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  natural gas에서 industrial methanol 합성 반응 설계에 관한 질문있습니다!
  글쓴이 : 잼잼   고유ID : hjmin98     날짜 : 19-05-12 14:49     조회 : 124    
natural gas에서 industrial methanol 합성 하는 과정이 아래와 같습니다.
CO + 2H2 = CH3OH
CO + H20 = CO2 + H2
2CH4 + O2 = 2CH3OH로 주어졌습니다.
 근데 산업용메탄올은 상온, 상압에서 액체 상태이며 일반적인 반응식은 2CH4 + O2 = 2CH3OH로 알고 있습니다.
(1) 주어진 세가지 반응이 연쇄적으로 발생하는지, 부가적인 반응인지, 함께 반응하는지, 아님 그냥 저 세 반응식 중 한가지만 사용해야하는지 고민이 됩니다.
(2) 이 공정을 수행할 때 가장 최선의 반응기를 찾고 Operating condition을 찾아야 합니다.
10000tons/day이 목표인데 이런 대규모의 생산은 CSTR이 사용되야 한다고 생각합니다. 하지만 반응물이 기체일 경우에는 PFR을 사용하는 것이 적합하다고 배웠는데, 이 떄에는 어떤 반응기가 더 효율적일까요?
현대오일뱅크에서 메탄올 제조 플랜트의 자료를 참고했는데, 실제 공정과 설계하는 공정은 차이가 굉장히 크더라고요.촉매도 사용하고 F-T라는 반응기를 사용하는데 이런 반응기를 아직 배우지 않았습니다.
그래서 더 막막해서 이렇게 조언을 구합니다. 감사합니다.


Stefano    19-05-13 12:37
(A0) <일반적인 반응식은 2CH4 + O2 = 2CH3OH로...>
아닙니다 이는 일반적 반응식이 아니고 천연가스를 원료로 메탄올을 합성하는 반응을 종합해서 나타내는 반응에 해당합니다.  석탄과 물과 공기로 나일론을 만든다는 식의 표현이라고 봐야 합니다.

(A1) 언급한 반응중 첫 반응만이 주반응에 해당하고 두,세번째의 반응식은 부반응에 해당합니다. 메탄올 반응기내에서 동시에(함께) 일어날 수 있는 부반응들입니다. 

(A2) CSTR은 액상의 반응에만 논할 수 있습니다.  메탄올 합성반응은 기상에서 이루어 지고 있기 때문에 교반기가 필요없고 촉매층만 균일하게 흘러가도록 하면서 발열반응을 제어할 수 있는 반응기가 필요합니다. 

현 상용공장에는 촉매층 단열반응기(Adiabatic Reactor),  스팀 발생 겸용 정온반응기(Isothermal Reactor)가 사용됩니다. 모두 PFR 형태이고 Back Mixing이 일어나지 않으며 반응물은 Quenching 하여 고압에서 Methanol를 응축시켜 분리해 내고 미반응 가스는 반응기로 순환하는 방법이 사용됩니다.  응축되는 메탄올은 물, 고비점 등을 분리하여 정제되 제품으로 생산됩니다.

(A3) 예전 여수의 대성메탄올 (현 LG화학 VCM 공장위치) 공장이 폐쇠되고 난 후 국내에는 Methanol 공장이 하나도 없습니다.
원료가 나프타로부터 천연가스로 달라졌기 때문입니다.  현대오일뱅크에 설치된 메탄올 공장은 상용공장이 아니라 연산 3000톤 규모의 Pilot Plant에 해당합니다.

현대오일뱅크에서 연구개발 중에 있는 Methanol 공장은 CH4를 Reforming하면서 생성되는 H2가 Methanol 합성가스에 사용되는  H2/CO의 몰비 2를 초과하여 3에 해당하기 때문에 여분의 H2를 이용하기 위하여 CO2를 추가원료로 사용하기 위해 사용하는 공정기술에 해당합니다.

메탄올 합성공장(Reformer + Methanol 합성) 전체의 반응:
------------------------------------------------------------------------------
CH4 + H2O ----> CO  +  3H2
CO +2H2 ------->CH3OH
----------------------------------------------------
CH4 + H2O----->CH3OH + H2  ...(4) <---전체의 반응에서 CH4 1몰 사용하여 1몰의 메탄올를 제조하면 항상 수소가 1몰 남게 됨.

CO2 와 H2의 반응:
---------------------------
CO2 + H2 ------>CO +  H2O .......(5) <---평형반응으로  Water Gas Shift 반응의 역반응 (Reverse -Water-Gas-Shift Reaction)
CO + 2H2 ------->CH3OH.............(6)
------------------------------------------------------ 
CO2+3H2 ------->CH3OH +H2O  <----------H2 1몰의 여분이 있으면 1/3몰의 메탄올을 더 생산할 수 있음.


(A4) CO2활용방법..
CO2는 메탄올 반응기에 그대로 공급해도 Syn Gas로 작용합니다.    그러나 CO2를 Reformer에서 Steam 부분대체용으로 사용할 수가 있습니다ㅣ

CH4 + H2O ----> CO+ 3H2  <-------------------스팀사용 천연가스리포머의 기본반응
CO + H2O ------>CO2 + H2  <------------------- CO로부터 H2 제조를 위한 "Water Gas Shift Reaction"

CH4 + CO2-----> 2CO +2H2  <------------------CO2 (보조)사용에 의한 리포머 반응 (합성가스 제조)

F-T 반응은 Fisher-Tropsch 촉매를 사용하는 반응으로 합성가스로부터 Hydrocarbon(합성오일)을 제조하기 위한 반응으로 2차대전에 독일이 석탄으로부터 석유를 제조하기 위해 개발했던 기술입니다.  CO2를 Methanol 합성에 이용할 수 있는 것처럼 CO2로부터 Oil을 합성할 수 있는 기술이지만... H2가 값싼가격으로 구할 수 있을 때라야 경제성이 있습니다.  석유(뿐만 아니라 석탄)가 고갈되었을 때 반드시 활용해야만 할 장기적 연구과제에 해당합니다.

CO2 + H2 -------->CO + H2O  <------------------Reverse Water-Gas-Shift Reaction
CO + (m+1)/n H2 ---------->1/n CnHm + 1/n H2O  <-------------F-T 촉매 이용 Hydrocarbon 합성반응
홍익대 반…    19-05-16 21:10
이런식이면 F를 줄수밖에없습니다. 스스로의 힘으로 해결하시길바랍니다.
Stefano    19-05-17 09:32
이곳에서 학습과정에서 문제풀이나 과제풀이를 요청해서는 안됩니다.  전 세계 어느 인터넷 사이트라고 해도 문제풀이, 숙제해결, 등에 도움주는 것이 금기시 되어 있습니다. 이곳 또한 게시판의 본래 의도에 따라 이들을 해결해 줄 의사도 없습니다. 

학습 문제에 관하여 스스로 고민해보고 자료도 찾아보고 막히는 부분을 중점적으로 질문하도록 하며 무엇보다도 질문시 " 스스로 솔직해지시기"를 바라겠습니다.
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