KR101593808B1 - Method for preparing isotropic pitch - Google Patents

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Abstract

본 발명은 등방성 피치의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 석유계 탄화수소를 라디칼 가교 반응을 통해 전처리하는 단계를 포함하는 등방성 피치의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 석유계 탄화수소를 라디칼 가교 반응을 통해 전처리하는 단계를 포함하는 등방성 피치의 제조 방법을 통해 상기 석유계 탄화수소의 유동성을 향상시킴으로써 불융화 성분의 형성을 억제할 수 있으며, 고연화점 및 고탄화수율의 등방성 피치를 높은 수율로서 제조할 수 있다.The present invention relates to a method for producing an isotropic pitch, and more particularly, to a method for producing an isotropic pitch including a step of pretreating a petroleum hydrocarbon through a radical crosslinking reaction. According to an embodiment of the present invention, the flowability of the petroleum hydrocarbon may be improved through a process for producing an isotropic pitch including a step of pretreating the petroleum hydrocarbon through a radical crosslinking reaction, thereby suppressing the formation of the infusible component , A high softening point and an isotropic pitch of high carbonization yield can be produced with high yield.

Description

등방성 피치의 제조 방법{METHOD FOR PREPARING ISOTROPIC PITCH}[0001] METHOD FOR PREPARING ISOTROPIC PITCH [0002]

본 발명은 등방성 피치의 제조 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 석유계 탄화수소를 라디칼 가교 반응을 통해 전처리하는 단계를 포함하는 등방성 피치의 제조 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method for producing an isotropic pitch, and more particularly, to a method for producing an isotropic pitch including a step of pretreating a petroleum hydrocarbon through a radical crosslinking reaction.

탄소 섬유와 같은 탄소 소재는 탄소의 함량이 95% 이상인 것으로, 탄소가 가지는 다양한 성질을 응용한 여러 가지 용도의 소재가 개발 및 생산되고 있다. 탄소 소재의 원료로서 일반적으로 알려진 모든 탄화수소 화합물이 사용될 수 있으나, 보통 최종 생산 제품의 요구 물성과 제조 비용에 따라 적당한 탄화수소 원료가 선택된다.Carbon materials such as carbon fiber have a carbon content of 95% or more, and various uses of materials using various properties of carbon have been developed and produced. All hydrocarbon compounds generally known as raw materials for carbon materials can be used, but usually suitable hydrocarbon materials are selected depending on the requirements of the final product and the manufacturing cost.

대표적인 탄소 소재로서 탄소 섬유는 원료물질에 따라 PAN(Polyacrylonitrile)계, 셀룰로오즈계, 피치계, 페놀수지계로 구분되며, 이 중 피치계 탄소섬유는 전구체(precursor)인 피치의 종류에 따라, 액정(Mesophase) 피치계 탄소섬유와 등방성(Isotropic) 피치계 탄소 섬유로 분류될 수 있다.As a typical carbon material, carbon fibers are classified into PAN (polyacrylonitrile), cellulose, pitch, and phenol resin based on the raw material. Among them, the pitch carbon fibers are classified into three types depending on the type of pitch, which is a precursor, ) Pitch-based carbon fibers and isotropic pitch-based carbon fibers.

상기 액정 피치계 탄소 섬유는 전구체로서 광학적으로 이방성인 액정 피치를 사용하여 제조하고, 등방성 피치계 탄소 섬유는 전구체로서 광학적으로 등방성인 등방성 피치를 사용하여 제조한다. 탄소 섬유의 기계적 물성은, 액정 피치계 탄소 섬유가 일반적으로 고강도 및 고탄성을 나타낸다면, 등방성 피치계 탄소 섬유는 저강도 및 저탄성의 범용적인 물성을 나타낸다.The liquid crystal pitch-based carbon fibers are produced by using optically anisotropic liquid crystal pitch as a precursor, and isotropic pitch-based carbon fibers are produced by using optically isotropic isotropic pitch as a precursor. The mechanical properties of the carbon fiber indicate that general properties of low strength and low elasticity are exhibited by isotropic pitch based carbon fibers when the liquid crystal pitch carbon fibers generally show high strength and high elasticity.

그러나, 액정 피치계 탄소섬유는 초고온재료 등 응용범위가 제한되어 있으므로, 범용 탄소섬유 제조를 위한 등방성 피치의 제조가 더 요구되고 있다. However, since the application range of liquid crystal pitch-based carbon fibers is limited, such as ultra-high temperature materials, production of isotropic pitches for producing general-purpose carbon fibers is further demanded.

특히, 최근에는 가격이 저렴하면서 탄성율과 열 및 전기전도성이 우수한 석유 정제 잔유물을 탄소 섬유용 등방성 피치로 이용하는 연구가 활발히 진행 중에 있다. 이 중, 석유계 탄화수소의 원료로서 FCC-DO (fluidized catalytic cracking-decant oil) 또는 PFO (pyrolized fuel oil) 등은 방향족화도가 높고, 황과 불융화 성분의 함량이 적어 고강도 탄소 섬유나 니들콕(needle coke), 인조 흑연과 같은 고부가 탄소 소재에 적합한 원료로서 주목 받고 있다.In recent years, researches are being actively conducted to utilize oil refining residues having a low elastic modulus and heat and electric conductivity at an isotropic pitch for carbon fibers at low cost. Among them, FCC-DO (fluidized catalytic cracking-decent oil) or PFO (pyrolysed fuel oil) as a raw material of petroleum hydrocarbon has a high degree of aromatization, a low content of sulfur and an incompatible component, needle coke, and artificial graphite.

다만, 이러한 석유계 탄화수소의 원료를 아무런 전처리 없이 사용할 경우, 불융화 성분의 생성을 억제하는 것과 높은 피치 수율의 확보가 어렵다는 문제점이 발생하였다. 따라서, 최종 생성물인 탄소 소재의 물성을 향상시키기 위해서 초기 원료와 제조 공정의 연구가 더 필요한 실정이다.However, when such raw materials of petroleum hydrocarbons are used without any pretreatment, there arises a problem that it is difficult to inhibit the generation of the infusible components and secure a high pitch yield. Therefore, in order to improve the physical properties of the carbon material, which is the final product, research on the raw material and the manufacturing process is further needed.

종래기술로서 한국등록특허공보 제10-0244912호에는 석유계 탄화수소를 할로겐 및 할로겐화 화합물을 사용하여 고연화점 광학적 등방성 피치를 제조하는 방법을 개시하고 있다. 상기 종래기술에서는 231 ~ 300 ℃에서 할로겐의 치환 및 축합반응을 이용하여 석유계 탄화수소의 알킬그룹 가료 반응을 개시하고 있으나, 이러한 전처리 방법은 230 ℃ 이상의 고온에서 진행되므로, 200 ℃ 이상에서 진행되는 석유계 잔사유의 증류반응에 의한 반응 안정성 저하 및 저분자량 환구조 탄화수소의 유실이 예상되며 또한 반응 부산물로 강산인 할로겐화산이 발생하기 때문에 반응기 제어가 어렵다.
Korean Patent Registration No. 10-0244912 discloses a method of producing a high softening point optical isotropic pitch by using a petroleum hydrocarbon as a halogen and a halogenated compound as a prior art. In the prior art, alkyl group charge reaction of petroleum hydrocarbons is initiated by substitution and condensation of halogen at 231 to 300 ° C. However, since this pretreatment process proceeds at a high temperature of 230 ° C. or higher, It is expected that the reaction stability due to the distillation reaction of the scaffold residue is lowered and the low molecular weight cyclic hydrocarbon is lost and also the halogenated acid which is a strong acid is generated as a byproduct of the reaction.

(선행기술 1) 한국등록특허공보 제10-0244912호(Prior art 1) Korean Patent Registration No. 10-0244912

이와 같은 기술적 배경 하에서, 본 발명자들은 석유계 탄화수소를 라디칼 가교 반응을 통해 전처리하는 단계를 포함하는 등방성 피치의 제조 방법을 개발하기에 이르렀다.Under such technical background, the present inventors have developed a process for producing an isotropic pitch that includes a step of pretreating a petroleum hydrocarbon through a radical crosslinking reaction.

결국, 본 발명의 목적은 불융화 성분의 생성을 억제함과 동시에 높은 탄화 수율을 확보함으로써 제조되는 탄소 소재의 물성을 향상시키기 위한 석유계 탄화수소의 전처리 방법으로, 석유계 탄화수소 및 퍼옥사이드(peroxide)계 화합물을 혼합하여 생성된 혼합물에 산화성 기체를 장입하면서 열처리함으로써 석유계 탄화수소의 점도 및 분자량을 향상시키는 단계를 포함하는 등방성 피치의 제조 방법을 제공하는데 있다.
Accordingly, an object of the present invention is to provide a pretreatment method of a petroleum hydrocarbon for improving the physical properties of a carbonaceous material produced by suppressing the formation of an infusible component and securing a high carbonization yield. The petroleum hydrocarbon, peroxide, And a step of heat treating the mixed mixture by charging an oxidizing gas to the resulting mixture to thereby improve the viscosity and molecular weight of the petroleum hydrocarbon.

