KR101016669B1 - Apparatus for alkane dehydrogenation using microwave energy - Google Patents
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Abstract
본 발명은 C4이하의 알칸, 즉 경질 포화 탄화수소(Alkane)를 탈수소화하는 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 기존의 열적 크래킹(pyrolysis) 방법 대신에 전자기파의 일종인 마이크로파와 이의 흡수 및 촉매기능을 동시에 갖는 복합체, 소위 유전촉매(dielectric catalysts)를 이용하여 경질 알칸으로부터 알켄(Alkene) 또는 올레핀(olefin)을 제조하는 마이크로파를 이용한 알칸 탈수소화 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a device for dehydrogenating alkanes of C4 or less, that is, light saturated hydrocarbons (Alkane). More specifically, instead of the conventional thermal cracking method, microwaves and their absorption and catalytic functions are simultaneously used. The present invention relates to an alkane dehydrogenation apparatus using microwaves for producing alkenes or olefins from hard alkanes using so-called dielectric catalysts.
마이크로파, 유전촉매, 알칸, 탈수소화, 알켄, 올레핀 Microwave, dielectric catalyst, alkanes, dehydrogenation, alkenes, olefins
Description
본 발명은 C4이하의 알칸, 즉 경질 포화 탄화수소(Alkane)를 탈수소화하는 장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 기존의 열적 크래킹(pyrolysis) 방법 대신에 전자기파의 일종인 마이크로파와 이의 흡수 및 촉매기능을 동시에 갖는 복합체, 소위 유전촉매(dielectric catalysts)를 이용하여 경질 알칸으로부터 알켄(Alkene) 또는 올레핀(olefin)을 제조하는 것이다.The present invention relates to a device for dehydrogenating alkanes of C4 or less, that is, light saturated hydrocarbons (Alkane). More specifically, instead of the conventional thermal cracking method, microwaves and their absorption and catalytic functions are simultaneously used. Alkene or olefin is prepared from light alkanes using a complex having so-called dielectric catalysts.
올레핀은 거의 모든 석유화학 제품의 필수 기초원료로 보통 납사 또는 C2이상의 탄화수소를 열분해하여 제조된다. 특히 C2이상 탄화수소 열분해 기술은 UCC(Union Carbide Corp.)사의 Ethoxene공정과 UOP(Universal Oil Products)사의 Oleflex공정 등이 현재 상업적으로 가동되고 있다. Olefin is an essential basic raw material for almost all petrochemical products and is usually produced by pyrolysis of naphtha or C2 or higher hydrocarbons. In particular, C2 or higher hydrocarbon pyrolysis technology is currently being operated commercially by Union Carbide Corp.'s Ethoxene process and UOP's Oleflex process.
그러나 이러한 열분해방식은 하기 표 1에 나타낸 바와 같이, 경질 알칸 자체가 갖고 있는 강한 C-H결합에너지 때문에 활성화가 매우 힘들고, 700∼850℃의 높은 반응온도와 에너지 소모를 필요로 하며, 열분해 반응의 열역학적 평형제약 때문 에 60∼65%의 비교적 낮은 알칸 전환율로 운전되고 있다.However, this pyrolysis method is very difficult to activate due to the strong CH bond energy of the hard alkanes themselves, as shown in Table 1, requires a high reaction temperature and energy consumption of 700 ~ 850 ℃, thermodynamic equilibrium of the pyrolysis reaction Due to constraints, they are operating at relatively low alkane conversions of 60-65%.
(kJ/mol)CH binding energy
(kJ / mol)
on HAtomic charge
on H
또한 이러한 상용공정들은 반응 열역학적인 기본적인 문제 외에도 실제 고온운전에 필요한 특별한 전열관 로(furnace)와 약 100m정도의 가늘고 긴 관형 반응기 사용에 따른 코킹 및 압력강하를 방지하기 위한 잦은 가동중지(약 45일 주기), 벌크(bulk)가열에 따른 단열 등 부대시설을 포함하여 높은 시설투자비 등의 문제점을 갖고 있다. In addition to the basic problems of reaction thermodynamics, these commercial processes are frequently shut down to prevent caulking and pressure drop due to the use of special furnaces for high temperature operation and the use of thin, long tubular reactors of about 100 m (approximately 45 days). ) And high facilities investment costs, including additional facilities such as insulation due to bulk heating.
