KR20200120029A - Method for separation of mixed gas containing ethane by ethane-selective adsorption using porous carbon structure having micropores with uniform distribution - Google Patents

Method for separation of mixed gas containing ethane by ethane-selective adsorption using porous carbon structure having micropores with uniform distribution Download PDF

Info

Publication number
KR20200120029A
KR20200120029A KR1020190042369A KR20190042369A KR20200120029A KR 20200120029 A KR20200120029 A KR 20200120029A KR 1020190042369 A KR1020190042369 A KR 1020190042369A KR 20190042369 A KR20190042369 A KR 20190042369A KR 20200120029 A KR20200120029 A KR 20200120029A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
ethane
ethylene
gas
adsorption
carbon structure
Prior art date
Application number
KR1020190042369A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102185849B1 (en
Inventor
장종산
이수경
이우황
윤지웅
조경호
Original Assignee
한국화학연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국화학연구원 filed Critical 한국화학연구원
Priority to KR1020190042369A priority Critical patent/KR102185849B1/en
Publication of KR20200120029A publication Critical patent/KR20200120029A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102185849B1 publication Critical patent/KR102185849B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/02Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material
    • B01J20/20Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof comprising inorganic material comprising free carbon; comprising carbon obtained by carbonising processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/28Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties
    • B01J20/28054Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
    • B01J20/28078Pore diameter
    • B01J20/2808Pore diameter being less than 2 nm, i.e. micropores or nanopores
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J20/00Solid sorbent compositions or filter aid compositions; Sorbents for chromatography; Processes for preparing, regenerating or reactivating thereof
    • B01J20/30Processes for preparing, regenerating, or reactivating
    • B01J20/305Addition of material, later completely removed, e.g. as result of heat treatment, leaching or washing, e.g. for forming pores
    • B01J20/3057Use of a templating or imprinting material ; filling pores of a substrate or matrix followed by the removal of the substrate or matrix
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C7/00Purification; Separation; Use of additives
    • C07C7/12Purification; Separation; Use of additives by adsorption, i.e. purification or separation of hydrocarbons with the aid of solids, e.g. with ion-exchangers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C07ORGANIC CHEMISTRY
    • C07CACYCLIC OR CARBOCYCLIC COMPOUNDS
    • C07C9/00Aliphatic saturated hydrocarbons
    • C07C9/02Aliphatic saturated hydrocarbons with one to four carbon atoms
    • C07C9/06Ethane

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Solid-Sorbent Or Filter-Aiding Compositions (AREA)
  • Organic Low-Molecular-Weight Compounds And Preparation Thereof (AREA)
  • Separation Of Gases By Adsorption (AREA)

Abstract

The present invention relates to: a composition for separating ethane and ethylene which comprises pores with an average diameter of within 2 nm and contains a carbon structure having a single-layer graphene pore wall as an active component; and a method of adsorption separation of an ethane/ethylene mixed gas using the same as an adsorbent. The present invention can be applied to an adsorption separation process of the ethane/ethylene mixed gas since selective adsorption of ethane is possible even at a high pressure at which a conventional separation reaction is performed.

Description

균일한 분포의 마이크로 기공을 갖는 다공성 탄소 구조체를 이용한 에탄 선택적 흡착에 의한 에탄 함유 혼합 가스의 분리 방법{Method for separation of mixed gas containing ethane by ethane-selective adsorption using porous carbon structure having micropores with uniform distribution}{Method for separation of mixed gas containing ethane by ethane-selective adsorption using porous carbon structure having micropores with uniform distribution}

본 발명은 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 유효성분으로 포함하는, 에탄 및 에틸렌 분리용 조성물 및 이를 흡착제로 이용하는 에탄/에틸렌 혼합 가스의 흡착분리방법에 관한 것이다.The present invention contains pores with an average diameter of less than 2 nm and contains a carbon structure having a single-layer graphene pore wall as an active ingredient, and a composition for separating ethane and ethylene and an ethane/ethylene mixed gas using the same as an adsorbent. It is about the separation method.

현재, 정유 및 석유화학 산업에서 탄화수소의 탄소수별 분리는 대부분 증류에 의해서 이루어지고 있으며, 올레핀/파라핀 혼합물에서 올레핀과 파라핀의 분리도 대부분 증류에 의해서 이루어지고 있다. 상기 올레핀과 파라핀은 끓는점이 매우 유사해서 증류로 분리하기 위해서는 많은 에너지가 소모되고 높은 단수의 증류탑을 필요로 하므로 장치비가 높은 단점이 있어, 이러한 문제점을 극복하기 위한 대안으로 흡착분리공정이 연구되고 있다. 올레핀, 파라핀 분리에서 프로필렌/프로판 분리, 에틸렌/에탄 분리가 대표적이다. 특히, 프로판/프로필렌의 증류 온도보다 에틸렌/에탄의 증류 온도가 더 낮기 때문에 C2에 대한 분리 공정이 에너지 소모가 더 크므로, 관련 C2 분리 기술 개발에 대한 중요성이 커지고 있다.Currently, in the oil refinery and petrochemical industries, the separation of hydrocarbons by carbon number is mostly performed by distillation, and the separation of olefins and paraffins in an olefin/paraffin mixture is mostly performed by distillation. The boiling point of the olefin and paraffin is very similar, and thus, a lot of energy is consumed in order to separate by distillation and a high number of distillation columns is required, so the equipment cost is high, and an adsorption separation process is being studied as an alternative to overcome this problem. . In olefin and paraffin separation, propylene/propane separation and ethylene/ethane separation are typical. In particular, since the distillation temperature of ethylene/ethane is lower than the distillation temperature of propane/propylene, the separation process for C2 consumes more energy, and thus the importance for the development of related C2 separation technology is increasing.

기존의 흡착분리공정 기술을 보면 산업용 가치가 높은 에틸렌을 수득 하기 위해서 에탄과 에틸렌의 혼합물로부터 에틸렌을 선택적으로 흡착하여 분리한 후 흡착된 에틸렌을 다시 회수하는 방식으로, 불순물인 에탄을 분리하는 기술이 주를 이루고 있다. In the existing adsorption separation process technology, in order to obtain ethylene of high industrial value, ethylene is selectively adsorbed and separated from a mixture of ethane and ethylene, and then the adsorbed ethylene is recovered. Mainly.

예를 들면, 한국 특허등록공보 제10-828137호는 알루미노실리카겔 및 실리카겔, 및 이들의 혼합물로부터 선택되는 펠렛 형태의 기질에 질산은(AgNO3)이 담지된 흡착제를 제조하는 방법을 개시하고 있으며, 미국 특허등록공보 제6,315,816호 및 제6,468,329호에서는, 이러한 흡착분리공정에 사용되는 흡착제의 제조방법으로서 에틸렌과 π 결합을 하여 에틸렌을 선택적으로 흡착하는 금속이온(Ag+, Cu+ 등)을 비표면적이 넓은 기질(실리카겔, 알루미나, 알루미노실리카겔, 중형 다공성 물질 등)에 담지하는 방법을 제안하고 있다. 상기 금속이온 담지는 질산은(AgNO3)이나 염화구리(CuCl2) 용액을 기질에 함침시킨 후에 건조함으로써 이루어진다. 또한, 한국 등록특허공보 제10-787210호는 올레핀/파라핀 분리에 적합한 흡착제로서 알루미노실리카겔에 질산은을 담지시킨 흡착제의 제조방법을 제안한다.For example, Korean Patent Registration No. 10-828137 discloses a method of preparing an adsorbent in which silver nitrate (AgNO 3 ) is supported on a matrix in the form of a pellet selected from alumino silica gel and silica gel, and mixtures thereof, In U.S. Patent Registration Nos. 6,315,816 and 6,468,329, metal ions (Ag + , Cu +, etc.) which selectively adsorb ethylene by π bonds with ethylene as a method of manufacturing an adsorbent used in such adsorption separation process A method of loading on this wide substrate (silica gel, alumina, alumino silica gel, mesoporous material, etc.) is proposed. The metal ion-supporting silver nitrate (AgNO 3 ) or copper chloride (CuCl 2 ) solution is impregnated into a substrate and then dried. In addition, Korean Patent Publication No. 10-787210 proposes a method for preparing an adsorbent in which silver nitrate is supported on an alumino silica gel as an adsorbent suitable for olefin/paraffin separation.

이와 같이, 에탄/에틸렌 흡착 분리 기술의 대부분은 에틸렌을 흡착하고 다시 흡착된 에틸렌을 회수하기 위해서 질소 가스로 퍼지(purge)하는 방식 또는 진공 탈착으로 하는 방식으로 진행된다. 따라서, 탈착된 에틸렌과 질소에서 다시 에틸렌을 수득해야 하거나 진공으로부터 다시 에틸렌을 회수하는 과정이 필요하며, 이는 에너지 소모가 크고 대게 높은 함량의 에틸렌을 회수해야 하므로 흡착제의 흡착용량이 커야 하고 탈착 과정을 포함하여 회수하는 단점이 있다.As described above, most of the ethane/ethylene adsorption separation technology is carried out in a method of purging with nitrogen gas or vacuum desorption in order to adsorb ethylene and recover the adsorbed ethylene again. Therefore, it is necessary to obtain ethylene again from desorbed ethylene and nitrogen, or to recover ethylene from vacuum again. This requires a large amount of ethylene to be recovered, which consumes a large amount of energy, so the adsorption capacity of the adsorbent must be large and the desorption process is There is a drawback of recovering, including.

따라서 에틸렌을 수득하기 위해서 50몰% 이하 혹은 소량으로 포함되어 있는 에탄을 선택적으로 흡착하는 방식으로 에틸렌의 순도를 높이면 공정을 단순화할 수 있다. 그러나 기존의 에탄 선택적 흡착제는 에탄과 흡착제 간의 흡착 강도가 낮아서 분리도가 낮으며 고압에서는 에틸렌-에틸렌간의 인력이 에탄-에탄간의 인력에 비해 우위하게 되어 에틸렌의 흡착이 에탄의 흡착량보다 더 높이지는 현상이 발생한다. 따라서, 기존의 흡착 기술로는 에탄을 선택적으로 흡착하여 고압에서도 분리도를 유지하는 것은 어렵다.Therefore, in order to obtain ethylene, the process can be simplified by increasing the purity of ethylene by selectively adsorbing ethane contained in 50 mol% or less or in a small amount. However, conventional ethane selective adsorbents have low adsorption strength between ethane and adsorbent, so the degree of separation is low, and at high pressure, the attraction between ethylene and ethylene becomes superior to the attraction between ethane and ethane, so that the adsorption of ethylene is higher than that of ethane. This happens. Therefore, it is difficult to maintain the degree of separation even at high pressure by selectively adsorbing ethane with the existing adsorption technology.

