KR102489086B1 - Knowledge-based assessment flatform for carbon dioxide direct hydrogenation catalysts - Google Patents

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Abstract

본 발명에서는 이산화탄소(CO2) 직접 수소화 촉매의 초기 단계 선별을 위한 새로운 지식 기반 평가 플랫폼을 제공한다. 본 발명을 달성하기 위해, 새로운 메탄올 생산 공정이 지식 기반 대리 모형을 채택하여 CO2 직접 수소화를 통해 시뮬레이션된다. 본 발명의 플랫폼에서 물질 및 에너지 수지 뿐만 아니라 사이징 및 비용 정보는 CO2 공급량, 촉매의 변환 및 선택성, 반응의 온도 및 압력, 배출 분율의 선택된 주요 변수를 기준으로 결정된다. 메탄올 생산 공정의 기술적, 경제적, 환경적 역량을 평가하기 위해 단위 생산비, 탄소 및 에너지 효율성, CO2 감소의 4가지 평가 기준을 적용한다. 일 실시예로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 통한 메탄올 생산 공정의 에너지 효율과 경제성을 서로 다른 작동 온도와 압력에서 분석한다. 이어 문헌에 보고된 38개의 CO2 직접 수소화 촉매에 대해 평가 플랫폼을 적용해 촉매 발견 초기 연구개발 단계에서 연구개발 목표와 방향 설정에 필요한 기술적·경제적 장점과 장벽을 분석한다.The present invention provides a new knowledge-based evaluation platform for early-stage screening of carbon dioxide (CO 2 ) direct hydrogenation catalysts. To achieve the present invention, a new methanol production process is simulated through CO 2 direct hydrogenation by employing a knowledge-based surrogate model. Sizing and cost information as well as material and energy balances in the present platform are determined based on selected key parameters of CO 2 feed, conversion and selectivity of the catalyst, temperature and pressure of the reaction, and emission fraction. Four evaluation criteria are applied to evaluate the technical, economic and environmental capabilities of the methanol production process: unit production cost, carbon and energy efficiency, and CO2 reduction. As an example, the energy efficiency and economic feasibility of a methanol production process using a Cu/Zn/Al/Zr catalyst are analyzed at different operating temperatures and pressures. Next, the evaluation platform is applied to 38 CO 2 direct hydrogenation catalysts reported in the literature to analyze the technical and economic advantages and barriers required for setting R&D goals and directions in the initial R&D stage of catalyst discovery.

Description

이산화탄소 직접 수소화 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼 {KNOWLEDGE-BASED ASSESSMENT FLATFORM FOR CARBON DIOXIDE DIRECT HYDROGENATION CATALYSTS}Knowledge-Based Evaluation Platform for Carbon Dioxide Direct Hydrogenation Catalyst {KNOWLEDGE-BASED ASSESSMENT FLATFORM FOR CARBON DIOXIDE DIRECT HYDROGENATION CATALYSTS}

본 발명은 이산화탄소 직접 수소화 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼에 관한 발명이다.The present invention relates to a knowledge-based evaluation platform for carbon dioxide direct hydrogenation catalysts.

대부분의 국가들이 직면하고 있는 중요한 에너지 및 환경 문제 중 하나는 온실가스(GHG) 배출로 인한 기후 변화다. 다양한 온실가스 중 이산화탄소(CO2)가 2010년 전 세계 온실가스 배출량의 65%를 차지했다. CO2 배출량이 지속적이고 빠르게 증가할 것으로 예상되었기 때문에, 이러한 문제를 해결하기 위한 많은 시도가 전세계적으로 이루어졌다. 특히 선진국과 신흥국 대다수는 지구 온도 상승을 산업화 이전 수준보다 2℃ 이하로 제한하는 것을 목표로 기후변화 완화를 위한 실질적인 노력을 장려하는 유엔기후변화협약(UNFCCC)에서 파리협정을 채택했다. One of the major energy and environmental challenges facing most countries is climate change due to greenhouse gas (GHG) emissions. Among various greenhouse gases, carbon dioxide (CO 2 ) accounted for 65% of global greenhouse gas emissions in 2010. Since CO 2 emissions are expected to increase continuously and rapidly, many attempts have been made worldwide to address this problem. In particular, the majority of developed and emerging countries have adopted the Paris Agreement in the United Nations Framework Convention on Climate Change (UNFCCC), which encourages substantial efforts to mitigate climate change with the goal of limiting global temperature rise to less than 2°C above pre-industrial levels.

이런 맥락에서 CO2를 원료로 선제적으로 활용하는 것은 부가가치가 있는 화학물질을 생산하고 CO2 배출량을 완화하기 때문에 지속 가능한 전략이다. 수십 년 동안 CO2 활용 화학물질과 그 경제성, 석유 및 가스 회수를 위한 CO2 사용, 주요 화학구축블록(예: CO, 메탄, 포르믹산, 에틸렌)에 대한 CO2 전기화학적 감소, 산업 생태계의 관점에서 CO2 활용 기술의 평가, CO2 활용 기술을 재생 에너지원에 통합함으로써 얻을 수 있는 타당성 및 편익 분석 등 CO2 활용전략의 개발 및 전개에 많은 연구가 집중되어 왔다.In this context, the preemptive use of CO 2 as a raw material is a sustainable strategy as it produces value-added chemicals and mitigates CO 2 emissions. CO2 utilization chemicals and their economics for decades, CO2 use for oil and gas recovery , CO2 electrochemical reduction for major chemical building blocks (e.g. CO , methane, formic acid, ethylene) , industrial ecosystem perspectives. In Korea, many studies have been focused on the development and deployment of CO 2 utilization strategies, such as evaluation of CO 2 utilization technology and feasibility and benefit analysis obtained by integrating CO 2 utilization technology into renewable energy sources.

고부가가치 화학제품 생산을 위한 CO2 활용에 대한 다양한 경로가 있지만, 촉매 변환은 CO2를 유용한 화학 물질로 전환하는 가장 널리 사용되고 유망한 방법 중 하나이다. 특히 역수성가스변환(RWGS)반응은 CO2를 수소(H2)와 반응시켜 이질적인 촉매를 이용한 일산화탄소(CO)와 물(H2O)을 생산하는 것으로 잘 알려진 촉매 과정이다. RWGS 반응에 의해 생성된 CO는 CO2보다 활성도가 높기 때문에, CO는 각각 메탄올 합성 반응과 피셔-트롭시(FT) 반응을 통한 메탄올과 액체연료 등의 제품을 제조하기 위해 합성가스(CO와 H2의 혼합물) 형태의 핵심 반응제로 사용되어 왔다. RWGS 반응에 대한 이전 문헌 보고서와 관련하여, 새로운 촉매의 발견에 대한 실험 및 이론적 접근방식이 모두 조사되었다. 예를 들어, 장(Zhang) 등 연구진은 RWGS 공정에 대한 새로운 Cu 기반 촉매(Cu/β-Mo2C)를 합성했으며, CO2 변환과 CO 선택성이 각각 최대 40%, 100%에 이를 수 있음을 확인했다. 또한 왕(Wang) 등 연구진은 일반화된 경사도 근사 함수(DFT-GGA) 방법과 상관관계가 있는 밀도 함수이론을 이용한 수성가스변환(WGS)과 역수성가스변환(RWGS) 공정의 반응 메커니즘을 연구하였고 CO2 분리의 전환 상태를 분석하여 구조 민감도를 조사했다. 또한 Wilkinson 외 연구진은 메탄올 합성 반응에서 Cu/ZnO/Al2O3 촉매의 동작을 표현하기 위해 정상/비정상 상태 운동학 모델을 생성하고 새로운 운동학 모델을 적용함으로써 결과를 비교했다. Although there are various routes to utilization of CO 2 for producing high-value chemicals, catalytic conversion is one of the most widely used and promising methods for converting CO 2 into useful chemicals. In particular, the reverse water gas shift (RWGS) reaction is a well-known catalytic process that reacts CO 2 with hydrogen (H 2 ) to produce carbon monoxide (CO) and water (H 2 O) using a heterogeneous catalyst. Since CO produced by the RWGS reaction is more active than CO 2 , CO is synthesized from syngas (CO and H) to produce products such as methanol and liquid fuel through the methanol synthesis reaction and the Fischer-Tropsch (FT) reaction, respectively. 2 ) has been used as a key reactant in the form of Regarding previous literature reports on RWGS reactions, both experimental and theoretical approaches to the discovery of new catalysts have been investigated. For example, Zhang et al. have synthesized a new Cu-based catalyst (Cu/β-Mo 2 C) for the RWGS process, which can achieve CO 2 conversion and CO selectivity up to 40% and 100%, respectively. I checked. In addition, Wang et al. studied the reaction mechanism of water gas transformation (WGS) and reciprocal water gas transformation (RWGS) processes using density functional theory correlated with the generalized gradient approximation function (DFT-GGA) method. The structural sensitivity was investigated by analyzing the transition state of CO 2 sequestration. Wilkinson et al. also generated a steady-state/steady-state kinetic model to represent the behavior of the Cu/ZnO/Al 2 O 3 catalyst in the methanol synthesis reaction and compared the results by applying the new kinetic model.

또한, 기술-경제 및 환경 분석과 관련된 연구가 수행되었다. 이러한 맥락에서 주(Joo) 외 연구진은 CAMERE (Carbon dioxide hydrogenation to form Methanol via a Reverse-water-gas-shift reaction) 공정(역수성가스변환 반응을 통해 메탄올을 형성하기 위한 이산화탄소의 수소화)을 위한 Cu/ZnO/ZrO2/Ga2O3 조성물과 함께 새로운 촉매를 개발하여 상업용 메탄올 합성 공정과 비교하여 그 경제성을 평가하였다. 또한 킴(Kim) 등은 일반적인 생산 공정과 태양열 기술을 통합함으로써, CO2로부터 새로운 메탄올과 FT(피셔-트롭시) 연료 생산 공정을 설계하고 에너지 효율, 경제 및 환경 영향을 분석하였다.In addition, studies related to technology-economic and environmental analysis were conducted. In this context, researchers from Joo et al. have developed a Cu for CAMERE (Carbon dioxide hydrogenation to form Methanol via a Reverse-water-gas-shift reaction) process. A new catalyst was developed with the /ZnO/ZrO 2 /Ga 2 O 3 composition and its economic feasibility was evaluated in comparison with a commercial methanol synthesis process. In addition, Kim et al. designed a new methanol and FT (Fisher-Tropsch) fuel production process from CO 2 by integrating solar technology with a conventional production process and analyzed its energy efficiency, economics and environmental impact.

합성가스 생산 없이 CO2를 메탄올이나 탄화수소로 직접 전환시키는 CO2 직접 수소화 반응도 프로세스 설계가 단순하고 조작이 용이해 새로운 촉매변환 반응으로 주목받았다. 실제로, 최근 CO2 직접 수소화 촉매와 공정에 대한 많은 연구가 있었다. 예를 들어, Li 등은 Cu 기반 촉매(Cu/Al2O3, Cu/AlCeO, Cu/CeO2)를 개발하고 서로 다른 작동 조건에서 촉매 활성과 반응 메커니즘을 분석하였다. 또한, Gao 등은 Cu/Zn/Al/Zr 촉매들을 합성하여 CO2 변환과 메탄올 선택성이 반응 압력과 알루미늄 무게 비율이 증가함에 따라 증가하였음을 확인했다. 또한 Willauer 등 연구진은 고정형 베드 반응기와 연속식 교반-탱크형 반응기(A continuous stirred-tank reactor, CSTR)에서 CO2 변환과 제품 선택성 모두에 대한 공간 속도의 영향을 비교했다. The CO 2 direct hydrogenation reaction, which directly converts CO 2 to methanol or hydrocarbons without syngas production, also drew attention as a new catalytic conversion reaction because of its simple process design and easy operation. In fact, there have been many recent studies on CO 2 direct hydrogenation catalysts and processes. For example, Li et al. developed Cu-based catalysts (Cu/Al 2 O 3 , Cu/AlCeO, and Cu/CeO 2 ) and analyzed their catalytic activity and reaction mechanism under different operating conditions. In addition, Gao et al. synthesized Cu/Zn/Al/Zr catalysts and confirmed that CO 2 conversion and methanol selectivity increased as the reaction pressure and aluminum weight ratio increased. Willauer et al also compared the effect of space velocity on both CO 2 conversion and product selectivity in a fixed bed reactor and a continuous stirred-tank reactor (CSTR).

새로운 촉매 발견 연구 외에도 CO2 직접 수소화 과정의 프로세스 설계와 기술성-경제성 분석(TEA)도 수행되었다. 이러한 맥락에서 Kiss 등은 습식 수소를 사용하는 CO2 직접 수소화를 통해 Cu/Zn/Al/Zr 촉매 기반 메탄올 생산 공정을 시뮬레이션하고 기술 성과와 경제성을 평가했다. 또한, Do 외 연구진은 열화학 분할 기술과 통합된 CO2 직접 수소화 프로세스를 설계하고 기술-경제 분석을 수행했다.In addition to new catalyst discovery studies, process design and techno-economic analysis (TEA) of CO 2 direct hydrogenation were also conducted. In this context, Kiss et al. simulated a Cu/Zn/Al/Zr catalyst-based methanol production process by direct CO 2 hydrogenation using wet hydrogen and evaluated the technical performance and economics. In addition, Do et al. designed a direct CO 2 hydrogenation process integrated with thermochemical splitting technology and performed a techno-economic analysis.

기술-경제성 분석 연구에 대한 문헌 검토 결과 CO2 변환과 메탄올 수율이 낮아 중간화학물질로서의 CO(즉 CO2→합성가스→메탄올)를 통한 기존 경로에 비해 CO2 직접 수소화에 의한 메탄올 생산의 경제성이 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 높은 메탄올 수율을 촉진하는 데 헌신하는 새로운 촉매들을 개발하려는 많은 시도가 있었다. 수많은 새로운 촉매들이 발견되고 문헌에 보고된 반면, 기술적 및 경제적 타당성을 검증하고 평가하기 위한 후속 작업들은 결국 실제적인 배치로 이어지는 새로운 촉매 발견 R&D만큼 빠르게 수행되지 않았다(도 1(a) 참조). As a result of literature review on techno-economic analysis studies, CO 2 conversion and methanol yield are low, so the economic efficiency of methanol production by CO 2 direct hydrogenation compared to the conventional route through CO as an intermediate chemical (ie, CO 2 → syngas → methanol) appeared to fall. To solve this problem, many attempts have been made to develop new catalysts dedicated to promoting high methanol yields. While numerous new catalysts have been discovered and reported in the literature, follow-up work to verify and evaluate their technical and economic feasibility has not been carried out as quickly as R&D for new catalyst discovery eventually leading to practical deployment (see Fig. 1(a)).