최근에는 이러한 전통적인 방식을 극복하기 위해 산화 또는 촉매 탈수소화기술, 수소연소와 결합된 탈수소화기술, 막반응 또는 플라즈마반응 기술들이 연구개발되고 있으나 괄목할 만한 성과는 없는 실정이다.Recently, oxidative or catalytic dehydrogenation technology, dehydrogenation technology combined with hydrogen combustion, membrane reaction or plasma reaction technology have been researched and developed to overcome this traditional method, but there are no remarkable results.
또한 이러한 전통적인 가열방식의 문제점을 근본적으로 해결하고자 최근에는 전혀 새로운 열전달 기구를 갖는 마이크로파 가열, 즉 물질자체가 마이크로파를 선택적으로 흡수하여 발열하는 특성을 이용한 화학반응 기술개발이 이루어지고 있다. In addition, in order to fundamentally solve the problem of the conventional heating method, the development of a chemical reaction technology using microwave heating, which has a completely new heat transfer mechanism, that is, the material itself absorbs microwaves and generates heat.
이러한 마이크로파는 보통 300MHz∼30GHz의 주파수와 0.1∼1m의 파장대역을 갖는 전자기파의 일종으로 그 중 ISM(Industry Science and Medicine)주파수를 이용한 마이크로파 유전가열은 해당 주파수에 상당하는 사이클 변환속도만큼의 분극분자의 회전 혹은 분자의 재배치에 의한 분자간 마찰에너지를 이용하여 물질자체가 발열하는 가열방식이다.Such microwaves are a kind of electromagnetic waves having a frequency of 300 MHz to 30 GHz and a wavelength band of 0.1 to 1 m. Among them, microwave dielectric heating using ISM (Industry Science and Medicine) frequency has polarization molecules with a cycle conversion speed corresponding to the corresponding frequency. It is a heating method in which the material itself generates heat by using intermolecular friction energy by rotation of or rearrangement of molecules.
그러나 마이크로파에 대해 투과특성을 갖는 대부분의 유기물질, 특히 C4이하의 가스상 유기화합물의 화학반응은 반응물질 자체의 발열에 의한 반응이 불가능하기 때문에 광촉매 반응의 sensitizer 개념과 유사한 방식의 도입이 필요하다. 즉 마이크로파를 흡수하여 화학반응에 필요한 에너지를 공급하는 에너지 전환체로서의 기능과 목적반응에 적합한 화학촉매로서의 역활을 동시에 수행할 수 있는 새로운 복합체, 즉 유전촉매 개발이 무엇보다 중요한 실정이다.However, chemical reactions of most organic materials, especially gaseous organic compounds below C4, which are permeable to microwaves, cannot be reacted by exothermic heat of the reactants themselves. Therefore, a similar method to the sensitizer concept of photocatalytic reactions is required. That is, the development of a new complex, that is, a dielectric catalyst, capable of simultaneously functioning as an energy converter that absorbs microwaves and supplies energy for chemical reactions and a role as a chemical catalyst suitable for a target reaction is important.
본 발명은 상기의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로, 마이크로파에 의한 유전촉매 자체의 선택적인 내부급속 가열에 의해 기존 벌크가스 가열에 따른 C4이하의 탈수소화기술의 열역학적 평형제약을 극복함으로써, 비교적 낮은 온도에서 높은 알칸 전환율을 이루고자 하는 것이다. 특히 전자기장 내에서 고체표면 하전입자의 분산도가 증가되면서 반응 활성도가 크게 향상되는 마이크로파 자체의 촉매적 특성을 극대화할 수 있는 새로운 유전촉매의 개발을 목적으로 한다.The present invention has been made to solve the above problems, by overcoming the thermodynamic equilibrium constraint of the dehydrogenation technology of C4 or less according to the existing bulk gas heating by the selective internal rapid heating of the dielectric catalyst itself by microwave, To achieve high alkane conversion at temperature. In particular, it aims to develop a new dielectric catalyst that can maximize the catalytic properties of microwave itself, which greatly improves the reaction activity as the dispersion of solid surface charged particles in the electromagnetic field increases.