하기 표 1은 ZIF 시리즈를 포함한 일련의 MOF의 에탄/에틸렌에 대한 흡착량을 나타낸다. 표 1에 나타난 바와 같이, ZIF 시리즈 및 Ni(bdc)(ted)0 .5를 제외한 기존의 평형 분리형 에탄 선택적 흡착제는 다공성 탄소 물질 또는 하이브리드 나노세공체의 구조 내에 질소 또는 산소가 기공 벽에 노출되어 있어 에탄 말단 C-H 부분의 수소와 다공성 물질에 존재하는 전기음성도가 높은 질소 혹은 산소와의 수소 결합에 의한 인력으로 흡착하되, 흡착시 에탄은 6개 수소가 참여하고 에틸렌은 4개 수소가 참여한다. 이때 다공성 구조 내에 유용한 질소와 산소를 도입하는 데는 제한이 있을 수 있다. 흡착 조건에서 나타난 바와 같이, 100 kPa 즉, 상압까지만의 흡착결과이며, 실제 공정에서는 고압의 가스가 공급되므로 고압에서 흡착을 유지 가능성이 중요하며, 나아가 단일 가스에 대한 흡착 결과 이외에 실제 혼합 가스에서 에탄이 에틸렌에 비해 우수한 흡착력을 나타낼 수 있는지가 중요하다.Table 1 below shows the adsorption amount for ethane/ethylene of a series of MOFs including the ZIF series. As shown in Table 1, ZIF series and Ni (bdc) (ted) existing equilibrium selective adsorbent removable ethane except .5 is a nitrogen or oxygen in the structure of porous carbon material or a hybrid nanoporous body is exposed to the pore wall It is adsorbed by attraction between hydrogen at the end of ethane CH part and hydrogen bonded with nitrogen or oxygen with high electronegativity in the porous material, but when adsorbed, 6 hydrogens participate in ethane and 4 hydrogens participate in ethylene. . At this time, there may be limitations in introducing useful nitrogen and oxygen into the porous structure. As shown in the adsorption conditions, it is the adsorption result only up to 100 kPa, that is, normal pressure, and the possibility of maintaining adsorption at high pressure is important because high-pressure gas is supplied in the actual process. Furthermore, in addition to the adsorption result for a single gas, ethane in the actual mixed gas It is important whether it can exhibit superior adsorption power compared to ethylene.

흡착제absorbent 에탄(mmol/g)Ethane (mmol/g) 에틸렌(mmol/g)Ethylene (mmol/g) 흡착조건Adsorption condition ZIF-7ZIF-7 1.71.7 00 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ ZIF-8ZIF-8 2.52.5 1.31.3 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ ZIF-69ZIF-69 2.22.2 1.81.8 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ Ni(bdc)(ted)0 .5 Ni (bdc) (ted) 0 .5 55 3.43.4 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ PCN-250PCN-250 5.215.21 4.224.22 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ MIL-142AMIL-142A 3.83.8 2.92.9 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ PCN-245PCN-245 3.273.27 2.392.39 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ Boron nitrideBoron nitride 3.23.2 2.32.3 10 kPa & 38℃10 kPa & 38℃ MAP-49MAP-49 1.421.42 0.850.85 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ C-PDA-3C-PDA-3 6.576.57 5.15.1 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ C-700-3C-700-3 7.27.2 5.95.9 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ C-Fru-2-700C-Fru-2-700 6.86.8 6.256.25 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ C-Fru-3-700C-Fru-3-700 7.257.25 6.456.45 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃ C-Fru-4-700C-Fru-4-700 7.947.94 6.646.64 100 kPa & 25℃100 kPa & 25℃

상기 표 1에 나타난 바와 같이, ZIF 시리즈 및 Ni(bdc)(ted)0 .5 등의 유무기 하이브리드 나노세공체를 속도 분리형 에탄/에틸렌 흡착제로 사용된 예가 보고되었으나, 에탄에 대한 속도 분리능이 높음에도 불구하고 이들 흡착제는 세공 크기가 너무 작아 에틸렌 탈착에 많은 에너지가 소모되는 것으로 보고되었다.As shown in Table 1, ZIF series and Ni (bdc) (ted) but .5 including inorganic An example of using the hybrid nanoporous body at a rate detachable ethane / ethylene absorbent report, the high speed resolution for ethane Nevertheless, it has been reported that these adsorbents have so small pore size that a lot of energy is consumed for ethylene desorption.

본 발명자들은 비교적 높은 압력에서도 에틸렌에 비해 에탄을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를 발굴하고자 예의 연구 노력한 결과, 제올라이트를 주형으로 하여 제조된, 매우 균일하게 형성된 소정의 기공 크기를 갖는 마이크로 다공성 탄소 구조체를 사용하면 에틸렌에 비해 에탄을 선택적으로 흡착할 수 있을 뿐만 아니라 비교적 높은 압력에서도 분리도를 유지할 수 있어 흡착분리공정을 이용한 에탄/에틸렌의 분리에 흡착제로 사용 가능함을 확인하고 본 발명을 완성하였다.As a result of intensive research efforts to discover an adsorbent capable of selectively adsorbing ethane compared to ethylene even at a relatively high pressure, the present inventors have produced a microporous carbon structure having a predetermined pore size formed very uniformly and manufactured using zeolite as a template. When used, ethane can be selectively adsorbed compared to ethylene, and the degree of separation can be maintained even at a relatively high pressure, confirming that it can be used as an adsorbent for ethane/ethylene separation using an adsorption separation process, and the present invention was completed.

하나의 양태로서, 본 발명은 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 유효성분으로 포함하는, 에탄 및 에틸렌 분리용 조성물을 제공한다.In one aspect, the present invention provides a composition for separating ethane and ethylene, comprising as an active ingredient a carbon structure comprising pores having an average diameter of 2 nm or less, and having a single-layer graphene pore wall.

다른 하나의 양태로서, 본 발명은 흡착제로서, 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 구비한 반응기에 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스를 접촉시키는 단계를 포함하는, 에탄/에틸렌 혼합 가스의 흡착분리방법을 제공한다.In another aspect, the present invention is an adsorbent, wherein a mixed gas containing ethane and ethylene is brought into contact with a reactor having a carbon structure including pores having an average diameter of less than 2 nm and having a single-layer graphene pore wall. It provides a method for adsorption separation of an ethane/ethylene mixed gas comprising the step.

또 하나의 양태로서, 본 발명은 흡착제 층에는 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 구비하고, 일측에는 가스 주입구를, 타측에는 가스 배출구를 구비하여 가스 주입구로부터 투입된 가스가 흡착제 층을 통과하여 가스 배출구를 통해 방출되는 반응기에, 에탄을 50몰% 이하로 함유하는 0 bar 초과 20 bar 이하 압력의 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스를 주입하여 에탄을 흡착시키면서 가스 배출구로부터 에탄 함유량이 1몰% 미만으로 감소된 에틸렌 가스를 수집하는 제1단계; 가스 배출구로부터 방출되는 가스 중의 에탄 함유량이 1몰% 이상일 때, 상기 에탄을 흡착시킨 반응기에 흡착 압력 미만의 압력에서 순도 99몰% 이상의 에틸렌 가스를 주입하여 흡착된 에탄을 탈착시키면서 에틸렌을 흡착시켜 흡착제 층을 포화시키는 제2단계; 및 상기 흡착제 층이 에틸렌으로 포화 흡착된 반응기에 0 bar 초과 20 bar 이하 압력의 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스를 주입하여 에탄을 재흡착시키면서 가스 배출구로부터 에탄 함유량이 1몰% 미만인 에틸렌 가스를 수집하는 제3단계;를 포함하는, 99몰% 이상의 순도를 갖는 에틸렌 가스의 제조방법을 제공한다.In another aspect, the present invention includes a carbon structure having an average diameter of less than 2 nm in the adsorbent layer, a single-layer graphene pore wall, and a gas inlet on one side and a gas outlet on the other side. Thus, a mixed gas containing ethane and ethylene at a pressure of more than 0 bar and less than 20 bar containing 50 mol% or less of ethane is injected into the reactor in which the gas input from the gas inlet passes through the adsorbent layer and is discharged through the gas outlet. A first step of collecting ethylene gas whose ethane content is reduced to less than 1 mol% from the gas outlet while adsorbing; When the ethane content in the gas discharged from the gas outlet is 1 mol% or more, ethylene gas with a purity of 99 mol% or more is injected into the reactor in which the ethane is adsorbed at a pressure less than the adsorption pressure to desorb the adsorbed ethane while adsorbing ethylene. A second step of saturating the layer; And a mixed gas containing ethane and ethylene having a pressure of more than 0 bar and not more than 20 bar is injected into the reactor in which the adsorbent layer is saturated with ethylene, and ethane is resorbed while collecting ethylene gas having an ethane content of less than 1 mol% from the gas outlet. It provides a method for producing ethylene gas having a purity of 99 mol% or more, including a third step.

이하, 본 발명을 보다 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

본 발명은 많은 에너지 및/또는 비용이 소모되는 종래 증류 방식에 의한 에탄/에틸렌의 분리공정이 아닌, 흡착제를 사용한 선택적 흡착에 의해 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스로부터 에틸렌을 분리하는 공정에 있어서, 종래 에틸렌 선택적 흡착제를 사용하는 경우, 에틸렌의 선택적 흡착에 의해 에탄과 에틸렌을 분리한 후, 흡착된 에틸렌을 회수하기 위하여 번거롭고 에너지 소모가 큰 추가 공정을 필요로 하는 단점을 극복하기 위하여 고안된 것이다. 구체적으로, 본 발명은 에틸렌에 비해 에탄을 선택적으로 흡착할 수 있는 흡착제를 발굴하되, 실제 혼합 가스의 분리 공정은 고압에서 진행되는 점을 고려하여, 상대적으로 높은 압력에서도 에탄에 대한 우세한 흡착능을 나타낼 수 있는 흡착제를 발견한 것에 기초한다.The present invention is a process for separating ethylene from a mixed gas containing ethane and ethylene by selective adsorption using an adsorbent, not by a conventional distillation process that consumes a lot of energy and/or cost, In the case of using a conventional ethylene selective adsorbent, it is devised to overcome the disadvantage of requiring a cumbersome and energy-consuming additional process in order to recover the adsorbed ethylene after separating ethane and ethylene by selective adsorption of ethylene. Specifically, the present invention discovers an adsorbent capable of selectively adsorbing ethane compared to ethylene, but in consideration of the fact that the separation process of the actual mixed gas proceeds at high pressure, it exhibits superior adsorption ability for ethane even at a relatively high pressure. It is based on discovering a possible adsorbent.

본 발명에 따른 에탄 및 에틸렌 분리용 조성물은 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 유효성분으로 포함한다.The composition for separating ethane and ethylene according to the present invention includes pores having an average diameter within 2 nm, and includes a carbon structure having a single layer of graphene with pore walls as an active ingredient.

예컨대, 본 발명에 따른 에탄 및 에틸렌 분리용 조성물은 0.3 내지 2 nm 범위에 분포하는 평균 직경의 기공을 포함하며, 상기 기공 크기 분포의 반치전폭은 0.1 내지 0.8 nm인, 균일한 크기의 마이크로 기공을 갖는, 마이크로 기공의 기공벽이 단일층 그래핀인 3차원 탄소 구조체를 유효성분으로 포함할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the composition for separating ethane and ethylene according to the present invention includes pores of an average diameter distributed in the range of 0.3 to 2 nm, and the full width at half maximum of the pore size distribution is 0.1 to 0.8 nm, and micropores of uniform size are It may include, as an active ingredient, a three-dimensional carbon structure in which the microporous pore walls are single-layer graphene, but is not limited thereto.