본 발명의 일 측면에 따르면, 석유계 탄화수소 및 퍼옥사이드(peroxide)계 화합물이 혼합된 혼합물에 산화성 기체를 장입하면서 전처리하는 단계; 상기 전처리된 석유계 탄화수소를 열처리하는 단계; 및 상기 단계의 결과물로부터 저비점물을 제거하는 단계;를 포함하는 등방성 피치의 제조 방법이 제공될 수 있다.
According to an aspect of the present invention, there is provided a method of preparing a fuel cell, comprising the steps of: pre-treating a mixture of a petroleum hydrocarbon and a peroxide compound with an oxidizing gas; Treating the pretreated petroleum hydrocarbons; And removing the low boiling point material from the result of the step.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 석유계 탄화수소를 라디칼 가교 반응을 통해 전처리하는 단계를 포함하는 등방성 피치의 제조 방법을 통해 상기 석유계 탄화수소의 유동성을 향상시킴으로써 불융화 성분의 형성을 억제할 수 있으며, 고연화점 및 고탄화수율의 등방성 피치를 높은 수율로서 제조할 수 있다.
According to an embodiment of the present invention, the flowability of the petroleum hydrocarbon may be improved through a process for producing an isotropic pitch including a step of pretreating the petroleum hydrocarbon through a radical crosslinking reaction, thereby suppressing the formation of the infusible component , A high softening point and an isotropic pitch of high carbonization yield can be produced with high yield.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 등방성 피치가 제조되는 방법의 흐름을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 전처리된 석유계 탄화수소의 라디칼 가교 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기의 모식도를 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 열처리된 석유계 탄화수소의 변화를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows a flow of a method in which an isotropic pitch is produced in accordance with an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows the results of radical crosslinking of pretreated petroleum hydrocarbons according to one embodiment of the present invention.
3 is a schematic view of a reactor according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 illustrates the change in heat treated petroleum hydrocarbons according to one embodiment of the present invention.

본 발명을 더 쉽게 이해하기 위해 편의상 특정 용어를 본원에 정의한다. 본원에서 달리 정의하지 않는 한, 본 발명에 사용된 과학 용어 및 기술 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미를 가질 것이다. 또한, 문맥상 특별히 지정하지 않는 한, 단수 형태의 용어는 그것의 복수 형태도 포함하는 것이며, 복수 형태의 용어는 그것의 단수 형태도 포함하는 것으로 이해되어야 한다. Certain terms are hereby defined for convenience in order to facilitate a better understanding of the present invention. Unless otherwise defined herein, scientific and technical terms used in the present invention shall have the meanings commonly understood by one of ordinary skill in the art. Also, unless the context clearly indicates otherwise, the singular form of the term also includes plural forms thereof, and plural forms of the term should be understood as including its singular form.

또한, 본 명세서 전반에 걸쳐 사용되는 용어 "및/또는"은 해당 열거된 항목 중 어느 하나 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprise)" 및/또는 "포함하는(comprising)"이란 용어는 언급한 형상들, 숫자, 단계, 동작, 부재, 요소 및/또는 이들 그룹의 존재를 특정하는 것이며, 다른 형상, 숫자, 동작, 부재, 요소 및/또는 그룹들의 존재 또는 부가를 배제하는 것이 아니다.Furthermore, the term "and / or" as used throughout this specification includes any and all combinations of any of the listed items. The word " comprise "and / or" comprising "as used herein specify the presence of stated shapes, numbers, steps, operations, elements, elements, and / , But does not preclude the presence or addition of other features, numbers, operations, elements, elements and / or groups.

또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
Also, terms including ordinal numbers such as first, second, etc. may be used to describe various elements, but the constituent elements are not limited by such terms. These terms are used only to distinguish one component from another.

본 발명의 일 측면에 따르면, (a) 석유계 탄화수소 및 퍼옥사이드(peroxide)계 화합물이 혼합된 혼합물에 산화성 기체를 장입하면서 전처리하는 단계; (b) 상기 전처리된 석유계 탄화수소를 열처리하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계의 결과물로부터 저비점물을 제거하여 등방성 피치를 얻는 단계;를 포함하는 등방성 피치의 제조 방법이 제공될 수 있다(도 1 참조).According to an aspect of the present invention, there is provided a method for producing a petroleum-based hydrocarbon, comprising the steps of: (a) pre-treating an oxidizing gas into a mixture of a petroleum hydrocarbon and a peroxide compound; (b) heat treating the pretreated petroleum hydrocarbons; And (c) obtaining an isotropic pitch by removing low boiling points from the result of step (b) (see FIG. 1).

먼저, 상기 석유계 탄화수소 및 퍼옥사이드(peroxide)계 화합물이 혼합된 혼합물에 산화성 기체를 장입하면서 전처리하는 단계 (a)에 대하여 상세히 설명하도록 한다.First, step (a) of pre-treating an oxidizing gas with a mixed mixture of the petroleum hydrocarbon and the peroxide compound will be described in detail.

본 발명의 일 실시예에 따라 등방성 피치를 제조하기 위한 탄소원(carbon source)으로서 사용되는 상기 석유계 탄화수소는 API (American Petroleum Institute) 비중이 34 미만일 수 있다. 상기 API 비중은 원유의 비중을 나타내는 값으로, 일반적으로 API 비중이 34 이상인 경우, 경질유(light crude oil)로 분류하며, API 비중이 24 내지 34인 경우에는 중유(middle crude oil), API 비중이 24 이하인 경우, 중질유(heavy crude oil)로 분류한다.According to one embodiment of the present invention, the petroleum hydrocarbon used as a carbon source for producing an isotropic pitch may have an API (American Petroleum Institute) specific gravity less than 34. [ The specific gravity of the API is a value indicating the specific gravity of the crude oil. In general, when the API specific gravity is 34 or more, it is classified as light crude oil. When the API specific gravity is 24 to 34, middle crude oil, If it is 24 or less, it is classified as heavy crude oil.

일 실시예에 있어서, 상기 석유계 탄화수소는 석유계 중유(middle crude oil), 석유계 중질유(heavy crude oil), 나프타 분해(Naphtha cracking) 잔사유, 열분해 연료유(pyrolized fuel oil; PFO) 및 유동화 촉매 분해-데칸트 오일(fluidized catalytic cracking-decant oil; FCC-DO)로부터 선택되는 적어도 하나를 포함할 수 있다.In one embodiment, the petroleum hydrocarbon is selected from the group consisting of middle crude oil, heavy crude oil, naphtha cracking residues, pyrolyzed fuel oil (PFO) And may include at least one selected from catalytic cracking-decant oil (FCC-DO).

여기서, 상기 나프타 분해(Naphtha cracking bottom oil; NCB oil) 잔사유는 열분해 연료유(pyrolized fuel oil; PFO)를 포함할 수 있다. 상기 열분해 연료유(PFO)는 나프타 크래킹 공정(naphtha cracking center; NCC)의 탑저(bottom)에서 생성되는 것으로서, 방향족화도가 높고, 수지의 함량이 풍부하다.Here, the residual oil of naphtha cracking bottom oil (NCB oil) may include pyrolyzed fuel oil (PFO). The pyrolysis fuel oil (PFO) is produced at the bottom of a naphtha cracking center (NCC) and has a high degree of aromatization and a rich resin content.

