Urea로부터 에틸렌 카보네이트 합성을 위한 반응속도 및 연속 반응기 모델링 연구
Studies of Kinetics and Continuous Reactor Modeling for synthesis of Ethylene carbonate from Urea
- 주제(키워드) 디메틸카보네이트 , Urea
- 발행기관 아주대학교
- 지도교수 이분열
- 발행년도 2020
- 학위수여년월 2020. 8
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 공학대학원 화학생명공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000030163
- 본문언어 한국어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
Dimethyl carbonate(DMC) is used for various purposes such as raw material of polycarbonate, electrolytes in secondary batteries, solvents of paint or coating fluids, and medicines, and continuous increase in demand is expected due to increased demand for polycarbonate and rising demand for replacement of traditional motor vehicles into electric vehicles. Currently, the commercial processes of manufacturing DMC use highly toxic or highly explosive substances such as Posgene or Ethylene oxide(EO). Thus they has environmental and safety risks and difficult to transport and handle, and are limited in location. For this reasons, many studies are being actively conducted to overcome the demerits. In this context, the method of synthesis of ethylene carbonate(EC) from Urea and ethylene glycol(EG) and then manufacturing DMC from EC is attracting attention as an alternative process. A lot of researches are being actively conducted on catalyst systems to increase yield of EC in this reaction for commercialization, but there is a relatively lack of consideration for kinetics and continuous reactors, hence that is necessary. In this study, the effects of temperature, pressure and Urea to EG mole ratio on yield and selectivity of EC were investigated by experiments and then reaction rate kinetics was calculated from it. In addition, modeling of continuous reactors was conducted using process simulation program by applying the calculated kinetics. As a results, the optimal reactor type and operation conditions were established to maximize yield of EC. The calculated reaction kinetics and optimized reactor operation conditions can be used for many researches for scale-up and continuous process configuration, and further, are expected to contribute to commercialization.
more초록/요약
디메틸 카보네이트(DMC)는 폴리카보네이트 제조 원료, 2차 전지의 전해액, 도료 및 코팅액의 용매, 의약품등 다양한 용도로 사용되고 있으며, 폴리카보네이트 수요 증가와 자동차 내연 기관의 전기 자동차로의 대체 요구 상승으로 지속적인 수요 증가가 기대된다. 현재 상업적으로 DMC를 제조하는 공정에서는 포스겐, 에틸렌 옥사이드(EO)와 같은 독성이 높거나, 폭발성이 강한 물질을 원료로 사용하고 있어, 환경 및 안전에 위험성을 지니고 있으며 원료 이송 및 취급이 어렵고 입지에 제한이 있다는 운용에 제한을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 대안 연구가 활발히 진행되고 있으며, Urea와 에틸렌 글리콜(EG)을 원료로 에틸렌 카보네이트(EC)를 합성하고 이로부터 DMC를 제조하는 방법이 대체 공정으로 주목받고 있다. 상업화를 위해 EC 수율을 높일 수 있는 촉매 시스템에 대한 연구는 활발히 진행되고 있으나, 반응 속도 및 연속 반응에 대한 고찰은 상대적으로 부족하여, 이에 대한 연구가 필요한 상황이다. 본 연구에서는 Urea와 EG로부터 EC를 합성하는 반응에 있어 온도, 압력, 원료 몰비가 EC수율 및 선택도에 미치는 영향을 알아보고, 반응속도식을 산출하였다. 또한, 산출된 반응 속도식을 적용, 공정 모사 프로그램을 활용하여 연속 반응기를 모델링 하였고 EC 수율을 극대화 할 수 있는 최적의 반응기 형태와 그 운전 조건을 수립하였다. 산출된 반응속도식과 최적화된 반응기 운전 조건은 Scale-up 연구 및 연속 공정 구성에 활용이 가능하며, 더 나아가 상업화에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.
more목차
Ⅰ. 서론 1
Ⅱ. Urea로부터 에틸렌카보네이트(EC) 합성 반응 4
Ⅲ. 실험 5
1. 실험 재료 및 시약 5
2. 실험 장치 5
3. 실험 방법 6
4. 실험 결과 7
1) 반응 온도 7
2) 원료 몰비 11
3) 반응 압력 11
Ⅳ. 반응속도상수 도출 13
1. 반응속도식 13
2. 반응속도상수 13
V. 연속 반응기 모사 16
1. CSRT 17
1) 운전 온도와 압력 17
2) 원료 투입 몰비 20
3) 최적 CSTR 운전 조건 21
2. 반응 증류 23
1) 운전 온도와 증류 비율 23
2) 원료 투입 몰비 25
3) 최적 반응 증류 운전 조건 26
3. 결과 및 고찰 28
VI. 결론 29
참고 문헌 30
