Urea로부터 에틸렌 카보네이트 합성을 위한 반응속도 및 연속 반응기 모델링 연구

Abstract

디메틸 카보네이트(DMC)는 폴리카보네이트 제조 원료, 2차 전지의 전해액, 도료 및 코팅액의 용매, 의약품등 다양한 용도로 사용되고 있으며, 폴리카보네이트 수요 증가와 자동차 내연 기관의 전기 자동차로의 대체 요구 상승으로 지속적인 수요 증가가 기대된다. 현재 상업적으로 DMC를 제조하는 공정에서는 포스겐, 에틸렌 옥사이드(EO)와 같은 독성이 높거나, 폭발성이 강한 물질을 원료로 사용하고 있어, 환경 및 안전에 위험성을 지니고 있으며 원료 이송 및 취급이 어렵고 입지에 제한이 있다는 운용에 제한을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 대안 연구가 활발히 진행되고 있으며, Urea와 에틸렌 글리콜(EG)을 원료로 에틸렌 카보네이트(EC)를 합성하고 이로부터 DMC를 제조하는 방법이 대체 공정으로 주목받고 있다. 상업화를 위해 EC 수율을 높일 수 있는 촉매 시스템에 대한 연구는 활발히 진행되고 있으나, 반응 속도 및 연속 반응에 대한 고찰은 상대적으로 부족하여, 이에 대한 연구가 필요한 상황이다. 본 연구에서는 Urea와 EG로부터 EC를 합성하는 반응에 있어 온도, 압력, 원료 몰비가 EC수율 및 선택도에 미치는 영향을 알아보고, 반응속도식을 산출하였다. 또한, 산출된 반응 속도식을 적용, 공정 모사 프로그램을 활용하여 연속 반응기를 모델링 하였고 EC 수율을 극대화 할 수 있는 최적의 반응기 형태와 그 운전 조건을 수립하였다. 산출된 반응속도식과 최적화된 반응기 운전 조건은 Scale-up 연구 및 연속 공정 구성에 활용이 가능하며, 더 나아가 상업화에 큰 도움이 될 것으로 기대된다.