또한 이를 통하여 C4이하의 알칸 탈수소화에 필요한 에너지를 최소화하고, 마이크로파 촉매특성에 의한 반응속도의 향상과 유전촉매만의 선택적 가열에 의한 생성가스의 자연적인 급속냉각으로 생성물의 분리정제에 필요한 부대설비 및 비용을 최소화할 수 있는 구조를 갖는 소형화된 탈수소화 장치의 제공을 다른 목적으로 한다.In addition, it minimizes the energy required for dehydrogenation of alkanes below C4 and improves the reaction rate by the characteristics of microwave catalyst and additional equipment required for separation and purification of products by natural rapid cooling of the product gas by selective heating of dielectric catalyst only. And another object is to provide a miniaturized dehydrogenation apparatus having a structure that can minimize the cost.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 알칸의 탈수소화 장치는 마이크로파 발생기의 일측에 마그네트론 헤드가 장착되고, 상기 마이크론헤드의 일측에는 도파관이 연통설치되며, 상기 도파관에는 유전촉매가 충진된 반응로와 상기 반응로에 가스를 유입시키기 위한 공급가스 입구 및 생성가스 출구가 각각 형성되어 유입된 가스분위기에서 탄화반응이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 한다.Dehydrogenation apparatus of the alkane according to the present invention for achieving the above object is a magnetron head is mounted on one side of the microwave generator, a waveguide is connected to one side of the micron head, the waveguide is filled with a dielectric catalyst And a feed gas inlet and a product gas outlet for introducing gas into the reactor, respectively, so that the carbonization reaction is performed in the introduced gas atmosphere.
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본 발명에 의하면, 마이크로파에 의한 유전촉매 자체의 선택적인 내부급속 가열에 의해 기존 벌크가스 가열에 따른 C4이하의 탈수소화기술의 열역학적 평형제약을 극복함으로써, 비교적 낮은 온도에서 높은 알칸 전환율을 갖도록 한다.According to the present invention, it is possible to have a high alkane conversion rate at a relatively low temperature by overcoming the thermodynamic equilibrium constraint of the dehydrogenation technology of C4 or less according to the existing bulk gas heating by selective internal rapid heating of the dielectric catalyst itself by microwaves.
또한 C4이하의 알칸 탈수소화에 필요한 에너지를 최소화하고, 마이크로파 촉매특성에 의한 반응속도의 향상을 가져오며, 유전촉매만의 선택적 가열에 의하여 생성가스가 자연적인 급속냉각됨으로써, 생성물의 분리정제에 필요한 부대설비 및 비용을 최소화할 수 있도록 한다.In addition, the energy required for dehydrogenation of alkanes below C4 is minimized, the reaction rate is improved by microwave catalytic characteristics, and the product gas is naturally rapidly cooled by selective heating of the dielectric catalyst alone. Minimize the equipment and costs.
또한 종래의 가열로에 비해 그 장치의 소형화가 가능하므로, 설치비용 및 공간을 최소화할 수 있도록 한다.In addition, since the device can be miniaturized compared to the conventional heating furnace, installation cost and space can be minimized.
이하 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 알칸의 탈수소화 방법 및 장치에 대하여 상세히 설명한다.Hereinafter, a method and apparatus for dehydrogenation of alkanes using microwaves according to the present invention will be described in detail.
먼저, 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 알칸의 탈수소화 방법 및 장치에 의하면, 알칸은 마이크로파와 유전촉매에 의하여 하기 반응식 1과 같이 알켄(Alkene) 또는 올레핀(Olefin)으로 제조되는 것이다.First, according to the method and apparatus for dehydrogenation of alkanes using microwaves according to the present invention, alkanes are prepared from alkenes or olefins as shown in
이하 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 알칸의 탈수소화 방법에 대해 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method for dehydrogenation of alkanes using microwaves according to the present invention will be described.
