초록 ▼

1차년도(’98)
이산화탄소 산화제에 의한 에틸벤젠 탈수소 활성 향상 기술 개발
- 이산화탄소 에틸벤젠 탈수소 촉매의 설계 및 제조방법 선별
- 철산화물 담지 촉매 제조 및 담체에 따른 촉매활성 연구
- 에틸벤젠 탈수소 반응에서의 이산화탄소 역할 규명
- 산소결핍도가 증대되는 $Fe^{2+}$ 산화상태를 갖는 철산화물 제조방법 선별
- 철산화물을 고분산시키고 안정화시킬수 있는 담체의 확인
- FT-IR, TPD/TPD, Gravimetric analysis 등의 촉매특성

1차년도(’98)
이산화탄소 산화제에 의한 에틸벤젠 탈수소 활성 향상 기술 개발
- 이산화탄소 에틸벤젠 탈수소 촉매의 설계 및 제조방법 선별
- 철산화물 담지 촉매 제조 및 담체에 따른 촉매활성 연구
- 에틸벤젠 탈수소 반응에서의 이산화탄소 역할 규명
- 산소결핍도가 증대되는 $Fe^{2+}$ 산화상태를 갖는 철산화물 제조방법 선별
- 철산화물을 고분산시키고 안정화시킬수 있는 담체의 확인
- FT-IR, TPD/TPD, Gravimetric analysis 등의 촉매특성 분석에 의한 이산화탄소 역할 규명
2차년도 (’99)
이산화탄소를 이용한 에틸벤젠 탈수소 공정용 촉매개발
- 촉매 비활성화 원인 규명
- 촉매 비활성화 억제를 위한 이산화탄소 및 수증기에 의한 동시 활성화 촉매개발
- 벤치 규모 이산화탄소 산화제 활용 연구
- 반응공정 모델링 및 전산모사(위탁연구)
- 탈수소 촉매상의 산점 종류, 세기 및 농도와 반응중 코크 생성량과의 관계규명
- 반응온도, 단위시간당 반응물 투입량(LHSV), 이산화탄소 대 에틸벤젠, 이산화탄소/수증기 대 에틸벤젠 비율의 최적화
- 이산화탄소 및 수증기 사용에 따른 Boiler 및 Flash drum에서의 heat duty 계산
3차년도(’00)
이산화탄소 산화제 활용을 위한 파일롯 규모 기술 확립
- 에틸벤젠 탈수소 파일롯 반응장치 설계 및 설치
- 파일롯 테스트에서의 최적 운전조건 확립
- 연속 시운전에 의한 촉매 안정성 확인
- 공업용 촉매제조 기술 확립
- 반응장치 사용온도:$550-650^{\circ}C$압력: < 2 기압
- 반응기 촉매부피: 100mL – 1L
- $CO_2$ 처리: 0.1-1.0 $NM^3/day$
- 물질수지 확립
- 촉매 시제품 제작
- 촉매 열적 안정성: > $700^{\circ}C$
- 촉매 강도: > $1\;kg/cm^2$

Abstract ▼

For the mitigation of global warming due to carbon dioxide, catalytic conversion of CO₂ has been extensively studied for last decade. Hydrogen has long been used to abstract the oxygen atom of CO₂ fer catalytic conversion into useful chemicals, but catalytic hydrogenation is confronted with some lim

