[A+레포트] MTG PROCESS / Low carbon species를 통한 Gasoline 개질 - 반응공학1

소개글

"[A+레포트] MTG PROCESS / Low carbon species를 통한 Gasoline 개질 - 반응공학1"에 대한 내용입니다.

목차

1. 가솔린 변환과정 1

2. 반응기 설정 2

3. 운전 조건 2
3-1. Adiabatic CSTR 3
3-2. Isothermal PFTR 5
3-3. Isothermal PFTR (Autocatalytic reaction) 6
3-4. Methanol/Dimethylether Equilibrium 8
3-5. Pre-heater 8

4. 에너지 요소 고려 9
4-1. 첫 번째 Isothermal PFTR의 열 발생량 9
4-2. 두 번째 Isothermal PFTR의 열 발생량 10
4-3. 에너지 요소 종합 10

5. 전체 반응기 모식도 요약 11

6. Feed / Energy Cost 12
6-1. Feed cost information 12
6-2. Energy cost information 12
6-3. Total feed and cost information 13

7. Conclusion 13

8. Reference 14

본문내용

1. 가솔린 변환과정
메탄올로부터 가솔린을 생성하는 공정 반응은 다양하게 조사되었으나 그 중 다룰 수 있을만한 다음과 같은 간단한 반응식을 통해 반응기 설계를 하였다.

Methanol 이 용해되어 Methanol 과 Dimethylether 와 평형을 이루고 이 평형 혼합물이 저탄소의 Light Olefin이 된다. 그 후 Light Olefin 이 서로 반응하여 Product(Hydrocarbon) 을 만들고 이때 생성된 Hydrocarbon 이 또 Light Olefin과 반응하여 또 다른 Hydrocarbon을 형성하는 반응이다. 우리가 필요로 하는 Gasoline 은 Hydrocarbon 중 약 90%가 함유되어 있는 것으로 알려져 있다.

또한 논문을 바탕으로 한 상기 반응식의 반응속도상수k 값은 아래와 같다.

각 반응은 위와 같은 반응속도상수를 가지며 활성화에너지E 는 J의 단위, k는 시간(hour)의 역수 단위를 갖는다.

또한 이 반응은 Si/Al ratio 24 로 이루어진 ZSM-5 zeolite 촉매를 사용하는 반응이다. 본 디자인에서는 촉매의 deactivation 을 고려하지 않으므로 앞으로의 수지식에서 촉매에 관한 항은 고려하지 않는다.

2. 반응기 설정
위와 같은 반응식을 하나의 반응기 안에서 운전할 경우 계산식이 복잡해지고 해를 구할 수 없는 형태로 나오기 때문에 학습범위 내에서 운전조건을 조성하기 위해 아래와 같이 크게 4단계의 과정을 거치고 3개의 Reactor를 사용하는 조건으로 수행하였다.

반응온도가 고온이기 때문에 pre-heater를 통해 필요한 열량만큼을 보충해주고 반응기로 feed를 보낸다. Adiabatic CSTR은 발열반응을 통한 열량을 반응기가 그대로 흡수할 수 있게 되어 반응온도를 높이는 효과를 가져올 수 있다. 그 후 두 개의 Isothermal PFTR 이 있는데 실제 PFTR은 직렬연결이 무의미하나 계산의 편의를 위해서 두 개로 나누었다. 또한 등온반응이기 때문에 Cooling 장치를 반응기 외부에 설치한 모습을 표현했다.

참고 자료

Ana G. Gayubo, Pedro L. Benito, Andres T. Aguayo, Itziar Aguirre, Javier Bilbao, “Analysis of kinetic models of the methanol-to-gasoline (MTG) process in an intergral reactor”, The Chemical Engineering Journal 63 (1996) 45-51
Ki-sup Choi, Kyung-lim Kim, “Methanol-to-Gasoline Process over Zeolite Catalysts”, Samsung Petrochemical (1982) 20
Ana G. Gayubo, Andres T. Aguayo, Marta Castilla, Martin Olazar, Javier Bilbao, “Catalyst reactivation kinetics for methanol transformation into hydrocarbons. Expressions for designing reaction-regeneration cycles in isothermal and adiabatic fixed bed reactor”, Chemical Engineering Science 56 (2001) 5059-5071
Nobuo Tajima, Takao Tsuneda, Fuminori Toyama, and Kimihiko Hirao, “A New Mechanism for the First Carbon-Carbon Bond Formation in the MTG Process: A Theoretical Study”, J.Am. Chem. Soc (1998) 120 8222-8229
Exxonmobil, 2005, Research and Engineering