팜유(Plam Oil)의 탈산소 공정 중 운전 조건이 생성물의 조성에 미치는 영향 Effects of reaction conditions on composition of the organic liquid product during the deoxygenation process of palm oil원문보기
식물성 오일을 이용한 바이오 항공유의 제조공정에서 탈산소 반응의 적절한 운전조건 선정을 통한 생성물 물성 최적화는 최대의 바이오항공유 수율을 얻기 위해 필수적인 요소이다. 이에 따라 팜유의 탈산소화 반응이 1 wt.% $Pt/Al_2O_3$촉매가 장입된 내경이 1인치인 고정층 반응기에서 수행되었다. 업그레이딩 공정을 통하여 수송 연료로 활용될 수 있는 액체 생성물(organic liquid product)은 가스크로마토그래피 방법으로 그 조성을 분석하였다. 피드 내의 팜유/수소 비율과 수소 압력은 탈카르복실레이션과 수첨탈산소 반응에 영향을 주어 생성물의 조성 변화를 초래하였다. 반응 온도가 증가함에 따라 탈산소 생성물의 연속적 크래킹 반응이 촉진되어 $C_5{\sim}C_{14}$영역의 생성물 조성이 증가하였다. 본 연구의 결과는 팜유의 탈산소화 반응 특성의 이해 뿐 아니라 연속 공정인 수첨 업그레이딩 공정을 통한 바이오 항공유의 제조에 도움을 줄 수 있다.
식물성 오일을 이용한 바이오 항공유의 제조공정에서 탈산소 반응의 적절한 운전조건 선정을 통한 생성물 물성 최적화는 최대의 바이오항공유 수율을 얻기 위해 필수적인 요소이다. 이에 따라 팜유의 탈산소화 반응이 1 wt.% $Pt/Al_2O_3$촉매가 장입된 내경이 1인치인 고정층 반응기에서 수행되었다. 업그레이딩 공정을 통하여 수송 연료로 활용될 수 있는 액체 생성물(organic liquid product)은 가스크로마토그래피 방법으로 그 조성을 분석하였다. 피드 내의 팜유/수소 비율과 수소 압력은 탈카르복실레이션과 수첨탈산소 반응에 영향을 주어 생성물의 조성 변화를 초래하였다. 반응 온도가 증가함에 따라 탈산소 생성물의 연속적 크래킹 반응이 촉진되어 $C_5{\sim}C_{14}$영역의 생성물 조성이 증가하였다. 본 연구의 결과는 팜유의 탈산소화 반응 특성의 이해 뿐 아니라 연속 공정인 수첨 업그레이딩 공정을 통한 바이오 항공유의 제조에 도움을 줄 수 있다.
Selection of optimum reaction conditions during deoxygenation process of palm oil is essential factor to obtain the maximum yield of bio-jet fuel. In this context, the deoxygenation of palm oil was carried out in a fixed bed reactor with an internal diameter of 1 inch loaded with a 1 wt.% $Pt/A...
Selection of optimum reaction conditions during deoxygenation process of palm oil is essential factor to obtain the maximum yield of bio-jet fuel. In this context, the deoxygenation of palm oil was carried out in a fixed bed reactor with an internal diameter of 1 inch loaded with a 1 wt.% $Pt/Al_2O_3$ catalyst. The composition of the organic liquid product(OLP), which can be utilized as a transportation fuel through the upgrading process, was analyzed by a gas chromatography method. The palm oil/hydrogen ratio and hydrogen pressure in the feed affected the decarboxylation(DCB) and hydrodeoxygenation(HDO) reactions, resulting in a change in the composition of the OLP. As the reaction temperature increased, the continuous cracking reaction of the deoxygenation product was promoted and the product composition in the $C_5{\sim}C_{14}$ region was increased. Thus, the results can help to understand the characteristics of deoxidation reaction of palm oil as well as the subsequent process, hydro-upgrading, to obtain the maximum yield of bio-jet fuel.
Selection of optimum reaction conditions during deoxygenation process of palm oil is essential factor to obtain the maximum yield of bio-jet fuel. In this context, the deoxygenation of palm oil was carried out in a fixed bed reactor with an internal diameter of 1 inch loaded with a 1 wt.% $Pt/Al_2O_3$ catalyst. The composition of the organic liquid product(OLP), which can be utilized as a transportation fuel through the upgrading process, was analyzed by a gas chromatography method. The palm oil/hydrogen ratio and hydrogen pressure in the feed affected the decarboxylation(DCB) and hydrodeoxygenation(HDO) reactions, resulting in a change in the composition of the OLP. As the reaction temperature increased, the continuous cracking reaction of the deoxygenation product was promoted and the product composition in the $C_5{\sim}C_{14}$ region was increased. Thus, the results can help to understand the characteristics of deoxidation reaction of palm oil as well as the subsequent process, hydro-upgrading, to obtain the maximum yield of bio-jet fuel.
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문제 정의
본 연구에서는 팜유로부터 바이오 연료의 생산을 위한 공정 중 첫 번째 화학적 전환 단계인 탈산소 반응에서 제어 가능한 공정 변수인 피드 내의 수소와 팜유의 몰비, 반응압력, 반응온도, 공간속도의 변화가 액체 생성물의 변화에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 제어된 운전 조건 내에서 팜유와 수소의 몰비가 10에서 30으로 변화하였을 때 C5~C14, C15~C18, C18+, iso/n, DCB/HDO 값의 급격한 변화가 관찰되었다.
본 연구에서는 팜유의 탈산소 반응에서 Pt/Al2O3 촉매가 사용된 벤치 규모 고정층 튜브 반응기 시스템에서 공급되는 팜유/수소 비율, 반응압력, 반응온도, 공간속도와 같은 반응조건이 액체 생성물(Organic Liquid Product, OLP)의 조성에 미치는 영향에 대해 조사하였다.
팜유의 탈산소 반응에서 반응온도의 변화가 생성물의 조성에 미치는 영향에 대해 조사하였다. Fig.
제안 방법
마지막으로 피드 내의 팜유와 수소 몰비, 반응압력, 반응온도를 고정한 조건에서 공간속도를 1에서 3까지 증가하였을 경우 액체 생성물 조성변화를 조사하였다 (Fig. 5, Table 4). 공간 속도가 증가함에 따라 액체 생성물 내 C5~C14 영역의 탄화수소 생성물의 조성비, iso/n, DCB/HDO는 점차 증가하였고, 액체 생성물 내의 C15~C18 과 C18+ 탄화수소 생성물의 조성비는 감소하는 추세를 보였다.
팜유로부터 바이오 항공유 생성을 위한 중요한 단계인 탈산소 공정에서 반응 조건이 액체 생성물 (OLP)의 조성에 미치는 영향에 대해 조사하기 위하여 먼저 공급되는 팜유와 수소의 몰비율(H2/P.O.)을 10 에서 40 으로 변화하여 이에 따른 액체 생성물의 조성 변화를 관찰하였다. 생성물의 탄소수를 토대로 계산된 각 구성물이 액체생성물에서 차지하는 중량비와 light, medium, heavy 그룹으로 분류된 조성비 및 iso/n, 탈카르복실레이션화(decarboxylation, DCB)/수첨탈산소화(hydrodeoxygenation, HDO) 비율이 각각 Fig.
팜유의 탈산소 반응에서 공급되는 팜유와 수소의 몰비, 공간속도, 반응온도가 고정된 조건에서 반응압력을 30, 40, 50 bar로 변화시켰을 때 액체 생성물의 조성 변화를 조사하였다 (Fig. 3, Table 2). 반응 압력의 변화에도 액체 생성물에서 각 탄소수에 해당하는 생성물이 차지하는 중량비의 변화는 1 wt.
이때 지지체 표면에 백금을 담지하는 과정에서는 50 L 규모의 플라스크가 장착된 회전식 진공증발기(rotary vacuum evaporator)가 사용되었다. 회전식 진공증발기의 플라스크에 400 g의 알루미나 지지체와 500 ml에 8 g의 백금 전구체를 용해시킨 수용액을 투입한 후 3 h 동안 진공 증발 과정을 수행하였다. 이 때 진공증발기의 플라스크에 가해진 온도는 45 oC, 진공도는 (0.
대상 데이터
% 정도 백금을 담지하였다. 백금의 전구체는 Tetra-ammine-platinum(II) nitrate (H12N6O6Pt, Alpha Co.)였으며, 증류수에 용해시켜 수용액 상태에서 촉매 제조과정에 사용되었다. 이때 지지체 표면에 백금을 담지하는 과정에서는 50 L 규모의 플라스크가 장착된 회전식 진공증발기(rotary vacuum evaporator)가 사용되었다.
팜유로부터 탄화수소류 화합물 제조를 위하여 이용된 탈산소 반응용 촉매를 제조하는 과정은 다음과 같다. 알루미나 지지체에 활성물질인 백금(Pt)을 담지한 촉매로서 함침법으로 제조되었다. 5 mm 직경의 펠렛형 감마 알루미나(Strem Co.
성능/효과
특히, 산업 및 운송 부문에서의 연료 사용의 증가는 지구 온난화의 원인이 되는 온실 가스 배출량을 증가 시키는데 더 큰 기여를 하고있다.[1] 예컨대, 제트 연료의 경우, 국제 항공 운송 협회 (IATA)는 항공 분야의 연료 소비가 2030 년까지 매년 5 % 씩 증가 할 것으로 전망했다.[2] 따라서 지속 가능하고 환경 친화적인 대체 에너지 자원의 개발에 요구는 필연적이고, 꼭 달성해야만 하는 인류의 숙제이다.
5, Table 4). 공간 속도가 증가함에 따라 액체 생성물 내 C5~C14 영역의 탄화수소 생성물의 조성비, iso/n, DCB/HDO는 점차 증가하였고, 액체 생성물 내의 C15~C18 과 C18+ 탄화수소 생성물의 조성비는 감소하는 추세를 보였다.
제어된 운전 조건 내에서 팜유와 수소의 몰비가 10에서 30으로 변화하였을 때 C5~C14, C15~C18, C18+, iso/n, DCB/HDO 값의 급격한 변화가 관찰되었다. 반응 압력 변화에 의한 생성물의 조성 및 이성질화 변화는 최대 3 % 이내로 작았으나 40 bar 이상의 압력에서는 수첨탈산소 반응이 촉진되는 경향을 관찰할 수 있었다. 반응 온도의 제어 시 430 oC 이하에서는 크래킹 후 연속되는 올리고머화 반응에 의하여 C18+ 탄화수소 생성이 유도되었지만 그 이상의 온도에서는 2차적인 크래킹 반응이 유도되어 light 영역(C5~C14)의 탄화수소의 생성이 촉진되었다.
본 연구에서는 팜유로부터 바이오 연료의 생산을 위한 공정 중 첫 번째 화학적 전환 단계인 탈산소 반응에서 제어 가능한 공정 변수인 피드 내의 수소와 팜유의 몰비, 반응압력, 반응온도, 공간속도의 변화가 액체 생성물의 변화에 미치는 영향에 대하여 조사하였다. 제어된 운전 조건 내에서 팜유와 수소의 몰비가 10에서 30으로 변화하였을 때 C5~C14, C15~C18, C18+, iso/n, DCB/HDO 값의 급격한 변화가 관찰되었다. 반응 압력 변화에 의한 생성물의 조성 및 이성질화 변화는 최대 3 % 이내로 작았으나 40 bar 이상의 압력에서는 수첨탈산소 반응이 촉진되는 경향을 관찰할 수 있었다.
공간속도의 증가 또한 light 영역의 탄화수소 생성이 촉진되었으며, 이는 반응 온도 증가와 마찬가지로 2차 크래킹 반응의 결과라 판단된다. 종합하면, 피드 내 수소와 팜유의 몰비 30, 반응압력 40 bar, 반응온도 400 oC ~ 420 oC, 공간속도 2 이하인 조건에서 C15~C18 조성비와 이성질화가 최대값을 보이고 C5~C14 와 C18+ 최소값을 보였다.
팜유/수소 비율이 증가할수록 낮은 탄소수(C5~C14) 영역에 해당하는 액체 생성물의 조성비는 11.5%에서 34.4% 까지 증가하였지만 중간(C15~C18)과 높은(C18+) 탄소수 영역에 해당하는 액체 생성물의 조성비는 각각 79.6%에서 63.0%, 8.9%에서 2.6%로 감소하였다. 액체 생성물 내의 iso/n 비율 또한 공급되는 팜유/수소 비율의 증가에 따라 증가하였지만 DCB/HDO 비율은 반대로 감소하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
바이오 매스로부터 수송 연료 (가솔린, 디젤 및 제트 연료)를 생산하는 공정의 긍정적 효과는?
[2] 따라서 지속 가능하고 환경 친화적인 대체 에너지 자원의 개발에 요구는 필연적이고, 꼭 달성해야만 하는 인류의 숙제이다. 이러한 맥락에서 바이오 매스로부터 수송 연료 (가솔린, 디젤 및 제트 연료)를 생산하는 공정은 석유 기반 연료를 지속 가능한 탄소원으로 대체할 수 있을 뿐 아니라 CO2 배출량 또한 감소될 수 있다는 측면에서 최근까지 활발히 연구되고 있다.[3,4] 특히, 바이오 자원의 활용에 관해 제안된 수많은 기술 중 팜유(palm oil)로부터 수송 연료를 제조하는 기술은 가장 실용화 및 사업화 가능성이 높은 기술로, 수년 동안 많은 연구가 수행되어왔다.
팜유를 구성하는 주요물질은?
팜유를 구성하는 주요 물질은 팔미트산(palmitic acid, 43 wt%) 과 올레산 (oleic acid, 42 wt.%)이 주 성분인 동물성 지방(fatty acid)이거나 트라이글리세라이드(triglyceride)이다.[10] 이러한 유질 원료의 바이오 연료로의 전환은 다단의 촉매 공정을 포함한 여러 단계의 화학 공정을 통하여 수행될 수 있다.
팜유(palm oil)로부터 수송 연료를 제조하는 기술이 가장 실용화와 사업화 가능성이 높은 이유는?
[3,4] 특히, 바이오 자원의 활용에 관해 제안된 수많은 기술 중 팜유(palm oil)로부터 수송 연료를 제조하는 기술은 가장 실용화 및 사업화 가능성이 높은 기술로, 수년 동안 많은 연구가 수행되어왔다.[5-7] 정제된 팜유의 수급은 다른 바이오메스에 비해 용이하고 수송 연료의 제조를 위한 원료로서 추가적인 가공 없이 직접 사용가능하기 때문이다.[8, 9]
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