[논문]DME 직접 합성공정 기술개발

모용기; 조원준; 백영순

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DME(Dimethyl Ether)는 물리적 성질이 LPG와 유사하여 청정하면서 LPG와 잘 섞이고, 세탄가가 디젤연료와 유사하여 디젤을 대체할 수 있는 환경 친화적인 차세대 대체에너지이다. DME는 천연가스, CBM, biomass 등 다양한 원료로부터 제조할 수 있으며 탄소-탄소 직접결합이 없어 연소시 배기가스중에 검댕이나 황산화물이 없다. 한국가스공사에서 개발한 DME 공정은 크게 4개의 section으로 구분할 수 있다. 먼저 합성가스를 제조하는 syngas section 에서는 다양한 합성가스 비율을 제조할 수 있다. 이것은 tri-reforming을 완성하는 과정에서 합성가스 비율을 약 4.0~1.0의 범위로 조절할 수 있다. 두 번째로 $CO_2$ removal section에서 제거되는 $CO_2$는 약 92~99%로서 DME 합성반응기로 유입되는 $CO_2$의 최대 농도는 8%를 넘지 않아야 한다. 세 번째로 DME synthesis section에서 DME 합성 반응기의 반응온도는 높을수록 활성이 좋지만 촉매의 장기 활성을 위해서는 적정한 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 마지막으로 DME purification section에서는 99.5%이상의 고순도의 DME를 정제할 수 있다.

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The physical properties of DME(Dimethyl Ether) are very similar to LPG and well-mixed. As cetane number of DME is similar to diesel fuel that can replace diesel fuel and alternative energy. DME is a clean energy source that can be manufactured from various raw materials such as natural gas, CBM(Coal...

The physical properties of DME(Dimethyl Ether) are very similar to LPG and well-mixed. As cetane number of DME is similar to diesel fuel that can replace diesel fuel and alternative energy. DME is a clean energy source that can be manufactured from various raw materials such as natural gas, CBM(Coal Bed Methane) and biomass. DME has no carbon-carbon bond in its molecular structure and its combustion essentially generates no soot as well as no SOx. The development of DME process in KOGAS have 4 section. First, syngas section can be manufactured various syngas ratio. This completes the tri-reforming process for the synthesis gas ratio of approximately 4.0 to 1.0 range can be adjusted. Second, $CO_2$ is removed from the $CO_2$ removal section of about 92~99%, so the maximum concentration of $CO_2$ entering the DME synthesis reactor should not exceed 8%. Third, in the DME synthesis section, if the temperature of DME reactor increases, the activity of DME catalyst increased. but for the long-term activity is desirable to maintain the proper temperature. Finally, the purity of DME in the DME purification section is over 99.6%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

reforming이 있다. 본 연구에서는 ATR에서 CO₂ reforming으로 전환하는 공정을 최적화 하였고 그때 발생하는 합성가스 비율을 아래 그림에 나타내었다.
본 연구에서는 DME 합성공정에서 핵심기술인 합성가스 개질반응과 DME 합성반응을 위한 공정 기술 개발로서 10톤/일 DME 생산 플랜트에서 메탄의 개질반응에 의한 합성가스 제조를 실시하였고, DME 합성을 위한 최적의 합성가스 비율을 선정하여 DME를 합성하였다. 또한 메탄개질반응에서 부반응으로 생성될 수 있는 coke 침적을 최소화 하는 연구와 DME 합성반응에서 부반응으로 생성되는 메탄올의 생산량을 조절하는 연구가 병행되었다.
따라서 반응기의 냉각을 통하여 반응온도를 제어하는 제열시스템의 효율이 매우 중요하다. 본 플랜트에서는 DME 합성반응기의 shell side에 냉각제로서 hot water를 공급하여 제열하는 시스템을 개발하였다. 여기서 공급되는 hot water는 DME 합성 반응기와 세트로 구성된 steam drum에서 고온, 고압의 hot water를 생산하고 강제순환방식으로 DME 합성반응기에 냉각제로 공급하였다.

제안 방법

따라서 냉각제로 공급되는 hot water의 온도에 따라 DME 합성반응기의 반응온도가 결정되고 DME 합성 반응의 효율이 결정된다. 그러므로 냉각제인 hot water의 온도에 따른 DME 합성 반응기의 반응온도 및 효율변화를 실험하였고, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다.
여기서 사용되는 삼중개질반응 촉매는 Nickel based 촉매로서 수분에 강하고 고온 및 고압에서도 최적의 효율을 낼 수 있는 촉매를 개발하였다.
를 삼중개질반응기의 원료가스로 재활용 한다. 이때 흡수탑에서 제거되지 못하고 합성가스와 같이 DME 합성반응의 원료로 유입되는 CO₂가 DME 합성 반응에 미치는 영향을 실험하였고 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다.

