고효율 Bisphenol-A 제조 신공정 개발

기후변화협약 대응 부처별 추진 기술개발합동 WORKSHOP 발표자료「일등 LG」실현을 위한고효율 Bisphenol-A 제조 신공정 개발2006 年 2 月 9 日LG 석유화학㈜

연구배경 국내 1인당에너지 사용률 ( GDP감안)1009080706050403020100한국(기준) 미국 프랑스 일본 독일 OECD 평균 1인당 에너지 소비량한국 - 4.11 TOE , 일본 – 4.09 TOE , 영국 – 4.00 TOE

연구개발 내용기존의 Bisphenol-A 생산 공정을 신에너지절약형청정생산공정으로 대체분리막 반응기 (Membrane Reactor) 도입 기초 연구기계적/화학적 안정성을 가진 고 효율 탈수 분리막 발굴분리막 특성 parameter 측정Reaction kinetics 및 parameter 측정Lab test 통한최적반응조건확립 실적용연구반응기 설계를 위한 분리막 반응기 수학적 모델 개발분리막장기안전성Test Scale-up을통한상업적공정개발Pilot Plant설계 및 건설실용화 연구

목표 및 기대효과기존 공정 대비 37억원/년 절감BPA 공장 총발생량: 8.0 만톤-CO 2 /년전체 에너지 절감량: 25% (8,000 TOE/년)CO 2 발생량 감소: 약 2.0 만톤-CO 2 /년촉매 활성도 향상에 의한 BPA수율 증가 - 12억원/년탈수공정 중 스팀 사용량 절감 – 22억원/년반응기 후단 탈수탑 제거 시 1기당 투자비 3억 절감 효과석유화학공정에 분리막 기술을 최초로 도입한 사례다양한 석유화학공정에 적용가능공정설계 기반기술 확보

Reaction Process ChemistryHOOH2OH+H 3 C CH 3O+ MeSHCatalystH 3 C CH 3+ H 2O + purgephenolacetonep,p'-BPAδ+Oδ−Hδ−Oδ+−S+O Hδ−OHδ+ Oδ−Sulfonated styrene-divinylbenzene polymer

BPA ApplicationsⅠPoly Carbonate(PC)비스페놀A의 벌크한 분자 구조 => 높은 내열 온도 (Tg: 약 150℃)카보네이트 그룹의 카보닐기 => 회전 운동성(유연성과강인성)적용 분야국내 주요 생산처

BPA ApplicationsⅡEpoxy Resin에피클로로히드린과 비스페놀 A를 중합체경화제를 다시 첨가하여 열경화성(ThermosetThermoset)의 물질로 변화시켜 사용.적용 분야국내 주요 생산처• 접착제• 전기/전자전자 절연재• 건자재• 도료 및 코팅제.

생산규모: 연간 12만톤(국내총생산량25만톤)2005년 6월 가동시작

R-3006 R-3001A R-3001BE-3006ABFD-3006ctwE-3001DMKSTORAGEE-3002R-3003AR-3003BV-3005FD-3001a/bFD-3003A/BE-3100 E-3101E-3102E-3103T-3102MESHMESHM-UpUpV-3602T-3100MSSLLSSMESHSTRIPPERCWDEHYDRATIONCOLUMV-3902DMK/MESH/PHENOL938210213.7/806217.5k448211.4/76698.2/82 92045497/174421LC3102LLSS45kg465/85838544881135332481808014.14%15.19%10.71%19.6%18.6%28.0%29.2%26640FIC3111FY3111CFI3004FY3111DFIC3001FY30010.15672*9.4/12.5 Mol0.713FIC3002FY31070.15PIC3102BPIC3102A442451PIC3113TIC3103FIC3101FY3101BFY3101AFI3112FI-3004(M/L recycle)×∑FIC3160FIC3115FI3115ABPA 농도TIC3060twTIC3054ctwTIC3002TIC3007ctwtwTIC3002TIC3010ctwtw1.33MESHMESHABSORBERMOTHERLIQUORREACTIONFLASHERCRYSTALLIZERBPABPA 공정공정 흐름도흐름도(Reactor Section)(Reactor Section)

BPA 공정 탈수탑의 에너지 사용량Steam25.7967 Gcal/hrPower5.83 Gcal/hrHP2.1212 Gcal/hrMPLP18.551 Gcal/hr0.294 Gcal/hrPower5.83 Gcal/hrLLP4.8564 Gcal/hrTotal31. 62 Gcal/hr 전체 에너지 사용량 (1TOE = 10 Gcal )31.26 Gcal/h × 8000 h/년 × 1/10 = 25,600 TOE/year

신 공정 개략도WaterMembrane기존 공정Water+ lightcomp.WaterCatalystWaterBPA-richProducts1Phenol+ AcetoneMembrane ReactorReactorDehydrationcolumn2Water +LightsPhenol+ AcetoneBPA-richProductsReactorWaterPhenolMembraneSeparation+ AcetoneUnitBPA-richProductsDehydrationcolumn

Membrane 소재 선정Check PointsMembrane LayerHighWater FluxHighSelectivityHighStabilitySilicaZeoliteSupporterLAB TESTDMK/WaterSeparationBPA ReactantSeparationStability Test•Membrane ModuleType 결정• Pilot DesignParameter 결정LowMaintenanceLow CostPVA

분리막 실험 장비

Zeolite Membrane 실험 결과5 wt% water / acetone ( 80℃)Flux ( Kg/m2h)32.521.510.5Flux(Kg/m2.h)selectivity200015001000500Selectivity011 15 30 40 50 70vacuum (mbar)010 wt% water / acetone ( 80℃ )54Flux(Kg/m2.h)selectivity50004000Flux ( Kg/m2h)321300020001000Selectivity011 15 30 40 50vacuum (mbar)0

반응 실험 장비실험 장비 setting – BPA반응분석 기기 – GC,HPLCBPA 및 기타 반응물분석Type: Batch reactor용도: BPA 반응 Kinetics 측정

물에 의한 촉매 피독 작용 Reaction Kinetics−d[DMK]=dtf : free spaces[ DMK]{ Kf[ MeSH ]+ [ H2O]}2fAcetone conversion vs. Space velocity출처 : Shaw Stone & Webster

BPA 반응에서 물의 영향 (결과)16p,p-BPA Concentration(wt%)14121086420Water content = 1.2 wt%Water content = 0.88 wt%Water content = 0.07wt%1 10 100 1000 10000Reaction time(min)(a) BPA generation vs. TimeRatio of o,p-BPA/p,p-BP(b) Ratio of Reaction Byproducts0.30.250.20.150.10.05Water content = 0.88 wt%Water content = 0.07wt%00 200 400 600 800 1000 1200 1400Reaction Time(min)

BPA Reactor CFD Modeling반응기 구현(GAMBIT Geometry)Catalyst layer,Porous media layer 구현(Fluent Simulation)촉매 반응 구현(Fluent Simulation)분리막 반응기 적용(Fluent UDF)

BPA Reactor CFD Modeling

BPA 반응기 형태에 따른 비교 모사1 Conventional Flow Reactor2 Shell & Tube Membrane ReactorProduct OutVACProduct OutCatalystMembraneCatalystFeed In3 Recycled Membrane ReactorFeed InProduct OutCatalyst분리막 모듈Feed In

추진 계획최적 membrane 소재 선정 /Kinetics실 공정생성물 적용실험장기 안정성 TestKinetics 연구파일롯트 설계 및 건설공정 모델링 실시파일롯트 설계 기초 자료 확보파일롯트 설계, 건설 및 운전BPA공정에 적용 및 상용화 (Membrane reactor적용 기술 확립)