상기 열분해 연료유(PFO)는 다양한 방향족성 탄화수소(Aromatic Hydrocarbon)를 포함하고 있으며, 이 중 나프탈렌 및/또는 메틸 나프탈렌 유도체가 약 25 ~ 35 %로 포함되어 있다. 상기 나프탈렌 및/또는 메틸 나프탈렌 유도체의 예로서 에틸벤젠(ethylbenzene), 1-에테닐-3-메틸벤젠(1-ethenyl-3-methylbenzene), 인덴(Indene), 1-에틸-3-메틸벤젠(1-ethyl-3-methylbenzene), 1-메틸에틸벤젠(1-methylethylbenzene), 2-에틸-1,3-다이메틸벤젠(2-ethyl-1,3-dimethyl benzene), 프로필벤젠(propylbenzene), 1-메틸-4-(2-프로페닐)-벤젠(1-methyl-4-(2-propenyl)benzene), 1,1a,6,6a-테트라하이드로-사이클로프로파인덴(1,1a,6,6a-tetrahydro-cycloprop[a]indene), 2-에틸-1H-인덴(2-ethyl-1H-indene), 1-메틸-1H-인덴(1-methyl-1H-indene), 4,7-다이메틸-1H-인덴(4,7-dimethyl-1H-indene), 1-메틸-9H-플루오렌(1-methyl-9H-Fluorene), 1,7-다이메틸 나프탈렌(1,7-dimethyl naphthalene), 2-메틸인덴(2-methylindene), 4,4'-다이메틸바이페닐(4,4'-dimethylbiphenyl), 나프탈렌(naphthalene), 4-메틸-1,1'-바이페닐(4-methyl-1,1'-biphenyl), 안트라센(Anthracene), 2-메틸나프탈렌(2-methylnaphthalene) 또는 1-메틸나프탈렌(1-methylnaphthalene) 등이 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.The pyrolysis fuel oil (PFO) contains various aromatic hydrocarbons, and about 25 to 35% of naphthalene and / or methylnaphthalene derivatives are contained therein. Examples of the naphthalene and / or methylnaphthalene derivatives include ethylbenzene, 1-ethenyl-3-methylbenzene, indene, 1-ethyl- 1-ethyl-3-methylbenzene, 1-methylethylbenzene, 2-ethyl-1,3-dimethylbenzene, propylbenzene, Methyl-4- (2-propenyl) benzene, 1,1a, 6,6a- tetrahydro-cyclopropane (1,1a, 6,6- , 6a-tetrahydro-cycloprop [a] indene, 2-ethyl-1H-indene, 1-methyl- Dimethyl-1H-indene, 1-methyl-9H-Fluorene, 1,7-dimethyl naphthalene, 2-methylindene, 4,4'-dimethylbiphenyl, naphthalene, 4-methyl-1,1'-biphenyl (4- methyl-1,1'-biphenyl, anthracene, 2-methylnaphthalene, Or 1-methylnaphthalene, but the present invention is not limited thereto.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (a) 전에 상기 석유계 탄화수소로부터 저비점물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 저비점물은 대부분이 휘발되어 반응에 참여하지 않으므로 탄소 소재의 원료로서 사용하기에 상당히 부적합하다. 상기 저비점물은 예를 들어, C4 ~ C20의 탄화수소로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.In one embodiment, the method may further comprise removing the low boiling point product from the petroleum hydrocarbon before the step (a). Since most of the low-boiling point volatiles do not participate in the reaction, they are unsuitable for use as raw materials for carbon materials. The low-boiling point water may be at least one selected from, for example, C 4 to C 20 hydrocarbons.

상술한 바와 같이, 상기 석유계 탄화수소로부터 상기 저비점물을 미리 제거되어 사용될 수 있으나, 상기 저비점물은 상기 단계 (c)에 의해 제거될 수 있다. 또한, 상기 단계 (c)에서 연속적인 열처리를 통해 상기 저비점물이 제거될 수 있다.As described above, the low-boiling point water can be removed from the petroleum hydrocarbon beforehand, but the low boiling point water can be removed by the step (c). In addition, the low-boiling point water may be removed through the continuous heat treatment in the step (c).

일 실시예에 있어서, 상기 퍼옥사이드(peroxide)계 화합물은 라디칼 개시제로서의 역할을 한다. 상기 퍼옥사이드계 화합물은 상기 단계 (a)의 전처리 조건 하에서 균일 분해 반응을 통해 라디칼, 바람직하게는 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)을 생성하는 것이 바람직하다.In one embodiment, the peroxide-based compound serves as a radical initiator. The peroxide compound preferably generates a radical, preferably a hydroxyl radical, through a homogeneous decomposition reaction under the pretreatment conditions of the step (a).

상기 퍼옥사이드계 화합물은 적어도 하나의 퍼옥사이드 그룹을 포함하는 임의의 화합물일 수 있다. 상기 퍼옥사이드계 화합물로는 모노(mono)- 또는 비스(bis)-퍼옥사이드가 있다. The peroxide-based compound may be any compound containing at least one peroxide group. The peroxide compound includes mono-or bis-peroxide.

상기 퍼옥사이드계 화합물은 유리 상태로서 상기 석유계 탄화수소와 혼합되어 혼합물로서 제공될 수 있으나, 점토 또는 실리카와 같은 무기 지지체, EPDM과 같은 중합체성 지지체 또는 상기 지지체들의 임의의 혼합물에 지지되어 제공될 수 있다. 예를 들어, 후술하겠지만 상기 퍼옥사이드계 화합물은 상기 석유계 탄화수소가 주입되고, 상기 산화성 기체가 장입되는 반응기 내 충진되는 비드에 지지되어 사용될 수 있다.The peroxide compound may be present in the form of a mixture with the petroleum-based hydrocarbon as a mixture, and may be provided as a mixture, but may be provided as an inorganic support such as clay or silica, a polymeric support such as EPDM or any mixture of the supports have. For example, as will be described later, the peroxide compound can be used by being supported on the beads filled in the reactor into which the petroleum hydrocarbon is charged and the oxidizing gas is charged.

상기 퍼옥사이드계 화합물이 상기 석유계 탄화수소와 혼합되어 혼합물로서 제공될 경우, 상기 퍼옥사이드계 화합물은 상기 석유계 탄화수소 중에 분산된 상태로 존재할 수 있다.When the peroxide compound is mixed with the petroleum hydrocarbon to provide the mixture, the peroxide compound may be dispersed in the petroleum hydrocarbon.

상기 퍼옥사이드계 화합물의 비제한적인 예로 하이드로퍼옥사이드계 화합물, 알킬퍼옥사이드계 화합물, 사이클릭퍼옥사이드계 화합물, 아실퍼옥사이드계 화합물, 케톤퍼옥사이드계 화합물, 알킬아실퍼옥사이드계 화합물 및 알킬하이드로퍼옥사이드계 화합물 등이 있으며, 보다 구체적으로 다이큐밀 퍼옥사이드(dicumylperoxide; DCP), 과산화수소(hydrogen peroxide), 벤조일 퍼옥사이드(benzoyl peroxide), 큐멘 하이드로퍼옥사이드(cumene hydroperoxide), t-뷰틸 하이드로퍼옥사이드(t-butyl hydroperoxide), 메틸에틸케톤 퍼옥사이드(methylethylketone peroxide) 및 이의 임의의 혼합물로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다.Examples of the peroxide compound include, but are not limited to, hydroperoxide compounds, alkyl peroxide compounds, cyclic peroxide compounds, acyl peroxide compounds, ketone peroxide compounds, alkyl acyl peroxide compound, And more specifically, dicumylperoxide (DCP), hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, cumene hydroperoxide, t-butyl hydroperoxide and the like. t-butyl hydroperoxide, methylethylketone peroxide, and any mixture thereof.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (a)에서의 상기 혼합물은 상기 석유계 탄화수소 100 중량부당 5 내지 50 중량부의 상기 퍼옥사이드계 화합물을 혼합하여 생성될 수 있다.In one embodiment, the mixture in step (a) may be produced by mixing 5 to 50 parts by weight of the peroxide compound per 100 parts by weight of the petroleum hydrocarbon.

여기서, 상기 퍼옥사이드계 화합물이 상기 석유계 탄화수소 100 중량부당 5 중량부 미만으로 혼합될 경우, 상기 단계 (a)에서의 전처리 결과로 생성되는 라디칼의 양이 적어 상기 석유계 탄화수소의 요구되는 점도 및 분자량 향상 효과를 얻기 어려울 수 있다. 반면에, 상기 퍼옥사이드계 화합물이 상기 석유계 탄화수소 100 중량부당 50 중량부 초과로 혼합될 경우, 상기 단계 (a)에서의 전처리 결과로 충분한 라디칼이 생성될 수는 있으나, 오히려 과도한 라디칼 가교 반응을 야기할 수 있으며, 상기 석유계 탄화수소의 산화에 따른 불융화 성분(예를 들어, 퀴놀린 불융화 성분(Quinoline insoluble; QI))이 생성될 수 있다.Here, when the peroxide compound is mixed at less than 5 parts by weight per 100 parts by weight of the petroleum hydrocarbon, the amount of radicals generated as a result of the pretreatment in the step (a) is small and the desired viscosity of the petroleum hydrocarbon It may be difficult to obtain the effect of improving the molecular weight. On the other hand, when the peroxide compound is mixed in an amount of more than 50 parts by weight per 100 parts by weight of the petroleum hydrocarbon, a sufficient amount of radicals may be produced as a result of the pretreatment in the step (a), but rather an excessive radical crosslinking reaction And an insoluble component (for example, a quinoline insoluble (QI)) may be generated by oxidation of the petroleum hydrocarbon.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (a)에서 사용되는 상기 산화성 기체는 산소, 오존 및 공기(air)로부터 선택되는 적어도 하나일 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 상기 산화성 기체는 질소, 헬륨, 네온 및 아르곤로부터 선택되는 적어도 하나의 비활성 기체와 함께 장입될 수도 있다.In one embodiment, the oxidizing gas used in step (a) may be at least one selected from oxygen, ozone, and air. In another embodiment, the oxidizing gas may be charged with at least one inert gas selected from nitrogen, helium, neon, and argon.

