아세톤 생산 이해: 큐멘 공정 설명

2011년 기준 전 세계 아세톤 생산의 대부분은 큐멘 공정으로 알려진 큐멘 하이드로퍼옥사이드의 가수분해 반응을 통해 이루어집니다. 아세톤 생산의 90% 이상이 이 방식으로 생성되며, 플라스틱 원료인 프로필렌과 방향족 화합물인 벤젠 사이의 반응을 포함합니다. 두 화학 화합물의 산출물은 페놀과 아세톤이며, 반응으로 생성되는 페놀 1파운드(0.45kg)당 약 0.62파운드(0.28kg)의 아세톤이 생성됩니다. 일부 아세톤은 아이소프로필 알코올을 이용한 탈수소 반응 공정이나 다양한 탄화수소의 직접 수소화를 통해서도 생성됩니다.

큐멘 공정의 역사와 상업적 현황

아세톤 생산을 위한 큐멘 공정은 1942년 러시아에서 루돌프 유리예비치 울드리스에 의해 처음 발견되었으며, 1949년 러시아와 캐나다에서 이를 사용한 아세톤 생산이 시작되었습니다. 1953년에는 캐나다에서 연간 8,000미터톤이 생성되었고, 2002년에는 미국 혼자서 1,839,000미터톤의 화학물질을 생산했습니다. 상업적으로 미국에서 생산된 아세톤의 75%는 다른 화학물질을 만드는 데 사용되고, 12%는 범용 용매로 사용되며, 나머지 13%는 접착제 제조부터 의약품까지 다양한 용도로 사용됩니다.

큐멘 화학 반응 공정

아세톤 생산을 위한 큐멘 화학 반응은 상당히 간단한 공정입니다. 큐멘 자체는 용매인 C9H12로, 벤젠 프로필화에서 유래한 후 산화되어 큐멘 하이드로퍼옥사이드를 생성합니다. 반응은 탄산나트륨(Na2CO3)을 함유한 수성 에멀전에서 194°~266°F(90°~130°C)의 온도와 72~145psi(5~10bar)의 압력에서 일어납니다. 큐멘의 산화 상태인 큐멘 하이드로퍼옥사이드는 진공 컬럼에서 농축되며, 공유 결합 분리를 위한 클리빙 공정 또는 분할을 사용하여 페놀과 아세톤으로 분리됩니다.

아이소프로필 알코올 경로

아이소프로필 알코올을 이용한 아세톤 생산은 아이소프로필 알코올을 물, 증기와 함께 증발실에서 가열하여 화학물질이 모두 서로 반응하는 온도에서 반응시킵니다. 반응은 화합물을 난류 흐름으로 순환시켜 촉진되며, 반응의 유용한 생성물은 아세톤과 수소입니다. 반응에서 발생하는 폐기물에는 물과 일부 아이소프로필 알코올이 포함됩니다. 아세톤은 스크러버에서 수소 기체와 분리되며, 이 방식으로 아세톤 생산 시 부피 기준 99% 순도를 얻습니다.

큐멘 공정의 지배적 위치

아세톤은 박테리아 발효 공정이나 아세테이트의 건식 증류를 통해서도 생성될 수 있지만, 2011년 기준으로 큐멘 공정이 지배적입니다. 이는 공정의 입력 화학물질인 벤젠과 프로필렌이 비교적 저렴하고 풍부한 화합물로 간주되기 때문입니다. 반면 페놀과 아세톤은 21세기에 전 세계적으로 수백만 톤 단위로 사용되는 가치 있는 산업 화학물질입니다.