본 발명에 따른 알칼의 탈수소화 방법은, 유전촉매와 이에 접촉하는 가스상 알칸에 마이크로파를 조사하여 상기 반응식 1과 같이 알칸을 탈수소화함으로써, 알칸을 알켄 또는 올레핀으로 제조하는 것이다.In the dehydrogenation method of alkal according to the present invention, the alkanes are prepared from alkenes or olefins by irradiating microwaves with a dielectric catalyst and gaseous alkanes in contact with the dielectric to dehydrogenate alkanes as shown in
이때 상기 가스상 알칸은 탄소수가 1∼4개인 것이 바람직하나 이를 반드시 제한하는 것은 아니다. At this time, the gaseous alkanes preferably have 1 to 4 carbon atoms, but are not necessarily limited thereto.
그리고 상기 유전촉매로는 자연상태의 석탄계 탄소물질, 페롭스카이트(perovskite) 구조의 산화물 및 상자성 물질로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 것을 사용할 수 있고, 다공성 탄소물질, 알루미나, 실리카 및 탄화규소로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 지지체로 하여 전이금속을 담지한 것을 사용할 수도 있다. 이때 상기 전이금속으로는 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt)을 사용할 수 있고, 상기 상자성물질로는 마이크로파의 강력한 흡수체로 잘 알려진 유전물질 즉, 산화철(FeeO3), 산화마그네슘(MgO), 산화구리(CuO) 등을 사용할 수 있다.The dielectric catalyst may be one or two or more selected from the group consisting of natural carbonaceous carbon materials, perovskite oxides and paramagnetic materials, and porous carbon materials, alumina, silica, and carbonization. One having one or two or more selected from the group consisting of silicon as a support may be used. In this case, palladium (Pd) or platinum (Pt) may be used as the transition metal, and the paramagnetic material may be a dielectric material well known as a strong absorber of microwaves, that is, iron oxide (Fe e O 3 ), magnesium oxide (MgO), Copper oxide (CuO) etc. can be used.
한편, 상기 마이크로파는 300MHz∼30GHZ의 주파수 범위에서 ISM(Industry Science and Medicine)주파수를 사용한다. On the other hand, the microwave uses the Industry Science and Medicine (ISM) frequency in the frequency range of 300MHz to 30GHZ.
본 발명에 따른 알칸의 탈수소화반응에 따르면, 마이크로파에 의하여 유전촉매 자체의 선택적인 내부급속 가열이 이루어지고, 이로 인해 종래 벌크가스 가열에 따른 C4이하의 탈수소화기술의 열역학적 평형제약을 극복함으로써, 비교적 낮은 온도에서 높은 알칸 전환율을 이룬 것이다. According to the dehydrogenation of alkanes according to the present invention, selective internal rapid heating of the dielectric catalyst itself is effected by microwaves, thereby overcoming the thermodynamic equilibrium constraints of the dehydrogenation technology of C4 or less according to conventional bulk gas heating. High alkane conversion was achieved at relatively low temperatures.
이하 상기한 탈수소화반응을 위한 소형화된 알칸의 탈수소화 장치(10)에 대하여 첨부된 도 1을 참고하여 설명한다.Hereinafter, the
본 발명에 따른 탈수소화 장치(10)는 마이크로파 발생기(20), 마그네트론 헤드(30), 도파관(40) 및 반응로(50)를 포함하여 구성된다.The
상기 마이크로파 발생기(20)의 일측에 마그네트론 헤드(30)가 장착되고, 상기 마그네트론 헤드(30)의 일측에 도파관(40)이 연통설치된다.The
이때 상기 도파관(40)에는 유전촉매가 충진된 반응로(50)가 형성되는 데, 상기 반응로(50)로 가스를 유입시키기 위한 공급가스 입구(43)가 상기 도파관(40)에 추가로 설치되며, 반응을 통해 생성된 가스를 내보내기 위하여 상기 공급가스 입구(43)의 반대편으로 생성가스 출구(44)가 형성된다.At this time, the
