸이클로헥사놀로 산화시킨다. 이때 생성된 산화물은 싸이클로헥사놀 60%, 싸이클로헥사논 40%로 구성되어 있으며, 싸이클로헥사놀은 탈수소촉매(CuSiO2)하에서 싸이클로헥사논으로 전환된다.
하이드록실아민 설페이트의 제조공정은 암모니아, 나프타, 유황을 주원료로 하여 먼저 충전탑에서 암모니아수에 탄산가스를 흡수시켜 탄산암모늄을 얻는다. 그리고 암모니아를 850℃ 상압, 백금 촉매 하에 공기로 산화시켜 NO와 NO2가스의 질소산화물을 얻어 탄산암모늄용액과 질소산화물을 반응시켜 아질산암모늄을 만들고, 여기에 암모니아수를 첨가하여 혼합물을 만들어서, 아황산가스(SO2)와 반응시킨 후 가수분해하여 하이드록실아민 설페이트를 제조한다. 아황산가스는 유황을 연소하여 만들고, 일부는 바나듐 촉매 존재 하에서 삼산화황 (SO2)가스로 전환시켜 황산 및 발연황산에 흡수시켜 싸이클로헥사논옥심의 전위반응에 필요한 발연황산을 만든다.
싸이클로헥사논옥심은 교반기가 부착된 반응기에서 하이드록실아민 설페이트 용액을 80℃에서 싸이클로헥사논과 반응시켜 만든다. 반응시 생성된 옥심과 황산암모늄(Ammonium Sulphate)은 분리조에서 비중차로 분리한다.
이때 분리된 황산암모늄은 유안비료 제조공정으로 보내고, 옥심은 다음 단계인 전위공정으로 보낸다.
카프로락탐과 분자식은 같으나 구조식이 다른 싸이클로헥사논옥심은 125℃에서 발연황산의 존재 하에서 BECKMAN 전위를 이루어 불순물이 함유된 카프로락탐이 생성된다. 그리고 여러 단계의 정제공정을 거쳐 비로소 고순도의 카프로락탐이 생산된다.
카프로락탐은 물, 에탄올, 클로로포름, 벤젠에 용해된다. 그리고 용융점이 약 69℃, 비등점이 약 270℃이다. 이것을 개환중합에서 폴리아미드(나일론-6) 섬유나 수지를 제조하게 된다. 나일론 섬유는 의류 및 직물, 텐트, 우의, 타이어 코드, 어망, 로프, 벨트, 카펫, 커튼, 인조피혁, 인조잔디 등의 원료로 사용된다.
또 수지는 자동차부품, 기계부품, 전기부품, 필름, 파이프, 의료기구, 병, 솔, 박막, 도포제, 가정용 플라스틱제품 등에 사용되고 있다.
카프로락탐 제조시 부산물로 나오는 황산암모늄은 주로 농업용 유안비료로 사용되지만, 일부는 공업용이나 원료용으로도 사용하고 있다.
카프로락탐의 제조기술은 1943년 독일의 IG-FAR-BEN에서 본격적으로 생산을 시작한 이래 RASCHIG프로세스, BASF프로세스, SNIA VISCOSA프로세스, PNC프로세스, 네덜란드 스태미카본사의 DSM/HSO공정 등 다양한 프로세스가 있다.
(주)카프로는 기존 1,2공장의 경우 네덜란드 스태미카본사의 HSO 프로세스를 채택하고 있으며, 2004년 증설된 12만톤의 생산설비는 일본 UBE사의 HPO 프로세스를 채택하여 가동중에 있다.
단위공장시설은 하이드록실아민(하이암)( HPO 프로세스의 경우 옥심), 발연황산, 싸이클로헥사논(아논), 카프로락탐(락탐), 황산암모늄(유안), 등을 제조하는 5개 단위공장과 용수 및 폐수처리시설로 구성되어 있다
■ 각 단위 공장별 제조과정은 다음과 같다.(HSO 프로세스)
1. 하이드록실아민 및 발연황산 제조
하이드록실아민은 싸이클로헥사논 옥심을 만들기 위한 중간제품으로서 RASCHIG
공법에 의하여 다음과 같은 4단계과정을 거쳐 제조된다.
첫째, 암모니아를 물에 흡수시켜 암모니아수를 만든다.
둘째, 탄산가스공정에서 제조되는 탄산가스를 암모니아수에 흡수시켜 탄산암모늄을 만든다.
셋째, 암모니아가스를 백금 촉매 존재 하에서 공기로 산화시켜 일산화질소, 이산화질 소의 혼합가스를 탄산암모늄용액에 흡수시켜 암모늄 나이트라이트를 만든다.
넷째, 암모늄 나이트라이트 용액과 암모니아수의 혼합용액에 아황산가스를 흡수시켜 하이드록실아민 디술포닉암모니아를 만든 후 이를 2차에 걸친 가수분해에 의하 여 하이드록실아민을 만든다.
발연황산은 유황을 공기로 산화시켜 아황산가스를 만들고 이를 전환하여 삼산화황가스를 만든후 황산에 흡수시켜 만든다.
2. 싸이클로헥사논 제조
싸이클로헥사논은 싸이클로헥산과 공기를 4～5개의 직렬로 연결된 반응기에서 코발트 촉매 존재 하에서 약 10기압, 150～160℃의 조건에서 산화반응을 시켜 싸이클로헥사논과 싸이클로헥사놀을 만든다. 이때 생성되는 부산물 중 산류는 중화시키고 에스테르류는 검화반응시켜 반응 생성물질과 분리하며 미반응 싸이클로헥산은 분리하여 재순환시킨다.
싸이클로헥사놀은 증류 분리시켜 탈수소 촉매 존재하에서 탈수소 반응을 거쳐 싸이클로헥사논을 만들며, 다단계 정제 과정을 거쳐 순수한 싸이클로헥사논을 얻는다.
3. 카프로락탐 및 황산암모늄 제조
카프로락탐은 중간제품인 싸이클로헥사논과 하이드록실아민 및 암모니아수 등을 반응시켜 싸이클로헥사논옥심을 만들고, 이를 황산 촉매 존재 하에서 베크만 전위반응시켜 제조한다.
그러나 이렇게 하여 제조한 카프로락탐에는 불순물이 섞여 있어 고순도의 카프로락탐을 생산하기 위해서는 벤젠에 불용인 불순물을 제거하는 공정, 물에 불용인 불순물을 제거하는 공정, 수용성 카프로락탐을 이온교환기를 거쳐 불순물을 제거하는 공정, 수용성 카프로락탐에 수소를 첨가하여 불포화 불순물을 포화시켜 분리가용이하도록 하는 공정, 수용성 카프로락탐을 증류하여 수분을 제거하는 공정, 진공증류에 의하여 고비점의 불순물을 제거하는 공정 등 6개 공정을 더 거치게 된다.
황산암모늄은 카프로락탐 제조과정에서 생성된 황산암모늄 용액을 증발, 농축, 분리, 건조과정을 거쳐 제조된다.