이 때, 상기 산화성 기체는 상기 산화성 기체와 상기 비활성 기체의 혼합 기체 상에서 5 g/m2 내지 100 g/m2, 바람직하게는 10 g/m2 내지 50 g/m2의 범위에서 선택되는 부분압으로 장입될 수 있다.At this time, the oxidizing gas partial pressure selected from the range of 5 g / m 2 to 100 g / m 2, preferably 10 g / m 2 to 50 g / m 2 on a mixed gas of the oxidizing gas and the inert gas .

여기서, 상기 산화성 기체 (또는 상기 산화성 기체와 상기 비활성 기체의 혼합 기체)가 5 g/m2 미만의 부분압으로 상기 석유계 탄화수소에 장입될 경우, 상기 단계 (a)에서의 전처리 결과로 생성되는 라디칼의 양이 적어 상기 석유계 탄화수소의 요구되는 점도 및 분자량 향상 효과를 얻기 어려울 수 있다. 반면에, 상기 산화성 기체 (또는 상기 산화성 기체와 상기 비활성 기체의 혼합 기체)가 100 g/m2 초과의 부분압으로 상기 석유계 탄화수소에 장입될 경우, 상기 단계 (a)에서의 전처리 결과로 충분한 라디칼이 생성될 수는 있으나, 오히려 산화 반응을 야기할 수 있으며, 상기 석유계 탄화수소의 산화에 따른 불융화 성분(예를 들어, 퀴놀린 불융화 성분(Quinoline insoluble; QI))이 생성될 수 있다.Here, when the oxidizing gas (or the mixed gas of the oxidizing gas and the inert gas) is charged into the petroleum hydrocarbon at a partial pressure of less than 5 g / m 2 , the radicals generated as a result of the pretreatment in the step (a) The effect of improving the viscosity and molecular weight of the petroleum hydrocarbons may be difficult to obtain. On the other hand, when the oxidizing gas (or the mixed gas of the oxidizing gas and the inert gas) is charged into the petroleum hydrocarbon at a partial pressure exceeding 100 g / m 2 , sufficient radicals are obtained as a result of the pretreatment in the step (a) But may cause an oxidation reaction, and an insoluble component (for example, a quinoline insoluble (QI)) may be generated due to the oxidation of the petroleum hydrocarbons.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (a)의 전처리는 50 ~ 200 ℃의 범위에서 선택되는 온도로 수행될 수 있다. 여기서, 상기 전처리 온도가 50 ℃ 미만일 경우, 상기 산화성 기체의 장입 여부와 무관하게 상기 퍼옥사이드계 화합물이 균일 분해 반응을 통해 라디칼, 바람직하게는 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)을 생성하는 것이 불가능할 수 있다. 반면에, 상기 전처리 온도가 200 ℃ 초과일 경우, 라디칼 가교 반응의 종결(termination)이 발생하여 상기 석유계 탄화수소의 요구되는 점도 및 분자량 향상 효과를 얻기 어려울 수 있다.In one embodiment, the pretreatment of step (a) may be performed at a temperature selected from the range of 50 to 200 ° C. If the pretreatment temperature is less than 50 ° C, it may be impossible for the peroxide compound to generate radicals, preferably hydroxyl radicals, through the homogeneous decomposition reaction regardless of whether the oxidizing gas is charged or not . On the other hand, when the pretreatment temperature is higher than 200 ° C, termination of the radical crosslinking reaction may occur and it may be difficult to obtain the desired viscosity and molecular weight improving effect of the petroleum hydrocarbon.

또한, 상기 단계 (a)의 전처리는 상기 혼합물로 상기 산화성 기체의 장입과 동시에 수행될 수 있으나, 상기 혼합물로 상기 산화성 기체의 장입을 완료한 후 수행될 수도 있다.The pretreatment of step (a) may be performed simultaneously with the charging of the oxidizing gas into the mixture, but may be performed after the charging of the oxidizing gas with the mixture is completed.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (a)의 전처리 시간은 5분 ~ 120분의 범위, 바람직하게는 5분 ~ 30분의 범위에서 선택되는 시간 동안 수행될 수 있다. 여기서, 상기 전처리 시간이 5분 미만일 경우, 상기 단계 (a)에서의 전처리 결과로 생성되는 라디칼의 양이 적어 상기 석유계 탄화수소의 요구되는 점도 및 분자량 향상 효과를 얻기 어려울 수 있다. 반면, 상기 전처리 시간이 120분을 초과할 경우, 과도한 라디칼 가교 반응에 따라 석유계 탄화수소 사이의 응집에 따른 고화 현상이 야기될 수 있다. In one embodiment, the pretreatment time of step (a) may be performed for a time period selected from the range of 5 minutes to 120 minutes, preferably 5 minutes to 30 minutes. If the pretreatment time is less than 5 minutes, it may be difficult to obtain the desired viscosity and molecular weight improving effect of the petroleum hydrocarbon because the amount of radicals generated as a result of the pretreatment in the step (a) is small. On the other hand, if the pretreatment time exceeds 120 minutes, solidification due to agglomeration between petroleum hydrocarbons may be caused by an excessive radical crosslinking reaction.

후술할 열처리 단계에서 불융화 성분이 포함된 석유계 탄화수소 및/또는 고화된 석유계 탄화수소가 제공될 경우, 최종적으로 생성되는 피치의 수율 및 탄화 수율이 급격히 감소될 수 있다. 또한, 후술할 열처리 단계에서 충분한 개질(점도 및 분자량 향상)이 이루어지지 않은 상기 석유계 탄화수소를 사용할 경우, 본 발명이 목적으로 하는 피치의 수율 및 탄화 수율 증가 효과를 얻는 것이 어려울 수 있다.When the petroleum hydrocarbons and / or the solidified petroleum hydrocarbons containing an incompatible component are provided in a heat treatment step to be described later, the yield of final pitch and the yield of carbonization can be drastically reduced. Also, when the petroleum hydrocarbons in which sufficient modification (viscosity and molecular weight improvement) are not achieved in the heat treatment step to be described later, it may be difficult to obtain the aimed pitch yield and carbonation yield increasing effect.

전술한 조건에 따라, 상기 단계 (a)에서 전처리가 시작되면 상기 혼합물 중의 퍼옥사이드계 화합물과 상기 산화성 기체의 반응에 의해 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)이 생성된다.According to the above-mentioned conditions, when the pretreatment is started in the step (a), a hydroxyl radical is formed by the reaction of the peroxide compound and the oxidizing gas in the mixture.

상기 하이드록실 라디칼은 상기 석유계 탄화수소 분자의 알킬 그룹 내 수소 원자를 제거하면서 라디칼을 형성하며, 이러한 라디칼에 의해 가교(crosslinking) 반응이 개시되며, 상기 석유계 탄화수소 분자들이 서로 가교됨에 따라 상기 석유계 탄화수소의 점도 및 분자량이 향상된다.Wherein the hydroxyl radical forms a radical while removing the hydrogen atoms in the alkyl group of the petroleum hydrocarbon molecule and the radical initiates a crosslinking reaction and the petroleum hydrocarbon molecules cross- The viscosity and the molecular weight of the hydrocarbon are improved.

여기서, 가교된 탄화수소 분자는 고리 구조와 고리 구조 사이에 시그마 결합을 가지고 있어, 2차원적 고리 구조에 비교하여 3차원적 구조를 갖게 된다. 시그마 결합은 360˚ 회전하기 때문에 분자의 유동성이 증가했다고 볼 수 있다. 기존 고리 구조의 탄화수소의 경우 열처리 시, 반데르발스 힘에 기인하는 방향족성 상호작용(aromatic interaction)에 의해 응집하여 코크스와 같은 고형물을 형성하는 반면, 가교된 탄화수소 분자는 그 구조가 분자간 입체 장애(steric hinderance)를 유도하기 때문에 응집현상을 막을 수 있다. Here, the cross-linked hydrocarbon molecule has a sigma bond between the ring structure and the ring structure, and thus has a three-dimensional structure as compared with the two-dimensional ring structure. The sigma bond rotates 360 °, which means that the fluidity of the molecule has increased. In the case of conventional cyclic hydrocarbons, when heated, they aggregate to form solid matter such as coke by aromatic interactions due to van der Waals force, whereas cross-linked hydrocarbon molecules have a structure that is intermolecular steric hindrance steric hinderance) is induced, so that the coagulation phenomenon can be prevented.