그리고 상기 도파관(40)은 제1곡부(41)와 제2곡부(42)에 의해 'ㄷ'자형으로 굴곡형성되는 것이 바람직하다. 그리고 상기 반응로(50)는 상기 도파관(40)의 제1곡부(41)와 제2곡부(42) 사이에 설치되고, 상기 생성가스 출구(44)는 상기 제1곡 부(41)에 형성되고, 상기 공급가스 입구(43)는 상기 제2곡부(42)에 형성되어 상기 제1곡부(41)와 제2곡부(42) 사이에서 알칸이 반응되도록 하는 것이다.In addition, the
즉, 상기 마그네트론 헤드(30)가 장착된 마이크로파 발생기(20)가 마이크로파를 발생시키고, 상기 발생된 마이크로파가 도파관(40)을 통해 이동되면서 상기 도파관(40)에 설치된 반응로(50)에서 상기 공급가스 입구(43)를 통해 유입되는 알칸가스와 탈수소화반응하게 되고, 상기 탈수소화를 통해 생성된 알켄가스는 상기 생성가스 출구(44)를 통해 유출되는 것이다.That is, the
이때 상기 반사전력에 의한 마그네트론 헤드(30)의 과열을 방지하기 위하여, 상기 마그네트론 헤드(30)와 제1곡부(41) 사이에 제1더미로드(61)와 임피던스매칭 튜더(70)가 순차적으로 설치되고, 상기 제2곡부(42)와 상기 도파관(40)의 단부 사이에는 양방향 감쇄기(directional attenuation coupler)(80)가 설치되며, 상기 도파관(40)의 단부에는 제2더미로드(62)가 설치된다.In this case, in order to prevent overheating of the
즉, 상기 반응로(50)에서 흡수되지 않은 마이크로파의 반사전력은 상기 양방향 감쇄기(80)를 통해 감쇄되고, 상기 양방향 감쇄기(80)를 통과한 마이크로파의 반사전력은 상기 제2더미로드(62)에 의해 흡수되며, 상기 제2더미로드(62)를 통해서 흡수되지 못한 마이크로파의 반사전력은 상기 반응로(50)에서 다시 반응하게 되는 것인 데, 상기 반응로(50)에서 반응하지 못한 잔여 마이크로파가 상기 임피던스매칭튜더(70)와 상기 제1더미로드(61)를 통해 흡수되는 것이다.That is, the reflected power of the microwaves that are not absorbed in the
이때 상기 제2더미로드(62)의 과열을 방지하기 위해서는, 상기 제2더미로드(62)가 설치된 도파관(40)의 단부 외측으로 순환수가 유동되도록 할 수도 있으 며, 상기 양방향 감쇄기(80)에는 마이크로파 전력측정기(90)를 추가로 결합시켜 상기 반응로(50)에서의 마이크로파의 흡수전력을 측정함으로써, 상기 마이크로파 발생기(20)의 입사전력을 조절할 수도 있는 것이다.In this case, in order to prevent overheating of the
아울러, 상기 반응로(50)로는 석영 반응로를 사용하며, 상기 마이크로파 발생기(20)는 300MHz∼30GHz의 주파수 범위에서 ISM(Industry Science and Medicine)주파수인 2.45GHz를 사용하고, 0∼2.5kW의 입사전력 조절범위를 갖도록 하는 것이 바람직하나 이를 반드시 제한하는 것은 아니다.In addition, a quartz reactor is used as the
그리고 상기 유전촉매는 앞서 설명된 바와 같이, 자연상태의 석탄계 탄소물질, 페롭스카이트(perovskite) 구조의 산화물 및 상자성 물질로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 것을 사용하거나, 다공성 탄소물질, 알루미나, 실리카 및 탄화규소(SiC)로 이루어진 군 중 선택된 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 지지체로 하여 전이금속을 담지한 것을 사용할 수도 있다. As described above, the dielectric catalyst may be one or two or more selected from the group consisting of natural coal-based carbon material, perovskite structure oxide and paramagnetic material, or porous carbon material and alumina. , And one having two or more kinds of mixtures selected from the group consisting of silica and silicon carbide (SiC) supporting a transition metal may be used.
이하 실험을 통해 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail through experiments.
ISM 주파수를 사용한 알칸의 탈수소화는 고정층, 유동층, 이동층 반응기나 관형, 판형, 마이크로채널, 하니컴 등의 다양한 반응기 형태에 응용가능하다. 본 발명에서는 2.45GHz의 마이크로파 발생장치를 사용하여 5cm 높이의 고정층에 질소 또는 반응가스 에탄을 200㎤/min의 속도로 흘려보내면서 600∼800Watts의 입사전력 범위에서 마이크로파 흡수 및 반응 실험을 수행하였다.Dehydrogenation of alkanes using ISM frequency is applicable to various reactor types, such as fixed bed, fluidized bed, moving bed reactors or tubular, plate, microchannel, honeycomb, etc. In the present invention, the microwave absorption and reaction experiments were performed in the incident power range of 600 to 800 Watts while flowing nitrogen or reaction gas ethane at a speed of 200 cm 3 / min using a 2.45 GHz microwave generator.
