Love, Peace & Styrene
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : Toluene과 Methanol을 이용한 Styrene Monomer 제조 공정 설계 및 최적화
영문 : Design and Optimization of Styrene Monomer Manufacturing Process Using Toluene & Methanol
과제 팀명
Love, Peace & Styrene
지도교수
정연수 교수님
개발기간
2021년 9월 ~ 2021년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 화학공학과 20163400** 오*렬(팀장)
서울시립대학교 화학공학과 20183400** 김*서
서울시립대학교 화학공학과 20183400** 엄*정
서울시립대학교 화학공학과 20183400** 최*빈
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
◇ 톨루엔(Toluene)으로 스티렌(Styrene Monomer ; SM)을 생성하는 반응기 설계
◇ 제품의 분리와 미반응 원료의 재순환을 위한 분리 공정 설계
◇ 공정 구조 평가 및 최적화
◇ 최적화한 설계를 토대로 PFD 작성
◇ 기존 에틸벤젠(Ethylbenzene) 공정과의 가격 비교
개발 과제의 배경
◇ 스티렌(Styrene; CAS Number : 100-42-5)은 단 냄새 내지 자극성 냄새가 나는 무색 또는 황색을 띠는 기름성의 액체물질이다. SM은 세계에서 가장 중요한 모노머 중 하나이며, 산업에서 주로 PS(Polystyrene), ABS(Acrylonitrile-Butadiene-Styrene), SAN (Styrene-Acrylonitrile), SBR(Styrene-Butad iene Rubber), UPR (Unsaturated Polyester Resin) 등의 합성수지의 원료로 사용되는 화학물질이다. 주로 운송기구, 생활용품, 건축용 용품 등을 제조하는데 사용되는 중요한 물질이다.
◇ Fig 1.에 나타낸 그래프들을 통해 SM을 원재료로 사용하는 합성수지들의 시장 성장성을 확인할 수 있다. SM의 수요 역시 꾸준히 많아질 것으로 예측되며, SM 제조 공정에 대한 개선과 최적화가 필요하다.
◇ 국내 SM 시장의 연간 수급표를 통해 2013년부터 국내수요에 비해 수출이 점차 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 국내 석유화학업계의 수출 비중이 43%에 달하는 중국의 기술력 발전 때문인데, SM의 중국 내 자급률이 증가함에 따라 한국 SM 수출 시장이 줄어들게 되었다고 볼 수 있다. 따라서 중국 내의 수요를 확보하고 대안시장을 성장시키기 위해 가격 경쟁력을 높일 수 있는 자체적인 SM 공정 개선이 필요하다.
◇ 일반적으로 공정의 개선을 통한 생산 단가 절감은 1. 유틸리티 2. 생산성 3. 수율 향상을 통해 이루어진다. 독립적인 위의 변수들을 비교함으로써 SM의 가격 경쟁력을 확보할 수 있는 최적의 공정 개선 방법을 찾는다. 이것을 위해
첫째, 유틸리티와 생산성, 수율 향상을 통한 생산 원가 절감의 효과를 계산한다.
둘째, 이들의 비교를 통해 가장 효용성이 높은 공정 개선 방법을 찾는다.
개발 과제의 목표 및 내용
◇ 톨루엔을 원료로 사용하는 SM 반응기를 설계하여 반응물질의 물리적, 화학적 특성을 이용하여 최적의 반응 조건을 찾는다.
◇ 반응기를 바탕으로 I/O, recycle structure를 통해 설계한 반응기의 유출물을 분리할 수 있는 분리 공정 시스템을 설계한다.
◇ 설계한 시스템의 열교환망 설계를 통해 SM 제조 공정 내의 에너지 효율 향상을 도모한다.
◇ 설계한 공정 구조의 Alternatives를 생산이익, 수율, heat duty, 생성물 유량 등의 기준을 이용하여 평가 및 최적화하고, 최종 설계를 기존 공정과 비교분석한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
◇ 현재 미국에서 발행된 특허에 의하면 일본의 Mitsubishi 사와 미국의 Shell 사가 SM 제조공정에 대한 특허를 가지고 있으며 Mitsubishi는 2002년, Shell은 2016년과 2018년에 특허를 출원하였다. 국내 특허의 경우 한화토탈이 기존에 SM 제조공정에서 에너지 효율을 개선하여 특허를 2005년에 출원하였다.
◇ 관련 기술에 대한 최근 논문은 다음과 같다.
1. Bruno Leite, Andréa Oliveira Souza da Costa, Esly Ferreira da Costa Junior, Simulation and optimization of axial-flow and radial-flow reactors for dehydrogenation of ethylbenzene into styrene based on a heterogeneous kinetic model
- 에틸벤젠의 탈수소화 반응을 통해 스티렌을 생성하는 공정을 multiobjective function을 통해 최적화 했다. 그 결과 작동 압력이 낮을수록 전환율(수율)과 선택도 측면에서 유리했다. 또한 여러 개의 촉매 반응기를 사용할 경우 온도가 증가하는 쪽이 유리했다. 결과적으로 Axial-flow 반응기보다 낮은 압력에서 작동되는 Radial-flow 반응기가 우수함이 드러났다. Radial-flow 반응기는 압력과 온도 최적화 결과, 전환율과 선택도가 각각 7.23%와 10.11% 만큼 증가하여 76.5%와 87.0%에 도달했다.
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2．Alexandre C. Dimian, Energy Efficient Styrene Process: Design and Plantwide Control
- 과열증기를 inert로 사용하는 단열 원자로에서 에틸벤젠의 탈수소화로 제조되는 스티렌의 에너지 효율 공정의 개념 설계와 시뮬레이션을 진행하였다. 진공 상태에서 증기를 생성한 다음 기계적 증기 재압축(MVR)을 실행하여 더 효과적인 열 전달을 하고자 하였고 5개의 FEHE(Feed Effluent Heat Exchanger) 유닛을 설정하여 효율적인 네트워크를 구성하였다. 최종적으로 유틸리티 소비를 73% 감소시켰고 이러한 MVR 대안은 압축기에 대한 투자가 있음에도 불구하고 연간 총 비용을 36% 절감하였으며 99.5% 이상의 스티렌 순도를 유지하면서 처리량의 ±10% disturbance를 처리할 수 있는 능력을 갖추었다.
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- 특허조사
내용
- 특허 전략 분석
내용
시장상황에 대한 분석
- 경쟁제품 조사 비교
내용
- 마케팅 전략 제시
내용
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
내용
구성원 및 추진체계
내용
설계
설계사양
설계를 사양한다..
제품의 요구사항
◇ 스타이렌 생성물 순도 99.7% 이상(ASTM D 2827-92)
◇ 연산 150,000톤 이상
◇ 기존 공정 대비 생산 이익 2배 이상
설계 사양
내용
개념설계안
- 공정 설계 과정
- 1) 제품 요구 사양 결정
- - 기존 공정의 연간 생산량 파악
- - 제품의 순도 및 기준 결정
- -
- 2) 합성 및 다양한 대안 설계
- - 관련 정보를 수집
- - 대안 제시
- - 설계 평가 및 평가 기준을 개발
- - 최적의 대안 제시
- 3) 간단하고 빠른 방법을 통한 물질수지 및 에너지수지 계산
- - 모든 기/액 흐름 이상적인 평형 가정
- - 모든 흐름 포화 조건 가정
- - 이상적인 가정을 통해 물질 및 에너지 수지를 선형화시켜 빠르고 간단하게 대안을 비교
- 4) 장치 크기 설정 및 비용 계산
- - 주요 장치의 크기 계산
- - 통계적인 방법을 통한 주요 장치의 가격 결정
- - Lang factor를 통한 공장 건설 전체 비용 결정(고정비)
- - 유틸리티, 노동비 등의 변동비 계산
- 5) 경제성 평가
- - 각 비용 항목 기존 공정과 비교
- - 연간 순이익 및 흑자 전환 기간 계산
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이론적 계산 및 시뮬레이션
내용
상세설계 내용
내용
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
내용
관련사업비 내역서
내용
완료작품의 평가
내용
향후계획
내용
특허 출원 내용
내용