나아가 기존 CO를 통한 공정에 더해 실제 메탄올 생산시장에서 경쟁력을 갖출 수 있도록 하는 연구개발 측면에서도 촉매 연구원들이 명확한 목표와 방향성을 갖추지 못해 어려움을 겪고 있다.Furthermore, in addition to the existing process through CO, catalyst researchers are experiencing difficulties because they do not have clear goals and directions in terms of research and development that enable them to be competitive in the actual methanol production market.

이와는 달리, 엄격한 모델링 및 시뮬레이션, 프로세스 통합 및 강화, TEA 연구와 같은 프로세스 시스템 엔지니어링(PSE) 중심 접근법은 새로운 촉매의 성공적인 배치를 위해 널리 사용되어 왔다. 실제로 PSE 기법을 이용한 연구개발은 대개 새로운 촉매의 보고 후 수행된다. 새로운 촉매 발견에서 실제 구현을 위한 프로세스 시뮬레이션 및 TEA 연구에 이르는 순차적 R&D 접근방식은 매우 정확한 결과(예: 에너지 및 물질 수지, 사이징 및 비용 데이터, 경제성)를 보장한다. In contrast, process systems engineering (PSE)-oriented approaches such as rigorous modeling and simulation, process integration and enhancement, and TEA studies have been widely used for the successful deployment of new catalysts. In practice, R&D using the PSE technique is usually carried out after the report of a new catalyst. A sequential R&D approach, from discovery of new catalysts to process simulations and TEA studies for practical implementation, ensures highly accurate results (e.g. energy and mass balances, sizing and cost data, economics).

그러나 이러한 종래의 연구개발방법은 빠른 속도의 촉매발견 R&D 뿐만 아니라 첨단기술 전개를 위한 긴급한 사회적 요구에 대응한다는 측면에서 미흡하다. 순차적 R&D에서 또 다른 중요한 문제는 엄격한 모델링과 시뮬레이션은 일반적으로 알려진 표적 반응의 상세한 특성(예: 명확하게 정의된 운동학 및 속도 매개변수)을 필요로 하며, 많은 시간이 소요되는 실험을 수반해야 한다는 점이다. However, these conventional research and development methods are insufficient in terms of responding to urgent social demands for high-speed development of advanced technologies as well as rapid catalyst discovery R&D. Another important issue in sequential R&D is that rigorous modeling and simulation usually require detailed characterization of known target responses (e.g., clearly defined kinetic and rate parameters), which entails time-consuming experiments. to be.

CO2 직접 수소화를 위한 많은 새로운 촉매들이 보고되었지만, 그들의 열역학 및 반응 메커니즘은 여전히 조사 중에 있다. 이는 실제 산업 응용을 위한 새로운 CO2 수소화 촉매의 잠재력을 매우 초기 연구개발 단계에서 시간이 많이 걸리는 과정을 거쳐 조사될 수 있다는 것을 의미한다.Although many new catalysts for CO 2 direct hydrogenation have been reported, their thermodynamics and reaction mechanisms are still under investigation. This means that the potential of new CO 2 hydrogenation catalysts for practical industrial applications can be investigated in a time-consuming process at a very early R&D stage.

대한민국 등록특허 제10-1937160호Republic of Korea Patent No. 10-1937160

새로 발견된 촉매의 실제 적용을 위한 기존 R&D의 한계를 극복하기 위해서는 촉매의 기술적, 경제적 타당성을 신속하고 정확하게 평가하는 새로운 인터페이스 단계가 필요하다(도 1(b) 참조). 새롭게 도입된 단계는 촉매의 성능을 정량화하여 대량 스크리닝(High Throughput Screening, HTS) 및 높은 잠재력을 갖는 촉매의 평가 등 연구개발 전략에서 보다 신속한 의사결정을 용이하게 할 수 있도록 사용이 편리하고 신속하며 이해할 수 있는 단계여야 한다. 예를 들어, 새로운 촉매 발견을 연구하는 연구자들은 변환 대 선택성 사이의 우선 순위 또는 고수율과 보통 수준의 작동 조건 사이의 절충 해결과 같은 실질적인 연구개발 방향과 목표를 확립할 수 있다. 또한 효율적이고 신속한 방법을 통해 연구자들이 비유망 후보를 선별하고 이상적인 반응 조건을 파악함으로써 촉매의 산업적 구현을 빠르게 추적할 선택된 연구개발 프로젝트에 집중할 수 있어야 한다.In order to overcome the limitations of existing R&D for the practical application of newly discovered catalysts, a new interface step is needed to quickly and accurately evaluate the technical and economic feasibility of catalysts (see Fig. 1(b)). The newly introduced steps are easy to use, fast and understandable to quantify the performance of catalysts to facilitate faster decision-making in R&D strategies, such as High Throughput Screening (HTS) and evaluation of catalysts with high potential. It should be a possible step. For example, researchers working on new catalyst discoveries can establish practical R&D directions and goals, such as prioritizing conversion versus selectivity or resolving trade-offs between high yields and moderate operating conditions. In addition, an efficient and expeditious method should enable researchers to select non-promising candidates and identify ideal reaction conditions, enabling them to focus on selected R&D projects that will rapidly track industrial implementation of the catalyst.

따라서 본 발명에서는 초기 연구개발 단계에서 CO2 수소화 촉매의 능력을 평가하기 위한 새로운 플랫폼의 개발을 보고한다. 본 발명에 따른 평가 플랫폼은 세부적인 운동학, 열역학, 전달 현상이 요구되는 기존의 접근방식과 달리 촉매 성능(변환성 및 선택성)만을 사용하여 촉매반응이 수반되는 전체 메탄올 생산 공정의 질량과 에너지 수지를 결정한다. 단위 운전 모델링, 재순환 전략, TEA 연구와 같은 기존의 PSE 중심 기법의 핵심 지식을 채용하여 에너지 및 탄소 효율성, 순 CO2 절감, 제품의 단위 생산비(the unit production cost, UPC) 등 다양한 기준을 이용하여 시험 촉매의 기술적·경제적 타당성을 종합적으로 분석한다. 마지막으로, 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 탑재된 컴퓨터 지원 플랫폼으로 패키징되어 쉽고 빠르고 정밀하게 적용할 수 있는 새로운 촉매 발견 분야의 연구자에게 사용자 친화적인 환경을 제공한다.Therefore, in the present invention, we report the development of a new platform for evaluating the ability of CO 2 hydrogenation catalysts in an early R&D stage. Unlike conventional approaches that require detailed kinetics, thermodynamics, and transport phenomena, the evaluation platform according to the present invention uses only catalytic performance (conversion and selectivity) to evaluate the mass and energy balance of the entire methanol production process involving catalytic reactions. Decide. By adopting core knowledge of existing PSE-centered techniques such as unit operation modeling, recycling strategy, and TEA research, various criteria such as energy and carbon efficiency, net CO 2 reduction, and the unit production cost (UPC) of the product are used. Comprehensively analyze the technical and economic feasibility of the test catalyst. Finally, it is packaged as a computer-aided platform with a graphical user interface (GUI), providing a user-friendly environment for researchers in the field of new catalyst discovery that can be applied easily, quickly and precisely.

상기 기술적 과제를 해결하고자, 본 발명의 목적은 새로운 촉매 설계와 발견의 초기 연구개발 단계에서 CO2 수소화 촉매의 기술적, 경제적 성과를 평가하기 위한 새로운 컴퓨터 지원 플랫폼을 개발하는 것이다. 이를 위해 CO2와 H2에서 고순도 메탄올을 생산하는 새로운 메탄올 생산 공정 방식을 제안했다. 새로운 메탄올 생산 공정 방식은 메탄올 합성을 위한 CO2 수소화, 재순환을 위한 가스/액체 분리, 생산된 메탄올을 정제하기 위한 액체/액체 분리 등 3가지 주요 단위 공정을 포함한다. 주어진 프로세스 체계를 사용하여, 프로세스의 에너지와 물질 수지를 결정하기 위해 지식 기반 대리 모형(knowledge-based surrogate models)을 사용하여 이러한 프로세스를 시뮬레이션했다.In order to solve the above technical problem, an object of the present invention is to develop a new computer-aided platform for evaluating the technical and economic performance of CO 2 hydrogenation catalysts in the initial R&D stage of new catalyst design and discovery. To this end, a new methanol production method was proposed to produce high-purity methanol from CO 2 and H 2 . The new methanol production process method includes three main unit processes: CO 2 hydrogenation for methanol synthesis, gas/liquid separation for recycling, and liquid/liquid separation to purify the methanol produced. Using a given process regime, these processes were simulated using knowledge-based surrogate models to determine the energy and mass balances of the process.

반응 모델링의 경우, Aspen Plus의 화학양론형 반응기 모델이 선택되는데, 이는 반응 동력학을 알 수 없거나 중요하지 않을 때 지정된 반응 범위 또는 변환을 사용하여 제품 사양과 반응 열을 계산하는 강력한 모델이다. For reaction modeling, Aspen Plus' stoichiometric reactor model of choice is a robust model that calculates product specifications and heats of reaction using specified reaction ranges or transformations when reaction kinetics are unknown or unimportant.

따라서, 본 발명의 프레임워크는 원패스 변환 및 선택성과 같은 사용자 입력 데이터(즉, 조작 변수들)를 사용하여 반응기의 에너지 흐름뿐만 아니라 입구 및 출구 스트림 정보를 결정할 수 있다. Thus, the framework of the present invention can use user input data (i.e., manipulated variables) such as one-pass conversion and selectivity to determine the reactor's energy flow as well as inlet and outlet stream information.

분리기(splitter), 믹서, 히터, 냉각기 및 압축기와 같이 본 발명의 생산 공정에서 공통 프로세스 유닛에 대해서는 대리 모형을 사용하여 이러한 프로세스 유닛을 시뮬레이션하여 물질과 에너지 흐름을 계산한다. For common process units in the production process of the present invention, such as splitters, mixers, heaters, coolers and compressors, surrogate models are used to simulate these process units to calculate material and energy flows.

엔지니어링 설계와 운영의 복잡성을 줄이기 위해 대리 모형(메타모델 또는 축소된 순서 모델이라고 함)을 시뮬레이션 프로그램에서 얻은 매우 정확한 데이터로 구축하였는데, 이는 단위 공정의 동작과 현상을 나타낸다. To reduce the complexity of engineering design and operation, surrogate models (called metamodels or reduced order models) were built from highly accurate data obtained from simulation programs, which represent the behavior and phenomena of unit processes.

개별 유닛에 대한 구획 모델을 구축하기 위한 시뮬레이션 데이터의 사용도 복합 시스템의 모델링 시뮬레이션에서 널리 사용되는 다단계 모델링 방법으로 간주될 수 있다. 본 발명에서는 Aspen Plus를 1차 프로세스 시뮬레이터로 사용하여 관련 프로세스 유닛의 광범위한 데이터 세트를 생성하였다. 그리고 나서 본 발명의 프레임워크는 메탄올 생산 공정의 물질 및 에너지 정보뿐만 아니라 관련 유닛의 사이징 및 비용 데이터를 추정함으로써 메탄올 생산 공정의 기술적-경제적 분석을 수행한다. 특히 기술, 경제, 환경 성과, 즉 단위생산비(UPC), 탄소효율, 에너지효율, 순 CO2 감소의 4가지 평가기준을 활용했다.The use of simulation data to build compartment models for individual units can also be considered a multi-step modeling method widely used in modeling simulations of complex systems. In this study, Aspen Plus was used as the primary process simulator to generate extensive data sets of the relevant process units. The framework of the present invention then performs a techno-economic analysis of the methanol production process by estimating the material and energy information of the methanol production process as well as the sizing and cost data of the relevant units. In particular, four evaluation criteria were used: technological, economic, and environmental performance: unit production cost (UPC), carbon efficiency, energy efficiency, and net CO2 reduction.

마지막으로 윈도우 형태 환경에서 C# 언어를 채택하여 제안된 플랫폼을 METAL(메탄올 공정: 기술적-경제적 분석 연구소)이라는 이름으로 결정했다. 이 플랫폼은 사용자-인터랙티브 인터페이스가 있어 사용자가 입력값을 변경할 때 결과를 즉시 확인할 수 있다. Finally, by adopting the C# language in a windowed environment, the proposed platform was named METAL (Methanol Process: Technical-Economic Analysis Laboratory). The platform has a user-interactive interface so that when users change input values, the results are immediately visible.

이 플랫폼을 이용하면 다양한 CO2 수소화 촉매의 사용에 따른 메탄올 생산 공정의 경제적, 환경적 성과를 정밀하게 평가할 수 있다. 나아가 METAL 은 4가지 평가 지표에 대한 주요 조작 변수(즉, 변환, 선택성, 작동 온도, 압력)의 영향을 분석하기 위한 민감도 분석 기능을 제안한다. 따라서 임베디드 민감도 분석 모듈을 통해 사용자는 대상 촉매의 장단점을 파악하고 실질적인 연구개발 방향과 목표를 설정할 수 있다. This platform enables precise evaluation of the economic and environmental performance of methanol production processes using various CO 2 hydrogenation catalysts. Furthermore, METAL proposes a sensitivity analysis function to analyze the effect of key operating variables (ie, conversion, selectivity, operating temperature, pressure) on the four evaluation indicators. Therefore, through the embedded sensitivity analysis module, users can identify the strengths and weaknesses of target catalysts and set practical R&D directions and goals.

지식 기반 모델링, 평가 및 선별 플랫폼 개발에 관련된 주요 단계는 도 2에 요약되어 있다.The key steps involved in knowledge-based modeling, evaluation and screening platform development are summarized in Figure 2.

본 발명의 플랫폼을 이용하면 다양한 CO2 수소화 촉매의 사용에 따른 메탄올 생산 공정의 경제적, 환경적 성과를 정밀하게 평가할 수 있다. 나아가 본 발명의 플랫폼은 4가지 평가 지표에 대한 주요 조작 변수(즉, 변환, 선택성, 작동 온도, 압력)의 영향을 분석하기 위한 민감도 분석 기능을 제안한다. 따라서 임베디드 민감도 분석 모듈을 통해 사용자는 대상 촉매의 장단점을 파악하고 실질적인 연구개발 방향과 목표를 설정할 수 있다. Using the platform of the present invention, it is possible to precisely evaluate the economic and environmental performance of methanol production processes using various CO 2 hydrogenation catalysts. Furthermore, the platform of the present invention proposes a sensitivity analysis function for analyzing the influence of major manipulated variables (ie, conversion, selectivity, operating temperature, pressure) on four evaluation indicators. Therefore, through the embedded sensitivity analysis module, users can identify the strengths and weaknesses of target catalysts and set practical R&D directions and goals.

도 1은 (a) 종래 촉매 R&D의 종래 단계 및 (b) 본 발명에 따른 지식 기반 모델링, 평가 및 선별 플랫폼에 대한 도면이다.
도 2는 지식 기반 모델링, 평가 및 선별 플랫폼 개발을 위한 주요 단계를 나타내는 공정도이다.
도 3은 메탄올 생산을 위한 CO2 직접 수소화 공정의 프로세스 구성을 나타내는 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 지식 기반 평가 플랫폼의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 CO2 수소화 반응에 대한 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 이용한 메탄올 생산 공정의 질량 흐름 정보를 나타내는 도면이다.
도 6은 (a) 총 비용, (b) 에너지 소비 및 (c) CO2 배출에 대한 주요 섹션의 기여도를 나타내는 그래프이다.
도 7은 다양한 온도 범위에서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 사용하여 수행된 반응에 대한 기술적 및 경제적 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 다양한 압력 범위에서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 사용하여 수행된 반응에 대한 기술적 및 경제적 결과를 나타내는 도면이다.
도 9는 H2 가격을 기준으로 한 UPC 값의 글로벌 변동값: (a) $3/kg, (b) $2/kg, (c) $1/kg, (d) $0/kg (기본 CO2 공급 = 370kmol/h, CO2:H2 공급비 = 1:3)을 나타내는 도면이다.
도 10은 촉매의 (a) 탄소 효율성, (b) 에너지 효율성 및 (c) CO2 감소 특성 (기본 CO2 공급 = 370kmol/h, CO2:H2 공급 비 = 1:3)의 글로벌 변화를 나타내는 도면이다.
도 11은 반응 섹션의 결과: (a) 몰 흐름, (b) 비용, (c) 에너지 소비, (d) CO2 배출을 나타내는 스크린샷이다.
도 12는 G/L 분리 및 재순환 섹션의 결과: (a) 몰 유동, (b) 비용, (c) 에너지 소비, (d) CO2 배출을 나타내는 스크린샷이다.
도 13은 L/L 분리 섹션 결과: (a) 몰유량, (b) 비용, (c) 에너지 소비량, (d) CO2 배출량을 나타내는 스크린샷이다.
도 14는 총생산원가(TPC) 및 단위생산원가(UPC)의 원가 기여도를 나타내는 스크린샷이다.
도 15는 재료비 및 변동 운영비의 비용 분담을 나타내는 스크린샷이다.
도 16은 메탄올 생산 공정의 CO2 감소 및 에너지 효율을 나타내는 스크린샷이다.
도 17은 CO2 변환에 의한 메탄올 양, 탄소 효율, 에너지 효율, CO2 감소, UPC의 민감도 결과를 나타내는 스크린샷이다.
도 18은 메탄올 수율에 의한 메탄올 양, 탄소효율, 에너지효율, CO2 감소, UPC의 민감도 결과를 나타내는 스크린샷이다.
도 19는 배출 분율에 의한 메탄올 양, 탄소 효율, 에너지 효율, CO2 감소, UPC의 민감도 결과를 나타내는 스크린샷이다.
도 20은 (a) 경제적 파라미터의 민감도 분석 및 (b) H2 가격 및 (c) CO2 가격별 메탄올 단가 변경을 나타내는 스크린샷이다.
도 21은 Cu/Zn/Al/Zr 촉매와 Cu/ZnO@m-SiO2 촉매의 UPC 비교를 나타내는 스크린샷이다.
1 is a diagram of (a) a conventional stage of catalyst R&D and (b) a knowledge-based modeling, evaluation and screening platform according to the present invention.
Figure 2 is a process diagram showing the main steps for knowledge-based modeling, evaluation and screening platform development.
3 is a schematic diagram showing the process configuration of a CO 2 direct hydrogenation process for methanol production.
4 is a diagram showing the structure of a knowledge-based evaluation platform according to the present invention.
5 is a diagram showing mass flow information of a methanol production process using a Cu/Zn/Al/Zr catalyst for CO 2 hydrogenation reaction.
6 is a graph showing the contribution of major sections to (a) total cost, (b) energy consumption, and (c) CO 2 emissions.
Figure 7 is a graph showing the technical and economic results for reactions carried out using Cu/Zn/Al/Zr catalysts at various temperature ranges.
8 is a diagram showing the technical and economic results for reactions carried out using Cu/Zn/Al/Zr catalysts at various pressure ranges.
9 is a global change in UPC value based on H 2 price: (a) $3/kg, (b) $2/kg, (c) $1/kg, (d) $0/kg (basic CO 2 supply = 370 kmol/h, CO 2 :H 2 supply ratio = 1:3).
10 shows global changes in (a) carbon efficiency, (b) energy efficiency and (c) CO 2 reduction characteristics (base CO 2 feed = 370 kmol/h, CO 2 :H 2 feed ratio = 1:3) of catalysts. It is a drawing that represents
11 is a screen shot showing the results of the reaction section: (a) molar flow, (b) cost, (c) energy consumption, and (d) CO 2 emissions.
12 is a screen shot showing the results of the G/L separation and recycling section: (a) molar flow, (b) cost, (c) energy consumption, and (d) CO 2 emissions.
13 is a screen shot showing L/L separation section results: (a) molar flow, (b) cost, (c) energy consumption, and (d) CO 2 emissions.
14 is a screen shot showing the cost contribution of total production cost (TPC) and unit production cost (UPC).
15 is a screen shot showing cost sharing of material cost and variable operating cost.
16 is a screen shot showing CO 2 reduction and energy efficiency of the methanol production process.
17 is a screen shot showing sensitivity results of methanol amount, carbon efficiency, energy efficiency, CO 2 reduction, and UPC by CO 2 conversion.
18 is a screen shot showing sensitivity results of methanol amount, carbon efficiency, energy efficiency, CO 2 reduction, and UPC by methanol yield.
19 is a screen shot showing the sensitivity results of methanol amount, carbon efficiency, energy efficiency, CO2 reduction, and UPC by emission fraction.
20 is a screen shot showing (a) sensitivity analysis of economic parameters, (b) H 2 price, and (c) methanol unit price change according to CO 2 price.
21 is a screen shot showing a UPC comparison of a Cu/Zn/Al/Zr catalyst and a Cu/ZnO@m-SiO 2 catalyst.

이하, 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 것일 뿐 어떠한 의미로든 본 발명의 범위가 이들 예로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are only for helping the understanding of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to these examples in any sense.

1. 문제 제기 (PROBLEM DESCRIPTION)1. PROBLEM DESCRIPTION

1.1. 메탄올 생산을 위한 CO2 직접 수소화 (CO2 direct hydrogenation for methanol production)1.1. CO 2 direct hydrogenation for methanol production

도 3은 메탄올 생산 공정을 위한 CO2 직접 수소화의 개념 체계를 보여준다. 이러한 프로세스 구성은 이전 작업들의 설계에 기초하여 제안되었다. 본 발명을 위해, CO2는 파워 플랜트에서 공급되고 H2는 재생 전기를 이용한 물 전기분해(water electrolysis)를 통해 생산된다고 가정하였다. 도 3과 같이, 그 과정은 반응, 가스/액체(G/L) 분리 및 재순환, 액체/액체(L/L) 분리 등 3개의 주요 부분으로 구성된다. CO2와 H2 피드의 초기 압력과 온도는 각각 10bar와 25 ℃로 가정되었다. CO2와 H2는 반응기에 공급되기 전에 CO2 수소화 반응에 유리한 작동 조건을 달성하기 위해 압축 및 가열된다. 반응기에서 발생하는 주요 반응 즉, CO2 직접 수소화는 세 가지 반응을 포함한다.3 shows a conceptual scheme of CO 2 direct hydrogenation for a methanol production process. This process configuration was proposed based on the design of previous works. For the present invention, it is assumed that CO 2 is supplied from a power plant and H 2 is produced through water electrolysis using renewable electricity. As shown in Figure 3, the process consists of three main parts: reaction, gas/liquid (G/L) separation and recycling, and liquid/liquid (L/L) separation. The initial pressure and temperature of the CO 2 and H 2 feeds were assumed to be 10 bar and 25 °C, respectively. CO 2 and H 2 are compressed and heated before being fed to the reactor to achieve operating conditions favorable to the CO 2 hydrogenation reaction. The main reaction occurring in the reactor, the direct CO 2 hydrogenation, involves three reactions.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112020108502417-pat00001
Figure 112020108502417-pat00001

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112020108502417-pat00002
Figure 112020108502417-pat00002

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112020108502417-pat00003
Figure 112020108502417-pat00003

참조 문헌에 따르면, CO2 직접 수소화 반응은 각각 250-350 ℃와 35-55 bar의 온도 및 압력 범위에서 발생하므로, 압축기와 히터는 CO2와 H2의 물리적 특성을 수정하기 위해 반응 섹션에 포함된다. 반응 섹션에 포함된 온도 컨트롤러는 작동 조건에 따라 히터 또는 쿨러로 사용할 수 있다는 점에 유의해야 한다. 반응 결과물(메탄올, 물, CO)과 미반응 CO2와 H2가 혼합된 반응기 출구 스트림은 G/L 분리구간의 플래시 탱크에 공급되어 기체와 액체 스트림으로 분리된다. 플래시 탱크는 30-95 ℃와 25-55 bar에서 작동하므로 냉각기와 히터는 제품을 냉각시키거나 분리 가스를 가열하여 재순환하는 데 사용된다. 이 공정의 원활한 작동을 위해 일부 가스를 공정에서 분리하여 배출하고, 배출 분율을 통해 공정에서 방출되는 가스의 양을 결정한다. 가스 상류(즉, CO2, H2, CO)는 반응기에 다시 재순환되지만 액체 상류(즉, 메탄올과 H2O의 혼합물)는 L/L 분리구간에 공급되어 고순도 메탄올을 산출한다. 이 절에서는 증류탑 상단으로 불순물을 제거하고, H2O는 하단으로 배수한다. 증류탑의 상단과 하단은 각각 35~65 ℃와 1bar, 105 ℃와 1bar에서 작동한다. 탑 상단의 일부 기체는 응축기에서 냉각되고, 탑 하단의 일부 액체는 재보일러에서 가열된 후 다시 탑으로 이동한다.According to the reference literature, direct hydrogenation of CO 2 takes place in the temperature and pressure range of 250-350 °C and 35-55 bar, respectively, so compressors and heaters are included in the reaction section to modify the physical properties of CO 2 and H 2 do. It should be noted that the temperature controller included in the reaction section can be used as a heater or cooler depending on operating conditions. The reactor outlet stream, in which reaction products (methanol, water, CO) and unreacted CO 2 and H 2 are mixed, is supplied to the flash tank of the G/L separation section and separated into gas and liquid streams. Since the flash tank operates at 30-95 °C and 25-55 bar, coolers and heaters are used to cool the product or to heat and recirculate the separation gas. For the smooth operation of this process, some gases are separated from the process and discharged, and the emission fraction determines the amount of gas emitted from the process. The gas upstream (ie, CO 2 , H 2 , CO) is recycled back to the reactor, while the liquid overhead (ie, a mixture of methanol and H 2 O) is fed to the L/L separation section to yield high-purity methanol. In this section, impurities are removed from the top of the distillation tower, and H 2 O is drained to the bottom. The top and bottom of the distillation column operate at 35-65 °C and 1 bar, 105 °C and 1 bar, respectively. Some of the gas at the top of the tower is cooled in the condenser, and some of the liquid at the bottom of the tower is heated in the reboiler and goes back to the tower.

2. 지식 기반 모델링 (Knowledge-based modeling)2. Knowledge-based modeling

촉매 개발과 관련된 본 발명에서는 작동 온도와 압력을 기준으로 촉매 변환 및 선택도를 조사한다. 본 발명의 목적상, 화학적 공정 및 촉매 성능과 관련된 변수 6개(즉, 공급량, 촉매의 변환 및 선택성, 반응의 온도 및 압력, 배출 분율)를 조작 변수로 선택했다. CO2 변환 및 메탄올 선택성은 수학식 4~5와 같이 정의되며, 배출 분율은 총 유입에 대한 폐기물 흐름의 비율을 나타낸다.In the present invention related to catalyst development, catalyst conversion and selectivity are investigated based on operating temperature and pressure. For the purposes of the present invention, six variables related to the chemical process and catalyst performance (i.e., feed rate, conversion and selectivity of the catalyst, temperature and pressure of the reaction, and emission fraction) were selected as operating variables. CO 2 conversion and methanol selectivity are defined as in Equations 4-5, and the emission fraction represents the ratio of waste stream to total inflow.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112020108502417-pat00004
Figure 112020108502417-pat00004

[수학식 5][Equation 5]

Figure 112020108502417-pat00005
Figure 112020108502417-pat00005

상기와 같은 방정식을 사용하여 메탄올 생산 공정을 간략하게 나타내기 위해 몇 가지 가정을 수립한다.Several assumptions are made to simplify the methanol production process using the above equation.

1) 촉매 정보를 이용하여 반응을 정량적으로 분석하고, 반응 화학양론, 변환, 선택도에 근거하여 결과물 또는 반응물의 양을 계산할 수 있는 화학양론형 반응기가 사용되며,1) A stoichiometric reactor is used that can quantitatively analyze the reaction using catalyst information and calculate the amount of product or reactant based on the reaction stoichiometry, conversion, and selectivity,

2) G/L 분리구간의 플래시 탱크와 L/L 분리구간의 증류탑은 각각 30 ℃와 50 bar, 35 ℃와 1 bar로 운전되는 것으로 가정한다.2) It is assumed that the flash tank in the G/L separation section and the distillation column in the L/L separation section are operated at 30 °C and 50 bar, and 35 °C and 1 bar, respectively.

3) 얻어진 결과물 스트림은 플래시 탱크에서 기체와 액체 분율로 분리되며, 양쪽 스트림의 각 화합물은 99% 초과의 회수율을 가진다.3) The resulting product stream is separated into gas and liquid fractions in a flash tank, and each compound in both streams has a recovery greater than 99%.

4) 메탄올의 수율은 (H2-CO2)/(CO+CO2)로 정의되는 R 값에 의해 영향을 받는다. 범위 2-2.1의 R 값은 메탄올 수율을 최대화하는 데 가장 유리하므로 R 값 2를 만족하면서 수소가 반응기에 공급되는 것으로 가정한다.4) The yield of methanol is influenced by the R value defined as (H 2 -CO 2 )/(CO+CO 2 ). Since an R value in the range 2-2.1 is most favorable for maximizing methanol yield, it is assumed that hydrogen is supplied to the reactor while satisfying an R value of 2.

5) 증류탑에서는 메탄올과 H2O가 분리되어 있으며, 메탄올의 회수율과 순도가 모두 99% 초과이다.5) In the distillation column, methanol and H 2 O are separated, and the recovery rate and purity of methanol are both over 99%.

6) 장비로부터의 손실이나 누수는 무시할 수 있는 것으로 가정한다.6) It is assumed that losses or leaks from the equipment are negligible.

2.1 물질 수지 (Mass balance)2.1 Mass balance

첫 번째 혼합기로 들어가는 총 CO2 및 H2 피드는 혼합기를 나가는 몰 흐름과 동일하다(수학식 6). 흡입구와 배출구 스트림 사이의 질량 흐름의 변화가 거의 없는 압축기와 히터에 유입되는 스트림은 수학식 7과 같이 일정하다고 가정한다.The total CO 2 and H 2 feed into the first mixer is equal to the molar flow out of the mixer (Equation 6). It is assumed that the stream entering the compressor and heater with little change in mass flow between the inlet and outlet streams is constant as shown in Equation 7.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112020108502417-pat00006
Figure 112020108502417-pat00006

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112020108502417-pat00007
Figure 112020108502417-pat00007

여기서, Ii는 CO2와 H2의 초기 공급이며, Fin ij와 Fout ij는 각각 장비 j로 들어가거나 나가는 화합물의 몰 흐름이다. 반응 조건에 최적화된 흐름은 두 번째 혼합기의 재순환 흐름과 병합되어 반응기에 공급된다. 이는 다음과 같이 표현된다. where I i is the initial supply of CO 2 and H 2 , and F in ij and F out ij are the molar flows of compounds into and out of equipment j, respectively. The stream optimized for the reaction conditions is merged with the recycle stream from the second mixer and fed to the reactor. This is expressed as:

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112020108502417-pat00008
Figure 112020108502417-pat00008

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112020108502417-pat00009
Figure 112020108502417-pat00009

반응기에서 남아 있는 CO2와 생산된 메탄올의 양은 변환과 선택도를 사용하여 다음과 같이 표현된다.The amount of CO 2 remaining in the reactor and the amount of methanol produced are expressed using conversion and selectivity as:

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112020108502417-pat00010
Figure 112020108502417-pat00010

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112020108502417-pat00011
Figure 112020108502417-pat00011

여기서, Θ는 CO2의 변환이며 , Φ은 메탄올 선택성이다. 메탄올 합성은 발열 반응(수학식 1~3 참조)이기 때문에 반응기에서 나오는 출구 스트림의 온도는 반응기에 추가 에너지가 공급되지 않는 한 증가할 것으로 예상된다. 따라서 배출구 온도는 다음과 같이 변환, 엔탈피 및 열 용량을 이용하여 계산할 수 있다.where Θ is the conversion of CO 2 and Φ is the methanol selectivity. Since methanol synthesis is an exothermic reaction (see Equations 1-3), the temperature of the exit stream from the reactor is expected to increase unless additional energy is supplied to the reactor. Therefore, the outlet temperature can be calculated using conversion, enthalpy and heat capacity as:

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112020108502417-pat00012
Figure 112020108502417-pat00012

여기서, Tin j 와 Tout j는 장비에 출입하는 흐름의 온도이고, Hrxn 는 반응 엔탈피, μi는 화합물 i의 열 용량 및

Figure 112020108502417-pat00013
는 몰비이다. where T in j and T out j are the temperatures of the flow entering and exiting the equipment, H rxn is the reaction enthalpy, μ i is the heat capacity of compound i and
Figure 112020108502417-pat00013
is the mole ratio.

한편 반응기를 나가는 흐름은 냉각기로 이동하여 제품을 30 ℃에서 냉각시키며 냉각기의 흡입 및 출구 흐름 사이의 물질 흐름도 일정하다(수학식 13). 플래시 탱크로 유입되는 흐름은 두 흐름으로 나뉘는데, 여기서 한 흐름은 분리기로 들어가고 다른 흐름은 증류탑으로 이동한다. 이를 나타내는 것은 다음과 같다.On the other hand, the flow exiting the reactor moves to the cooler to cool the product at 30 ° C, and the material flow between the inlet and outlet streams of the cooler is also constant (Equation 13). The stream entering the flash tank is split into two streams, where one stream enters the separator and the other stream goes to the distillation column. This is indicated by:

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112020108502417-pat00014
Figure 112020108502417-pat00014

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112020108502417-pat00015
Figure 112020108502417-pat00015

분리기에서 나오는 두 개의 흐름으로 볼 때 하나는 반응기로 재순환되고 다른 하나는 폐기된다(수학식 15~17). 재순환 흐름은 조작 온도에 도달하기 위해 히터에서 가열되며 물질 수지는 수학식 18에 표시된다.Looking at the two streams coming out of the separator, one is recycled to the reactor and the other is discarded (Equations 15-17). The recycle stream is heated in a heater to reach operating temperature and the mass balance is shown in Equation 18.

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112020108502417-pat00016
Figure 112020108502417-pat00016

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112020108502417-pat00017
Figure 112020108502417-pat00017

[수학식 17][Equation 17]

Figure 112020108502417-pat00018
Figure 112020108502417-pat00018

[수학식 18][Equation 18]

Figure 112020108502417-pat00019
Figure 112020108502417-pat00019

여기서, Fre ij 와 Fvo ij 는 분리기(splitter) j=Sp 에서 반응기로 재순환하는 화합물의 몰 흐름과 분리기(splitter) j=Sp 에서 폐기된 몰 흐름이며, Ψ는 배기가스 분율이며, 이는 조작된 변수 중 하나이다. where F re ij and F vo ij are the molar flow of compound recycled to the reactor in the splitter j=Sp and the molar flow wasted in the splitter j=Sp, and Ψ is the exhaust gas fraction, which is one of the variables.

증류탑을 빠져나가는 흐름은 불순물 가스, H2O, 메탄올(MeOH) 등 세 가지 요소로 구성된다. 이를 나타내는 것은 다음과 같다.The stream exiting the distillation column consists of three components: impurity gas, H 2 O and methanol (MeOH). This is indicated by:

[수학식 19][Equation 19]

Figure 112020108502417-pat00020
Figure 112020108502417-pat00020

여기서, Fim i는 불순물의 몰 흐름이며, FH2O 은 폐기물 H2O의 몰 흐름이며, FMeOH 은 생산된 메탄올의 몰 흐름이다.where F im i is the molar flow of impurities, F H2O is the molar flow of waste H 2 O, and F MeOH is the molar flow of methanol produced.

2.2 에너지 소비 (Energy consumption)2.2 Energy consumption

스팀, 전기, 냉각수와 같은 유틸리티는 압축기, 히터/냉각기 및 증류탑에서 소비되어 화합물의 물리적 특성을 변경하거나 혼합물을 기체와 액체 흐름으로 분리한다. 상술한 바와 같이 반응기에 추가 에너지가 공급되지 않는다고 가정했기 때문에 운전 중에는 반응기가 유틸리티를 소비하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 이 프로세스에 사용되는 유틸리티의 양을 계산하기 위해, 다음 방정식과 Aspen Plus에서 얻은 관련 데이터를 사용한다. 특히 등방성 압축기를 채용하여 전기의 형태로 사용되는 에너지를 다음과 같이 계산한다.Utilities such as steam, electricity and cooling water are consumed in compressors, heaters/coolers and distillation columns to change the physical properties of a compound or to separate a mixture into gas and liquid streams. It should be noted that the reactor consumes no utility during operation as it is assumed that no additional energy is supplied to the reactor as discussed above. To calculate the amount of utility used in this process, use the following equation and related data obtained from Aspen Plus. In particular, by employing an isotropic compressor, the energy used in the form of electricity is calculated as follows.

[수학식 20][Equation 20]

Figure 112020108502417-pat00021
Figure 112020108502417-pat00021

여기서, Ejk 는 장비 j에서 소비되는 유틸리티 k의 양이고, R은 기체 상수이며, Pin j 와 Pout j 은 각각 장비 j를 출입하는 흐름의 압력이며, γ는 1.4로 가정되는 비열(specific heat)의 비율이다. 등방성 압축은 다음과 같이 정의된 온도 변화를 포함한다.where Ejk is the amount of utility k consumed by equipment j, R is the gas constant, P in j and P out j are the pressures of the flow entering and exiting equipment j, respectively, and γ is the specific heat assumed to be 1.4. heat) is the ratio of Isotropic compression involves a temperature change defined as:

[수학식 21][Equation 21]

Figure 112020108502417-pat00022
Figure 112020108502417-pat00022

여기에서 절대 온도를 사용하여 컴프레서의 온도 변화를 계산해야 한다. 또한, 히터에서 소비되는 증기의 양은 수학식 22를 사용하여 계산한다. 증기에는 저압(LP), 중압(MP), 고압(HP) 증기 등 3가지 유형이 존재하며, 기기의 작동 압력에 따라 선택된다. 특히 고압(50bar)에서 작동하는 히터는 HP 증기를 사용하는 반면, 정상 압력(1bar)에서 작동하는 증류탑은 LP 증기를 사용하는 것으로 가정한다.Here, absolute temperature must be used to calculate the temperature change in the compressor. Also, the amount of steam consumed by the heater is calculated using Equation 22. There are three types of steam: low pressure (LP), medium pressure (MP) and high pressure (HP) steam, which is selected according to the operating pressure of the appliance. In particular, it is assumed that the heater operating at high pressure (50 bar) uses HP steam, while the distillation column operating at normal pressure (1 bar) uses LP steam.

[수학식 22][Equation 22]

Figure 112020108502417-pat00023
Figure 112020108502417-pat00023

냉각기에 사용되는 냉각수의 양은 다음과 같이 계산된다.The amount of cooling water used in the chiller is calculated as:

[수학식 23][Equation 23]

Figure 112020108502417-pat00024
Figure 112020108502417-pat00024

여기서, μk 는 냉각수의 열 용량이고, Uk 는 사용되는 냉각수의 양이며, Tnor 는 정상 온도이다. 열 용량은 다음과 같이 쇼마이트(Shomate) 방정식을 사용하여 계산한다.where μ k is the heat capacity of the cooling water, U k is the amount of cooling water used, and T nor is the normal temperature. The heat capacity is calculated using the Shomate equation as follows:

[수학식 24][Equation 24]

Figure 112020108502417-pat00025
Figure 112020108502417-pat00025

여기서 A, B, C, D 및 E는 열 용량을 계산하는 데 사용되는 계수다. where A, B, C, D and E are the coefficients used to calculate the heat capacity.

메탄올의 열 용량은 수학식 25을 사용하여 계산한다.The heat capacity of methanol is calculated using Equation 25.

[수학식 25][Equation 25]

Figure 112020108502417-pat00026
Figure 112020108502417-pat00026

나아가 증류탑에서 소비되는 에너지는 작동 온도와 압력, 유량, 피드 조성, 및 목표 순도 등 다양한 기술적 요인에 의해 영향을 받는다. 응축기와 리보일러에 사용되는 에너지를 계산하기 위해 Aspen Plus와 다른 조건 및 다양한 피드 조성(즉, H2O와 MeOH의 비율)을 사용하여 유도된 공식에서 광범위한 데이터 세트를 수집했다. 이미 참조에서 값을 가정하고 채택했기 때문에 운용 조건이나 목표 순도 등 다른 요인의 영향은 배제한다. 따라서 증류탑의 에너지 소비 방정식은 다음과 같다.Furthermore, the energy consumed in the distillation column is affected by various technical factors such as operating temperature and pressure, flow rate, feed composition, and target purity. To calculate the energy used in the condenser and reboiler, extensive data sets were collected from Aspen Plus and formulas derived using different conditions and different feed compositions (i.e., the ratio of H 2 O to MeOH). Since the values have already been assumed and adopted in the reference, the influence of other factors such as operating conditions or target purity is excluded. Therefore, the energy consumption equation of the distillation column is:

[수학식 26][Equation 26]

Figure 112020108502417-pat00027
Figure 112020108502417-pat00027

[수학식 27][Equation 27]

Figure 112020108502417-pat00028
Figure 112020108502417-pat00028

여기서, ψ는 증류탑으로 들어가는 총 흐름 대비 메탄올의 비율이다.where ψ is the ratio of methanol to the total flow to the distillation column.

2.3 원가 계산 (Cost calculation)2.3 Cost calculation

메탄올에 대한 CO2 직접 수소화의 총생산원가(TPC)는 자본 원가(CC), 운영 원가(OC), 재료 원가(MC) 등 3개 원가항목으로 구성된다.The total production cost (TPC) of CO2 direct hydrogenation to methanol consists of three cost items: capital cost (CC), operating cost (OC), and material cost (MC).

[수학식 28][Equation 28]

Figure 112020108502417-pat00029
Figure 112020108502417-pat00029

[수학식 29][Equation 29]

Figure 112020108502417-pat00030
Figure 112020108502417-pat00030

여기서, α는 자본비용을 연간 자본원가로 상각하는 데 사용되는 자본충전요인을 말하며, 수학식 (29)과 같이 장비의 수명(n)과 이자율(s)을 사용하여 계산한다. 여기서 수명과 금리는 각각 20년과 10%로 가정한다. 자본 원가(CC)는 직접원가(DC)와 간접원가(IC)로 구성된다(수학식 30).Here, α refers to the capital charge factor used to amortize the capital cost to the annual capital cost, and is calculated using the life (n) and interest rate (s) of the equipment as shown in Equation (29). Here, life and interest rates are assumed to be 20 years and 10%, respectively. Capital cost (CC) is composed of direct cost (DC) and indirect cost (IC) (Equation 30).

구체적으로, DC는 구매한 장비, 장비 설치, 계측 및 제어, 배관과 관련된 비용을 포함하며, IC는 공사비 및 우발 상황과 관련된 비용을 포함한다. DC와 IC는 구매한 장비 비용(PEj)과 자본 투자 요인(β)으로 추정한다(수학식 31-32). 구매한 장비 비용 데이터는 Aspen Process Economic Analyzer로부터 채택되며, 6/10 인자 규칙(수학식 33)을 적용하여 유속이 변화함에 따라 조정된다.Specifically, DC includes costs related to purchased equipment, equipment installation, instrumentation and control, and piping, and IC includes costs related to construction and contingencies. DC and IC are estimated by the purchased equipment cost (PE j ) and the capital investment factor (β) (Equations 31-32). Purchased equipment cost data is taken from Aspen Process Economic Analyzer and adjusted as flow rate changes by applying the 6/10 factor rule (Equation 33).

[수학식 30][Equation 30]

Figure 112020108502417-pat00031
Figure 112020108502417-pat00031

[수학식 31][Equation 31]

Figure 112020108502417-pat00032
Figure 112020108502417-pat00032

[수학식 32][Equation 32]

Figure 112020108502417-pat00033
Figure 112020108502417-pat00033

[수학식 33][Equation 33]

Figure 112020108502417-pat00034
Figure 112020108502417-pat00034

여기서, βD 와 βI는 직접/간접 비용에 대한 자본 투자 요인이고, PE0와 f0은 경제 데이터가 이미 알려진 기준 사례에서 각각 구매한 장비 비용과 흐름이다. 운영 원가(OC)는 고정 운영비(FC)와 가변 운영비(VC)로 구성되며, 고정 운영비(FC)는 장비가 가동 중일 때와 관련되며, 가변 운영비(VC)는 유틸리티 비용을 가리킨다. Here, β D and β I are capital investment factors for direct and indirect costs, and PE 0 and f 0 are the equipment cost and flow, respectively, purchased in the reference case for which economic data are already known. Operating costs (OC) consist of fixed operating costs (FC) and variable operating costs (VC), where fixed operating costs (FC) relate to when the equipment is in operation, and variable operating costs (VC) refer to utility costs.

[수학식 34][Equation 34]

Figure 112020108502417-pat00035
Figure 112020108502417-pat00035

[수학식 35][Equation 35]

Figure 112020108502417-pat00036
Figure 112020108502417-pat00036

[수학식 36][Equation 36]

Figure 112020108502417-pat00037
Figure 112020108502417-pat00037

여기서, βF 는 고정 운영비에 대한 자본투자요인이고, εk 는 유틸리티의 단가, εCw 는 냉각수의 단가이다. Here, β F is the capital investment factor for fixed operating costs, ε k is the unit price of utilities, and ε Cw is the unit price of cooling water.

재료 원가(MC)는 원자재 구입비이다.Material cost (MC) is the cost of purchasing raw materials.

[수학식 37][Equation 37]

Figure 112020108502417-pat00038
Figure 112020108502417-pat00038

여기서, φi는 화합물 i∈IF 의 단위 구매 비용이다.Here, φi is the unit purchase cost of compound i∈I F.

2.4. 평가 기준 (Evaluation criteria)2.4. Evaluation criteria

본 발명은 물질 및 에너지 정보 뿐만 아니라 관련 단위의 사이징 및 비용 데이터를 사용하여 계산되는 네 가지 평가 기준(단위 생산비, 탄소 효율성, 에너지 효율성, CO2 감소)을 사용한다. 메탄올의 단위생산비(UPC)는 TPC에 의해 표현되며, 생산되는 메탄올의 양은 다음과 같다.The present invention uses four evaluation criteria (unit production cost, carbon efficiency, energy efficiency, CO 2 reduction) that are calculated using material and energy information as well as sizing and cost data of relevant units. The unit production cost (UPC) of methanol is expressed by TPC, and the amount of methanol produced is as follows.

[수학식 38][Equation 38]

Figure 112020108502417-pat00039
Figure 112020108502417-pat00039

여기서, ωMeOH 은 메탄올의 분자량이다.where ω MeOH is the molecular weight of methanol.

탄소효율(CE)은 반응물질 내 탄소에 대한 결과물 내 탄소의 비율이며, 최종 제품으로 환산한 탄소의 양을 평가한다.Carbon Efficiency (CE) is the ratio of carbon in the output to carbon in the reactants and evaluates the amount of carbon converted into the final product.

[수학식 39][Equation 39]

Figure 112020108502417-pat00040
Figure 112020108502417-pat00040

여기서, τMeOH와 τCO2 는 각각 메탄올과 CO2의 탄소수이다.Here, τ MeOH and τ CO2 are the number of carbon atoms in methanol and CO 2 , respectively.

에너지 효율(EE)은 유틸리티 소비량 외에 공급(CO2, H2)과 제품(메탄올)의 화학 에너지를 사용하여 계산한다. 이 값은 이산화탄소로부터 메탄올을 생산하는데 에너지가 얼마나 효율적으로 사용되는지를 나타낸다.Energy efficiency (EE) is calculated using the chemical energy of the supply (CO 2 , H 2 ) and product (methanol) in addition to utility consumption. This value indicates how efficiently energy is used to produce methanol from carbon dioxide.

[수학식 40][Equation 40]

Figure 112020108502417-pat00041
Figure 112020108502417-pat00041

여기서, κi는 화합물 i의 발열량이며, 특히 κMeOH는 메탄올의 발열량이다. 이 과정에서 CO2가 반응물로 사용돼 감소가 예상된다. 그러나 CO2는 운전 중 직접 배출과 간접 배출이라는 두 가지 방법으로 배출될 수 있다. 직접배출은 배출가스의 한 형태로 배출되는 CO2를 말하며, 간접배출은 유틸리티 소비에 의한 CO2배출을 말한다. CO2 감소량(CR) 값은 공정 중 생산 및 소비된 CO2의 양에서 계산된 CO2의 순량을 나타내며 다음과 같다.Here, κ i is the calorific value of compound i, and in particular, κ MeOH is the calorific value of methanol. In this process, CO 2 is used as a reactant, and reduction is expected. However, CO 2 can be emitted in two ways: direct emissions and indirect emissions during operation. Direct emissions refer to CO 2 emitted as a form of exhaust gas, while indirect emissions refer to CO 2 emissions from utility consumption. The CO 2 reduction (CR) value represents the net amount of CO 2 calculated from the amount of CO 2 produced and consumed during the process and is as follows.

[수학식 41][Equation 41]

Figure 112020108502417-pat00042
Figure 112020108502417-pat00042

여기서, υk는 유틸리티 k에 의한 CO2 배출 계수이며, Fvo CO2 는 분리기 j=Sp로부터의 배출 CO2의 몰 유량이다.where υk is the CO 2 emission factor by utility k, and F vo CO2 is the molar flow of CO 2 exiting from the separator j=Sp.

3. 플랫폼 개발 (Platform development)3. Platform development

3.1. 플랫폼 구조 (Platform architecture)3.1. Platform architecture

METAL (Methanol process: Techno-economic Analysis Laboratory) 플랫폼은 상술한 일련의 대리 모형을 사용하여 개발되었다. 이 플랫폼은 6가지 변수(즉, CO2 공급량, 촉매 변환 및 선택성, 반응온도와 압력, 배출 분율)를 조작하여 CO2 직접 수소화를 통한 메탄올 생산 공정의 기술적-경제적, 환경적 영향을 분석할 수 있다.The METAL (Methanol process: Techno-economic Analysis Laboratory) platform was developed using a series of surrogate models described above. This platform can analyze the technological-economic and environmental impact of the methanol production process through CO 2 direct hydrogenation by manipulating six variables (i.e., CO 2 supply, catalytic conversion and selectivity, reaction temperature and pressure, and emission fraction). there is.

도 4에서 설명한 바와 같이, METAL 플랫폼은 세 가지 설계 단계, 즉 프로세스 체계 설계, 백본 모델링 및 프런트 엔드 인터페이스로 구성된다. 컴퓨터 지원 플랫폼을 개발하기 위해 C# 프로그래밍 언어가 윈도우 형태 애플리케이션 환경에서 구현되었다.As described in Figure 4, the METAL platform consists of three design steps: process architecture design, backbone modeling, and front-end interface. To develop a computer-aided platform, the C# programming language was implemented in a windowed application environment.

METAL 플랫폼은 주로 입력 및 출력 모듈로 구성된다. 입력 모듈의 I/O 세부(Details) 탭에서 사용자는 CO2 공급량, 촉매 성능, 작동 조건 등 6개의 조작 변수를 지정한다. The METAL platform mainly consists of input and output modules. On the I/O Details tab of the input module, the user specifies six operating parameters, including CO 2 supply, catalyst performance, and operating conditions.

이코노미 탭을 사용하여 사용자는 CO2와 H2의 가격과 같은 경제 매개변수에 대한 광범위한 값을 지정할 수 있다. 이 입력 모듈에서는 문헌에서 채택한 기본값을 제시하여 사용자를 돕는다. The Economy tab allows users to specify a wide range of values for economic parameters such as the price of CO 2 and H 2 . This input module assists the user by presenting default values adopted from the literature.

사용자가 I/O 세부(Details) 탭의 중간에 있는 Start 버튼을 클릭하면 METAL은 질량과 에너지 흐름뿐만 아니라 경제적, 기술적, 환경적 지수를 산출하기 위해 연산 엔진을 실행한다. When the user clicks the Start button in the middle of the I/O Details tab, METAL launches a computational engine to calculate mass and energy flows as well as economic, technological and environmental parameters.

그 결과 시뮬레이션 결과(예: 몰 흐름, 에너지 소비량, CO2 배출량, 비용)는 I/O Details 탭 하단에 섹션별 및 스트림별로 표시된다. As a result, simulation results (eg molar flow, energy consumption, CO 2 emissions, cost) are displayed section by section and stream by stream under the I/O Details tab.

TPC, UPC 및 주요 비용 동인의 비용 기여도를 포함한 전반적인 경제 산출물은 기술 결과(즉, 에너지 효율 및 CO2 감소)와 함께 프로세스 결과 탭에 그래픽으로 표시된다. 민감도 분석 탭은 주요 경제, 기술 및 환경 지수의 변화를 매개변수(또는 동시에 복수의 매개변수)의 변동으로 제시한다. 조정 가능한 주요 매개변수에는 CO2 변환, 배출 분율, 메탄올 수율 및 원료 비용이 포함된다. Overall economic outputs, including TPC, UPC and cost contributions of key cost drivers are presented graphically in the Process Results tab along with technical results (ie energy efficiency and CO2 reduction). The Sensitivity Analysis tab presents changes in key economic, technological and environmental indices as changes in a parameter (or multiple parameters simultaneously). Key parameters that can be adjusted include CO2 conversion , emission fraction, methanol yield and raw material cost.

개발된 METAL 소프트웨어는 사용자에게 관심의 촉매를 평가하고 연구개발 전략을 수립할 수 있는 유연성을 제공하기 위해 대중이 접근할 수 있다. The developed METAL software is publicly accessible to give users the flexibility to evaluate catalysts of interest and formulate research and development strategies.

3.2. 파라미터 수집 (Parameter collection)3.2. Parameter collection

분자량, 발열량 및 열 용량 계수와 같은 공정 화학적 매개변수는 하기 표 S1-S3에서 확인할 수 있다. Aspen Process Economic Analyzer에서 채택한 유틸리티(전기, 증기 및 냉각수)의 단가와 그 CO2 배출 계수는 하기의 표 S4에 요약되어 있다. 전기의 CO2 배출 계수는 천연가스(38%), 석탄(23%), 원자력(20%), 재생가능(17%), 석유(1%)로 구성된 2019년 미국 전기발전의 에너지 믹스를 바탕으로 산출한 것이다. 공정열(예: 고압 및 저압 흐름)은 천연가스에서 생성되는 것으로 가정되었다. 하기의 표 S5와 S6는 기준 사례(370kmol/h의 CO2 공급)를 시뮬레이션하여 얻은 기본 구매 장비 비용과 용량 확장에 대한 자본 투자 요인을 나타낸다.Process chemical parameters such as molecular weight, calorific value and heat capacity coefficient can be found in Tables S1-S3 below. The unit costs of utilities (electricity, steam and chilled water) and their CO 2 emission factors adopted by Aspen Process Economic Analyzer are summarized in Table S4 below. The CO2 emission factor for electricity is based on the energy mix of 2019 US electricity generation consisting of natural gas (38%), coal (23%), nuclear (20%), renewables (17%), and oil (1%). is calculated with Process heat (eg high and low pressure streams) is assumed to be generated from natural gas. Tables S5 and S6 below show the basic purchased equipment costs obtained by simulating the base case (370 kmol/h of CO 2 supply) and the capital investment factors for capacity expansion.

[표 S1][Table S1]

Figure 112020108502417-pat00043
Figure 112020108502417-pat00043

[표 S2][Table S2]

Figure 112020108502417-pat00044
Figure 112020108502417-pat00044

[표 S3][Table S3]

Figure 112020108502417-pat00045
Figure 112020108502417-pat00045

[표 S4][Table S4]

Figure 112020108502417-pat00046
Figure 112020108502417-pat00046

[표 S5][Table S5]

Figure 112020108502417-pat00047
Figure 112020108502417-pat00047

[표 S6][Table S6]

Figure 112020108502417-pat00048
Figure 112020108502417-pat00048

4. Cu/Zn/Al/Zr 촉매에의 적용 (Application to Cu/Zn/Al/Zr catalysts)4. Application to Cu/Zn/Al/Zr catalysts

위에서 논의한 바와 같이, METAL 플랫폼은 연구자들이 새로운 촉매의 기술적, 경제적, 환경적 타당성을 사전 분석함으로써 촉매 발견의 매우 초기 연구개발 단계에서 연구개발 목표와 방향을 수립할 수 있도록 한다. 본 발명의 METAL 플랫폼의 기능을 설명하기 위해 CO2 수소화 반응의 유망 촉매인 Cu/Zn/Al/Zr 촉매가 대상 촉매로 선택되었다. CO2 공급량 = 370kmol/h, CO2 변환 = 25.7%, MeOH 선택도 = 61.3%, 작동온도 = 250°C, 작동압력 = 50bar 등의 매개변수를 기준조건으로 가정했다. 또한, 재순환을 위한 배출 분율은 3%로 가정되었다.As discussed above, the METAL platform enables researchers to establish R&D goals and directions at the very early R&D stage of catalyst discovery by pre-analyzing the technical, economic, and environmental feasibility of new catalysts. To demonstrate the function of the METAL platform of the present invention, Cu/Zn/Al/Zr catalysts, which are promising catalysts for CO 2 hydrogenation, were selected as target catalysts. Parameters such as CO 2 supply = 370 kmol/h, CO 2 conversion = 25.7%, MeOH selectivity = 61.3%, operating temperature = 250 °C, and operating pressure = 50 bar were assumed as reference conditions. In addition, the emission fraction for recycling was assumed to be 3%.