질소분위기에서 수행된 마이크로파 흡수실험은 기존에 잘 알려진 마이크로파 흡수물질인 알파-탄화규소(α-SiC)를 기준으로 산화철(FeeO3), 산화구리(CuO), 탄소성물질은 국산무연탄(KAK-A2: Korean Anthracite from Kyungdong Co.) 및 미국 FMC corp.의 석탄계 char(FMC-char), 그리고 기존 열화학 촉매의 지지체로 주로 사용되는 감마-산화알루미늄(γ-Al2O3)에 대한 마이크로파 흡수율을 측정하였다. 그리고 그 결과를 도 2에 그래프로 나타내었다.Microwave absorption experiments carried out in a nitrogen atmosphere are based on the well-known microwave absorber alpha-silicon carbide (α-SiC) iron oxide (Fe e O 3 ), copper oxide (CuO), carbonaceous materials are domestic anthracite ( microwave for aluminum (γ-Al 2 O 3 oxide) - Korean Anthracite from Kyungdong Co.) and US FMC corp of coal char (FMC-char), and conventional thermal chemical support to the catalyst to be used primarily gamma:. KAK-A2 Absorption rate was measured. And the results are shown graphically in FIG.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이 탄소성 물질인 국산무연탄(KAK-A2) 및 미국산 석탄계 char(FMC-char)는 상자성 물질인 알파-탄화규소, 산화철, 산화구리 등에 비해 매우 우수한 마이크로파 흡수체임을 알 수 있었으며, 기존 촉매 지지체로서 사용되는 감마-산화알루미늄는 매우 낮은 흡수율을 갖는 것을 확인할 수 있었다.As can be seen in Figure 2 carbonaceous materials domestic anthracite coal (KAK-A2) and US coal-based char (FMC-char) is a very good microwave absorber compared to paramagnetic materials alpha-silicon carbide, iron oxide, copper oxide, etc. It was confirmed that the gamma-aluminum oxide used as an existing catalyst support had a very low absorption rate.
또한 다양한 석탄계 탄소성 물질들에 대하여 마이크로파 흡수율을 측정, 비교하였으며, 그 결과를 도 3과 같이 나타내었다. (도 3에서 나타낸 KAK는 경동탄광의 무연탄이며, M은 마로탄광, H는 한보탄광, S는 삼척탄좌, J는 장성탄광, CAD는 중국 단동탄광, IAR는 인도네시아 로토탄 시료이며, 이하의 표기는 샘플링 넘버링으로 랜덤하게 표기하였다.)In addition, microwave absorption rates were measured and compared with various coal-based carbonaceous materials, and the results are shown in FIG. 3. (KAK shown in FIG. 3 is the anthracite coal of the Kyungdong coal mine, M is the Maro coal mine, H is Hanbo coal mine, S is Samcheok coal seat, J is Jangseong coal mine, CAD is Dandong coal mine in China, and IAR is the Indonesian Rototan sample. Is denoted randomly by sampling numbering.)
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 탄화도가 높고 비표면적이 매우 큰 미국 Calgon Carbon corp.의 다공성 활성탄(Calgon-01)의 마이크로파 흡수특성은 월등히 높은 반면, 탄화도가 낮은 갈탄계 탄소물질(CAD-A1, IAR-A1)은 매우 낮은 마이크로파 흡수특성을 보이고, 탄화도는 높지만 기공이 거의 없는 국산무연탄(KAK-E1, KAM-A3, KAH-A1, KAS-A1, KAJ-A1)의 경우 비교적 우수한 흡수율을 갖는 것을 확인 하였다.As can be seen in FIG. 3, the microwave absorption characteristics of the porous activated carbon (Calgon-01) of the US Calgon Carbon corp., Which has a high degree of carbonization and a very high specific surface area, are extremely high, whereas lignite carbonaceous material having a low degree of carbonization (CAD-A1) , IAR-A1) show very low microwave absorption characteristics and relatively good absorption rate for domestic anthracite coal (KAK-E1, KAM-A3, KAH-A1, KAS-A1, KAJ-A1) with high carbonization but few pores. It was confirmed to have.