따라서, 상기 가교된 탄화수소의 분자 유동성의 향상은 상기 석유계 탄화수소의 산화에 따른 불융화 성분(예를 들어, 퀴놀린 불융화 성분(Quinoline insoluble; QI))의 형성을 억제시킨다(도 2 참조).Therefore, the improvement of the molecular fluidity of the crosslinked hydrocarbon suppresses the formation of an immiscible component (for example, quinoline insoluble (QI)) upon oxidation of the petroleum hydrocarbon (see FIG. 2).

일 실시예에 있어서, 상기 석유계 탄화수소 및 퍼옥사이드(peroxide)계 화합물을 혼합하여 생성된 상기 혼합물은 비드(bead)가 충진된 반응기 내로 주입되며, 상기 반응기 내에서 장입된 산화성 기체와 접촉될 수 있다(도 3 참조).In one embodiment, the mixture produced by mixing the petroleum hydrocarbon and the peroxide compound is injected into a reactor filled with a bead, and is contacted with the oxidizing gas charged in the reactor (See FIG. 3).

상기 비드의 비제한적인 예로는 글래스, 파이렉스, 쿼츠, 실리카 또는 실리콘 카바이드 등이 있다.Non-limiting examples of the beads include glass, pyrex, quartz, silica or silicon carbide.

즉, 상기 석유계 탄화수소 및 퍼옥사이드계 화합물이 혼합하여 생성된 2-상(two-phase) 혼합물은 고체상(solid phase)의 비드가 충진된 반응기 내로 주입되고, 상기 반응기 내에서 기체상(gas phase)의 산화성 기체와 접촉되도록 한다.That is, the two-phase mixture produced by mixing the petroleum hydrocarbon and the peroxide compound is injected into a reactor filled with solid phase beads, and the gas phase ) Of oxidizing gas.

따라서, 상기 석유계 탄화수소의 점도 및 분자량을 효율적으로 향상시키기 위해서는 상기 혼합물과 상기 산화성 기체의 접촉 면적을 넓힐 필요가 있으며, 이는 상기 반응기 내에 충진된 비드에 의해 달성될 수 있다.Therefore, in order to efficiently improve the viscosity and the molecular weight of the petroleum hydrocarbon, it is necessary to widen the contact area between the mixture and the oxidizing gas, which can be achieved by the beads filled in the reactor.

이 때, 상기 혼합물의 상기 반응기 내 주입 방향과 상기 산화성 기체의 상기 반응기 내 장입 방향은 서로 동일(con-ncurrent) 또는 반대 방향(counter-current)일 수 있다.At this time, the injection direction of the mixture in the reactor and the charging direction of the oxidizing gas in the reactor may be con-ncurrent or counter-current.

예를 들어, 상기 혼합물은 상기 반응기의 상부에서 하부를 향해 주입됨으로써 중력 방향을 따라 상기 반응기 내에서 하강할 수 있으며, 상기 산화성 기체는 상기 산화성 기체는 상기 반응기의 하부에서 상부를 향해 장입됨으로써 상기 기체의 확산 방향을 따라 상기 반응기 내에서 상승할 수 있다.For example, the mixture may be lowered in the reactor along the direction of gravity by being injected from the upper part of the reactor toward the lower part, and the oxidizing gas is charged into the reactor from the lower part of the reactor, Lt; RTI ID = 0.0 > diffusion < / RTI >

여기서, 상기 반응기 내에 충진된 비드는 상기 혼합물과 상기 산화성 기체의 이동 속도를 저감시키기 위한 역할을 수행함과 동시에, 확산 방향을 넓힘으로써 상기 혼합물과 상기 산화성 기체의 접촉 면적을 최대화하는 것을 목적으로 한다.Here, the beads filled in the reactor serve to reduce the moving speed of the mixture and the oxidizing gas, and to maximize the contact area between the mixture and the oxidizing gas by widening the diffusion direction.

상기 혼합물과 상기 산화성 기체의 접촉 면적을 최대화하는 것은 짧은 시간 내에 상기 석유계 탄화수소 분자들 사이의 라디칼 가교 반응을 완료하기 위해서 필수적이다.Maximizing the contact area of the mixture with the oxidizing gas is necessary to complete the radical crosslinking reaction between the petroleum hydrocarbon molecules within a short time.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 석유계 탄화수소의 점도 및 분자량 향상 방법은 축합 반응과는 구분되는 것으로, 상기 석유계 탄화수소 분자들 사이의 라디칼 가교 반응 시간이 길어질 경우 과도한 라디칼 가교 반응을 야기하게 되어 상기 석유계 탄화수소의 산화에 따른 불융화 성분(예를 들어, 퀴놀린 불융화 성분(Quinoline insoluble; QI))이 생성될 수 있다.That is, the method of improving the viscosity and molecular weight of petroleum hydrocarbons according to one embodiment of the present invention is different from the condensation reaction, and when the radical crosslinking reaction time between the petroleum hydrocarbon molecules is prolonged, excessive radical crosslinking reaction is caused (For example, a quinoline insoluble (QI)) may be generated due to the oxidation of the petroleum hydrocarbons.

따라서, 본 발명이 목적으로 하는 상기 석유계 탄화수소의 점도 및 분자량 향상 효과를 얻기 위해서는 최대한 짧은 시간 내에 상기 혼합물에 포함된 상기 석유계 탄화수소 분자 사이의 라디칼 가교 반응이 완료되도록 유도하는 것이 중요하다.Therefore, it is important to induce the radical crosslinking reaction between the petroleum hydrocarbon molecules contained in the mixture to be completed within a shortest possible time in order to obtain the effect of improving the viscosity and molecular weight of the petroleum hydrocarbon as the object of the present invention.

이를 위해, 상기 반응기 내 상기 비드의 충진 밀도는 비대칭적일 수 있다. 일정한 공간 내에서 기체상의 확산 속도는 고체상 또는 액체상의 확산 속도보다 빠르다. 따라서, 상이한 상(phase) 사이의 확산 속도의 균형을 맞추고, 접촉 면적을 최대화하기 위해 상기 반응기 내 상기 비드가 충진된 정도는 상기 반응기의 높이 방향에 걸쳐 상이할 수 있다.To this end, the packing density of the beads in the reactor may be asymmetric. The diffusion rate in the gas phase within a certain space is faster than the diffusion rate in the solid phase or the liquid phase. Thus, the degree of filling of the beads in the reactor may be different across the height direction of the reactor in order to balance diffusion rates between the different phases and to maximize the contact area.

예를 들어, 상기 반응기 내 상기 비드의 충진 밀도는 상기 반응기의 상부에서 하부로 갈수록 낮아질 수 있다. 이에 따라, 상기 혼합물은 상기 반응기 내 상기 비드의 충진 밀도가 높은 곳으로 주입되며, 상기 산화성 기체는 상기 반응기 내 상기 비드의 충진 밀도가 낮은 곳으로 장입될 수 있다.For example, the packing density of the beads in the reactor may be lowered from the upper portion to the lower portion of the reactor. Accordingly, the mixture is injected into the reactor at a high packing density of the beads, and the oxidizing gas can be charged to a low packing density of the beads in the reactor.

이 때, 상대적으로 조밀한 비드의 충진 밀도를 가지는 상기 반응기 내 영역(상부)으로 주입된 상기 혼합물이 중력 방향으로 유동함에 따라 상기 반응기 내에서 적절히 확산된 후 상대적으로 덜 조밀한 비드의 충진 밀도를 가지는 상기 반응기 내 영역(하부)으로 장입된 상기 산화성 기체와 접촉될 수 있다.At this time, as the mixture injected into the region (upper portion) of the reactor having a relatively dense packing density of beads flows in the gravity direction, the filling density of the relatively less dense beads after being appropriately diffused in the reactor The branch may be contacted with the oxidizing gas charged into the region (lower portion) of the reactor.

또한, 상기 반응기 내 상기 비드의 충진 밀도를 조절하기 위해 불균일한 직경을 가지는 비드를 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 반응기에 충진된 상기 비드의 직경은 상기 반응기의 상부에서 하부로 갈수록 작아질 수 있다. 또한, 그 반대로서 상기 반응기에 충진된 상기 비드의 직경은 상기 반응기의 상부에서 하부로 갈수록 커질 수 있다.In order to control the packing density of the beads in the reactor, beads having a non-uniform diameter may be used. For example, the diameter of the beads filled in the reactor may be reduced from the top to the bottom of the reactor. On the contrary, the diameters of the beads filled in the reactor may become larger from the upper portion to the lower portion of the reactor.

상기에 설명된 상기 상이한 상(phase)의 주입 또는 장입 방향, 상기 비드의 충진 밀도 및/또는 상기 비드의 직경의 조절은 상이한 상(phase) 사이의 확산 속도의 균형을 맞추고, 접촉 면적을 최대화하기 위해 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적을 위해 상기에 설명된 바와 반대로 설정하는 것도 가능할 수 있다.The adjustment of the above-described injection or filling directions of the different phases, the filling density of the beads and / or the diameters of the beads described above can be achieved by balancing the diffusion rates between the different phases, And for the purpose of the present invention, it may be possible to set it as opposed to that described above.