상기 본 발명의 용어, "그래핀"은 육각형의 격자(hexagonal lattice)로 배열된 단일층의 탄소원자로 구성된 탄소 동소체를 의미할 수 있다. 완벽한 육각형의 격자로 배열된 그래핀은 평면 구조를 가지나, 육각형의 격자에 오각형 및/또는 칠각형의 결함을 소수 포함하므로써 이들 결함 자리에서 유발되는 뒤틀림에 의해 3차원의 구조를 가질 수 있다. 육각형의 격자로 배열된 평면의 그래핀은 조밀하게 배열된 탄소 원자 및 SP2 오비탈 혼성화에 의해 고도의 안정성을 갖는다. 즉, 그래핀은 전면에 분포된 π 전자를 가지며 이를 통한 π 상호작용이 가능하다.The term "graphene" of the present invention may mean a carbon allotrope composed of a single layer of carbon atoms arranged in a hexagonal lattice. Graphene arranged in a perfect hexagonal lattice has a planar structure, but by including a small number of pentagonal and/or heptagonal defects in the hexagonal lattice, it can have a three-dimensional structure by distortion caused at these defect sites. Planar graphene arranged in a hexagonal lattice has a high degree of stability due to densely arranged carbon atoms and SP 2 orbital hybridization. That is, graphene has π electrons distributed over the entire surface, and π interaction is possible through it.

본 발명의 3차원 탄소 구조체는 전체 표면적에 걸쳐 π 전자가 존재하며, C-H···π 인력을 통해 하나의 분자 내에 복수의 C-H 결합을 포함하는 소분자인 에탄 및/또는 에틸렌을 흡착할 수 있다. 상기 C-H···π 인력은 공유결합이나 이온결합 등의 화학적 결합에 비해서는 약하나 정전기적 인력 또는 수소결합에 준하는 수준의 상호작용이 가능하다. 예컨대, 에틸렌의 사극자 모멘트(quadruple moment, 1.50×10-26 esu·cm2)는 에탄의 사극자 모멘트(0.65×10-26 esu·cm2) 보다 더 큰 반면, 에탄의 분극률(polarizability, 44.7×10-25 cm3)은 보다 높은 분자량 및 보다 큰 크기로 인해 에틸렌의 분극률(45.5×10-25 cm3) 보다 크다. 따라서, 표면에 구리 또는 은 이온이 포함된 다공성 물질 또는 불포화 배위자리를 갖는 다공성 유무기 혼성체 등과 같이 극성이 큰 물질을 흡착제로 사용하는 경우에는 사극자 모멘트가 큰 에틸렌의 흡착이 우세하게 일어난다. 반면, 표면에 극성이 거의 없는 또는 불활성인 흡착제의 경우에는 분극률이 큰 에탄의 흡착이 우세하게 나타난다.In the three-dimensional carbon structure of the present invention, π electrons exist over the entire surface area, and ethane and/or ethylene, which are small molecules including a plurality of CH bonds, can be adsorbed in one molecule through an attraction of CH π. The CH···π attraction is weaker than that of a chemical bond such as a covalent bond or an ionic bond, but an interaction equivalent to an electrostatic attraction or a hydrogen bond is possible. For example, ethylene's quadruple moment (1.50×10 -26 esu·cm 2 ) is greater than that of ethane (0.65×10 -26 esu·cm 2 ), whereas ethane's polarizability ( 44.7×10 -25 cm 3 ) is greater than that of ethylene (45.5×10 -25 cm 3 ) due to the higher molecular weight and larger size. Therefore, when a material having a large polarity, such as a porous material containing copper or silver ions or a porous organic-inorganic hybrid material having an unsaturated coordination site, is used as the adsorbent, ethylene having a large quadrupole moment is predominantly adsorbed. On the other hand, in the case of an adsorbent having little or no polarity on the surface, adsorption of ethane with a high polarization rate appears predominantly.

이때, 하나의 분자 내에 6개의 C-H 결합을 포함하는 에탄은 4개 C-H 결합을 포함하는 에틸렌에 비해 수적 우위를 토대로 본 발명의 탄소 구조체와 보다 우세한 흡착력을 나타낼 수 있다. 이러한 에틸렌에 비해 에탄에 대해 높은 흡착력은 0.1 bar로부터 상대적으로 높은 10 bar, 나아가 50 bar까지도 유지될 수 있다.At this time, ethane containing 6 C-H bonds in one molecule may exhibit more superior adsorption power with the carbon structure of the present invention based on a numerical advantage over ethylene containing 4 C-H bonds. Compared to such ethylene, a high adsorption power for ethane can be maintained from 0.1 bar to a relatively high 10 bar, and even 50 bar.

상기와 같이 에틸렌에 비해 에탄에 대해 우수한 흡착력을 나타내기 위해서는 0.3 내지 2 nm 범위의 작은 기공 크기를 가질 뿐 아니라, 해당 크기 분포의 FWHM이 0.1 내지 0.8 nm의 좁은 분포 즉, 균일한 크기의 기공을 갖는 것이 중요하다. 예컨대, 기공의 크기가 2 nm 초과하여 커지는 경우, 전술한 바와 같이 단일 분자 당 보다 많은 수의 C-H···π 인력을 기반으로 흡착제 기공 내의 흡착 자리에 에탄이 우선 흡착된다 하더라도, 여분의 공간에 다분자 층으로 에탄 및/또는 에틸렌이 존재하게 되면, 에틸렌-에틸렌 간의 흡착이 에탄-에탄 간의 흡착에 비해 우세하게 되며, 나아가 압력이 높아질수록 에틸렌의 흡착량이 에탄의 흡착량을 추월할 수 있다. 즉, 0.3 nm 내지 2 nm는 C-H···π 인력을 통한 흡착자리에 대한 에탄의 우세한 흡착력 및 에탄-에탄 간의 흡착을 통해 수 층(multi-layer)의 에탄층이 형성되면서 에틸렌의 도입여지를 차단할 수 있도록 선택된 크기이다. 따라서, 이러한 마이크로 기공을 갖는 흡착제를 이용하는 경우, 압력이 다소 높아지더라도 여전히 에틸렌에 대해 에탄의 우세한 흡착력을 유지할 수 있으므로, 에탄의 선택적 흡착이 가능할 수 있다.In order to exhibit excellent adsorption power to ethane compared to ethylene as described above, not only has a small pore size in the range of 0.3 to 2 nm, but also the FWHM of the corresponding size distribution is a narrow distribution of 0.1 to 0.8 nm, that is, pores of uniform size. It is important to have. For example, if the pore size is larger than 2 nm, even if ethane is first adsorbed to the adsorption site in the adsorbent pores based on the greater number of CH ... π attraction per single molecule as described above, When ethane and/or ethylene is present in the multimolecular layer, adsorption between ethylene and ethylene becomes dominant compared to adsorption between ethane and ethane, and further, as the pressure increases, the adsorption amount of ethylene may exceed the adsorption amount of ethane. In other words, 0.3 nm to 2 nm is the predominant adsorption power of ethane to the adsorption site through CH ... π attraction, and a multi-layer ethane layer is formed through adsorption between ethane and ethane, thereby preventing the introduction of ethylene. This is the size chosen to be blocked. Therefore, in the case of using an adsorbent having such micropores, even if the pressure is slightly increased, the superior adsorption power of ethane can be maintained with respect to ethylene, and thus, selective adsorption of ethane may be possible.

이와 같이, 본 발명의 흡착분리방법에 사용 가능한, 0.3 내지 2 nm 범위에 기공 크기 분포를 갖는 마이크로 기공 구조를 가질 뿐만 아니라, 해당 크기 분포의 FWHM이 0.1 내지 0.8 nm의 좁은 분포 즉, 균일한 크기의 기공을 갖는, 3차원 탄소 구조체는 규칙적인 기공 구조를 제공하는 제올라이트 주형으로부터 전사하여 제조할 수 있다.As described above, not only has a micropore structure having a pore size distribution in the range of 0.3 to 2 nm, which can be used in the adsorption separation method of the present invention, and the FWHM of the corresponding size distribution is a narrow distribution of 0.1 to 0.8 nm, that is, a uniform size. A three-dimensional carbon structure having pores of can be prepared by transferring from a zeolite template providing a regular pore structure.

구체적으로, 본 발명에 따른 에탄 및 에틸렌 분리용 조성물의 유효성분인, 3차원 탄소 구조체는 d-오비탈의 전자가 비어있는(empty d-orbitial) 금속인 활성 금속을 함유하는 제올라이트에 불포화 지방족 탄화수소, 캐리어 가스 및 수증기를 포함하는 혼합 가스를 공급하여 400 내지 650℃에서 수행되는 화학증착에 의해 주형체의 기공벽을 따라 형성될 수 있다.Specifically, the three-dimensional carbon structure, which is an active ingredient of the composition for separating ethane and ethylene according to the present invention, is an unsaturated aliphatic hydrocarbon in a zeolite containing an active metal that is an empty d-orbitial metal, It may be formed along the pore walls of the mold by chemical vapor deposition performed at 400 to 650° C. by supplying a mixed gas including a carrier gas and water vapor.

이때 사용 가능한 제올라이트로는 LTL, VFI, MAZ, MEI, FAU, EMT, OFF, BEA, MOR, MFI, MPS, MEL, MTW, EUO, MTT, HEU, FER, TON, CHA, ERI, KFI, LEV, LTA 또는 이들의 혼합 구조형인 것을 제한 없이 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Zeolites that can be used at this time include LTL, VFI, MAZ, MEI, FAU, EMT, OFF, BEA, MOR, MFI, MPS, MEL, MTW, EUO, MTT, HEU, FER, TON, CHA, ERI, KFI, LEV, LTA or a mixed structure type thereof may be used without limitation, but is not limited thereto.

상기 예시한 제올라이트들은 서브 내지 수 nm 크기의 기공을 갖는 마이크로 다공성 구조물로서, 이에 d-오비탈 전자가 비어있는 금속으로 이온교환된 제올라이트는 비어있는 d-오비탈을 이용하여 불포화 결합을 포함하는 물질 즉, 이에 포함된 π-결합과의 인력을 통해 주입된 불포화 결합을 포함하는 물질을 그 표면에 흡착할 수 있다. 예컨대, 상기 불포화 결합을 포함하는 물질로 불포화 지방족 탄화수소를 공급하여 d-오비탈 전자가 비어있는 금속으로 이온교환된 제올라이트에 흡착시킨 상태에서 탄화시키면, 제올라이트의 기공 형태가 전사된 탄소 구조체를 형성할 수 있고 에칭을 통해 주형으로 사용된 제올라이트를 제거함으로써 제올라이트의 마이크로 기공 구조가 정교하게 전사된 탄소 구조체만을 수득할 수 있다.The exemplified zeolites are microporous structures having pores having a size of sub to several nm, and the zeolite ion-exchanged with a metal having an empty d-orbital electron is a material containing an unsaturated bond using an empty d-orbital, that is, A material containing an unsaturated bond injected through the attraction with the π-bond included therein can be adsorbed on the surface. For example, if an unsaturated aliphatic hydrocarbon is supplied to the material containing the unsaturated bond and carbonized while adsorbed to the ion-exchanged zeolite with a metal with empty d-orbital electrons, a carbon structure in which the pores of the zeolite are transferred can be formed. In addition, by removing the zeolite used as a template through etching, only a carbon structure in which the microporous structure of the zeolite is precisely transferred can be obtained.

