막 반응기를 이용한 부타디엔 생산: 기술경제학 연구

1,3-부타딘의 직접 제조를 위한 바람직한 용도 기술은 부탄의 직접 탈수소(BDH)이다. 그러나, 높은 흡열 공정에 필요한 고온에 의한 높은 탄소 석출율은 제품 수율을 감소시킨다. 본 연구에서는 보다 견딜 수 있는 작동 조건에서 탈수소 출력을 높이기 위해 H2 선택막 반응기의 활용도를 평가하였다.

유기화학물질인 부타디엔은 석유화학 분야의 핵심 부품 중 하나로 전 세계 생산능력이 1,600만톤에서 2,000만톤으로 증가할 것으로 예상된다. 자동차, 전자, 건설 등 광범위한 산업에 활용될 수 있는 스티렌 부타디엔 고무와 폴리 부타디엔 고무의 수요가 1,3-부타디엔 생산 증가의 주요 요인이다.

산업용 촉매와 비교했을 때, 새로운 촉매 조성물의 탈수소 성능은 여전히 낮은 수준이다. 종래의 금속 및 금속 산화물계 촉매의 대체물에 대한 연구는 여전히 매우 어려운 실정이며, 이들 촉매의 탈수소 성능을 향상시키기 위한 새롭고 효과적인 기술의 개발에 대한 필요성이 매우 높은 실정이다.

그 결과는 산업 공정에서 보고된 전형적인 35-42%의 값에 비해 최적화된 두께 2-4m, 최적화된 기공 크기 0.4nm의 세라믹 다공막을 사용하여 최대 프로필렌 수율 81%에 도달함으로써 탈수소 반응 성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

디덴코 등은 혼합막 반응기에서 프로판의 탈수소화에 대한 흥미로운 실험 연구를 수행하였다. 그들의 연구에 따르면, 멤브레인 반응기 기술은 이상적인 작동 환경에서 공급 원료를 프로필렌으로 전환하는 비율을 각각 1.6~2.0까지 증가시킬 수 있는 능력을 가지고 있다.

멤브레인 반응기는 최적의 온도 범위 중 1.3 bar에 해당하는 압력을 가하면서 540 oC의 최저 온도에서 작동하는 것이 편리하며, 이는 충분한 작동 온도 간의 균형이 잘 유지되는 조건이다.e 벤치마크 케이스 대비 감소, 필요한 막 면적, 탈수소 반응의 여전히 높은 성능을 달성할 수 있다.

이 방법을 사용하고 더 부드러운 작동 조건에서 작동함으로써, 전통적인 절차와 동일한 부탄 변환이 달성될 수 있다. 작업 온도를 낮출 수 있으면 촉매에서 코크스가 발생하는 빈도가 줄어들어 촉매가 비활성화되기 전까지의 기간이 길어집니다.
또한, 반응 온도가 낮아지기 때문에 원자로의 열 출력이 상당히 낮아져 공정의 총 에너지 효율이 높아져야 한다. H2 선택막 원자로는 실험적으로 그리고 다양한 작동 환경에서 반응 성능을 모델링함으로써 철저하게 연구되었음에도 불구하고 실용적인 BDH 발전소에서의 통합 측면에서 아직 연구되지 않았다.