성능/효과

3에서 나타낸 것처럼 DME 합성 반응기로 유입되는 CO₂의 농도가 3% 이하일 때는 CO 전환율이 약 80% 이상을 유지하지만 CO₂의 유입 농도가 증가함에 따라 CO 전환율이 급격히 감소하게 되고 CO₂의 유입농도가 약 12% 이상이 되면 CO 전환율이 65%이하로 감소된다. 따라서 CO₂의 유입농도는 약 1～3%이내로 유지하여 CO 전환율을 80% 이상으로 유지하는 것이 DME 합성 반응에 매우 중요하며 최대 8% 즉, CO 전환율이 70% 이상을 유지하는 것이 좋다. 8% 이상의 CO₂가 DME 합성반응기로 유입되면 CO 전환율 감소뿐만 아니라 미반응된 합성가스의 유량이 증가되면서 DME 합성 반응기 후단 공정인 DME 분리 정제 영역에서 정상상태를 벗어난 운전이 전개되면서 흡수탑 및 탈거탑의 운전조건이 비정상적으로 전환되는 단점이 발생한다.
여기서 사용된 hot water는 발열반응인 DME 합성반응의 온도를 제어하는데 사용되며 hot water의 온도에 따라 DME 합성 반응기의 온도가 결정된다. 먼저 230℃의 hot water로 DME 합성 반응기를 냉각하는 경우 CO 전환율이 약 79%로 나타났고 235℃의 경우 약 82.5%로 향상되고 240℃로 상승시키면 약 85%로 향상되었다. 이때 반응기 상단의 반응온도는 hot water의 온도를 증가시키면 같은 경향으로 증가한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	한국가스공사에서 개발한 DME 공정은 무엇인가?	한국가스공사에서 개발한 DME 공정은 크게 4개의 section으로 구분할 수 있다. 먼저 합성가스를 제조하는 syngas section 에서는 다양한 합성가스 비율을 제조할 수 있다. 이것은 tri-reforming을 완성하는 과정에서 합성가스 비율을 약 4.0~1.0의 범위로 조절할 수 있다. 두 번째로 $CO_2$ removal section에서 제거되는 $CO_2$는 약 92~99%로서 DME 합성반응기로 유입되는 $CO_2$의 최대 농도는 8%를 넘지 않아야 한다. 세 번째로 DME synthesis section에서 DME 합성 반응기의 반응온도는 높을수록 활성이 좋지만 촉매의 장기 활성을 위해서는 적정한 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 마지막으로 DME purification section에서는 99.5%이상의 고순도의 DME를 정제할 수 있다.
	DME은 어떤 에너지인가?	DME(Dimethyl Ether)는 물리적 성질이 LPG와 유사하여 청정하면서 LPG와 잘 섞이고, 세탄가가 디젤연료와 유사하여 디젤을 대체할 수 있는 환경 친화적인 차세대 대체에너지이다. DME는 천연가스, CBM, biomass 등 다양한 원료로부터 제조할 수 있으며 탄소-탄소 직접결합이 없어 연소시 배기가스중에 검댕이나 황산화물이 없다.
	DME의 특징은?	DME(Dimethyl Ether)는 물리적 성질이 LPG와 유사하여 청정하면서 LPG와 잘 섞이고, 세탄가가 디젤연료와 유사하여 디젤을 대체할 수 있는 환경 친화적인 차세대 대체에너지이다. DME는 천연가스, CBM, biomass 등 다양한 원료로부터 제조할 수 있으며 탄소-탄소 직접결합이 없어 연소시 배기가스중에 검댕이나 황산화물이 없다. 한국가스공사에서 개발한 DME 공정은 크게 4개의 section으로 구분할 수 있다.

참고문헌 (4)

조원준, 최창우, "직접합성반응에 의한 합성가스로부터 DME 제조 공정 연구", 한국가스학회 2007년 춘계학술발표회 논문집, 24-26, (2007)
T.H. Fleisch, A. Basu, M.J. Gradassi, J.G. Masin, Stud. Surf. Sci. Catal. 107, 117-125, (1997)
A.M. Rouhi, Chem. Eng. News 73, 37-392, (1995)

상세보기
G. Ertl, H. Knozinger, J. Weitkamp, "Handbook of Heterogeneous Catalysis", volume 4, 1866, (1997)

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