구체적으로, 상기 탄소 구조체는 d-오비탈 전자가 비어있는 금속으로 이온교환된 제올라이트를 불포화 지방족 탄화수소, 캐리어 가스 및 수증기를 포함하는 혼합 가스를 공급하여 탄소를 형성하는 단계 및 산 수용액을 이용한 습식 에칭으로 제올라이트를 선택적으로 제거하는 단계를 포함하는 방법에 의해 제조할 수 있다. 상기 습식 에칭은 HF 및/또는 HCl 함유 수용액에 침지시킴으로서 간단히 수행할 수 있으나, 탄소 구조체를 손상시키지 않으면서 제올라이트만을 선택적으로 제거할 수 있는 한, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the carbon structure is formed by supplying a mixed gas containing an unsaturated aliphatic hydrocarbon, a carrier gas, and water vapor from a zeolite ion-exchanged with a metal having an empty d-orbital electron to form carbon, and wet etching using an aqueous acid solution. It can be prepared by a method comprising the step of selectively removing zeolite. The wet etching may be performed simply by immersing in an aqueous solution containing HF and/or HCl, but is not limited thereto as long as only zeolite can be selectively removed without damaging the carbon structure.

불포화 지방족 탄화수소와의 상호작용을 위해 제올라이트에 도입하는 d-오비탈 전자가 비어있는 금속으로는 란타늄, 칼슘, 이트륨을 단독으로 또는 혼합하여 사용할 수 있다. 한편, 상기 불포화 지방족 탄화수소로는 에틸렌 또는 아세틸렌을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니며, 주형이 되는 제올라이트의 기공 크기를 고려하여 적절히 선택할 수 있다. 나아가, 캐리어 가스로는 질소, 아르곤 등의 불활성 기체를 사용할 수 있다. 상기 불포화 지방족 탄화수소와 수증기는 1:0.1 내지 3의 비율로 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.As a metal in which d-orbital electrons introduced into the zeolite for interaction with an unsaturated aliphatic hydrocarbon are vacant, lanthanum, calcium, and yttrium may be used alone or in combination. Meanwhile, ethylene or acetylene may be used as the unsaturated aliphatic hydrocarbon, but is not limited thereto, and may be appropriately selected in consideration of the pore size of the zeolite used as a template. Furthermore, an inert gas such as nitrogen or argon may be used as the carrier gas. The unsaturated aliphatic hydrocarbon and water vapor may be used in a ratio of 1:0.1 to 3, but are not limited thereto.

전술한 바와 같이, 상기와 같이 제조된 3차원 탄소 구조체는 에탄 및/또는 에틸렌에 대한 흡착력을 가지므로 이들 기체에 대한 흡착용 조성물에 사용될 수 있다. 따라서, 사용의 편의를 위하여 성형하는 단계를 추가로 수행할 수 있다. 이때, 성형은 산 용액을 이용한 습식 에칭에 의해 제올라이트를 제거하기 전 또는 후에 수행할 수 있다. 다만, 주형인 제올라이트가 제거된 3차원 탄소 구조체는 강도가 다소 약하여 압력 등에 취약할 수 있으므로 공정의 편의를 위하여 제올라이트를 제거하기에 앞서 성형하는 단계를 수행할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.As described above, the three-dimensional carbon structure prepared as described above has adsorption power for ethane and/or ethylene, and thus may be used in a composition for adsorption of these gases. Therefore, for convenience of use, the step of forming may be additionally performed. At this time, the shaping may be performed before or after removing the zeolite by wet etching using an acid solution. However, since the three-dimensional carbon structure from which the zeolite, which is a template, has been removed, may be weak in strength and may be vulnerable to pressure, etc., for convenience of the process, a step of molding may be performed prior to removing the zeolite, but is not limited thereto.

상기 예시한 방법을 통해, d-오비탈 전자가 비어있는 금속으로 이온교환된 제올라이트를 주형으로 하여 불포화 지방족 탄화수소를 흡착시키고 탄화하여 제조한 탄소 구조체는 제올라이트의 마이크로 기공 구조가 전사되어 이와 거의 동일한 크기 및 형태의 마이크로 기공을 가지므로 높은 비표면적을 제공할 뿐 아니라, 이들 탄소 간의 결합의 대부분이 그래핀과 유사한 SP2로 이루어져 있어 C-H···π 인력을 통해 에틸렌에 비해 에탄과 우세한 흡착을 달성할 수 있다.Through the above-exemplified method, the carbon structure prepared by adsorbing and carbonizing an unsaturated aliphatic hydrocarbon using a zeolite ion-exchanged with a metal having an empty d-orbital electron as a template is transferred to the microporous structure of the zeolite, and has almost the same size and Not only does it provide a high specific surface area because it has micropores in the form of micropores, but most of the bonds between these carbons are made up of SP 2 similar to graphene, so it can achieve superior adsorption with ethane compared to ethylene through the CH···π attraction. I can.

또한, 본 발명은 흡착제로서, 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 구비한 반응기에 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스를 접촉시키는 단계를 포함하는, 에탄/에틸렌 혼합 가스의 흡착분리방법을 제공한다.In addition, the present invention comprises the step of contacting a mixed gas containing ethane and ethylene to a reactor having a carbon structure including pores having an average diameter of less than 2 nm and having a single-layer graphene pore wall as an adsorbent. , Provides a method of adsorption separation of ethane/ethylene mixed gas.

전술한 바와 같이, 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하는, 예컨대 0.3 내지 2 nm 범위에 분포하는 평균 직경의 기공을 포함하며, 상기 기공 크기 분포의 반치전폭은 0.1 내지 0.8 nm인, 균일한 크기의 마이크로 기공을 갖는, 마이크로 기공의 기공벽이 단일층 그래핀인 3차원 탄소 구조체는 수적 우위에 의한 C-H···π 인력으로 에틸렌에 비해 에탄에 대해 우세한 흡착능을 나타내므로 이를 흡착제로 사용하여 에탄 선택적 흡착에 의해 에탄/에틸렌의 혼합 가스를 분리할 수 있다.As described above, including pores having an average diameter within 2 nm, for example, including pores having an average diameter distributed in the range of 0.3 to 2 nm, and the full width at half maximum of the pore size distribution is 0.1 to 0.8 nm, uniform The three-dimensional carbon structure of single-layer graphene with micropores of the size of the micropores exhibits superior adsorption ability for ethane compared to ethylene by CH π attraction due to the numerical advantage, so it is used as an adsorbent. A mixed gas of ethane/ethylene can be separated by selective adsorption of ethane.

나아가, 본 발명은 흡착제 층에는 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 구비하고, 일측에는 가스 주입구를, 타측에는 가스 배출구를 구비하여 가스 주입구로부터 투입된 가스가 흡착제 층을 통과하여 가스 배출구를 통해 방출되는 반응기에, 에탄을 50몰% 이하로 함유하는 0 bar 초과 20 bar 이하 압력의 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스를 주입하여 에탄을 흡착시키면서 가스 배출구로부터 에탄 함유량이 1몰% 미만으로 감소된 에틸렌 가스를 수집하는 제1단계; 가스 배출구로부터 방출되는 가스 중의 에탄 함유량이 1몰% 이상일 때, 상기 에탄을 흡착시킨 반응기에 흡착 압력 미만의 압력에서 순도 99몰% 이상의 에틸렌 가스를 주입하여 흡착된 에탄을 탈착시키면서 에틸렌을 흡착시켜 흡착제 층을 포화시키는 제2단계; 및 상기 흡착제 층이 에틸렌으로 포화 흡착된 반응기에 0 bar 초과 20 bar 이하 압력의 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스를 주입하여 에탄을 재흡착시키면서 가스 배출구로부터 에탄 함유량이 1몰% 미만인 에틸렌 가스를 수집하는 제3단계;를 포함하는, 99몰% 이상의 순도를 갖는 에틸렌 가스의 제조방법을 제공한다.Further, the present invention comprises a carbon structure having an average diameter of less than 2 nm in the adsorbent layer, a single-layered graphene pore wall, and a gas inlet on one side and a gas outlet on the other side from the gas inlet. A mixed gas containing ethane and ethylene at a pressure greater than 0 bar and less than 20 bar containing 50 mol% or less of ethane is injected into the reactor in which the input gas passes through the adsorbent layer and is discharged through the gas outlet to adsorb ethane. A first step of collecting ethylene gas having an ethane content of less than 1 mol% from the outlet; When the ethane content in the gas discharged from the gas outlet is 1 mol% or more, ethylene gas with a purity of 99 mol% or more is injected into the reactor in which the ethane is adsorbed at a pressure less than the adsorption pressure to desorb the adsorbed ethane while adsorbing ethylene. A second step of saturating the layer; And a mixed gas containing ethane and ethylene having a pressure of more than 0 bar and not more than 20 bar is injected into the reactor in which the adsorbent layer is saturated with ethylene, and ethane is resorbed while collecting ethylene gas having an ethane content of less than 1 mol% from the gas outlet. It provides a method for producing ethylene gas having a purity of 99 mol% or more, including a third step.

상기 제조방법을 이용하여 에틸렌과 함께 50몰% 이하의 에탄을 함유하는 혼합 가스로부터 산업상 이용 가능성이 높은 고순도의 에틸렌을 생산할 수 있다.By using the above manufacturing method, high purity ethylene with high industrial applicability can be produced from a mixed gas containing 50 mol% or less of ethane together with ethylene.

상기 "에틸렌(ethylene)"은 가장 널리 사용되는 플라스틱의 일종인 폴리에틸렌(polyethylene; PE)의 제조에 사용되는 단량체로서, 에탄의 스팀 크랙킹(steam cracking)에 의해 생산될 수 있다. 이와 같이 생산되는 에틸렌은 미반응한 에탄과의 혼합물로 제공되며, 통상 증류법을 이용하여 이들을 분리한다. 이때, 상기 반응에 있어서 부산물로 이산화탄소 등의 가스도 생성되기도 하나, 그 함량은 미비하며 부산물의 대부분은 에탄일 수 있다. 상기 에틸렌 생산 반응의 생성물은 에틸렌과 에탄의 혼합 가스로 가정할 수 있으며, 이에 함유된 에탄의 함유량은 에틸렌의 생산량을 초과하지 않는다, 예컨대, 최대 50:50의 몰비로 혼합된 가스일 수 있으며, 통상 에틸렌의 함유량이 에탄의 함유량을 상회하나, 이에 제한되지 않고 본 발명의 흡착분리방법을 적용할 수 있다.The "ethylene" is a monomer used in the manufacture of polyethylene (PE), which is one of the most widely used plastics, and may be produced by steam cracking of ethane. Ethylene thus produced is provided as a mixture with unreacted ethane, and they are usually separated using a distillation method. In this case, gas such as carbon dioxide may be generated as a by-product in the reaction, but the content thereof is insufficient, and most of the by-product may be ethane. The product of the ethylene production reaction may be assumed to be a mixed gas of ethylene and ethane, and the content of ethane contained therein does not exceed the production amount of ethylene, for example, it may be a gas mixed at a molar ratio of at most 50:50, Usually, the content of ethylene exceeds the content of ethane, but the present invention is not limited thereto, and the adsorption separation method of the present invention can be applied.

예컨대, 상기 제2단계는 가스 배출구로부터 방출되는 가스의 에틸렌 함유량이 99몰% 이상이 될 때까지 수행할 수 있다.For example, the second step may be performed until the ethylene content of the gas discharged from the gas outlet becomes 99 mol% or more.