그리고 국산무연탄(KAK-A2)에 대한 분말의 평균 입자크기에 따른 마이크로파 흡수율 변화를 측정하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 평균 입자크기에 따라 상당한 흡수율 차이를 보이며 0.25mm의 크기에서 가장 높은 마이크로파 흡수특성을 보임을 알 수 있었다.And the change in microwave absorption rate according to the average particle size of the powder for the domestic anthracite coal (KAK-A2) was measured, and the results are shown in FIG. As can be seen in Figure 4, it showed a significant difference in absorption rate according to the average particle size and showed the highest microwave absorption characteristics at a size of 0.25mm.
상기한 실험 결과를 토대로 하여, 700watts 입사전력의 마이크로파를 이용한 에탄 탈수소화 반응실험을 공간속도 700hr-1에서 수행하였다. 그 결과를 하기 표 2와 같았다.Based on the above experimental results, the experiment of ethane dehydrogenation using microwave of 700watts incident power was performed at the space velocity of 700hr-1. The results were as shown in Table 2 below.
(*는 재현성 확인을 위한 반복실험한 2차 결과)(* Is repeated secondary experiment to confirm reproducibility)
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 감마-산화알루미늄에 팔라듐(Pd) 또는 백금(Pt)을 담지한 기존 촉매의 경우 반응성이 매우 낮은 반면, 마이크로파의 우수한 흡수체인 알파-탄화규소를 지지체로하여 팔라듐 또는 백금을 담지한 촉매의 경우 비교적 높은 에탄의 전환율 및 에틸렌 선택도를 갖는다.As can be seen in Table 2, the conventional catalysts carrying palladium (Pd) or platinum (Pt) on gamma-aluminum oxide have very low reactivity, whereas alpha-silicon carbide, which is an excellent absorber of microwaves, is used as a support. Catalysts carrying palladium or platinum have a relatively high conversion of ethane and ethylene selectivity.
특히 주목할 만한 결과는 팔라듐 또는 백금 등 어떠한 촉매도 담지하지 않은 원료 그 그대로의 국산무연탄(KAK-A2)의 경우 매우 높은 전환율과 선택도로 가장 높은 에틸렌 수율을 얻을 수 있음을 확인하였다. 또한 가장 큰 마이크로파 흡수율을 보인 미국산 석탄계 char(FMC-char)의 경우 에탄의 전환율은 가장 높으나 에틸렌 선택도가 상대적으로 낮음을 알 수 있었다. Particularly noteworthy results showed that the domestic anthracite coal (KAK-A2) as raw material without any catalyst such as palladium or platinum can obtain the highest ethylene yield with very high conversion and selectivity. In the case of the US-based coal char (FMC-char), which showed the highest microwave absorption rate, the conversion of ethane was the highest but the ethylene selectivity was relatively low.
또한 상기 우수한 에탄의 탈수소화 반응특성을 보인 원료 그대로의 국산 무연탄(KAK-A2)의 공업분석과 회분분석을 실시하고 그 결과를 하기 표 3에 나타내었다.In addition, the industrial and ash analysis of domestic anthracite coal (KAK-A2) as raw material showing the excellent dehydrogenation reaction of ethane was carried out and the results are shown in Table 3 below.
상기 표 3에서 알 수 있는 바와 같이, 일반적인 고열량 석탄 또는 미국산 석탄계 char(FMC-char)에 비해 고정탄소(F.C.)함량이 적고 회분함량이 많은 국산 무연탄만이 가지는 독특한 마이크로파 유전촉매 특성으로 보이며, 현재의 회분분석 결과만으로는 어떤 특정한 성분과 결합구조(perovskite)가 상기의 마이크로 탈수소화 반응을 촉진하는지 판단할 수는 없었다.As can be seen in Table 3, it is seen as a unique microwave dielectric catalyst characteristic of domestic anthracite coal, which has a lower fixed carbon (FC) content and a higher ash content than general high calorie coal or US coal-based char (FMC-char). The results of ash analysis of did not determine which specific component and perovskite promoted the microdehydrogenation reaction.
