[반응공학설계보고서]석유화학제품의 반응기설계(n-부탄의 액상 이성질화 반응에 의한 반응기 설계)

소개

화학공학에서 반응공학(chemical reaction engineering)의 반응기설계보고서입니다.
석유화학제품의 반응기 설계를 조사 및 분석한 보고서입니다. 석유화학제품은 대게 n-부탄으로 구성되어있습니다. 따라서 n-부탄의 이성질화반응에 관련하여 보고서를 작성하였습니다.

<구 성>
1.반응기 설계의 목표 물질
1.1. 이소부탄(isobutane) 특성 및 물성치
1.2. 이소부탄의 수요처 및 생산량
1.3. 이소부탄의 가격 및 가격 변동추세

2. 에너지에 관련된 자료 조사 및 분석
2.1. 반응 메커니즘
2.2. 반응속도식
2.3. 반응기 특성 비교
2.3.1. CSTR(Continuous stirred tank reactor)
2.3.2. 관형반응기 (Tubular Reactor)

3. 반응기 설계 과정 분석
3.1 PFR
-Mass balance
-Rate law
-Stoichiometry
-Mass balance, Rate law, Stoichiometry 결합
-Energy Balance
-열 교환기가 설치된 PRF의 Energy balance
3.2 CSTR
-Mass balance
-열교환기가 설치된 CSTR의 Energy balance


4. 반응기 설계 수행 : n-부탄의 액상 이성질화 반응
-노말 부탄(normal butane, n-C4H10) 과 이소부탄(isobutane, i-C4H10) 사이의 반응
(70%전화율을 달성하기위한 PFR과 CSTR 반응기 부피 계산


5. 설계 결과 평가

목차

1. 반응기 설계의 목표 물질
2. 에너지에 관련된 자료 조사 및 분석
3. 반응기 설계 과정 분석
4. 반응기 설계 수행 : n-부탄의 액상 이성질화 반응
5. 설계 결과 평가

본문내용

1. 반응기 설계의 목표 물질

1.1. 이소부탄(isobutane) 특성 및 물성치

부탄의 화학식 C4H10. 분자량 58.1이다. 4개의 탄소원자가 연속하여 사슬모양으로 결합하고 있는 n-부탄과, 1개의 탄소원자에 다른 3개의 탄소원자가 결합한 이소부탄의 두 이성질체가 있다. n-부탄(노말부탄)은 천연가스나 석유분해가스에 함유되어 있다. 상온·상압 하에서는 무색의 기체로, 공기 또는 산소가 존재하면 잘 타며, 발열량은 2만 7600kcal/㎥로 크다. 액화석유가스로서 연료로 사용되며, 석유화학 원료로서 부텐이나 부타디엔의 제조에도 사용된다. 잘 액화하는 점을 이용하여 가스라이터 연료의 주성분으로 사용된다.
이소부탄은 n-부탄과 마찬가지로 천연가스 또는 석유분해가스에 함유되어 있다. 무색의 기체로 인화성이 강하고, 쉽게 액화한다. 프로필렌과 화합시켜 고(高)옥탄가의 가솔린을 얻는다. 또, 이소부틸렌을 합성하는 원료로도 사용된다.
노말부탄은 (n-C4H10) 플러그흐름반응기에서 이소부탄(i-C4H10)으로 이성질화된다. 이소부탄은 가솔린 첨가제(주로 연료용 가솔린의 기능을 향상시키기 위하여 섞는 제제)의 제조에 사용되는 유용성이 큰 제품이다.
미국 화학회(American Chemical Society) 220차 회의에서 발표된 내용에 의하면, 한 가솔린 첨가제의 첨가로 주행거리와 엔진의 힘이 향상되고 오염물질 배출량도 줄어 들것이라고 한다. 워싱턴 D.C 소재 아메리칸 대학의 명예 교수인 폴 워터스 박사에 따르면 폴리이소 부틸렌은 자동차 엔진성능을 10%정도 향상시키고, 주행거리를 20% 정도 증가시키는 반면에 일산화탄소, 불연소 탄화수소, 질소산화물등의 오염물질 발생량을 70%정도 감소시킨다고 한다.
소량의 폴리이소 부틸렌을 연료 탱크에 첨가할 경우 이 큰 분자와 작은 분자의 분리현상이 줄어든다고 한다. 이렇게 되면 연소는 보다 낮은 온도에서 보다 더 균일하게 이루어지며 질소산화물 방출이 줄게 되어 환경 친화적으로 된다고 한다. 이것 외에도 장점은 불 연소되는 탄화수소의 양이 줄어들게 되어 에너지 효율도 높아진다고 한다. 이 중합체는 이륜차의 엔진에서 대형 디젤 엔진에 이르기까지 모든 엔진에 사용할 수 있다고 한다. 첨가제에 대한 현장 실험이 캘리포니아를 비롯하여 메릴랜드, 위스콘신, 중국, 일본 등지에서 실시되고 있다고 한다.

참고자료

· 1.http://en.wikipedia.org/wiki/Fluidized_bed_reactor
· 2. SK가스 : http://www.skgas.co.kr
· 3.산업자원부에너지 자원정책본부
· 4.국가통계포털 http://www.kosis.kr/