[화학공학] 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide)를 이용한 에틸렌 글라이콜(ethylene glycol)의 공정 설계
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- 목차
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요약
서론
본론
1. 반응물과 생성물의 화학적, 물리적 성질
1) 기본적인 성질
2) 온도에 따라 변하는 중요한 물성
2. 공정도와 설명
1) 공정도
2) 공정설명
3. 반응 메커니즘
1) 반응에 대한 가정
2) 반응 메커니즘과 반응 속도 상수
3) 물과 EO의 비율에 따른 MEG, DEG 그리고 TEG 변화
4.이상 반응기
1) 반응기의 종류
① 회분반응기(Batch)
② CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor)
③ PFR(Plug-Flow tubular Reactor)
2) 반응기 선택
3) CSTR의 예
4) 실제 EG 생산 공정의 예
5. MATLAB 결과 계산
1) Single CSTR Flow rate, T and Yield vs Tau
2) Flow rate of MEG, T and Selectivity vs Tau at T(200K,300K,325K,
3. Flow rate and Selectivity vs Tau at T(200K,300K,325K,400K,500K)
4. Flow rate and Selectivity vs Tau at T(300K,325K,350K,375K,400K)
5. Single CSTR, Flowrate and Selectivity vs Tau at 325K
7. Flow rate of MEG, T and Selectivity vs Tau at T
8. 참고 문헌
- 본문내용
-
◆ 물성
- 녹는점 : -10.45℃
- 끓는점 : 244℃
- 비중 : 1.118 (측정온도 20℃)
- DEG는 2분자의 EG가 에테르형으로 탈수축합된 것이며, 글리세린과 매우 닮은 성질의 것이다. 이것은 에틸렌옥사이드로부터 에틸렌글리콜을 생성할 때에 함께 생성되며 용도가 확대되고 있다.
- DEG는 무색, 무취의 점조성 액체로 흡습성이 있다. 물, 알코올, 에테르, 아세톤, 에틸렌글리콜과 잘 혼화하고 물의 빙점을 저하시킨다. 에테르, 벤젠, 톨루엔, 사염화탄소, 클로로포름에 녹지 않고 흡습성은 있으나 부식성은 없다.
Triethylene glycol (TEG)
◆ 별명
- Triglycol, Trigen,
◆ 화학식
- C6H14O4, 분자량 150.17g/mol-1
◆ 물성
- 녹는점 : -7℃
- 끓는점 : 285℃
- 비중 : 1.1274 (측정온도 4℃)
- 알코올, 벤젠, 톨루엔에 녹으며, 에테르에는 약간 녹는다. 휘발유, 석유 에테르, 지방족 화합물 용제, 지방에는 녹지 않는다.
- TEG는 3분자의 EG가 에테르형으로 탈수 축합한 것으로 다이에틸렌글리콜과 매우 닮은 상태를 가지고 있다.
Ethylene oxide (EO, 산화에틸렌)3), 화학공학정보연구센터 http://www.cheric.org/
◆ 별명
- Oxirane, Dihydrooxirene, Dimethylene Oxide
◆ 화학식
- C2H4O, 분자량 44.05g/mol-1
◆ 물성
- 녹는점 : -112℃
- 끓는점 : 10.73℃
- 비중 : 0.896(측정온도 0℃)
- 열화학적 성질
ΔHf˚gas -52.6 kJ/mol
S˚gas 243 kJ/mol
- 무색의 액체 또는 기체로서 냄새 최소인지농도가 0.8ppm이며, 대부분의 사람들이 인지할 수 있는 농도는 500ppm이며 휘발성이 매우 크다. 물·에탄올(에틸알코올)·에테르에 잘 녹는다.
- 에테르의 일종이며 에폭사이드 화합물의 일종이기도 하다.
- 산화에틸렌은 에틸렌옥사이드(EO)가스라고도하며 대단히 화학반응성이 커서 독성이 높 은 가스로 분류된다. 탄소수가 2개인 탄화수소 중간에 산소가 고리로 연결된 에테르 화 합이지만 사슬형 에테르와는 성질이 많이 다르다.
- 공기 중에 반감기가 69-149일이며 물속에서는 안정적이어서 반감기가 50년이나 된다. 가연성이며 공기와의 혼합기체는 폭발범위(3 - 100%)가 넓어서 위험하다.
- 반응성은 산화에틸렌 증기는 산소가 전혀 존재하지 않는 곳에서도 분해폭발하며 물에 용해하여 반응하고 글리콜을 생성하고 철, 주석, 알루미늄의 무수염화물, 산, 알칼리, 산화철, 산화알루미늄과 중합반응 (발열반응) 암모니아와 반응하여 에탄올아민류를 생성하며 염산과 반응하여 에틸렌클로로히드린을 생성한다. 또한 알코올류와 반응하여 글리콜에테르류를 생성한다. 금속에 대해서는 부식성이 없으며, 산화에틸렌이 포함되어 있을 때에 아세틸라이드를 형성하는 금속(예: 구리)을 사용해서는 안 된다.
2) 온도에 따라 변하는 중요한 물성
- 반응기의 크기를 결정하기 위해선 열역학 및 열전달의 지식을 사용하여 에너지 수지식 을 세우게 되는 데, 이 식은 열용량을 필요로 하기 때문에 이들의 값을 조사할 필요성이 있다. 열용량은 온도에 따라 변하는 값이므로 EG 생성 반응기의 온도에 따라 민감하게 변하는 매우 중요한 물성이라 볼 수 있다.
◆ 열용량(Heat of capacity, Cp)
다음 식은 온도에 따른 열용량 계산식이다.
-Liquid Heat Capacity The Dow Chemical Company http://www.dow.com/ethyleneglycol/about/properties.htm
Equation Name
Polynomial Equation
Equation
Cp = A + B*T + C*T^2 + D*T^3 where T in K and Cp in kJ/kg-mol‧K
Water
EO
EG
Coefficient A
50.81069
52.32781
3.5540E+04
Coefficient B
.2129361
.4325938
4.3678E+02
Coefficient C
-6.309691E-04
-2.149145E-03
-1.8486E-01
Coefficient D
6.483055E-07
3.693728E-06
Coefficient E
Coefficient F
Coefficient G
T range, from
273.15 K
160.65 K
260.15 K
T range, to
623.15 K
453.15 K
493.15 K
이 때, 실제 공정에서 나오는 DEG와 TEG의 생산량이 MEG의 생산량보다 더 작기 때문에 이들 Product 혼합물의 Cp값은 MEG의 Cp에 유사하며 이를 근거로 DEG와 TEG의 Cp를 MEG의 Cp로 가정할 수 있다.
2. 공정도와 설명
1) 공정도 McKetta, John J. Encyclopedia of Chemical Processing and Design, New York: Marcel Dekker, 1997.
- 참고문헌
-
한강엔지니어링 http://www.hkcne.co.kr/
ILSUNG corporation http://www.ilsung.com/new/index.php?sub=sub02_m01_c01-2
화학공학정보연구센터 http://www.cheric.org/
Scientific Design Company, Inc. http://www.scidesign.com/
The Dow Chemical Company http://www.dow.com/ethyleneglycol/about/properties.htm
Bonet, Matthias, ed. and Brinker, C. Jeffrey, ed. Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH, 2003.
Fogler, Scott. Elements of Chemical Reaction Engineering 4th edition, New Jersey: Prentice-Hall, 2005.
McCabe, Warren L. Unit operation of chemical engineering 7th edition, New York: McGraw Hill, 2005.
McKetta, John J. Encyclopedia of Chemical Processing and Design, New York: Marcel Dekker, 1997.
Perry, Robert H. Perry's Chemical Engineers' Handbook, New York: McGraw Hill, 1997.
Okasinski, Matthew J. and Michael F. Doherty. "Design Method for Kinetically Controlled, Staged Reactive Distillation Columns"(Industrial & Engineering Chemistry Research Vol. 37, No. 7, 1998), pp. 2821~2834.
Glew, D. N. and M. L. Haggett. "Kinetics of formation of ethylene oxide hydrate. Part I. Experimental method and congruent solutions"(Canadian Journal of Chemistry VOL. 46, 1968), pp. 3857~3865.
Chen, Fengrong, Robert S. Huss, Michael F. Malone and Michael F. Doherty. "Simulation of kinetic effects in reactive distillation"(Computers and Chemical Engineering 24, 2000), pp. 2457~2472.
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