For the mitigation of global warming due to carbon dioxide, catalytic conversion of CO₂ has been extensively studied for last decade. Hydrogen has long been used to abstract the oxygen atom of CO₂ fer catalytic conversion into useful chemicals, but catalytic hydrogenation is confronted with some limitations to be commercialized because in most cases cost of hydrogen from conventional sources is not cheaper than that of chemicals obtained from catalytic hydrogenation. As an alternative way, the utilization of CO₂ as the soft oxidant in the oxidative conversions of hydrocarbons is attracting considerable attention. This approach may be expected to open new technology fer CO₂ utilization. It is worth that CO₂ can play a role as the soft oxidant as well as diluent, different from steam and oxygen. It has the highest heat capacity among the gases so that it would be useful for minimizing hot spot phenomenon on catalyst surface. When using CO₂ in dehydrogenation, it can lead to high selectivity, activity enhancement and equilibrium shift.
In this study, we try to develop new technology fer using carbon dioxide as an oxidant in dehydrogenation of ethylbenzene (EB) to styrene. Styrene is commercially produced by the EB dehydrogenation using potassium-promoted iron oxide catalysts with a large excess of superheated steam. However, the use of steam has a drawback of losing latent heat of condensation during subsequent separation particularly in a mass process. When carbon dioxide is replaced with steam in this process, we can expect energy saving effect upon using carbon dioxide as an oxidant since carbon dioxide is a good candidate of carrier gas as well as oxidant. In fact, we got simulation result indicating that at least 55% energy upon using carbon dioxide can be saved from the condensation of steam. We found carbon dioxide is found to play a key role as an oxidant fer promoting catalytic activity very much in the dehydrogenation ever supported iron oxide catalyst. The enhancement of the dehydrogenation activity in the presence of carbon dioxide is certainly ascribed to the promotion of this oxidative process by excess carbon dioxide. In order to demonstrate the possibility of this technology, we fabricated mini-pilot scale reaction system to charge catalyst up to 500 ml of in the tubular reactor. We observed the profound effect upon using carbon dioxide as an oxidant, i.e., the increase of EB conversion and lowering the reaction temperature up to 30 - 70℃ due to the alleviation of chemical equilibrium compared to the dehydrogenation reaction with steam, This result is ascribed to the selective abstraction of hydrogen in ethylbenzene molecule. In addition to enhancement of EB conversion, very high selectivity to styrene (>96%) and reasonable conversion of carbon dioxide (>40%) were achieved by applying CO₂. So, energy saving could be also realized by using CO₂ with replacement of steam for dehydrogenation of ethylbenzene due to the alleviation of chemical equilibrium in simple dehydrogenation via the selective abstraction of hydrogenation. Thus, the utilization of CO₂ as an soft oxidant in EB dehydrogenation could greatly increase conversion of ethylbenzene compared to commercial-type catalyst which is operated under steam and, therefore, it permits operation of the reactor at lower temperatures. As a concluding remark, this work demonstrated that the utilization of carbon dioxide as an oxidant gives the possibility to create the new process fer producing styrene monomer.

목차 Contents

• 제 1 장 서 론...12
• 제 1절 지구 온실기체 문제의 심각성...12
• 제 2절 이산화탄소 전환연구의 필요성...14
• 제 3 절 이산화탄소 산화제 기술의 중요성...15
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...25
• 제 1 절 이산화탄소의 산화제로서의 역할...25
• 제 2 절 이산화탄소의 산화제 활용연구 현황...29
• 1. 산소존재시 이산화탄소 효과...29
• 2. 이산화탄소의 산화제 및 전달기체로서 활용효과...36
• 제 3 절 에틸벤젠 탈수소화 공정 및 촉매 현황...47
• 제 3 장 연구개발수행 내용 및 결과...58
• 제 1 절 에틸벤젠 탈수소 반응에 이산화탄소 활용 현황...58
• 제 2 절 실험 및 실험방법...66
• 1. 탈수소 촉매의 제조...66
• 2. 반응장치 구성 및 촉매활성 측정...68
• 3. 촉매특성 조사...68
• 제 3 절 이산화탄소에 의한 산화제 효과 관찰...70
• 1. 에틸벤젠 탈수소 반응의 이산화탄소 효과...70
• 2. 4-VCH 산화탈수소 반응의 이산화탄소 산화제 효과...76
• 제 4 절 에틸벤젠 탈수소 촉매 개발...81
• 1. 이산화탄소 산화제를 이용한 에틸벤젠 탈수소 반응특성...81
• 제 5 절 에틸벤젠 탈수소 톡매의 특성규명...86
• 제 6 절 미니-파일롯 장치 설치 및 운전...109
• 1. Mini-Pilot 규모 반응 시스템의 설계 및 설치...109
• 2. Mini-Pilot 반응실험을 위한 촉매제조...116
• 3. Mini-Pilot 장치의 운전방법...125
• 4. Mini-Pilot 장치의 운전결과...130
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 대외기여도...142
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...144
• 제 6 장 참고문헌...145
• 부 록 위탁연구기관 보고서...148