상술한 바와 같이, 상기 단계 (a)의 전처리는 반응기 내에서 수행될 수 있으며, 상기 전처리가 완료되면 반응계로부터 미반응 기체 및 부산물을 제거한 후, 상기 석유계 탄화수소는 상기 단계 (b)에서 열처리 된다. As described above, the pretreatment of step (a) may be performed in the reactor. After the pretreatment is completed, unreacted gas and byproducts are removed from the reaction system, and the petroleum hydrocarbon is heat-treated in step (b) .

이하, 상기 단계 (b)에 대하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the step (b) will be described in detail.

상기 단계 (b)는 상기 단계 (a)에 따라 전처리된 석유계 탄화수소를 축합(condensation)하는 단계이다. 보다 구체적으로, 상기 축합 단계는 열처리에 의해 나프텐 탄화수소(naphthenic hydrocarbon)는 방향족성 탄화수소(aromatic hydrocarbon)로 전환되며, 지방족 탄화수소(aliphatic hydrocarbon)를 분해(cracking)하여 탄화 수율을 높이는 단계이다(도 4 참조).The step (b) is a step of condensing the pretreated petroleum hydrocarbons according to the step (a). More specifically, in the condensation step, naphthenic hydrocarbons are converted into aromatic hydrocarbons by heat treatment, and cracking of the aliphatic hydrocarbons is performed to increase the carbonization yield 4).

상기 단계 (b)의 열처리는 340 ℃ 이상, 바람직하게는 340 ~ 400 ℃, 보다 바람직하게는 360 ~ 380 ℃의 범위에서 선택되는 온도로 수행될 수 있다. 상기 단계 (b)의 열처리 조건을 참조하면, 상기 단계 (b)는 상기 단계 (a)의 전처리와는 명확히 구분되는 단계이다. 즉, 상기 단계 (a)의 전처리는 상기 석유계 탄화수소를 개질(점도 및 분자량 향상)하기 위한 라디칼 가교 반응을 유도하는 단계이며, 상기 단계 (b)는 상기 전처리된 석유계 탄화수소를 축합하는 단계이다. 따라서, 본 발명은 상기 단계 (a)에서 상기 석유계 탄화수소 사이의 축합이 일어나는 것을 억제하기 위해 전처리 온도는 상기 단계 (b)의 열처리 온도보다 낮게 유지하는 것을 특징으로 한다.The heat treatment in step (b) may be performed at a temperature selected from the range of 340 ° C or higher, preferably 340 ° C to 400 ° C, more preferably 360 ° C to 380 ° C. Referring to the heat treatment condition of the step (b), the step (b) is clearly distinguished from the pretreatment of the step (a). That is, the pretreatment in the step (a) is a step of inducing a radical crosslinking reaction for modifying the petroleum hydrocarbon (viscosity and molecular weight), and the step (b) is a step for condensing the pretreated petroleum hydrocarbon . Therefore, the present invention is characterized in that the pretreatment temperature is kept lower than the heat treatment temperature in the step (b) to suppress the condensation between the petroleum hydrocarbons in the step (a).

만약 상기 단계 (b)에 따른 열처리 단계를 수반하지 않을 경우, 탄화 수율은 40% 미만일 수 있으며, 열처리 단계를 수반하되, 상기 열처리 온도가 340 ℃ 미만일 경우, 피치의 탄화 수율은 50% 미만일 수 있다. 반면, 상기 열처리 온도가 340 ℃ 이상인 경우, 피치의 탄화 수율을 50% 이상으로 유지할 수 있으며, 상기 열처리 온도가 360 ℃인 경우 피치의 탄화 수율은 70%에 도달할 수 있다. 즉, 상기 열처리 온도가 증가할수록 피치의 탄화 수율은 증가하는 경향을 나타내나, 오히려 상기 열처리 온도가 400 ℃를 초과할 경우, 급격한 분해(cracking) 및/또는 코킹(coking) 반응에 의한 축합 반응의 종결(termination) 및/또는 반응물 유실 문제가 발생할 수 있다.If the heat treatment step is not accompanied by the step (b), the carbonization yield may be less than 40%, and if the heat treatment temperature is less than 340 ° C, the carbonization yield of the pitch may be less than 50% . On the other hand, when the heat treatment temperature is 340 ° C or higher, the carbonization yield of the pitch can be maintained at 50% or higher, and when the heat treatment temperature is 360 ° C, the pitch carbonization yield can reach 70%. That is, as the heat treatment temperature is increased, the carbonization yield of the pitch tends to increase. On the other hand, when the heat treatment temperature exceeds 400 ° C, the condensation reaction by the rapid cracking and / Termination and / or reactant loss can occur.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (b)의 열처리 시간은 5분 ~ 10시간의 범위에서 선택되는 시간 동안 수행될 수 있다. 여기서, 상기 열처리 시간이 5분 미만일 경우, 상기 전처리된 석유계 탄화수소 사이의 축합 반응이 충분하게 일어나기 어려우며, 상기 열처리 시간이 10시간을 초과할 경우, 축합 반응 중 상기 석유계 탄화수소 사이의 응집에 따른 고화 현상이 야기될 가능성이 높아질 수 있다. In one embodiment, the heat treatment time in step (b) may be performed for a selected time in the range of 5 minutes to 10 hours. When the heat treatment time is less than 5 minutes, the condensation reaction between the pretreated petroleum hydrocarbons is difficult to occur sufficiently. When the heat treatment time exceeds 10 hours, the condensation reaction between the petroleum hydrocarbons during the condensation reaction The possibility of causing a solidification phenomenon may increase.

상술한 바와 같이, 상기 단계 (a)를 통해 전처리된 상기 석유계 탄화수소는 상기 단계 (b)에서 열처리됨으로써 축합될 수 있다. 상기 단계 (a) 전 상기 석유계 탄화수소로부터 저비점물이 제거되지 않은 상태로 사용되거나, 불완전하게 제거된 상태로 사용될 경우, 상기 단계 (c)에서 상기 단계 (b)의 결과물로부터 저비점물이 제거될 수 있다. As described above, the petroleum hydrocarbon preprocessed through the step (a) may be condensed by being heat-treated in the step (b). If the low boiling point product is used in a state in which the low boiling point product is not removed from the petroleum hydrocarbon before the step (a), or if it is used in an incompletely removed state, the low boiling point product is removed from the product of the step (b) .

이하, 상기 단계 (c)에 대하여 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the step (c) will be described in detail.

상기 단계 (c)는 상기 단계 (b)의 결과물을 고온에서 증류함으로써 저비점물을 제거하는 단계이다. 보다 구체적으로, 상기 단계 (c)는 기상의 저비점물을 포집하여 제거하는 제1 열처리 단계; 및 최종 생성물의 연화점을 250 ~ 320 ℃의 범위에서 선택되는 온도로 제어하는 제2 열처리 단계;를 포함할 수 있다. 상기 제1 열처리 단계 및 제2 열처리 단계는 순차적으로 수행될 수 있다.The step (c) is a step of removing the low-boiling point product by distilling the resultant of the step (b) at a high temperature. More specifically, the step (c) includes: a first heat treatment step of collecting and removing low-boiling point substances in the vapor phase; And a second heat treatment step of controlling the softening point of the final product to a temperature selected from the range of 250 to 320 ° C. The first heat treatment step and the second heat treatment step may be performed sequentially.

상기 단계 (b)의 결과물은 액상(liquid phase)이며, 상기 결과물은 전체 중량 대비 약 30 ~ 60%의 저비점물을 포함하는 것이 일반적이다. 상기 제1 열처리 단계를 통해 상기 액상의 결과물로부터 상대적으로 비점이 낮은 저비점물이 기상(gas phase)의 성분으로 상 변이(phase shift)를 일으키게 되며, 상기 기상의 저비점물은 상기 액상의 결과물로부터 분리되어 액상으로 저장될 수 있다(기액분리). 이어서, 상기 제2 열처리 단계는 1차적으로 저비점물이 제거된 결과물의 연화점을 250 ~ 320 ℃, 바람직하게는 270 ~ 290 ℃로 제어하기 위해 상기 액상의 결과물을 열처리함으로써 저비점물을 추가적으로 제거하기 위해 수행될 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 제2 열처리 단계는 진공 조건 하에서 박막 증류 장치를 통해 수행될 수 있다. The result of the step (b) is a liquid phase, and the resultant product generally contains about 30 to 60% of a low boiling point relative to the total weight. A low boiling point product having a relatively low boiling point is phase-shifted to a component of a gas phase through the first heat treatment step, and the low boiling point product of the vapor phase is separated from the product of the liquid phase And stored in a liquid state (gas-liquid separation). Then, in the second heat treatment step, the result of the liquid phase is thermally treated to control the softening point of the product, from which the low-boiling point product is primarily removed, to 250 to 320 ° C, preferably 270 to 290 ° C, . In one embodiment, the second heat treatment step may be performed through a thin film distillation apparatus under vacuum conditions.