한편, 상기 제조방법에서 제3단계 이후, 제2단계 및 제3단계를 포함하는 사이클을 1회 이상 추가로 수행할 수 있다. 예컨대, 별도의 탈착 과정 없이 공급하는 가스의 종류 및/또는 압력을 조절함으로써 에탄 및 에틸렌의 순차적인 흡/탈착을 반복하여 상기 공정을 연속적으로 수행할 수 있다. 나아가, 가스 배출구로부터 방출되는 가스 중 에탄 함량이 1몰% 이상 또는 에틸렌 함량이 99% 미만인 가스는 별도로 회수하여 제3단계에 혼합 가스로서 재투입하여 에틸렌 함량을 향상시킬 수 있다.Meanwhile, in the manufacturing method, after the third step, the cycle including the second step and the third step may be additionally performed one or more times. For example, by controlling the type and/or pressure of the supplied gas without a separate desorption process, the above process may be continuously performed by repeating the sequential adsorption/desorption of ethane and ethylene. Further, a gas having an ethane content of 1 mol% or more or an ethylene content of less than 99% in the gas discharged from the gas outlet may be separately recovered and re-introduced as a mixed gas in the third step to improve the ethylene content.

고순도의 에틸렌 가스를 회수하기 위하여, 반응기의 가스 배출구에는 에탄 및/또는 에틸렌의 함량을 측정하기 위한 수단을 추가로 구비할 수 있으며, 이를 이용하여 가스 배출구로부터 방출되는 가스 중의 에탄, 에틸렌, 또는 둘 모두의 함량을 모니터하여, 에탄 함유량이 1몰% 미만 또는 에틸렌 함유량이 99몰% 이상인 가스를 선택적으로 회수할 수 있다.In order to recover high-purity ethylene gas, a means for measuring the content of ethane and/or ethylene may be additionally provided at the gas outlet of the reactor, and ethane, ethylene, or two in the gas discharged from the gas outlet may be further provided. By monitoring the content of all, it is possible to selectively recover a gas having an ethane content of less than 1 mol% or an ethylene content of 99 mol% or more.

본 발명은 0.1 내지 50 bar의 넓은 압력 범위에서 에탄 선택적 흡착능을 발휘할 수 있는, 평균 직경 2 nm 이하의 기공, 예컨대, 0.3 내지 2 nm의 범위에 반치전폭 0.1 내지 0.8 nm의 기공 분포를 갖는, 균일한 크기의 마이크로 기공을 가지며, 95% 이상의 SP2 탄소결합을 포함하며 C6 탄소 구조체를 바탕으로 C5 또는 C7 탄소 구조, 또는 이들 모두를 포함하는 3차원 탄소 구조체를 흡착제로 사용함으로써, 통상의 분리 반응이 수행되는 높은 압력에서도 에탄 선택적 흡착이 가능하므로 에탄/에틸렌 혼합 가스의 흡착분리공정에 적용할 수 있다.The present invention is a uniform pore distribution having an average diameter of 2 nm or less, for example, a pore distribution having a full width of 0.1 to 0.8 nm in the range of 0.3 to 2 nm, which can exhibit ethane selective adsorption ability in a wide pressure range of 0.1 to 50 bar. A typical separation reaction by using a C5 or C7 carbon structure based on a C6 carbon structure, or a three-dimensional carbon structure including both as an adsorbent, having a micropore of one size, containing 95% or more of SP 2 carbon bonds Since ethane selective adsorption is possible even at a high pressure in which this is performed, it can be applied to the adsorption separation process of an ethane/ethylene mixed gas.

도 1은 제올라이트를 주형으로 제조된 마이크로 다공성 탄소 구조체의 에탄 우위적 흡착 특성을 이용하여 에탄/에틸렌 혼합 가스로부터 고순도 에틸렌을 수득하는 과정을 도식화하여 나타낸 도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 제올라이트를 주형으로 제조된 마이크로 다공성 탄소 구조체, (a) Beta-ZTC 및 (b) FAU-ZTC에 대한 아르곤의 흡탈착 곡선 및 기공 크기 분포를 나타낸 도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 제올라이트를 주형으로 제조된 마이크로 다공성 탄소 구조체인 (a) Beta-ZTC, (b) FAU-ZTC 및 (c) EMT-ZTC를 흡착제로 이용하여 측정한 에탄/에틸렌에 대한 0 내지 10 bar에서의 흡탈착 등온선을 나타낸 도이다.
도 4는 비교예로써 각각 (a) CuCl2 담지된 실리카, (b) 그래핀 시트 및 (c) 다르코 활성탄을 흡착제로 이용하여 측정한 에탄/에틸렌에 대한 30℃에서 상압(100 kPa)까지의 흡탈착 등온선 및 (d) 다르코 활성탄을 흡착제로 이용하여 측정한 에탄/에틸렌에 대한 30℃에서 10 bar까지의 흡탈착 등온선을 나타낸 도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 제올라이트를 주형으로 제조된 마이크로 다공성 탄소 구조체, Beta-ZTC를 흡착제로 이용하여 에탄/에틸렌 혼합 가스에 대해 측정한 에탄과 에틸렌의 혼합 조성에 따른 파과곡선을 나타낸 도이다.
도 6은 Beta-ZTC를 흡착제로 이용하여 측정한 에탄/에틸렌 혼합 가스에 대한 파과실험을 토대로 작성한 흡-탈착 사이클을 이용하여 고순도 에틸렌을 수득하는 과정에서 개별 가스 함량 변화를 나타낸 도이다.
1 is a diagram schematically showing a process of obtaining high-purity ethylene from an ethane/ethylene mixed gas by using the ethane superior adsorption property of a microporous carbon structure made of zeolite as a template.
FIG. 2 is a diagram showing the adsorption and desorption curves and pore size distributions of argon for a microporous carbon structure, (a) Beta-ZTC and (b) FAU-ZTC, made of a zeolite according to an embodiment.
Figure 3 is a microporous carbon structure made of a zeolite according to an embodiment as a template (a) Beta-ZTC, (b) FAU-ZTC and (c) EMT-ZTC measured using an adsorbent in ethane / ethylene It is a diagram showing the adsorption and desorption isotherms at 0 to 10 bar.
4 is a comparative example from 30° C. to normal pressure (100 kPa) for ethane/ethylene measured using (a) CuCl 2 supported silica, (b) graphene sheet and (c) Darko activated carbon as an adsorbent. It is a diagram showing the adsorption and desorption isotherms of and (d) the adsorption and desorption isotherms from 30°C to 10 bar for ethane/ethylene measured using Darko activated carbon as an adsorbent.
FIG. 5 is a diagram showing a breakthrough curve according to a mixture composition of ethane and ethylene measured for an ethane/ethylene mixed gas using a microporous carbon structure made of zeolite as a template and Beta-ZTC according to an embodiment. .
6 is a diagram showing changes in individual gas content in the process of obtaining high-purity ethylene using an adsorption-desorption cycle prepared based on a breakthrough experiment for an ethane/ethylene mixture gas measured using Beta-ZTC as an adsorbent.

이하, 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. These examples are only for describing the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

비교예Comparative example 1: One: 다르코Darko 활성탄 Activated carbon

시판 중인 다르코 활성탄(Darco activated carbon)을 구입하여 비교예 1의 시료로 사용하였다. 다르코 활성탄은 SP2 C6로 이루어져 있으나, PSD가 일정하지 않은 특징이 있다.Commercially available Darco activated carbon was purchased and used as a sample of Comparative Example 1. Darko activated carbon consists of SP 2 C6, but it has a characteristic that the PSD is not constant.

비교예Comparative example 2: 2: 그래핀Graphene 시트 Sheet

엔바로테크사로부터 그래핀 시트를 구입하여 비교예 2의 시료로 사용하였다. 그래핀 시트 역시 SP2 C6로 이루어지나 C6의 탄소 구조만을 포함한다.A graphene sheet was purchased from Enbarotech, and was used as a sample of Comparative Example 2. Graphene sheet is also made of SP 2 C6, but contains only C6 carbon structure.

비교예Comparative example 3: 구리를 3: copper 담지한Supported 실리카 흡착제 Silica adsorbent

1중량%로 CuCl2를 담지한 실리카 흡착제를 비교예 3의 시료로 사용하였다.A silica adsorbent carrying CuCl 2 at 1% by weight was used as a sample of Comparative Example 3.

제조예Manufacturing example 1: 란타늄이 1: Lanthanum is 이온교환된Ion-exchanged FAUFAU 제올라이트를 이용한 마이크로 다공성 탄소 구조체의 제조 Preparation of microporous carbon structure using zeolite

0.5 M La(NO3)3 수용액에 FAU 제올라이트를 20분 동안 침지시킨 후, 필터를 통해 수득하는 과정을 3회 반복하여 란타늄 이온교환된 FAU 제올라이트를 준비하였다. 상기 란타늄 이온교환된 FAU 제올라이트 내의 란타늄 함량은 약 20중량%였다. 상기 란타늄 이온교환된 FAU 제올라이트를 15 mm 디스크가 달린 석영관 반응기에 넣고, 질소 분위기 하에서 반응기를 600℃로 가열하였다. 반응기 내부의 온도가 600℃에 이르면 에틸렌, 수증기 및 캐리어 가스인 질소가 혼합된 혼합 가스를 반응기 내부로 통과시켜 3시간 동안 탄소를 형성하였다. 이후 질소로만 처리하는 상태에서 800℃로 2시간 동안 추가로 열처리하고, 상온으로 반응기를 냉각하였다. 사용한 혼합 가스의 에틸렌/수증기/질소 조성은 10몰%/7몰%83몰%였으며, 분당 총 130 mL의 속도로 흘려주었다. 상기 반응을 종료하는 3시간의 시점은 더이상 탄소가 증착되지 않아 탄소-제올라이트 복합체의 무게가 더 이상 증가하지 않는 지점을 기준으로 설정하였다. HF와 HCl의 혼합 수용액을 이용한 습식 에칭을 이용하여 상기 제조된 탄소-제올라이트 복합체에서 제올라이트를 선택적으로 제거하여 다공성 탄소 구조체를 수득하였다.After immersing FAU zeolite in 0.5 M La(NO 3 ) 3 aqueous solution for 20 minutes, the process of obtaining through a filter was repeated three times to prepare a lanthanum ion-exchanged FAU zeolite. The lanthanum content in the lanthanum ion-exchanged FAU zeolite was about 20% by weight. The lanthanum ion-exchanged FAU zeolite was placed in a quartz tube reactor equipped with a 15 mm disk, and the reactor was heated to 600°C under a nitrogen atmosphere. When the temperature inside the reactor reached 600° C., a mixed gas of ethylene, water vapor, and nitrogen as a carrier gas was passed through the reactor to form carbon for 3 hours. Thereafter, heat treatment was performed at 800° C. for 2 hours in a state of being treated only with nitrogen, and the reactor was cooled to room temperature. The ethylene/water vapor/nitrogen composition of the mixed gas used was 10 mol%/7 mol%, 83 mol%, and flowed at a total rate of 130 mL per minute. The point at which the reaction was terminated for 3 hours was set based on the point at which the weight of the carbon-zeolite composite no longer increased because no more carbon was deposited. A porous carbon structure was obtained by selectively removing zeolite from the prepared carbon-zeolite composite by using wet etching using a mixed aqueous solution of HF and HCl.