그리고 마이크로파 유전촉매로서 평균 입자크기 1.705mm의 국산 무연탄(KAK-A2) 분말을 충진한 석영반응로(내경 20mm)에서 공간속도가 694/h 일때 마이크로파 입사전력에 따른 에탄의 탈수소화 반응특성을 실험하였으며, 그 결과를 도 5에 나타내었다.In addition, experiments were conducted on the dehydrogenation of ethane with microwave incident power at a space velocity of 694 / h in a quartz reactor (inner diameter of 20 mm) filled with domestic anthracite (KAK-A2) powder with an average particle size of 1.705 mm as a microwave dielectric catalyst. The results are shown in FIG. 5.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 약 700Watts에서 가장 높은 에탄의 전환율을 보이며, 이 후 입사전력 증가에도 전체 에틸렌 수율변화는 크지 않음을 알 수 있었다.As can be seen in Figure 5, the conversion of the highest ethane at about 700Watts, it was found that even after the incident power increase, the overall change in ethylene yield is not large.
또한 상기와 동일한 반응조건에서 마이크로파 입사전력이 800Watts일 때 국산무연탄의 평균입자 크기에 따른 에탄의 탈수소화 반응특성을 실험하였으며, 그 결과를 도 6에 나타내었다. 도 6과 같이, 마이크로파 흡수특성이 가장 높은 0.25mm의 경우 에탄의 전환율은 100%에 가까우나 에틸렌 선택도가 상대적으로 낮아 낮은 에틸렌 수율을 보이며, 입자크기가 증가할수록 전환율은 감소하지만 에틸렌 선택도 증가에 따른 수율증가를 나타냄을 알 수 있었다.In addition, the dehydrogenation reaction characteristics of ethane according to the average particle size of domestic anthracite coal were tested when the microwave incident power was 800 Watts under the same reaction conditions, and the results are shown in FIG. 6. As shown in FIG. 6, in the case of 0.25 mm having the highest microwave absorption characteristics, the conversion of ethane is close to 100%, but the ethylene selectivity is relatively low, resulting in low ethylene yield. As the particle size increases, the conversion decreases but the ethylene selectivity increases. It can be seen that the yield increases according to.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로파를 이용한 알칸의 탈수소화장치를 도시한 개략도.1 is a schematic diagram showing an apparatus for dehydrogenation of alkanes using microwaves according to the present invention.
도 2는 α-SiC에 대한 상자성물질 및 석탄계 탄소물질의 마이크로파 흡수율을 비교한 비교도.Figure 2 is a comparison of the microwave absorption of the paramagnetic material and coal-based carbon material for α-SiC.
도 3은 석탄계 탄소물질의 마이크로파 흡수특성을 나타낸 그래프.3 is a graph showing microwave absorption characteristics of coal-based carbon materials.
도 4와 국산무연탄의 평균입자 크기에 따른 마이크로파 흡수특성을 나타낸 그래프Figure 4 and graph showing the microwave absorption characteristics according to the average particle size of the domestic anthracite coal
도 5는 마이크로파 입사전력에 따른 에탄의 탈수소화 성능을 나타내는 그래프5 is a graph showing the dehydrogenation performance of ethane according to microwave incident power
도 6은 국산무연탄의 평균 입자크기에 따른 에탄의 탈수소화 성능을 나타내는 그래프6 is a graph showing the dehydrogenation performance of ethane according to the average particle size of domestic anthracite coal
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 마이크로파 탈수소화장치 20 : 마이크로파 발생기10: microwave dehydrogenation apparatus 20: microwave generator
30 : 마그네트론 헤드 40 : 도파관30: magnetron head 40: waveguide
41 : 제1곡부 42 : 제2곡부41: first valley 42: second valley
43 : 공급가스 입구 44 : 생성가스 출구43: supply gas inlet 44: product gas outlet
50 : 반응로 61 : 제1더미로드50: reactor 61: first pile load
62 : 제2더미로드 70 : 임피던스매칭 튜너62: second dummy rod 70: impedance matching tuner
80 : 양방향 감쇄기80: bidirectional attenuator
90 : 마이크로파 전력측정기90: microwave power meter
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