일 실시예에 있어서, 상기 단계 (c)의 열처리는 300 ~ 400 ℃의 범위에서 선택되는 온도로 수행될 수 있다. 상기 열처리 온도가 300 ℃ 미만인 경우, 상기 단계 (b)의 결과물로부터 저비점물을 충분히 제거하기 어려울 수 있으며, 상기 열처리 온도가 400 ℃를 초과할 경우, 급격한 분해(cracking) 및/또는 코킹(coking) 반응에 의한 축합 반응의 종결(termination) 및/또는 반응물 유실 문제가 발생할 수 있다.In one embodiment, the heat treatment of step (c) may be performed at a temperature selected from the range of 300 to 400 ° C. If the heat treatment temperature is less than 300 ° C, it may be difficult to sufficiently remove the low boiling point product from the result of the step (b). If the heat treatment temperature exceeds 400 ° C, rapid cracking and / Termination of the condensation reaction by the reaction and / or problems of reactant loss may occur.

또한, 저비점물을 제거하기 위한 상기 단계 (c)의 열처리 시간은 30분 ~ 10시간의 범위에서 선택되는 시간 동안 수행될 수 있으며, 이는 저비점물이 포함된 정도에 따라 적절히 조절될 수 있다.
In addition, the heat treatment time of the step (c) for removing the low boiling point water may be performed for a time period selected from the range of 30 minutes to 10 hours, which can be appropriately adjusted according to the degree of inclusion of the low boiling point water.

상술한 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 피치는 광학적으로 등방성인 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 피치에 포함된 불융화 성분(예를 들어, 퀴놀린 불융화 성분(Quinoline insoluble; QI))은 5 중량% 이하로 포함될 수 있으며, 바람직하게는 상기 피치는 상기 불융화 성분을 실질적으로 포함하지 않을 수 있다.
The pitch produced according to one embodiment of the present invention is optically isotropic. In addition, the incompatible component (for example, quinoline insoluble (QI)) included in the pitch may be contained in an amount of 5 wt% or less, and preferably the pitch substantially contains the incompatible component I can not.

이하에서는 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 다만, 이들 실시예는 오로지 본 발명을 예시하기 위한 것으로서, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것으로 해석되지는 않는다 할 것이다.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples. It should be understood, however, that these examples are for illustrative purposes only and are not to be construed as limiting the scope of the present invention.

실시예Example

1. One. 등방성Isotropic 피치의 제조 방법 Manufacturing method of pitch

실시예Example 1 ~ 4 1-4

열분해 연료유(PFO)와 과산화수소(hydrogen peroxide)을 혼합하여 혼합물을 생성한 뒤, 상기 혼합물을 비드가 충진된 반응기의 상부로 주입하고, 상기 반응기의 하부로는 산화성 기체로서 오존(O3) 가스를 25.8 g/m2 또는 12.9 g/m2 의 부분압으로 장입하면서 전처리하였다. 상기 전처리는 120 ℃의 온도 하에서 15분 동안 수행되었다. A mixture of pyrolysis fuel oil (PFO) and hydrogen peroxide is mixed to produce a mixture. The mixture is injected into an upper part of a reactor filled with beads. Oxygen (O 3 ) gas Was pre-treated at a partial pressure of 25.8 g / m 2 or 12.9 g / m 2 . The pretreatment was carried out at a temperature of 120 캜 for 15 minutes.

상기 전처리 종료 후, 일정 시간 동안 유량 2 L/min으로 질소 가스를 반응기 내로 통과시켜 미반응 가스와 부산물(저반응물)을 제거하였다. 이 후, 상기 전처리된 열분해 연료유(PFO)는 축합 반응을 위해 360 ℃에서 1시간 동안 열처리한 후, 진공 증류를 통해 저비점물을 제거하여 270 ~ 290 ℃의 연화점을 가지는 등방성 피치를 제조하였다.After the pre-treatment was completed, nitrogen gas was passed through the reactor at a flow rate of 2 L / min for a predetermined time to remove unreacted gases and by-products (low reactants). Thereafter, the pretreated pyrolysis fuel oil (PFO) was subjected to heat treatment at 360 ° C for 1 hour for condensation reaction, and then vacuum distillation was performed to remove low boiling point products to produce an isotropic pitch having a softening point of 270 to 290 ° C.

실시예 1 ~ 4에 따른 제조 방법은 하기의 표 1에 간단히 요약되어 있다.
The manufacturing method according to Examples 1 to 4 is briefly summarized in Table 1 below.

Feed 유량
(ml/min)
Feed flow
(ml / min)
과산화수소/PFOHydrogen peroxide / PFO 전처리온도
(℃)
Pretreatment temperature
(° C)
오존
(g/m2)
ozone
(g / m 2 )
축반반응온도
(℃)
Reaction temperature
(° C)
실시예 1Example 1 100100 1/91/9 120120 25.825.8 360360 실시예 2Example 2 5050 1/91/9 120120 12.912.9 360360 실시예 3Example 3 100100 1/51/5 120120 25.825.8 360360 실시예 4Example 4 5050 1/51/5 120120 25.825.8 360360

비교예Comparative Example 1 ~ 3 1-3

비교예 1은 열분해 연료유(PFO)를 반응기에 주입한 후 120 ℃의 질소 분위기에서 10분 동안 전처리하였으며, 전처리 이후 단계는 실시예와 동일한 방법으로 등방성 피치를 제조하였다. 비교예 2는 오존(O3) 가스가 반응기 내로 장입되지 않은 것 이외의 모든 반응은 실시예와 동일하게 수행되었다. 비교예 3은 축합반응온도(330 ℃) 이외의 모든 반응은 실시예와 동일하게 수행되었다.In Comparative Example 1, pyrolysis fuel oil (PFO) was injected into the reactor and then pretreated in a nitrogen atmosphere at 120 ° C for 10 minutes. After the pretreatment, the isotropic pitch was prepared in the same manner as in Example. Comparative Example 2 was carried out in the same manner as in Example except that ozone (O 3 ) gas was not charged into the reactor. In Comparative Example 3, all reactions except the condensation reaction temperature (330 ° C) were carried out in the same manner as in Example.

상기 비교예 1 ~ 3에 따른 제조 방법은 하기의 표 2에 간단히 요약되어 있다.
The manufacturing method according to Comparative Examples 1 to 3 is briefly summarized in Table 2 below.

Feed 유량
(ml/min)
Feed flow
(ml / min)
과산화수소/PFOHydrogen peroxide / PFO 전처리온도
(℃)
Pretreatment temperature
(° C)
오존
(g/m2)
ozone
(g / m 2 )
축반반응온도
(℃)
Reaction temperature
(° C)
비교예 1Comparative Example 1 100100 00 120120 00 360360 비교예 2Comparative Example 2 100100 1/91/9 120120 00 360360 비교예 3Comparative Example 3 100100 1/51/5 120120 25.825.8 330330

2. 제조된 2. Manufactured 등방성Isotropic 피치의 물성 평가 Evaluation of physical properties of pitch

상기 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 3에 의해 수득된 등방성 피치의 QI 함량, 탄화 수율, 피치 연화점 및 피치 수율의 측정 결과는 하기의 표 3에 기재되어 있다.
The measurement results of the QI content, the hydrocarbon yield, the pitch softening point and the pitch yield of the isotropic pitches obtained in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 are shown in Table 3 below.

QI
(%)
QI
(%)
탄화 수율
(%)
Carbonization yield
(%)
피치 연화점
(℃)
Pitch softening point
(° C)
피치 수율
(%)
Pitch yield
(%)
실시예1Example 1 00 7272 280280 2525 실시예2Example 2 00 7272 280280 2525 실시예3Example 3 00 7272 280280 3434 실시예4Example 4 0.50.5 7272 280280 4545 비교예1Comparative Example 1 66 7373 280280 1919 비교예2Comparative Example 2 55 7373 280280 1919 비교예3Comparative Example 3 44 5353 280280 2424

상기 실시예 1 ~ 4 및 비교예 1 ~ 3에 의해 수득된 등방성 피치의 연화점은 모두 280 ℃로 고연화점의 등방성 피치가 제조된 것을 확인할 수 있었다. 또한, 탄화 수율에 있어서도 비교예 3을 제외하곤 모두 70% 이상으로 유사한 값을 가지는 것을 확인할 수 있었다.It was confirmed that the isotropic pitches of the isotropic pitches obtained by the above Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 were all 280 ° C, which is a high softening point. In addition, it was confirmed that, except for Comparative Example 3, all of the carbonization yields were 70% or more.

다만, 불융화 성분으로서의 QI 함량을 측정한 결과, 실시예 1 ~ 4에 따를 경우, 실질적으로 피치 내 불융화 성분이 모두 제거된 것을 확인할 수 있었으나, 비교예 1 ~ 3에 따를 경우, QI 함량이 4 ~ 6%로서 피치 내 상당히 많은 양의 불융화 성분이 제거되지 않은 상태로 존재함을 확인할 수 있었다.However, as a result of measuring the content of QI as an immiscible component, it was confirmed that substantially all of the immiscible components in the pitch were removed in Examples 1 to 4, but according to Comparative Examples 1 to 3, the QI content 4 to 6%, and it was confirmed that a considerably large amount of the immiscible component in the pitch was not removed.

또한, 실시예 1 ~ 4 모두 25% 이상의 피치 수율을 나타내었으며, 특히 실시예 3 및 실시예 4는 피치 수율이 각각 34% 및 45%로서 비교예 1 ~ 3의 피치 수율보다 월등히 높은 값을 나타내었다.
In Examples 1 to 4, the pitch yield was 25% or more, and in Examples 3 and 4, the pitch yield was 34% and 45%, respectively, which was much higher than the pitch yields of Comparative Examples 1 to 3 .

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.
It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit of the invention as set forth in the appended claims. The present invention can be variously modified and changed by those skilled in the art, and it is also within the scope of the present invention.

Claims (20)

(a) 석유계 탄화수소 및 퍼옥사이드(peroxide)계 화합물이 혼합된 혼합물에 산화성 기체를 장입하면서 전처리하는 단계;
(b) 상기 전처리된 석유계 탄화수소를 열처리하는 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계의 결과물로부터 저비점물을 제거하는 단계;를 포함하며,
상기 단계 (a)에서 상기 혼합물 중의 퍼옥사이드계 화합물과 상기 산화성 기체의 반응에 의해 하이드록실 라디칼(hydroxyl radical)이 생성되며, 상기 하이드록실 라디칼에 의해 상기 석유계 탄화수소 사이의 라디칼 가교 반응이 개시되는,
등방성 피치의 제조 방법.
(a) pre-treating a mixture of a petroleum hydrocarbon and a peroxide compound with an oxidizing gas;
(b) heat treating the pretreated petroleum hydrocarbons; And
(c) removing the low boiling point product from the product of step (b)
In the step (a), a hydroxyl radical is generated by the reaction of the peroxide compound and the oxidizing gas in the mixture, and the hydroxyl radical initiates the radical crosslinking reaction between the petroleum hydrocarbon ,
Method of manufacturing isotropic pitch.
제1항에 있어서,
상기 석유계 탄화수소는 API(American Petroleum Institute) 비중이 34 미만인 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the petroleum hydrocarbon has an API (American Petroleum Institute) specific gravity of less than 34.
제1항에 있어서,
상기 석유계 탄화수소는 석유계 중유(middle crude oil), 석유계 중질유(heavy crude oil), 나프타 분해(Naphtha cracking) 잔사유, 열분해 연료유(pyrolized fuel oil; PFO) 및 유동화 촉매 분해-데칸트 오일(fluidized catalytic cracking-decant oil; FCC-DO)로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The petroleum hydrocarbon may be at least one selected from the group consisting of middle crude oil, heavy crude oil, naphtha cracking residual oil, pyrolyzed fuel oil (PFO) and fluidized catalyst decomposition-decanter oil and a fluidized catalytic cracking-decant oil (FCC-DO).
제1항에 있어서,
상기 단계 (a) 전에 상기 석유계 탄화수소로부터 저비점물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Further comprising the step of removing the low-boiling point product from the petroleum hydrocarbon before the step (a).
제1항에 있어서,
상기 퍼옥사이드계 화합물은 다이큐밀 퍼옥사이드(dicumylperoxide; DCP), 과산화수소(hydrogen peroxide), 벤조일 퍼옥사이드(benzoyl peroxide), 큐멘 하이드로퍼옥사이드(cumene hydroperoxide), t-뷰틸 하이드로퍼옥사이드(t-butyl hydroperoxide) 및 메틸에틸케톤 퍼옥사이드(methylethylketone peroxide)로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
The peroxide compound may be at least one selected from the group consisting of dicumylperoxide (DCP), hydrogen peroxide, benzoyl peroxide, cumene hydroperoxide, t-butyl hydroperoxide ) And methylethylketone peroxide. ≪ RTI ID = 0.0 > 11. < / RTI >
제1항에 있어서,
상기 혼합물은 상기 석유계 탄화수소 100 중량부당 5 내지 50 중량부의 상기 퍼옥사이드계 화합물을 혼합하여 생성되는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixture is produced by mixing 5 to 50 parts by weight of the peroxide compound per 100 parts by weight of the petroleum hydrocarbon.
제1항에 있어서,
상기 산화성 기체는 산소, 오존 및 공기(air)로부터 선택되는 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the oxidizing gas is at least one selected from oxygen, ozone, and air.
제7항에 있어서,
상기 산화성 기체는 질소, 헬륨, 네온 및 아르곤로부터 선택되는 적어도 하나의 비활성 기체와 함께 장입되는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the oxidizing gas is charged with at least one inert gas selected from nitrogen, helium, neon and argon.
제7항에 있어서,
상기 산화성 기체는 5 g/m2 내지 100 g/m2의 범위에서 선택되는 부분압으로 장입되는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
8. The method of claim 7,
Wherein the oxidizing gas is charged at a partial pressure selected from the range of 5 g / m 2 to 100 g / m 2 .
제1항에 있어서,
상기 단계 (a)의 전처리는 50 ~ 200 ℃의 범위에서 선택되는 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the pretreatment of step (a) is performed at a temperature selected from the range of 50 to 200 ° C.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 혼합물은 비드(bead)가 충진된 반응기 내로 주입되며, 상기 반응기 내에서 장입된 상기 산화성 기체와 접촉되는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the mixture is injected into a reactor filled with beads and brought into contact with the oxidizing gas charged in the reactor.
제12항에 있어서,
상기 혼합물의 주입 방향과 상기 산화성 기체의 장입 방향은 서로 동일 또는 반대 방향인 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the mixing direction of the mixture and the loading direction of the oxidizing gas are the same or opposite directions to each other.
제12항에 있어서,
상기 혼합물은 상기 반응기의 상부에서 하부를 향해 주입되며, 상기 산화성 기체는 상기 반응기의 하부에서 상부를 향해 장입되는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the mixture is injected from the upper part of the reactor toward the lower part and the oxidizing gas is charged from the lower part of the reactor toward the upper part.
제12항에 있어서,
상기 반응기 내 상기 비드의 충진 밀도는 비대칭적인 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
13. The method of claim 12,
Wherein the packing density of the beads in the reactor is asymmetric.
제15항에 있어서,
상기 반응기 내 상기 비드의 충진 밀도는 상기 반응기의 상부에서 하부로 갈수록 낮아지는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
16. The method of claim 15,
Wherein the packing density of the beads in the reactor is lowered from the upper portion to the lower portion of the reactor.
제16항에 있어서,
상기 혼합물은 상기 반응기 내 상기 비드의 충진 밀도가 높은 곳으로 주입되며, 상기 산화성 기체는 상기 반응기 내 상기 비드의 충진 밀도가 낮은 곳으로 장입되는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
17. The method of claim 16,
Wherein the mixture is injected into the reactor at a high filling density of the beads and the oxidizing gas is charged to a low packing density of the beads in the reactor.
제1항에 있어서,
상기 단계 (b)의 열처리는 340 ~ 400 ℃의 범위에서 선택되는 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the heat treatment in step (b) is performed at a temperature selected from the range of 340 to 400 ° C.
제1항에 있어서,
상기 단계 (c)는 300 ~ 400 ℃의 범위에서 선택되는 온도로 수행되는 적어도 하나의 열처리 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
The method according to claim 1,
Wherein the step (c) comprises at least one heat treatment step performed at a temperature selected from the range of 300 to 400 ° C.
제19항에 있어서,
상기 단계 (c)는, 기상의 저비점물을 포집하여 제거하는 제1 열처리 단계; 및
최종 생성물의 연화점을 250 ~ 320 ℃의 범위에서 선택되는 온도로 제어하는 제2 열처리 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 등방성 피치의 제조 방법.
20. The method of claim 19,
The step (c) may include: a first heat treatment step of collecting and removing the low-boiling point vapor phase; And
And a second heat treatment step of controlling the softening point of the final product to a temperature selected from the range of 250 to 320 ° C.
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