상기와 같이 제조된 탄소 구조체의 아르곤에 대한 등온흡탈착 그래프와 기공 크기를 측정하고, 그 결과를 도 2에 나타내었다. 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따라 란타늄으로 이온교환된 제올라이트를 주형으로 하여 제조된 탄소 구조체는 평균 0.92 nm 크기의 기공을 갖는 것으로 나타났다. 상기 기공 분포 그래프로부터 산출된 피크의 반치전폭(full width at half maximum; FWHM)은 0.5 nm로 매우 균일한 크기의 마이크로 기공이 형성된 것을 확인할 수 있었다.An isothermal adsorption and desorption graph and pore size for argon of the carbon structure prepared as described above were measured, and the results are shown in FIG. 2. As shown in FIG. 2, the carbon structure prepared by using the zeolite ion-exchanged with lanthanum as a template according to the present invention was found to have pores having an average size of 0.92 nm. The full width at half maximum (FWHM) of the peak calculated from the pore distribution graph was 0.5 nm, and it was confirmed that micropores having a very uniform size were formed.

또한, 상기 제조된 탄소 구조체를 이루는 모든 탄소 원자들은 SP2 결합성질을 가짐을 확인하였다. 구체적으로, NMR 분석을 통해 상기 제조된 탄소 구조체가 3차원 마이크로 다공성 그래핀 구조체임을 확인하였다. 이는 SP2 결합성질을 가지면서도 그래핀 시트가 아닌 굴곡이 있는 3차원의 구조를 갖기 위해 C6 탄소 구조 이외에 C5 및/또는 C7의 탄소 구조를 포함함을 나타내는 것이다.In addition, it was confirmed that all carbon atoms constituting the prepared carbon structure had SP 2 bonding properties. Specifically, it was confirmed through NMR analysis that the prepared carbon structure was a 3D microporous graphene structure. This indicates that the carbon structure of C5 and/or C7 is included in addition to the C6 carbon structure in order to have a three-dimensional structure with a curve, not a graphene sheet while having SP 2 bonding properties.

제조예Manufacturing example 2: 란타늄이 2: Lanthanum is 이온교환된Ion-exchanged beta 제올라이트를 이용한 마이크로 다공성 탄소 구조체의 제조 Preparation of microporous carbon structure using beta zeolite

주형체로서 FAU 제올라이트 대신에 beta 구조를 갖는 제올라이트를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 유사한 방법으로 탄소 구조체를 제조하였다. 제조한 탄소 구조체에 대해 아르곤 흡착을 분석하고, 기공 크기 분포 및 이로부터 FWHM을 산출하였다. 그 결과, beta 구조 제올라이트를 주형으로 하여 제조된 탄소 구조체는 평균 0.88 nm 크기 및 0.2 nm FWHM의 균일한 마이크로 기공을 갖는 다공성 구조체임을 확인하였으며, 이로부터 산출된 BET 비표면적 및 마이크로 기공 분율은 각각 2540 m2/g 및 1.18 mL/g이었다.A carbon structure was prepared in a similar manner to Preparation Example 1, except that zeolite having a beta structure was used instead of the FAU zeolite as the template. Argon adsorption was analyzed for the prepared carbon structure, and pore size distribution and FWHM were calculated therefrom. As a result, it was confirmed that the carbon structure manufactured using the beta-structure zeolite as a template was a porous structure having an average size of 0.88 nm and uniform micropores of 0.2 nm FWHM, and the BET specific surface area and micropore fraction calculated therefrom were 2540, respectively. m 2 /g and 1.18 mL/g.

제조예Manufacturing example 3: 란타늄이 3: Lanthanum is 이온교환된Ion-exchanged EMTEMT 제올라이트를 이용한 마이크로 다공성 탄소 구조체의 제조 Preparation of microporous carbon structure using zeolite

주형체로서 FAU 제올라이트 대신에 EMT 구조를 갖는 제올라이트를 사용하는 것을 제외하고는, 상기 제조예 1과 유사한 방법으로 탄소 구조체를 제조하였다. 제조한 탄소 구조체에 대해 아르곤 흡착을 분석하고, 기공 크기 분포 및 이로부터 FWHM을 산출하였다. 그 결과, beta 구조 제올라이트를 주형으로 하여 제조된 탄소 구조체는 평균 0.93 nm 크기 및 0.2 nm FWHM의 균일한 마이크로 기공을 갖는 다공성 구조체임을 확인하였으며, 이로부터 산출된 BET 비표면적 및 마이크로 기공 분율은 각각 2660 m2/g 및 1.12 mL/g이었다.A carbon structure was prepared in a similar manner to Preparation Example 1, except that zeolite having an EMT structure was used instead of the FAU zeolite as the template. Argon adsorption was analyzed for the prepared carbon structure, and pore size distribution and FWHM were calculated therefrom. As a result, it was confirmed that the carbon structure manufactured using the beta-structure zeolite as a template was a porous structure having an average size of 0.93 nm and uniform micropores of 0.2 nm FWHM, and the BET specific surface area and micropore fraction calculated therefrom were 2660, respectively. m 2 /g and 1.12 mL/g.

실시예Example 1: 제올라이트를 주형으로 제조한 마이크로 다공성 탄소 구조체의 에탄/에틸렌 가스에 대한 1: About ethane/ethylene gas of a microporous carbon structure made of zeolite 흡탈착Adsorption and desorption 등온선 측정 Isotherm measurement

상기 제조예 1 내지 3에 따라 준비한 제올라이트를 주형으로 제조한 마이크로 다공성 탄소 구조체(zeolite-templated carbon), FAU-ZTC, Beta-ZTC 및 EMT-ZTC를 흡착제로 사용하여 에탄/에틸렌에 대한 흡탈착 등온선을 측정하였다. 구체적으로, 루보썸(Rubotherm) 사의 중량분석기를 이용하여 흡착을 수행하였다. 에탄/에틸렌 각각의 가스 흡착 조건은 30℃에서 100 bar까지 실시하였다. 흡착제로는 FAU-ZTC, Beta-ZTC 및 EMT-ZTC 분말을 각각 100 mg씩 취하여 사용하였다. 준비한 흡착제는 200℃에서 6시간 동안 가열하고, 30℃로 냉각시켜 전처리한 후, 흡착을 개시하였다. 각각에 대해 측정된 흡탈착 등온선을 도 3에 나타내었다. (a) 내지 (c)는 각각 Beta-ZTC, FAU-ZTC 및 EMT-ZTC를 흡착제로 사용하여 얻은 결과이다. 도 3에 나타난 바와 같이, 흡착 압력 1 bar 내지 10 bar 사이의 범위 전체에서 에탄과 에틸렌은 흡착량의 차이를 나타내었으며, 이는 해당 압력 범위에서 이들 흡착제를 사용하여 에탄과 에틸렌을 분리할 수 있음을 나타낸다. 예컨대, Beta-ZTC를 흡착제로 사용한 경우, 흡착 압력 10 bar에서 에탄과 에틸렌의 흡착량은 각각 10.6 mol/g과 8.4 mol/g으로, 저압에서의 분리도가 10 bar까지도 유지되었다. 이러한 마이크로 다공성 탄소 구조체의 에탄/에틸렌 흡착량 차이에 의한 분리 효과를 보다 구체적으로 확인하기 위하여, 비교예로서 흡착제로 CuCl2를 담지한 실리카, 그래핀 시트 또는 활성탄을 사용하여 동일한 조건에서 흡탈착 실험을 수행하고, 그 결과를 도 4에 나타내었다. 구체적으로, 도 4(a)에 나타난 바와 같이, 구리 이온을 포함하여 극성을 갖는 흡착제를 사용하는 경우 에탄에 비해 에틸렌에 대해 우세한 흡착력을 나타냄을 확인하였다. 한편, 도 4(b) 및 4(c)에 나타난 바와 같이, 통상의 그래핀 시트 또는 활성탄을 흡착제로 사용하는 경우, 1 bar(100 kPa) 미만에서 에탄 및 에틸렌의 흡착량 차이는 매우 미미하였으며, 그래핀 시트를 사용하는 경우에는 고압으로 갈수록 오히려 에틸렌의 흡착량이 더 높아짐을 확인할 수 있었다. 나아가, 도 4(d)에는 비교예로서 다르코 활성탄을 흡착제로 이용하여 10 bar까지의 증가된 압력 조건에서 측정한 에탄/에틸렌 흡탈착 등온선을 나타내었으며, 상기 흡탈착 등온선은 에탄 및 에틸렌에 대해 모두 2 bar 근처에서 포화되었으며, 10 bar까지 압력에 증가하여도 에탄이 다소 우세한 흡착력을 나타내기는 하나 여전히 그 차이는 미미하게 유지되었다.Adsorption and desorption isotherms for ethane/ethylene using a microporous carbon structure (zeolite-templated carbon), FAU-ZTC, Beta-ZTC, and EMT-ZTC prepared by the zeolite prepared according to Preparation Examples 1 to 3 as an adsorbent Was measured. Specifically, adsorption was performed using a gravimetric analyzer manufactured by Rubotherm. Gas adsorption conditions for each of ethane/ethylene were carried out at 30° C. to 100 bar. As adsorbents, 100 mg of FAU-ZTC, Beta-ZTC and EMT-ZTC powder were each used. The prepared adsorbent was heated at 200° C. for 6 hours and cooled to 30° C. for pretreatment, and then adsorption was started. The adsorption and desorption isotherms measured for each are shown in FIG. 3. (a) to (c) are results obtained by using Beta-ZTC, FAU-ZTC, and EMT-ZTC as adsorbents, respectively. As shown in FIG. 3, the difference in adsorption amount of ethane and ethylene was shown in the entire range between 1 bar and 10 bar of adsorption pressure, which indicates that ethane and ethylene can be separated using these adsorbents in the corresponding pressure range. Show. For example, when Beta-ZTC was used as an adsorbent, the adsorption amounts of ethane and ethylene at an adsorption pressure of 10 bar were 10.6 mol/g and 8.4 mol/g, respectively, and the degree of separation at low pressure was maintained up to 10 bar. In order to more specifically confirm the separation effect due to the difference in the amount of ethane/ethylene adsorption of the microporous carbon structure, as a comparative example, an adsorption and desorption experiment under the same conditions using silica, graphene sheet or activated carbon supporting CuCl 2 as an adsorbent. And the results are shown in FIG. 4. Specifically, as shown in FIG. 4(a), it was confirmed that the use of an adsorbent having polarity including copper ions exhibited superior adsorption power to ethylene compared to ethane. On the other hand, as shown in Figs. 4(b) and 4(c), when a conventional graphene sheet or activated carbon is used as an adsorbent, the difference in adsorption amounts of ethane and ethylene at less than 1 bar (100 kPa) was very slight. In the case of using the graphene sheet, it was confirmed that the higher the pressure, the higher the amount of ethylene adsorption was. Further, FIG. 4(d) shows an ethane/ethylene adsorption and desorption isotherm measured under increased pressure conditions up to 10 bar using Darko activated carbon as an adsorbent as a comparative example, and the adsorption and desorption isotherms for ethane and ethylene are shown. All were saturated around 2 bar, and although ethane showed a somewhat dominant adsorption power even when the pressure was increased to 10 bar, the difference was still insignificant.

