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열처리 온도에 따른 열분해 연료유 내 휘발유분 및 잔류 중질유분의 구조 분석
Structural Analysis of Volatile Matters and Heavy Oil Fractions from Pyrolysis Fuel Oil by the Heat Treatment Temperature 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.30 no.3, 2019년, pp.297 - 302  

안동해 (충남대학교 응용화학공학과) ,  김경훈 (충남대학교 응용화학공학과) ,  김종구 (충남대학교 응용화학공학과) ,  이영석 (충남대학교 응용화학공학과)

초록
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열분해 연료유(pyrolysis fuel oil)의 열처리 시 발생되는 구조변화를 파악하기 위하여 열처리 온도에 따라 발생되는 휘발유분(volatile matters) 및 중질유분을 분리하였다. 열처리 온도가 증가함에 따라 중질유분의 수율은 낮아지며, 탄화수율은 높아지는 것을 확인하였다. 휘발유분의 $^1H-NMR$ 구조분석 결과, 원료에 포함되어 있던 1~2환 방향족 성분들은 $340^{\circ}C$ 이전의 온도에서 대부분 제거되었으며, $320^{\circ}C$부터는 크래킹 반응에 의하여 방향족 화합물로부터 지방족 탄화수소 곁사슬이 분해됨에 따라 새로운 휘발유분을 생성하는 것을 확인하였다. 한편 중질유분의 원소분석$^1H-NMR$ 구조분석 결과로부터, 열처리 온도가 증가할수록 C/H 몰비 및 방향족화도 값이 증가함을 알 수 있었다. 이러한 구조분석 결과를 통하여 PFO의 $280{\sim}360^{\circ}C$에서의 열처리에 따른 구조 변화는 비점 차이에 따른 휘발유분의 분리 및 크래킹 반응에 의한 지방족 곁사슬의 분해가 가장 큰 영향을 미치며, 일부 화학종중합반응 또한 발생된 것을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In order to investigate structural changes of the pyrolysis fuel oil (PFO), the volatile matters and heavy oil fractions were separated from PFO by heat treatment temperature. As a result of $^1H-NMR$ analysis of volatile matters, 1~2 ring aromatic compounds contained in the petroleum res...

주제어

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문제 정의

  • PFO를 열처리하는 과정에서 각 열처리 온도에 따라 발생되는 휘발유분의 성분을 파악하기 위하여 PFO로부터 휘발유분을 분리하는 실험을 실시하였다. Figure 1에 실험 장비 사진 및 그 모식도를 나타내었다.
  • 본 연구에서는 PFO의 열처리 온도에 따라 발생되는 저비점 휘발유분(volatile matters)과 이들이 분리된 중질유분의 구조변화를 파악하였다. 이에 따라, 1H-NMR 스펙트럼을 비교하여 열처리 온도에 따른 휘발유분의 분리 양상 및 구조변화를 고찰하였으며, 피크 정량분석을 통하여 지방족 및 방향족 탄소 분율을 분석하였다.
  • 또한 NMR 분석 결과와 원소분석 결과를 토대로, 열처리 온도별로 휘발유분이 분리된 중질유분에 대한 방향족화도를 계산하여 그 값을 비교하였다. 상기와 같이 열처리 온도에 따른 휘발유분 및 중질유분의 구조 변화를 파악함으로써, 향후 바인더 핏치, 함침 핏치, 탄소섬유제조용 등방성 및 이방성 피치, 리튬이차전지 음극용 코팅재, 코크스 등의 탄소소재 제조를 위한 기초자료로 활용하고자 PFO의 열처리 과정 중 280~360 ℃의 온도영역에서 발생되는 휘발유분 및 중질유분의 구조변화 양상에 대하여 고찰하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
잔사유의 특징은? 석유화학공정에서 부생되는 잔사유는 나프탈렌, 안트라센 등 방향족 화합물을 대량 포함하고 있으며, 열중합을 통하여 탄소 육각망면을 쉽게 형성할 수 있기 때문에 탄소섬유, 코크스, 인조흑연 등 탄소 재료의 전구체로서 많이 활용되고 있다[1-6]. 이러한 석유계 잔사유에는 대표적으로 열분해 연료유(pyrolysis fuel oil, PFO), FCC-DO (flui- dized catalyst cracking decant oil), 감압 잔사유(vacuum residue, VR) 등이 있다.
열분해 연료유의 특징은 무엇인가? 이러한 석유계 잔사유에는 대표적으로 열분해 연료유(pyrolysis fuel oil, PFO), FCC-DO (flui- dized catalyst cracking decant oil), 감압 잔사유(vacuum residue, VR) 등이 있다. 이 중 PFO는 200 Da 내외의 낮은 분자량 분포를 갖는 것으로 알려져 있으며, 지방족 탄화수소 작용기가 매우 불규칙적으로 붙어있는 나프탈렌(naphthalene)계 2환 방향족 화합물을 주성분으로 하고 있다[7-12]. 방향족 화합물의 곁사슬(sidechain)로 결합되어 있는 지방족 탄화수소 작용기들은 피치 제조 공정 간 크래킹 반응에 의하여 대부분 제거되는 것으로 알려져 있다.
석유계 잔사유의 종류는 무엇인가? 석유화학공정에서 부생되는 잔사유는 나프탈렌, 안트라센 등 방향족 화합물을 대량 포함하고 있으며, 열중합을 통하여 탄소 육각망면을 쉽게 형성할 수 있기 때문에 탄소섬유, 코크스, 인조흑연 등 탄소 재료의 전구체로서 많이 활용되고 있다[1-6]. 이러한 석유계 잔사유에는 대표적으로 열분해 연료유(pyrolysis fuel oil, PFO), FCC-DO (flui- dized catalyst cracking decant oil), 감압 잔사유(vacuum residue, VR) 등이 있다. 이 중 PFO는 200 Da 내외의 낮은 분자량 분포를 갖는 것으로 알려져 있으며, 지방족 탄화수소 작용기가 매우 불규칙적으로 붙어있는 나프탈렌(naphthalene)계 2환 방향족 화합물을 주성분으로 하고 있다[7-12].
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참고문헌 (28)

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  27. S. L. Silva, A. M. S. Silva, J. C. Ribeiro, F. G. Martins, F. A. D. Silva, and C. M. Silva, Chromatographic and spectroscopic analysis of heavy crude oil mixtures with emphasis in nuclear magnetic resonance spectroscopy: A review, Anal. Chim. Acta, 707, 18-37 (2011). 

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