디메틸에테르 합성 반응의 반응속도에 관한 연구

초록

디메틸에테르(Dimethyl ether, DME)는 다양한 원료로부터 다양한 사용처를 가지고 있는 청정하면서도 경제적인 연료로서 환경적인 문제와 에너지 공급 문제로 인하여 점점 관심이 증대되고 있는 연료이기도 하다. DME는 합성가스로부터 제조된다. 합성가스는 천연가스의 개질과 석탄가스 그리고 바이오매스 등 다양한 에너지원이 있으며, DME는 친환경적인 특징뿐만 아니라 세탄가가 높고 LPG와 유사한 물성 때문에 디젤차량 및 LPG대체연료, 연료전지 등의 다양한 용도로 사용이 가능함은 물론 신규연료로 시장에 도입될 경우 수송 및 저장수단, 인프라 구축 등의 장애가 적다는 장점이 있다. DME 합성반응은 합성가스(CO/H2)로부터 시작 된다. 반응(1)과 (3)는 메탄올 합성 촉매에서 일어나며 반응(2)은 탈수 촉매에서 일어난다. 탈수반응은 메탄올 합성반응의 반응 정도를 제한한다. 그리고 탈수 반응에서 나온 물은 수성가스화 반응으로 인하여 수소를 공급한다. 이러한 연속 반응들이 메탄올 합성을 증가시키면서 서로 연속적으로 반응을 한다. 이러한 연속적인 반응으로 DME의 합성이 이루며, 세 가지 반응이 서로 상승 작용을 기대할 수 있다. 2CO+4H2 → 2CH3OH MeOH Synthesis -182kJ/mol (1) 2CH3OH → CH3OCH3 +H2O Dehydration reaction -23 kJ/mol (2) CO +H2O → CO2 + H2 Water-gas shift -41 kJ/mol (3) 2CO +4H2 → CH3OCH3 + H2O Series reaction -205 kJ/mol (4) 3CO + 3H2 → CH3OCH3 + CO2 From Synthesis gas -246kJ/mol (5) 본 실험은 고정층 반응기를 사용하였으며, 온도 및 합성가스의 조성비, 압력의 변화에 주어 생산성 비교를 통하여 DME합성의 최적조건을 찾고자 하였다. 그리고 합성가스의 체류시간의 변화를 통하여 반응속도를 측정하였다. 각 반응의 메커니즘에 따라 랭미어 힌쉘우드 모델(이하 L H 모델)을 선정하여 반응 속도 상수를 찾고자 하였다. 이를 위하여 혼성촉매상에서 흡착 하는 반응 및 생성물들의 흡착 평형 상수를 실험으로서 찾았다.