실시예Example 2: Beta- 2: Beta- ZTC의ZTC's 에탄/에틸렌 가스에 대한 For ethane/ethylene gas 파과Breakthrough 곡선 측정 Curve measurement

상기 실시예 1에서 가장 우수한 흡착능을 나타낸 BEA-ZTC를 이용하여 에탄/에틸렌에 대한 파과 곡선을 측정하였다. 구체적으로, 에탄/에틸렌의 파과 곡선을 측정하기 위하여 튜브형 반응기를 제작하여 흡착을 수행하였다. 파과 곡선을 측정하기 위한 흡착 조건은 에탄 및 에틸렌을 각각 50:50 또는 10:90 몰%로 함유하는 조성의 혼합 가스를 이용하고, 반응기의 압력을 1 내지 5 bar로 선택하였다. 파과 실험을 위하여 흡착제로 약 1 g의 BEA-ZTC 성형체를 사용하였다. 흡착 실험에 앞서 진공 상태에서 200℃로 12시간 동안 열처리 하였다. 반응기에 성형체를 충전한 후 10℃로 냉각시키고 상기 조성의 혼합 가스를 10 cc/min으로 흘려주면서 흡착을 개시하였다. 각각에 대해 측정된 파과 곡선을 도 5에 나타내었다.The breakthrough curve for ethane/ethylene was measured using BEA-ZTC, which showed the best adsorption ability in Example 1. Specifically, in order to measure the breakthrough curve of ethane/ethylene, a tubular reactor was prepared and adsorption was performed. Adsorption conditions for measuring the breakthrough curve were a mixed gas of a composition containing 50:50 or 10:90 mol% of ethane and ethylene, respectively, and the pressure of the reactor was selected from 1 to 5 bar. For the breakthrough experiment, about 1 g of BEA-ZTC molded body was used as an adsorbent. Prior to the adsorption experiment, heat treatment was performed at 200° C. for 12 hours in a vacuum state. After the molded body was filled in the reactor, it was cooled to 10° C., and adsorption was initiated while flowing a mixed gas of the composition at 10 cc/min. The breakthrough curves measured for each are shown in FIG. 5.

도 5에 나타난 바와 같이, beta-ZTC를 흡착제로 사용하여 혼합 가스로부터 에탄/에틸렌의 흡착 분리가 가능함을 확인하였다. 구체적으로, 1:1 조성의 혼합 가스를 1 bar로 흘려주는 경우 에탄이 흡착되면서 에틸렌이 99.9% 방출되는 시간이 약 5분 정도였으며, 5 bar로 가압하는 경우 에틸렌이 99.9% 방출되는 시간은 약 4분 정도였다. 한편, 1:9 조성의 혼합 가스를 1 bar로 흘려주는 경우 에틸렌이 99.9% 방출되는 시간은 약 6분 정도였으나, 5 bar로 가압하는 경우 약 5분 정도였다. 이는 상압뿐만 아니라 가압 상태에서도 다양한 조성의 혼합 가스로부터 에탄/에틸렌의 흡착 분리가 가능함을 나타내는 것이다. 예컨대, 실제 공정의 경우 고압의 혼합 가스 형태로 흡착 반응기로 도입되므로 이와 같이 고압에서도 흡착 분리를 유지하는 능력은 흡착 분리를 위한 흡착제로서의 중요한 요소이다.As shown in FIG. 5, it was confirmed that adsorption separation of ethane/ethylene from the mixed gas was possible using beta-ZTC as an adsorbent. Specifically, when a mixed gas of 1:1 composition is flowed at 1 bar, the time for 99.9% of ethylene to be released while ethane is adsorbed was about 5 minutes, and when pressurized to 5 bar, the time for 99.9% of ethylene to be released was about It was about 4 minutes. On the other hand, when the 1:9 mixture gas was flowed at 1 bar, the time for 99.9% of ethylene to be released was about 6 minutes, but when pressurized at 5 bar, it was about 5 minutes. This indicates that adsorption separation of ethane/ethylene is possible from mixed gases of various compositions not only under normal pressure but also under pressure. For example, in the case of an actual process, since it is introduced into the adsorption reactor in the form of a high-pressure mixed gas, the ability to maintain adsorption separation even at high pressure is an important factor as an adsorbent for adsorption separation.

실시예Example 3: Beta- 3: Beta- ZTC의ZTC's 에탄/에틸렌 가스에 대한 For ethane/ethylene gas 파과Breakthrough 및 탈착 실험 And desorption experiment

상기 실시예 2에서 수행한 Beta-ZTC를 이용한 에탄/에틸렌에 대한 파과 실험 결과를 바탕으로, 에탄 및 에틸렌을 각각 10몰%와 90몰%로 함유하는 조성 가스를 이용하고, 흡착제로는 Beta-ZTC 성형체 1 g을 사용하여 200℃에서 12시간 동안 가열하고 10℃로 냉각시켜 전처리한 후, 흡/탈착 실험을 개시하였다.Based on the results of the breakthrough experiment for ethane/ethylene using Beta-ZTC performed in Example 2, a composition gas containing 10 mol% and 90 mol% of ethane and ethylene, respectively, was used, and as an adsorbent, Beta- Using 1 g of the ZTC molded body, after heating at 200°C for 12 hours and cooling to 10°C for pretreatment, adsorption/desorption experiments were started.

구체적으로, 상기 흡착제를 구비한 반응기에 에탄/에틸렌 혼합 가스를 흘려주면서 압력을 5 bar로 유지하여 에탄의 선택적 흡착을 유도한 후(단계 (a)), 에틸렌을 1 bar로 감압하여 흘려주면서 에틸렌으로 퍼지(purge)하여 에탄을 탈착시키고(단계 (b)), 다시 혼합 가스를 5 bar로 흘려주면서 재흡착시켰다(단계 (c)). 이때 각 단계의 방출 가스 중 에탄 및 에틸렌의 함량을 측정하여 도 6에 나타내었다. 도 6에 나타난 바와 같이, 단계 (a)의 흡착 시, 초기(27분 내지 35분)에는 에탄의 선택적 흡착에 의해 에틸렌이 방출 가스의 99.9% 이상을 차지하였다. 단계 (b)의 에틸렌 퍼지 시에는 이전 단계로부터 선택적으로 흡착되었던 에탄이 탈착(~17분까지)되어 방출되었다. 이어지는 단계 (c)의 재흡착 시에는 상기 단계 (a)에서와 마찬가지로 ~35분까지 에탄의 선택적 흡착이 이루어지면서 에틸렌이 방출 가스의 대부분을 차지하였다. 이는 본 발명의 흡착제를 사용하는 흡착 분리 반응에 의해 에틸렌에 소량의 에탄을 함유하는 혼합 가스로부터 에틸렌을 정제(순도 99.9% 이상)하여 산업상 이용 가능성이 높은 고순도의 에틸렌을 생산할 수 있음을 나타내는 것이다.Specifically, after flowing an ethane/ethylene mixture gas into the reactor equipped with the adsorbent and maintaining the pressure at 5 bar to induce selective adsorption of ethane (step (a)), ethylene was reduced to 1 bar and flowed through ethylene. The ethane was desorbed by purge (step (b)), and the mixed gas was again adsorbed while flowing at 5 bar (step (c)). At this time, the content of ethane and ethylene in the emission gas of each step was measured and shown in FIG. 6. As shown in FIG. 6, during the adsorption in step (a), ethylene occupied more than 99.9% of the discharged gas by selective adsorption of ethane in the initial stage (27 to 35 minutes). During the ethylene purge in step (b), ethane, which had been selectively adsorbed from the previous step, was desorbed (until ~17 minutes) and released. In the subsequent re-adsorption of step (c), as in step (a), ethane was selectively adsorbed until ~35 minutes, and ethylene occupied most of the exhaust gas. This indicates that high purity ethylene with high industrial applicability can be produced by purifying ethylene (purity of 99.9% or more) from a mixed gas containing a small amount of ethane in ethylene by an adsorption separation reaction using the adsorbent of the present invention. .

구체적으로, 도 1에 도시한 바와 같이, 에탄 우위의 흡착 특성을 갖는 흡착제를 이용한 에탄/에틸렌 혼합 가스로부터 고순도의 에틸렌을 수득하는 방법은 다음과 같이 3단계 반응을 통해 수행할 수 있었다.Specifically, as shown in FIG. 1, a method of obtaining high purity ethylene from an ethane/ethylene mixed gas using an adsorbent having superior ethane adsorption characteristics could be carried out through a three-step reaction as follows.

단계 1: 에탄 우위의 흡착 특성을 갖는 흡착제로 충진된 흡착탑에 에틸렌을 사전 흡착(pre-adsorption) Step 1 : Pre-adsorption of ethylene in an adsorption tower filled with an adsorbent with superior adsorption properties of ethane

단계 2: 분리하고자 하는 에탄/에틸렌 혼합 가스(에탄 함량 50% 이하)를 흘려주어 사전 흡착되어 있는 에틸렌을 대신하여 에탄 분자가 흡착제에 흡착 Step 2 : Ethane molecules are adsorbed to the adsorbent instead of pre-adsorbed ethylene by flowing an ethane/ethylene mixed gas (ethane content less than 50%) to be separated.

단계 3: 혼합 기체 중의 에탄에 의해 대체되면서 탈착된 사전 흡착된 에틸렌 및 혼합 가스 중의 에틸렌을 함유하는 고순도 에틸렌을 회수 Step 3 : Recovering pre-adsorbed ethylene desorbed while being replaced by ethane in the mixed gas and high-purity ethylene containing ethylene in the mixed gas

구체적으로, 흡착 공정에서 다른 공정에 비해 낮은 에너지로 재생할 수 있는 공정 방법은 다음과 같다. 상기 에탄을 선택적으로 흡착하는 흡착제로 충진된 흡착탑에 200℃ 이상에서 진공 전처리를 한 후, 에틸렌 가스를 채웠다. 이후 분리하고자 하는 에탄/에틸렌 혼합 가스를 흘려주면 충진된 흡착제에 대해 보다 높은 흡착력을 갖는 에탄이 흡착 자리를 차지하면서 상대적으로 약하게 흡착되어 있던 에틸렌을 탈착시키므로 이들 탈착된 에틸렌은 혼합 가스 중의 에틸렌과 함께 배출되므로 배출 가스 중의 에탄 함량은 감소하고 에틸렌 함량은 증가하여 고순도의 에틸렌을 회수하는 것이 가능하였다.Specifically, a process method that can be regenerated with lower energy than other processes in the adsorption process is as follows. After vacuum pretreatment at 200° C. or higher in an adsorption tower filled with an adsorbent for selectively adsorbing ethane, ethylene gas was charged. Then, when the ethane/ethylene mixture gas to be separated is flowed, ethane having a higher adsorption power to the filled adsorbent occupies the adsorption site and desorbs relatively weakly adsorbed ethylene. Therefore, these desorbed ethylene are combined with ethylene in the mixed gas. Since it is discharged, the ethane content in the exhaust gas decreases and the ethylene content increases, so that it was possible to recover high purity ethylene.