4.1. 시뮬레이션 결과 (Simulation results)4.1. Simulation results

도 5는 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 사용하는 메탄올 생산 공정의 물질 흐름 정보를 보여준다. 3개 섹션(즉, 반응, G/L 분리 및 재순환, L/L 분리 섹션)의 물질 흐름, 에너지 소비, 소요 비용, CO2 배출 등 보다 상세한 정보는 도 11-13 에서 확인할 수 있다. 도 5와 같이, 370kmol/h의 CO2 흐름에서 322kmol/h의 메탄올 흐름을 생성하기 위해 1082kmol/h의 H2 흐름이 필요했다. 위에서 설명한 것처럼 온도가 25℃에서 199℃로 상승할 때 컴프레서(Cp)에서 압력이 10bar(스트림 #3)에서 50bar(스트림 #4)로 증가한다. CO2 수소화를 통한 메탄올 합성이 발열 반응이라는 사실 때문에 스트림 #6의 온도는 336 ℃로 상승한다. 또한 CO2 변환 및 배출 분율(3%)이 낮아 초기 이송량(스트림 #12)의 3배 가량이 반응기로 다시 재순환되었고, 이렇게 많은 양의 재순환으로 인해 CO2 배출량이 29kmol/h(스트림 #10)의 직접적인 원인이 된 것으로 확인되었다.Figure 5 shows the material flow information of the methanol production process using the Cu/Zn/Al/Zr catalyst. More detailed information such as material flow, energy consumption, cost of ownership, and CO 2 emissions for the three sections (ie, reaction, G/L separation and recycling, and L/L separation section) can be found in FIGS. 11-13. As shown in FIG. 5, a H 2 flow of 1082 kmol/h was required to produce a methanol flow of 322 kmol/h at a CO 2 flow of 370 kmol/h. As described above, when the temperature rises from 25 °C to 199 °C, the pressure in the compressor (Cp) increases from 10 bar (stream #3) to 50 bar (stream #4). Due to the fact that methanol synthesis via CO 2 hydrogenation is an exothermic reaction, the temperature of stream #6 rises to 336 °C. In addition, the CO 2 conversion and emission fraction (3%) was low, so about 3 times the initial transfer amount (stream #12) was recycled back to the reactor, and this high amount of recycling resulted in a CO 2 emission of 29 kmol/h (stream #10). was found to be the direct cause of

도 6 (a)부터는 반응기와 압축기의 높은 장비 비용(표 S5 참조)과 압축 동안의 높은 전기 소비량 때문에 반응 구간이 두 분리 구간에 비해 연간 최고의 자본과 운영비를 요구하였음을 알 수 있다. From Fig. 6(a), it can be seen that the reaction section required the highest annual capital and operating costs compared to the two separation sections due to the high equipment cost of the reactor and compressor (see Table S5) and the high electricity consumption during compression.

또한 도 6 (b)와 같이, 두 개의 분리 구간은 반응 구간에 비해 많은 양의 유틸리티를 소비한다. 특히 G/L 분리구간은 293 TJ/y HP 증기를 사용해 재순환 스트림(도 5의 #11)을 30~250℃로 가열하는 한편, 증류탑의 재보일러 부분은 증류 작업에 178 TJ/y LP 증기를 소비하여 다량의 고순도 메탄올을 얻는다. 또한 도 6(c)는 모든 구간의 직접 및 간접 CO2 배출량을 나타낸다. 구체적으로는 G/L 분리구간에서는 배출 분율이 낮고 재순환 정도가 높아 CO2가 직접 배출되며, 직접 CO2 배출이 전체 배출량의 35%를 차지한다. 3개 구간 중 G/L 분리구간 역시 간접 CO2 배출량이 가장 높은 구간으로 전체적으로는 유틸리티 소비가 높기 때문이다.Also, as shown in FIG. 6 (b), the two separation sections consume a large amount of utility compared to the reaction section. In particular, the G/L separation section uses 293 TJ/y HP steam to heat the recycle stream (#11 in FIG. 5) to 30-250 °C, while the reboiler section of the distillation column uses 178 TJ/y LP steam for distillation. It is consumed to obtain a large amount of high purity methanol. Also, FIG. 6(c) shows direct and indirect CO 2 emissions in all sections. Specifically, in the G/L separation section, CO 2 is directly emitted because the emission fraction is low and the degree of recirculation is high, and direct CO 2 emission accounts for 35% of the total emission. Among the three sections, the G/L separation section is also the section with the highest indirect CO2 emissions, as utility consumption is high overall.

4.2. 기술적-경제적 및 환경적 결과 (Techno-economic and environmental results)4.2. Techno-economic and environmental results

Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 사용한 메탄올 생산 공정의 기술, 경제, 환경 평가 결과는 표 1에 요약되어 있다. 자세한 내용은 도 14-16에서 확인할 수 있다. 주어진 조건(CO2 공급 = 370kmol/h, 50bar, 250℃, CO2 변환 = 25.7%, 메탄올 선택성 = 61.3%, 배출 분율 = 3%)에서 메탄올을 322kmol/h의 비율로 생산하는 공정의 탄소 효율은 87%로 추정되었다. 이러한 높은 탄소 효율은 CO2 직접 수소화 공정 계획의 단순성에서 비롯되었다. 또한 CO2 직접 수소화 공정의 단순성은 두 개의 반응 구간(CO2를 CO로 변환하기 위한 RWGS 반응, 합성 가스에서 MeOH를 생성하기 위한 메탄올 합성)을 제어하기 위해 다량의 에너지가 필요한 CAMERE 공정보다 운전에 필요한 유틸리티의 양이 적다. 그 결과 에너지 효율은 ~62%로 추정되어 CAMERE 공정에 비해 상대적으로 높은 수준이다 ( ~36%).The technical, economic and environmental evaluation results of the methanol production process using the Cu/Zn/Al/Zr catalyst are summarized in Table 1. Details can be found in FIGS. 14-16. Carbon efficiency of a process producing methanol at a rate of 322 kmol/h under given conditions (CO 2 feed = 370 kmol/h, 50 bar, 250 °C, CO 2 conversion = 25.7%, methanol selectivity = 61.3%, emission fraction = 3%) was estimated at 87%. This high carbon efficiency resulted from the simplicity of the CO 2 direct hydrogenation process scheme. In addition, the simplicity of the direct CO2 hydrogenation process is less energy-intensive to operate than the CAMERE process, which requires large amounts of energy to control two reaction zones: the RWGS reaction to convert CO2 to CO , and methanol synthesis to produce MeOH from syngas. The amount of utilities required is small. As a result, the energy efficiency is estimated at ~62%, which is relatively high compared to the CAMERE process (~36%).

[표 1][Table 1]

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또한 표 1은 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 사용하여 수행되는 메탄올 생산 공정의 CO2 감소율을 보여준다. CO2 감소량은 CO2 재고 자산에 따라 결정된 프로세스 물질 수지와 에너지 소비량에 기초하여 계산되었다. 양의 CO2 감소량(MeOH의 kg 당 CO2 0.946kg)은 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 사용하여 수행되는 CO2 직접 수소화 공정이 음의 CO2 감소 값(-2.475)을 갖는 CAMERE 공정에 비해 환경적 이점을 제공함을 의미한다. CAMERE 공정은 각각 많은 양의 재순환과 높은 에너지 소비로 인한 막대한 직접 및 간접 CO2 배출량을 보여준다.Table 1 also shows the CO 2 reduction rate of the methanol production process performed using the Cu/Zn/Al/Zr catalyst. CO2 reductions were calculated based on energy consumption and process mass balances determined according to the CO2 inventory. The positive CO 2 reduction (0.946 kg CO 2 per kg of MeOH) is comparable to the CAMERE process where the direct CO 2 hydrogenation process using the Cu/Zn/Al/Zr catalyst has a negative CO 2 reduction value (-2.475). This means that it offers an environmental advantage over The CAMERE process presents huge direct and indirect CO2 emissions due to large amounts of recycling and high energy consumption, respectively.

게다가 표 1은 경제 평가 결과를 보여주고 있는데, 여기서 단위 생산 비용(UPC)은 kg당 0.763달러로 계산되었다. UPC의 주요 기여자는 원재료비($ 57.6M/yr, TPC의 91%)이며, 변동 운영비($ 3.0M/y, 5%)와 연도별 자본비용($ 1. 4M/y 달러, 2%)이 그 뒤를 잇고 있다. 또한, H2 구매원가는 CO2 구매원가의 약 10배에 달해 고가의 H2를 매우 많이 소비하는 공정이기 때문에 CO2 구매원가의 약 10배에 달하는 원재료 원가를 지배하고 있다. 구체적으로는, H2의 1,056 kmol/h ($3/kg) 외에, CO2의 370 kmol/h ($0.04/kg)를 원료로 소비한다. 이 경우 채용된 수소는 재생 전력을 이용한 물 전기분해로 생산되기 때문에 기존 H2에 비해 구매 비용이 현저히 높다는 점에 유의해야 한다. 공과금 차이에 따라 증기가 6배 이상 필요한 경우(즉, 49만4966 GJ/y 증기, 6만9223 GJ/y 전기)에도 증기의 사용과 관련한 비용보다 전기 운전비가 약간 높다.In addition, Table 1 shows the economic evaluation results, where the unit production cost (UPC) was calculated as $0.763 per kg. The main contributors to UPC are raw material costs ($57.6M/yr, 91% of TPC), followed by variable operating costs ($3.0M/y, 5%) and annual capital costs ($1.4M/y dollars, 2%). it follows In addition, since the H 2 purchase cost reaches about 10 times the CO 2 purchase cost and it is a process that consumes a lot of expensive H 2 , it dominates the raw material cost, which is about 10 times the CO 2 purchase cost. Specifically, in addition to 1,056 kmol/h ($3/kg) of H 2 , 370 kmol/h ($0.04/kg) of CO 2 is consumed as a raw material. In this case, it should be noted that the purchase cost is significantly higher than that of conventional H 2 because the employed hydrogen is produced by water electrolysis using renewable power. Electricity operating costs are slightly higher than costs associated with the use of steam, even when steam is required more than six times as much as utility bill differentials (ie 494,966 GJ/y steam, 69,223 GJ/y electricity).

4.3. 민감도 분석 (Sensitivity analysis)4.3. Sensitivity analysis

본 발명의 일 실시형태에 따른 플랫폼인 METAL의 고유 기능 중 하나는 사용자가 광범위한 범위에서 다양한 파라미터(즉, 촉매 성능 또는 경제적 파라미터)를 변경하여 민감도 분석을 수행할 수 있다는 것이다. 예를 들어 사용자가 CO2 변환에 대한 최소값과 최대값이나 메탄올 수율을 삽입하면, 플랫폼은 탄소 효율, 에너지 효율, UPC의 변화를 자동으로 계산해 표시한다. 여기서는 주요 결과만 논의되지만, METAL 플랫폼의 "민감도 분석" 스크린샷은 보다 상세한 결과를 보여준다(도 17-21).One of the unique features of METAL, a platform according to an embodiment of the present invention, is that a user can perform sensitivity analysis by changing various parameters (ie, catalyst performance or economic parameters) in a wide range. For example, when the user inserts minimum and maximum values for CO2 conversion or methanol yield, the platform automatically calculates and displays the change in carbon efficiency, energy efficiency and UPC. Although only the main results are discussed here, the “Sensitivity Analysis” screenshots of the METAL platform show more detailed results (FIGS. 17-21).

따라서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매들이 서로 다른 온도와 압력에서 사용되는 7가지 다른 사례를 만들었다. 상기 사례들은 부분적으로 Cu:Zn:Al:Zr 원자비가 2:1:1.2:0.1인 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 합성하고 광범위한 작동 조건(즉, 443-583 K 및 1-9 MPa)에서 촉매 성능을 평가한 Gao 등의 작업을 기초로 하였다. 이 기준 사례 뿐만 아니라 7개의 대체 사례에 대한 실험 조건은 표 2에 요약되어 있다. 동일한 압력 조건에서 CO2 변환은 온도가 증가함에 따라 증가하는 반면 메탄올 선택성은 감소하였다. 이와는 대조적으로 CO2 변환과 메탄올 선택성은 고압 조건에서 모두 증가하였다.Thus, seven different cases were made in which Cu/Zn/Al/Zr catalysts were used at different temperatures and pressures. The examples above partially synthesize a Cu/Zn/Al/Zr catalyst with a Cu:Zn:Al:Zr atomic ratio of 2:1:1.2:0.1 and operate over a wide range of operating conditions (i.e., 443-583 K and 1-9 MPa). It is based on the work of Gao et al., who evaluated the catalyst performance. The experimental conditions for this reference case as well as the seven alternative cases are summarized in Table 2. Under the same pressure conditions, the CO 2 conversion increased with increasing temperature, while the methanol selectivity decreased. In contrast, CO 2 conversion and methanol selectivity both increased under high pressure conditions.

[표 2][Table 2]

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4.3.1. 다른 온도에서의 촉매 분석 (Analysis of the Cu/Zn/Al/Zr catalysts at different temperatures)4.3.1. Analysis of the Cu/Zn/Al/Zr catalysts at different temperatures

Cu/Zn/Al/Zr 촉매와 CO2 수소화 반응을 사용하여 수행된 메탄올 생산 공정이 다른 온도 범위에서 발생하는 것으로 확인되었다(표 2, 사례 1-4). 탄소 및 에너지 효율성, CO2 감소 및 UPC와 같은 이러한 사례에 대한 자세한 결과는 표 S7에서 확인할 수 있다. 표 S7에서 보여주는 것과 같이 사례 3에서는 가장 많은 양의 메탄올(즉, 324kmol/h, 탄소 효율성 = 88%)이 생산되었는데, CO2 변환 27.7%, 메탄올 선택성 56.2%를 달성하였다. 기준 사례에 사용된 촉매가 실험 단계에서 사례 3(15.6%)에 비해 약간 우월한 메탄올 수율(15.8%)을 보였지만, 기준 사례는 산업 환경에서 실제 화학공정이 수행되는 사례 3에 비해 메탄올(322kmol/h)을 적게 생산했다. 좋은 촉매 성능(예: 전환 또는 수율)이 항상 좋은 공정 능력(예: 생산률, 효율성 또는 경제성)으로 이어질 수 없으므로, 촉매를 비교하고 산업적 관점에서 선택해야 한다.The methanol production process carried out using the Cu/Zn/Al/Zr catalyst and CO 2 hydrogenation was found to occur at different temperature ranges (Table 2, Cases 1-4). Detailed results for these cases such as carbon and energy efficiency, CO2 reduction and UPC can be found in Table S7. As shown in Table S7, Case 3 produced the highest amount of methanol (ie, 324 kmol/h, carbon efficiency = 88%), achieving CO 2 conversion of 27.7% and methanol selectivity of 56.2%. Although the catalyst used in the reference case showed a slightly superior methanol yield (15.8%) compared to case 3 (15.6%) at the experimental stage, the reference case yielded slightly higher yields of methanol (322 kmol/h) compared to case 3 where the actual chemical process was performed in an industrial environment. ) produced less. Since good catalyst performance (eg conversion or yield) does not always lead to good process capability (eg production rate, efficiency or economy), catalysts must be compared and selected from an industrial point of view.

[표 S7][Table S7]

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도 7(a)는 5건의 시험 사례의 에너지 소비율과 에너지 효율을 비교한다. 구체적으로는 사례 1이 에너지 효율이 가장 낮은 결과(56%)를 보인 반면, 기준 사례는 5건 중 에너지 효율이 가장 높은 결과(62%)를 나타낸다. 전력 소비량은 사례 1로부터 기준 사례로 감소하지만, 기준 사례로부터 사례 4로 증가했다는 점이 특징이다. 이 결과는 도 5와 같이 히터 #2로 진입하는 스트림 #11을 나타내는 대상 온도와 재순환량(도 7 (a)의 노란색 막대)을 통해 설명될 수 있다. 1번 사례의 높은 재순환 유량으로 인해 히터 #2의 열 부하가 확대되어 스트림 온도가 30 ℃에서 목표 온도(즉, 반응기의 운전조건 210 ℃)로 상승하지만, 기준 사례의 경우 목표 온도가 더 높음에도 불구하고 1번 사례에 비해 낮은 재순환 유량으로 인한 전력 소비량이 적다. (250 ℃). 반응기의 운전온도가 각각 기준 사례 (즉, 270 ℃, 290 ℃)보다 높은 사례 3과 4는 낮은 재순환 유량에도 불구하고 더 많은 양의 가열 유틸리티를 소비한다. 특히 사례 4에서는 비교적 낮은 재순환 유량에도 불구하고 반응 온도가 가장 높아 유틸리티를 가장 많이 요구한다. 5건의 유틸리티 소비율은 간접 CO2 배출량에서도 비슷한 추세를 보여 히터 #2의 열 부하에 크게 의존하고 있다. 표 S7에 나타난 바와 같이, 5가지 경우에 대한 간접적인 CO2 배출은 볼록 형태를 보이며, 기준 사례에 의해 생산된 메탄올 kg 당 0.946kg CO2 의 CO2 감소 값이 가장 우수하였다.Figure 7 (a) compares the energy consumption rate and energy efficiency of five test cases. Specifically, Case 1 shows the lowest energy efficiency result (56%), while the reference case shows the highest energy efficiency result (62%) among the five cases. It is noteworthy that the power consumption decreased from case 1 to the reference case, but increased from the reference case to case 4. This result can be explained through the target temperature representing stream #11 entering heater #2 and the recirculation amount (yellow bar in FIG. 7 (a)) as shown in FIG. 5 . The high recycle flow rate in Case 1 magnifies the heat load on heater #2, raising the stream temperature from 30 °C to the target temperature (i.e., reactor operating conditions of 210 °C), although the target temperature is higher in the reference case. Despite this, the power consumption due to the low recirculation flow rate is less compared to case 1. (250 °C). Cases 3 and 4, where the operating temperatures of the reactors are higher than the reference cases (ie, 270 °C and 290 °C), respectively, consume a higher amount of heating utility despite lower recycle flow rates. Case 4, in particular, has the highest reaction temperature despite a relatively low recycle flow rate, making it the most demanding utility. The five utility consumption rates show a similar trend for indirect CO 2 emissions, which is highly dependent on the heat load of heater #2. As shown in Table S7, the indirect CO 2 emissions for the five cases showed a convex shape, and the CO 2 reduction value of 0.946 kg CO 2 per kg methanol produced by the reference case was the best.

도 7(b)는 5가지 사례 각각에 대한 메탄올 생산량, 총 생산비, UPC를 나타낸다. 표시된 바와 같이 총 생산비는 사례 1에서 사례 5까지 62.4-63.6 M$/y의 범위에서 꾸준히 증가한다. 장비의 크기에 따라 결정되는 자본 비용은 재순환 유량이 가장 낮기 때문에 사례 3의 경우 가장 낮은 반면, 주로 유틸리티 소비에 의해 결정되는 운영 비용은 기준 사례에서 가장 낮은 것이다. 또한 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 사용한 메탄올 생산 공정의 경제적, 환경적 역량은 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 사용한 적절한 운영 전략(예: 작동 조건 및 재순환 비율)과 촉매 성능(예: 변환 및 선택도)의 선택에 의해 결정된다는 것을 나타내는 사례 3의 UPC가 가장 낮았다.7(b) shows methanol production, total production cost, and UPC for each of the five cases. As indicated, total production costs increase steadily in the range of 62.4–63.6 M$/y from case 1 to case 5. The capital cost, which is determined by the size of the equipment, is the lowest for case 3 because the recirculation flow rate is lowest, while the operating cost, which is mainly determined by utility consumption, is the lowest in the reference case. In addition, the economic and environmental viability of methanol production processes using Cu/Zn/Al/Zr catalysts depends on the appropriate operating strategy (e.g. operating conditions and recycle ratio) and catalyst performance (e.g. conversion) using Cu/Zn/Al/Zr catalysts. and selectivity), case 3 had the lowest UPC.

4.3.2. 다른 압력에서의 촉매 분석 (Analysis of the Cu/Zn/Al/Zr catalysts at different pressures)4.3.2. Analysis of the Cu/Zn/Al/Zr catalysts at different pressures

도 8은 Cu/Zn/Al/Zr 촉매의 작동 압력 변화에 따라 얻은 결과를 요약한 것이다. 자세한 결과는 표 S8에서 확인할 수 있다. 사례 6 및 7과 같이 고압 조건에서 작동되는 경우에는 플래시 탱크의 작동 압력이 반응기 압력보다 낮기 때문에 재순환 스트림의 압력을 증가시키기 위해 압축기를 추가로 설치했다는 점에 유의해야 한다.Figure 8 summarizes the results obtained according to the operating pressure of the Cu/Zn/Al/Zr catalyst. Detailed results can be found in Table S8. It should be noted that in the case of operation under high pressure conditions as in Cases 6 and 7, an additional compressor was installed to increase the pressure of the recycle stream, since the operating pressure of the flash tank is lower than the reactor pressure.

[표 S8][Table S8]

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도 8(a)와 같이, 작동 압력이 높을수록 재순환 스트림의 유량이 감소하기 때문에, 작동 압력이 사례 5에서 사례 7까지 증가함에 따라 소비되는 유틸리티의 총량은 감소한다. 그러나 사용전력이 증가함에 따라 압축기의 압력이 증가하여 온도가 증가함에 따라 소비되는 스트림의 양은 감소한다. 총 유틸리티 소비량은 사례 5에서 사례 7로 감소하지만, 다른 난방원에 비해 단가가 높은 전기 비중이 확대돼 운영비가 증가한다. 전체적으로 도 8(b)와 같이, 메탄올의 최대 생산량(사례 7)은 이 경우에도 불구하고 가장 낮은 UPC(0.741달러/kg 메탄올)로 이어진다.As shown in FIG. 8(a), the total amount of utility consumed decreases as the operating pressure increases from Case 5 to Case 7 because the flow rate of the recycle stream decreases as the operating pressure increases. However, as power consumption increases, the pressure of the compressor increases and the amount of stream consumed decreases as the temperature increases. Total utility consumption decreases from Case 5 to Case 7, but the share of electricity, which has a higher unit cost than other heating sources, increases, increasing operating costs. Overall, as shown in Figure 8(b), the maximum production of methanol (case 7) leads to the lowest UPC ($0.741/kg methanol) despite this case.

5. 이산화탄소 수소화를 위한 촉매의 초기 단계 스크리닝 (Early-stage screening of catalysts for CO2 hydrogenation)5. Early-stage screening of catalysts for CO 2 hydrogenation

본 발명의 메탈 플랫폼은 초기 연구개발 단계에서 새로운 촉매의 기술적, 환경적, 경제적 능력에 대한 사전 분석이 가능하다. 이 플랫폼은 촉매 개발을 위한 연구개발 목표와 방향을 설정하는 데 유용하며, 산업적 관점에서 기술적·경제적 타당성을 평가하여 이미 발견된 촉매의 초기 단계 선별(예: 알려진 변환 및 선택성)의 도구로 사용할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 문헌에 보고된 다양한 CO2 수소화 촉매를 평가하기로 한다. 여러 문헌에서 금속 및 프로모터, 촉매 성능, 작동 조건 등이 다른 총 38개의 촉매를 선정했으며, 탄소 효율성, 에너지 효율성, CO2 감소 특성, UPC 등을 분석하였다.The metal platform of the present invention enables preliminary analysis of the technical, environmental, and economic capabilities of new catalysts in the initial R&D stage. This platform is useful for setting R&D goals and directions for catalyst development, and can be used as a tool for early-stage screening of already discovered catalysts (e.g. known conversion and selectivity) by evaluating their technical and economic feasibility from an industrial point of view. there is. Therefore, in the present invention, various CO 2 hydrogenation catalysts reported in the literature are evaluated. A total of 38 catalysts with different metals, promoters, catalytic performance, and operating conditions were selected from various literatures, and carbon efficiency, energy efficiency, CO 2 reduction characteristics, and UPC were analyzed.

도 9는 4개의 서로 다른 H2 공급 비용에서 CO2 변환 및 메탄올 선택성에 기초한 UPC의 분포를 보여준다. 각 도면의 뒷면에 있는 컬러 밴드는 UPC를 나타내며, H2 가격에 따라 0.1~1.2달러/kg의 넓은 범위를 갖는다. 도 9(a)~9(d)에 나타낸 색상 프로파일을 비교하여 CO2 변환과 메탄올 선택성이 향상됨에 따라 UPC가 감소하는 것을 확인했다. 엄선된 38개 촉매의 경우 8~100%에 이르는 다양한 메탄올 선택성을 보였지만 CO2 변환은 40%를 넘지 못했고, 메탄올 산출량이 10%를 넘는 것은 9개 촉매에 불과했다. 앞서 언급했듯이, H2 공급 비용은 CO2 수소화 공정의 경쟁력을 결정하는 데 중요하다. H2의 가격이 2~3달러/kg (도 9(a)와 (b)) 사이인 경우, 메탄올 수율이 30%인 가장 효율적인 촉매(#5)를 사용해 얻은 UPC는 시장가격(0.26-0.3달러/kg)보다 현저히 높았다.9 shows the distribution of UPC based on CO 2 conversion and methanol selectivity at four different H 2 feed costs. The color bands on the back of each figure represent the UPC, which ranges widely from 0.1 to 1.2 USD/kg depending on the H 2 price. By comparing the color profiles shown in FIGS. 9(a) to 9(d), it was confirmed that UPC decreased as CO 2 conversion and methanol selectivity improved. The 38 selected catalysts showed various methanol selectivities ranging from 8 to 100%, but the CO 2 conversion did not exceed 40%, and only 9 catalysts showed methanol yields exceeding 10%. As mentioned earlier, the H 2 supply cost is important in determining the competitiveness of a CO 2 hydrogenation process. When the price of H 2 is between $2 and $3/kg (Fig. 9(a) and (b)), the UPC obtained using the most efficient catalyst (#5) with a methanol yield of 30% is the market price (0.26-0.3 dollar/kg).

촉매의 메탄올 수율은 비슷하지만 메탄올의 UPC는 CO2 변환과 메탄올 선택성에 따라 달라진다. 예를 들어 수소 가격이 $2/kg H2인 경우 (도 9(b)), CO2 변환 14.8%, 메탄올 선택도 69.1%인 촉매 #11, CO2 변환 25.8%, 메탄올 선택도 40.9%인 촉매 #27은 유사한 메탄올 수율 (즉, ~10%)을 제공한다. 다만 촉매 #11의 UPC(MeOH 0.65달러/kg)는 촉매 #27의 UPC(MeOH 0.55달러/kg)보다 약 20% 높았다. 도 9(c)의 빨간색 라인은 가장 높은 메탄올 시장 가격(kg당 0.36달러)을 나타낸다. 도 9(c)와 같이 화학 산업에서 메탄올 수율이 10% 미만인 새로운 촉매를 사용할 수 있는데, 이러한 촉매를 사용하여 생산된 메탄올의 UPC 값이 메탄올의 시장가격과 비교 가능하기 때문이다. 적당한 조건 (CO2 변환: 22-57%, 선택성: 17-45%)에서는, 메탄올 수율이 10% 미만이었을 때에도, 촉매 #32는 경제적으로 경쟁적이었다. 그러나 한 촉매 성능이 다른 촉매보다 훨씬 좋았던 촉매 #11의 경우 메탄올 수율이 10%를 초과해도 경제성이 없다. CO2 수소화 공정을 성공적으로 전개하기 위한 추가 선택사항은 부산물 수소나 개질 수소 등 값싼 H2를 사용하는 것이라는 점에 유의해야 한다. 그러나, 이것이 다른 환경 문제(예: 생산된 H2의 탄소 발자국 증가)로 이어질 수 있기 때문에, 본 발명에서는 이 문제를 자세히 논의하지 않기로 한다.Although the methanol yields of the catalysts are similar, the UPC of methanol depends on CO2 conversion and methanol selectivity. For example, when the price of hydrogen is $2/kg H 2 (FIG. 9(b)), catalyst #11 with a CO 2 conversion of 14.8% and a methanol selectivity of 69.1%, and a catalyst with a CO 2 conversion of 25.8% and a methanol selectivity of 40.9% #27 gives a similar methanol yield (i.e. -10%). However, the UPC of catalyst #11 (MeOH $0.65/kg) was about 20% higher than that of catalyst #27 (MeOH $0.55/kg). The red line in Fig. 9(c) represents the highest methanol market price ($0.36 per kg). As shown in FIG. 9(c), a new catalyst having a methanol yield of less than 10% can be used in the chemical industry because the UPC value of methanol produced using such a catalyst is comparable to the market price of methanol. Under moderate conditions (CO 2 conversion: 22-57%, selectivity: 17-45%), catalyst #32 was economically competitive even when the methanol yield was less than 10%. However, in the case of catalyst #11, in which one catalyst performance was much better than the other catalyst, it is not economical even if the methanol yield exceeds 10%. It should be noted that an additional option for successfully deploying the CO 2 hydrogenation process is the use of cheap H 2 , such as by-product hydrogen or reformed hydrogen. However, since this may lead to other environmental issues (eg, increased carbon footprint of the H 2 produced), this issue will not be discussed in detail in the present invention.

마지막으로, 선택된 촉매의 탄소 및 에너지 효율과 CO2 감소 특성이 도 10에 설명되어 있다. 도 9에 제시된 경제적 결과와 달리, 조사된 촉매들 사이의 탄소 및 에너지 효율성의 차이는 크지 않다. 이는 저수율 촉매(예: 메탄올 수율이 10% 미만인 경우)의 CO2 변환 및 메탄올 선택성이 약간 개선되면 효율성이 크게 향상될 수 있음을 나타낸다. 또한 조사된 모든 촉매들이 양의 CO2 감소값을 보이고 있어 CO2 직접 수소화 과정이 촉매 종류와 무관하게 메탄올 생산을 위한 녹색 경로임을 보장한다는 점을 알 수 있다.Finally, the carbon and energy efficiency and CO 2 reduction characteristics of the selected catalysts are illustrated in FIG. 10 . Unlike the economic results presented in Figure 9, the differences in carbon and energy efficiency between the investigated catalysts are not significant. This indicates that small improvements in CO 2 conversion and methanol selectivity of low-yield catalysts (eg, when methanol yields are less than 10%) can lead to significant improvements in efficiency. It can also be seen that all investigated catalysts show positive CO 2 reduction values, ensuring that the direct CO 2 hydrogenation process is a green route for methanol production regardless of catalyst type.

6. 결론6. Conclusion

본 발명의 목적은 CO2 직접 수소화 촉매를 위한 새로운 지식 기반 평가 플랫폼을 개발하고 산업적 관점에서 촉매의 초기 단계 선별을 수행하는 것이다. 이를 위해 3개 섹션 (반응, 가스/액체 분리 및 재순환, 액체/액체 분리)으로 구성된 메탄올 생산 공정이 새로 제안됐다. 이후, 사이징 및 비용 정보 뿐만 아니라 조작된 변수(즉, CO2 공급량, 촉매 변환 및 메탄올 선택성, 반응 온도 및 압력, 배출 분율)로부터 물질과 에너지 수지를 얻기 위해 제안된 프로세스의 주요 장치에 대한 대리 모델이 개발되었다. 또한, 공정의 기술적, 경제적, 환경적 역량을 평가하기 위해 단위 생산비, 탄소 및 에너지 효율성, CO2 감소 특성 등 4가지 평가 기준을 적용하였다. METAL 플랫폼을 패키지 소프트웨어로 사용하여 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 이용한 메탄올 생산 공정을 사례 연구로 분석하고, 앞서 문헌에 보고된 38종의 CO2 수소화 촉매를 이용한 다양한 메탄올 생산 공정을 평가하여 분석을 확대했다. 따라서 본 발명은 초기 R&D 단계에서 촉매의 기술-경제적 및 환경적 역량을 평가하기 위한 새로운 평가 플랫폼을 제공한다. 이 플랫폼을 이용하면 촉매 개발에 종사하는 연구자들이 R&D 목표를 설정하고 경제적으로 실현 불가능한 촉매들을 지정하여 걸러낼 수 있도록 안내할 수 있다. 메탈 플랫폼에 대한 추가 연구는 촉매 설계의 특징을 반영하는 머신 러닝 기법의 채택이나 최적 설계 및 운용 전략을 식별하는 최적화 기법을 추가함으로써 보다 엄격하고 정밀한 플랫폼으로의 개발에 초점을 맞추어야 한다.The purpose of the present invention is to develop a new knowledge-based evaluation platform for CO 2 direct hydrogenation catalysts and perform an early stage screening of catalysts from an industrial point of view. For this, a new methanol production process consisting of three sections (reaction, gas/liquid separation and recycling, and liquid/liquid separation) was proposed. Then, surrogate models for key units of the proposed process to obtain material and energy balances from manipulated variables (i.e., CO2 supply, catalytic conversion and methanol selectivity, reaction temperature and pressure, emission fraction) as well as sizing and cost information . this was developed In addition, four evaluation criteria were applied to evaluate the technological, economic, and environmental capabilities of the process: unit production cost, carbon and energy efficiency, and CO2 reduction characteristics. Using the METAL platform as package software, the methanol production process using Cu/Zn/Al/Zr catalysts was analyzed as a case study, and various methanol production processes using 38 CO 2 hydrogenation catalysts previously reported in the literature were evaluated and analyzed has expanded Therefore, the present invention provides a new evaluation platform for evaluating the techno-economic and environmental capabilities of catalysts in the early R&D stage. The platform can guide researchers involved in catalyst development to set R&D goals and specify and weed out catalysts that are not economically feasible. Further research on metal platforms should focus on developing them into more stringent and precise platforms by adopting machine learning techniques that reflect the characteristics of catalyst design or by adding optimization techniques that identify optimal design and operation strategies.

이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 사상과 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술은 본 발명의 권리범위에 포함하는 것으로 해석되어야 한다.The above description is merely illustrative of the present invention, and those skilled in the art will be able to make various modifications without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in this specification are intended to explain, not limit, the present invention, and the spirit and scope of the present invention are not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed according to the claims, and all techniques within the equivalent range should be construed as being included in the scope of the present invention.

Claims (9)

초기 연구개발 단계에서 CO2 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매의 능력을 평가하기 위한 플랫폼으로서,
CO2 공급량, 촉매의 변환성(Conversion), 메탄올 선택성(Selectivity), 반응 온도, 반응 압력 및 배출 분율(Vent-out Fraction)을 포함하는 조작 변수(Manipulated Variables)를 이용하여 촉매 반응이 수반되는 전체 메탄올 생산 공정의 질량 수지 및 에너지 수지를 결정하는 단계와
단위생산비(Unit Production Cost, UPC), 탄소효율, 에너지효율 및 순 CO2 감소의 평가 기준을 활용하여 CO2 수소화 촉매의 기술적, 경제적 및 환경적 성과를 평가하는 단계를 포함하며,
상기 단위생산비(Unit Production Cost, UPC)는
Figure 112022078011397-pat00074
, 탄소효율(CE)은
Figure 112022078011397-pat00075
, 에너지 효율은
Figure 112022078011397-pat00076
, 순 CO2 감소는
Figure 112022078011397-pat00077
와 같은 수학식을 통해 계산되며,
(TPC는 총생산원가, ωMeOH 은 메탄올의 분자량, FMeOH는 생산된 메탄올의 몰흐름, τMeOH와 τCO2 는 각각 메탄올과 CO2의 탄소수, ICO2는 초기 공급되는 CO2의 몰수,κi는 화합물 i의 발열량, κMeOH는 메탄올의 발열량, Ejk는 장비 j에서 소비되는 유틸리티 k의 양, ωCO2는 CO2의 분자량, υk는 유틸리티 k에 의한 CO2 배출 계수이며, Fvo CO2 는 분리기 j=Sp로부터의 배출 CO2의 몰 유량)
상기 단계들을 수행하기 위하여 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 탑재된 컴퓨터 지원 플랫폼으로 패키징된 이산화탄소 직접 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼.
As a platform to evaluate the ability of Cu/Zn/Al/Zr catalysts as CO 2 hydrogenation catalysts in an early R&D stage,
The entire catalyst reaction is performed using manipulated variables including CO 2 supply, catalyst conversion, methanol selectivity, reaction temperature, reaction pressure, and vent-out fraction. determining the mass balance and energy balance of the methanol production process;
Evaluating the technical, economic and environmental performance of the CO 2 hydrogenation catalyst using evaluation criteria of Unit Production Cost (UPC), carbon efficiency, energy efficiency and net CO 2 reduction,
The unit production cost (Unit Production Cost, UPC) is
Figure 112022078011397-pat00074
, the carbon efficiency (CE) is
Figure 112022078011397-pat00075
, the energy efficiency is
Figure 112022078011397-pat00076
, the net CO2 reduction is
Figure 112022078011397-pat00077
It is calculated through the same formula as
(TPC is the total production cost, ω MeOH is the molecular weight of methanol, F MeOH is the molar flow of methanol produced, τ MeOH and τ CO2 are the number of carbon atoms in methanol and CO 2 , respectively, I CO2 is the number of moles of CO 2 initially supplied, κ i is the calorific value of compound i, κ MeOH is the calorific value of methanol, E jk is the amount of utility k consumed by equipment j, ω CO2 is the molecular weight of CO2, υk is the CO2 emission factor by utility k, F vo CO2 is Separator j = molar flow rate of outgoing CO 2 from Sp)
A knowledge-based evaluation platform for Cu/Zn/Al/Zr catalysts as carbon dioxide direct hydrogenation catalysts packaged as a computer-aided platform equipped with a graphical user interface (GUI) to perform the above steps.
제1항에 있어서,
상기 메탄올 생산 공정은,
메탄올 합성을 위한 CO2 수소화, 재순환을 위한 가스/액체 분리 및 생산된 메탄올을 정제하기 위한 액체/액체 분리의 단위 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 직접 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼.
According to claim 1,
The methanol production process,
A Cu/Zn/Al/Zr catalyst as a carbon dioxide direct hydrogenation catalyst comprising unit processes of CO 2 hydrogenation for methanol synthesis, gas/liquid separation for recycling, and liquid/liquid separation for purifying produced methanol. A knowledge-based evaluation platform for
제1항에 있어서,
상기 메탄올 생산 공정의 질량 수지 및 에너지 수지의 결정은,
지식 기반 대리 모형(knowledge-based surrogate models)을 사용하여 상기 생산 공정을 시뮬레이션함으로써 수행하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 직접 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼.
According to claim 1,
Determination of the mass balance and energy balance of the methanol production process,
A knowledge-based evaluation platform for a Cu/Zn/Al/Zr catalyst as a carbon dioxide direct hydrogenation catalyst, characterized in that it is performed by simulating the production process using knowledge-based surrogate models.
제1항에 있어서,
상기 메탄올 생산 공정의 질량 수지 및 에너지 수지를 결정하기 위하여,
Aspen Plus의 화학양론형 반응기 모델을 사용하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 직접 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼.
According to claim 1,
To determine the mass balance and energy balance of the methanol production process,
A knowledge-based evaluation platform for Cu/Zn/Al/Zr catalysts as carbon dioxide direct hydrogenation catalysts, characterized by using a stoichiometric reactor model from Aspen Plus.
제4항에 있어서,
상기 메탄올 생산 공정 중 분리기(splitter), 믹서, 히터, 냉각기 및 압축기와 같은 공통 프로세스 유닛은 대리 모형 (surrogate models)을 사용하여 시뮬레이션하고, 이로부터 각 공정의 질량 수지 및 에너지 수지를 결정하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 직접 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼.
According to claim 4,
Common process units such as splitters, mixers, heaters, coolers, and compressors in the methanol production process are simulated using surrogate models, and the mass balance and energy balance of each process are determined therefrom. A Knowledge-Based Evaluation Platform for Cu/Zn/Al/Zr Catalysts as Carbon Dioxide Direct Hydrogenation Catalysts.
제1항에 있어서,
상기 지식 기반 평가 플랫폼은 상기 단위생산비(Unit Production Cost, UPC), 탄소효율, 에너지효율 및 순 CO2 감소의 평가 기준에 대한 상기 CO2 공급량, 촉매의 변환성(Conversion), 메탄올 선택성(Selectivity), 반응 온도, 반응 압력 및 배출 분율(Vent-out Fraction)을 포함하는 조작 변수(Manipulated Variables)의 영향을 평가하기 위한 민감도 분석 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 직접 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼.
According to claim 1,
The knowledge-based evaluation platform is based on the unit production cost (UPC), carbon efficiency, energy efficiency and net CO 2 reduction, the CO 2 supply amount, conversion of the catalyst, and methanol selectivity , reaction temperature, reaction pressure, and vent-out fraction as a carbon dioxide direct hydrogenation catalyst characterized by further comprising a sensitivity analysis step for evaluating the influence of manipulated variables (Manipulated Variables) including Cu / Zn / A knowledge-based evaluation platform for Al/Zr catalysts.
제1항에 있어서,
상기 단계들을 수행하기 위하여 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)가 탑재된 컴퓨터 지원 플랫폼은 입력 및 출력 모듈로 구성되며,
상기 입력 모듈은 상기 CO2 공급량, 촉매의 변환성(Conversion), 메탄올 선택성(Selectivity), 반응 온도, 반응 압력 및 배출 분율(Vent-out Fraction)을 포함하는 조작 변수를 지정할 수 있는 세부 탭을 포함하며,
상기 출력 모듈은 몰 흐름, 에너지 소비량, CO2 배출량 및 비용을 포함하는 시뮬레이션 결과를 표시하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 직접 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼.
According to claim 1,
In order to perform the above steps, a computer support platform equipped with a graphical user interface (GUI) is composed of input and output modules,
The input module includes a detailed tab for specifying operating parameters including the CO 2 supply amount, catalyst conversion, methanol selectivity, reaction temperature, reaction pressure, and vent-out fraction. and
The output module is a knowledge-based evaluation platform for a Cu / Zn / Al / Zr catalyst as a carbon dioxide direct hydrogenation catalyst, characterized in that for displaying simulation results including molar flow, energy consumption, CO 2 emissions and cost.
제7항에 있어서,
상기 입력 모듈이 포함하는 세부 탭은 전체 메탄올 생산 공정의 질량 수지 및 에너지 수지 그리고, 경제적, 기술적, 환경적 지수를 산출하기 위해 연산 엔진을 실행하도록 하는 시작(Start) 버튼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 직접 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼.
According to claim 7,
The detailed tab included in the input module further includes a start button to execute a calculation engine to calculate the mass balance and energy balance of the entire methanol production process and economic, technical, and environmental indices. A Knowledge-Based Evaluation Platform for Cu/Zn/Al/Zr Catalysts as Carbon Dioxide Direct Hydrogenation Catalysts.
제7항에 있어서,
상기 입력 모듈은 상기 단위생산비(Unit Production Cost, UPC), 탄소효율, 에너지효율 및 순 CO2 감소의 평가 기준에 대한 상기 CO2 공급량, 촉매의 변환성(Conversion), 메탄올 선택성(Selectivity), 반응 온도, 반응 압력 및 배출 분율(Vent-out Fraction)을 포함하는 조작 변수의 영향을 평가하기 위한 민감도 분석 탭을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 직접 수소화 촉매로서 Cu/Zn/Al/Zr 촉매를 위한 지식 기반 평가 플랫폼.
According to claim 7,
The input module is the unit production cost (Unit Production Cost, UPC), carbon efficiency, energy efficiency, and the CO 2 supply amount for evaluation criteria of net CO 2 reduction, conversion of the catalyst, methanol selectivity, reaction A carbon dioxide direct hydrogenation catalyst for Cu / Zn / Al / Zr catalyst, characterized in that it further comprises a sensitivity analysis tab for evaluating the influence of operating variables including temperature, reaction pressure and vent-out fraction A knowledge-based evaluation platform.
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