Claims (7)

2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 유효성분으로 포함하는, 에탄 및 에틸렌 분리용 조성물.
A composition for separating ethane and ethylene, including pores having an average diameter of 2 nm or less, and including a carbon structure having a single-layer graphene pore wall as an active ingredient.
제1항에 있어서,
상기 탄소 구조체는 d-오비탈의 전자가 비어있는(empty d-orbitial) 금속인 활성 금속을 함유하는 제올라이트에 불포화 지방족 탄화수소, 캐리어 가스 및 수증기를 포함하는 혼합 가스를 공급하여 400 내지 650℃에서 수행되는 화학증착에 의해 주형체의 기공벽을 따라 형성되는 것인, 에탄 및 에틸렌 분리용 조성물.
The method of claim 1,
The carbon structure is performed at 400 to 650° C. by supplying a mixed gas containing an unsaturated aliphatic hydrocarbon, a carrier gas and water vapor to a zeolite containing an active metal, which is an empty d-orbitial metal. The composition for separating ethane and ethylene is formed along the pore walls of the template by chemical vapor deposition.
제2항에 있어서,
상기 제올라이트는 LTL, VFI, MAZ, MEI, FAU, EMT, OFF, BEA, MOR, MFI, MPS, MEL, MTW, EUO, MTT, HEU, FER, TON, CHA, ERI, KFI, LEV, LTA 또는 이들의 혼합 구조형인 것인, 에탄 및 에틸렌 분리용 조성물.
The method of claim 2,
The zeolite is LTL, VFI, MAZ, MEI, FAU, EMT, OFF, BEA, MOR, MFI, MPS, MEL, MTW, EUO, MTT, HEU, FER, TON, CHA, ERI, KFI, LEV, LTA, or these A composition for separating ethane and ethylene, which is of a mixed structural type.
흡착제로서, 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 구비한 반응기에 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스를 접촉시키는 단계를 포함하는, 에탄/에틸렌 혼합 가스의 흡착분리방법.
As an adsorbent, ethane/ethylene mixing comprising the step of contacting a mixed gas containing ethane and ethylene to a reactor having a carbon structure comprising pores having an average diameter of less than 2 nm and having a single-layer graphene pore wall Gas adsorption separation method.
제4항에 있어서,
상기 탄소 구조체를 구성하는 그래핀의 π-결합과 에탄의 6개의 C-H 결합 간의 C-H···π 인력을 통해 4개의 C-H 결합을 포함하는 에틸렌에 비해 에탄을 우세하게 흡착하는 것인, 흡착분리방법.
The method of claim 4,
Adsorption separation method to adsorb ethane predominantly compared to ethylene containing four CH bonds through the attraction of CH ... π between the π-bonds of graphene and the 6 CH bonds of ethane constituting the carbon structure .
제4항에 있어서,
상기 탄소 구조체는 d-오비탈 전자가 비어있는 금속으로 이온교환된 제올라이트를 불포화 지방족 탄화수소, 캐리어 가스 및 수증기를 포함하는 혼합 가스를 공급하여 400 내지 650℃에서 수행되는 화학증착에 의해 주형체의 기공벽을 따라 형성하는 제1단계 및 산 수용액을 이용한 습식 에칭으로 제올라이트를 선택적으로 제거하는 제2단계를 포함하는 방법에 의해 제조한 것인, 흡착분리방법.
The method of claim 4,
The carbon structure is formed by supplying a mixed gas containing an unsaturated aliphatic hydrocarbon, a carrier gas, and water vapor to a zeolite ion-exchanged with a metal in which d-orbital electrons are vacant, and the pore wall of the template is carried out at 400 to 650°C. It is prepared by a method comprising a first step of forming according to and a second step of selectively removing zeolite by wet etching using an aqueous acid solution.
흡착제 층에는 2 nm 이내의 평균 직경의 세공을 포함하며, 기공벽이 단일층 그래핀인 탄소 구조체를 구비하고, 일측에는 가스 주입구를, 타측에는 가스 배출구를 구비하여 가스 주입구로부터 투입된 가스가 흡착제 층을 통과하여 가스 배출구를 통해 방출되는 반응기에, 에탄을 50몰% 이하로 함유하는 0 bar 초과 20 bar 이하 압력의 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스를 주입하여 에탄을 흡착시키면서 가스 배출구로부터 에탄 함유량이 1몰% 미만으로 감소된 에틸렌 가스를 수집하는 제1단계;
가스 배출구로부터 방출되는 가스 중의 에탄 함유량이 1몰% 이상일 때, 상기 에탄을 흡착시킨 반응기에 흡착 압력 미만의 압력에서 순도 99몰% 이상의 에틸렌 가스를 주입하여 흡착된 에탄을 탈착시키면서 에틸렌을 흡착시켜 흡착제 층을 포화시키는 제2단계; 및
상기 흡착제 층이 에틸렌으로 포화 흡착된 반응기에 0 bar 초과 20 bar 이하 압력의 에탄 및 에틸렌을 함유하는 혼합 가스를 주입하여 에탄을 재흡착시키면서 가스 배출구로부터 에탄 함유량이 1몰% 미만인 에틸렌 가스를 수집하는 제3단계;를 포함하는, 99몰% 이상의 순도를 갖는 에틸렌 가스의 제조방법.
The adsorbent layer includes pores with an average diameter of less than 2 nm and has a carbon structure with a single-layer graphene pore wall, and has a gas inlet on one side and a gas outlet on the other side. A mixed gas containing ethane and ethylene with a pressure of more than 0 bar and 20 bar or less containing 50 mol% of ethane is injected into the reactor discharged through the gas outlet to adsorb ethane, while the ethane content is reduced from the gas outlet. A first step of collecting ethylene gas reduced to less than 1 mol%;
When the ethane content in the gas discharged from the gas outlet is 1 mol% or more, ethylene gas with a purity of 99 mol% or more is injected into the reactor in which the ethane is adsorbed at a pressure less than the adsorption pressure to desorb the adsorbed ethane while adsorbing ethylene. A second step of saturating the layer; And
Injecting a mixed gas containing ethane and ethylene having a pressure of more than 0 bar and not more than 20 bar to a reactor in which the adsorbent layer is saturated with ethylene to absorb ethane, while collecting ethylene gas having an ethane content of less than 1 mol% from the gas outlet. A method for producing ethylene gas having a purity of 99 mol% or more, including a third step.
KR1020190042369A 2019-04-11 2019-04-11 Method for separation of mixed gas containing ethane by ethane-selective adsorption using porous carbon structure having micropores with uniform distribution KR102185849B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190042369A KR102185849B1 (en) 2019-04-11 2019-04-11 Method for separation of mixed gas containing ethane by ethane-selective adsorption using porous carbon structure having micropores with uniform distribution

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190042369A KR102185849B1 (en) 2019-04-11 2019-04-11 Method for separation of mixed gas containing ethane by ethane-selective adsorption using porous carbon structure having micropores with uniform distribution

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20200120029A true KR20200120029A (en) 2020-10-21
KR102185849B1 KR102185849B1 (en) 2020-12-02

Family

ID=73035055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190042369A KR102185849B1 (en) 2019-04-11 2019-04-11 Method for separation of mixed gas containing ethane by ethane-selective adsorption using porous carbon structure having micropores with uniform distribution

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102185849B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113443954A (en) * 2021-06-25 2021-09-28 太原理工大学 Efficient separation method for ethane in mixed gas
CN114192103A (en) * 2021-11-15 2022-03-18 乳山市大洋硅胶有限公司 Preparation method of ethane adsorption silica gel
US20220355268A1 (en) * 2019-09-13 2022-11-10 University Of Limerick Improvements relating to gas separation

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102565441B1 (en) * 2021-06-18 2023-08-09 한국과학기술원 2-dimensional microporous graphene and method for preparing the same

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160073954A (en) * 2016-06-15 2016-06-27 한국화학연구원 Method for separating and/or purifying mixtures containing olefins and acetylenes using crystalline nano-porous hybrid adsorbent

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20160073954A (en) * 2016-06-15 2016-06-27 한국화학연구원 Method for separating and/or purifying mixtures containing olefins and acetylenes using crystalline nano-porous hybrid adsorbent

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
K. Kamiya et al., Japanese Journal of Applied Physics 2013, 52, 06GD10.* *
K. Kim et al., NATURE 2016, 535, 131-135.* *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20220355268A1 (en) * 2019-09-13 2022-11-10 University Of Limerick Improvements relating to gas separation
CN113443954A (en) * 2021-06-25 2021-09-28 太原理工大学 Efficient separation method for ethane in mixed gas
CN113443954B (en) * 2021-06-25 2022-07-08 太原理工大学 Efficient separation method for ethane in mixed gas
CN114192103A (en) * 2021-11-15 2022-03-18 乳山市大洋硅胶有限公司 Preparation method of ethane adsorption silica gel

Also Published As

Publication number Publication date
KR102185849B1 (en) 2020-12-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102185849B1 (en) Method for separation of mixed gas containing ethane by ethane-selective adsorption using porous carbon structure having micropores with uniform distribution
Yang et al. CO2 adsorption over ion-exchanged zeolite beta with alkali and alkaline earth metal ions
US6491740B1 (en) Metallo-organic polymers for gas separation and purification
US6284021B1 (en) Composite adsorbent beads for adsorption process
JP6214672B2 (en) Gas separation method using DDR type zeolite having stabilized adsorption activity
KR100236785B1 (en) Carbonaceous adsorbent, process for producing the same, and method and apparatus for gas separation
JP2967871B2 (en) Carbon dioxide and water adsorption method and adsorbent
Lu et al. Porous materials for carbon dioxide capture
JP3776813B2 (en) Argon / oxygen selective X zeolite
KR20080106632A (en) Adsorbent for selective adsorption of carbon monoxide and process for preparation thereof
Guo et al. Rational synthesis of chabazite (CHA) zeolites with controlled Si/Al ratio and their CO2/CH4/N2 adsorptive separation performances
WO2015196026A1 (en) Separation and storage of fluids using itq-55
AU774848B2 (en) Activation processes for monolith adsorbents
JPH05168916A (en) Oxygen and carbon dioxide selective composite drting agent, preparation thereof, and method for adsorptive separation of nitrogen from oxygen
CN110038509B (en) CaF for adsorbing trace moisture in HF gas2Material and method for the production thereof
KR100279881B1 (en) Adsorbents and methods for the separation of ethylene and propylene AND/OR unsaturated hydrocarbons from mixed gases
JP2016518972A (en) Novel carbon molecular sieve and pellet composition useful for C2-C3 alkane / alkene separation
Ren et al. Synthesis optimization of the ultra-microporous [Ni 3 (HCOO) 6] framework to improve its CH 4/N 2 separation selectivity
JP3434197B2 (en) Ozone adsorbent, molded article for ozone adsorption, and method for producing the same
JP4025228B2 (en) Preparation method of molecular sieve adsorbent for selective separation of air size / morphology
TWI294405B (en) Process for refining nitrogen trifluoride gas using alkali earth metal exchanged zeolite
CA2974946C (en) Separation of nitrogen from hydrocarbon gas using pyrolyzed sulfonated macroporous ion exchange resin
XING et al. Improvement of adsorptive separation performance for C2H4/C2H6 Mixture by CeO2 promoted CuCl/activated carbon adsorbents
KR20160073954A (en) Method for separating and/or purifying mixtures containing olefins and acetylenes using crystalline nano-porous hybrid adsorbent
CN111886066A (en) Process for decarbonation of a gas stream

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant