Economic analysis for the synthesis of tetrahydro tricycle pentadiene using an unit production cost prediction by the engineering estimation
- 주제(키워드) engineering estimation
- 발행기관 고려대학교 그린스쿨대학원
- 지도교수 이관영
- 발행년도 2021
- 학위수여년월 2021. 2
- 학위구분 박사
- 학과 그린스쿨대학원 에너지·환경정책기술학과
- 세부전공 신재생에너지전공
- 원문페이지 101 p
- UCI I804:11009-000000235963
- DOI 10.23186/korea.000000235963.11009.0001179
- 본문언어 영어
- 제출원본 000046072374
초록/요약
Several research groups have continuously studied the development of HEDFs using tricyclopentadiene (TCPD) as a raw material. However, the production of high-energy-density fuels (HEDFs) using the TCPD raw material has been carried out mainly in a laboratory-scale process, and there is no clear criteria to examine the feasibility of commercial production and economics. In this thesis, our research was focused on two aspects; first, four scale-up reaction test results with the bench scale using aluminosilicate catalysts were reviewed in case of the two step process (CPD/DCPD oligomerization on Al-MCM-41(F) and THTCPD isomerization on HY(30)) and the one-pot process (simultaneous CPD/DCPD oligomerization / isomerization on MMZ- Hβ(300) or Hβ(25)) for checking a possibility of the scale-up to the pilot scale production. Two step process exhibited more preferable results of TCPD product yield (43.93%), four important physical properties(specific gravity, heat of combustion, viscosity, and freezing point) and economic efficiency for the unit production costs by an engineering estimation method with the regeneration of catalysts than those of the one-pot process using Hβ(25) with TCPD product yield value of 27.55% even though the two step process has the longer production processes than those of the one-pot process. Second, Al-MCM-41(F) catalyzed oligomerization and AlCl3 catalyzed isomerization test results was investigated in comparison with HY(30) catalyzed isomerization after the same oligomerization using Al-MCM-41(F) in the two step process. It was desirable for us to compare between isomerization on AlCl3 and isomerization on HY(30) since AlCl3 has several merits of the relative higher catalytic performance and milder reaction condition than those of HY(30) while it has some drawbacks of the limitation of catalyst recycling, environmental issues from its toxic nature, and additional requirement of post-treatment processes such as an incineration and solvent recovery. Isomerization conversion of AlCl3 (83.4 % at 10 wt %) was better than that of HY(30) (75.6 % at 10 wt %). Four important physical properties of the final product were almost similar levels with those of the final product from HY(30) catalyzed isomerization. Regarding the comparative economic analysis for the unit production cost prediction using an engineering estimation method, HY(30) catalyzed isomerization exhibited more desirable results than those of AlCl3 catalyzed isomerization except using the fresh catalysts. Comprehensive point of view for economic analysis of the unit production costs among three cases considering the reuse of the catalysts, the preference was the following order; two step process with isomerization on HY(30) > two step process with isomerization on AlCl3 > One-pot process with simultaneous oligomerization /isomerization on Hβ(25).
more초록/요약
여러 연구자들은 트리시클로펜타디엔(TCPD)을 원료로 사용하는 고에너지고밀도연료(HEDF)의 개발을 지속적으로 연구하여 왔다. 그러나 TCPD 원료를 이용한 고에너지밀도연료(HEDF)의 제조는 주로 실험실 규모의 공정으로 이루어지고 있으며, 상업적 제조와 경제적 타당성에 관한 명확한 판단 기준이 없었다. 본 논문은 크게 두 가지 측면에 대하여 중점적으로 연구하였다. 첫째, 알루미노 실리케이트 촉매를 사용한 기존 Scale-up 반응실험 연구결과(1. Two step process (Al-MCM-41(F) 촉매 하의 CPD/DCPD 소중합 반응 및 HY(30) 촉매 하의 THTCPD 이성화 반응) 및 2. One-pot process (MMZ-Hβ(300) 또는 Hβ (25) 촉매 하의 CPD/DCPD 소중합 / 이성화 동시 반응))를 기반으로 공학적 추정법을 사용한 경제성 분석 결과, Two step process가 One-pot process(TCPD 제품 수율 27.55%)에 비해, 제조공정이 더 많음에도 불구하고, TCPD 제품 수율 (43.93 %), 4가지 주요 물성(밀도, 열량, 점도 및 어는점), 촉매 재사용을 고려한 저렴한 제조원가 산정 등 제조 경제성 측면에서 더 양호한 결과를 보였다. 둘째, Two step process에서 Al-MCM-41(F) 촉매상 CPD/DCPD 소중합 반응 후 이성화 반응 촉매를 HY(30) 대신 AlCl3 촉매 적용 이성화 반응의 비교 실험 연구결과, AlCl3 촉매상 이성화 반응의 전환율(10 wt %, 83.4 %)이 HY(30) 촉매상 이성화 반응 보다 우수(10wt %, 75.6 %) AlCl3 촉매상 이성화 반응으로 제조된 최종 생성물(THTCPD)의 4가지 주요 물성은 HY(30) 촉매상 이성화 반응으로부터 생성된 최종 생성물(THTCPD)과 거의 동일한 수준이었다. AlCl3은 HY(30)보다 상대적으로 높은 촉매 성능과 온화한 반응 조건의 몇 가지 장점을 가지고 있으나, 촉매 재사용의 제한, 독성으로 인한 환경 문제, 1,2-디클로로에탄과 같은 조용매의 사용 및 폐촉매/조용매 혼합폐기물의 소각과 용매 회수와 같은 추가 후처리 공정이 필요한 단점도 있으므로, AlCl3 촉매상 이성화 반응과 HY(30) 촉매상 이성화 반응에 대한 경제성 분석을 공학적 추정법을 사용한 제조원가 추산 결과는 HY(30) 촉매상 이성화 반응이 새로운 촉매 사용의 경우를 제외하면 AlCl3 촉매상 이성화 반응보다 더 양호한 경제성(낮은 제조원가)를 나타내었다. 촉매의 재사용을 고려한 세 가지 사례 중 단위 제조원가의 경제성을 종합적인 관점에서 살펴본 결과, 경제성은 HY(30) 촉매상 이성화 반응이 적용된 Two step process > AlCl3 촉매상 이성화 반응이 적용된 Two step process > Hβ(25) 촉매상의 동시 소중합/이성화 반응이 사용된 One-pot process 순으로 나타났다.
more목차
Abstract …………………………………………………………………………………… 1
Abstract (in Korean ; 국문요약) ……………………………………………………… 3
Contents …………………………………………………………………………………… 5
List of Tables ……………………………………………………………………………… 7
List of Figures …………………………………………………………………………… 10
List of Schemes ………………………………………………………………………… 12
List of Supplementary data of tables ……………………………………………… 13
1. Introduction ………………………………………………………………………… 15
2. Study Methodology ……………………………………………………………… 24
2.1. Experimental data for economic analysis ………………………………… 24
2.1.1. Materials ………………………………………………………………… 24
2.1.2. Catalytic reactions ………………………………………………………… 26
2.1.3. Analysis of products from catalytic reactions ……………………………… 30
2.2. Economic analysis for the unit production cost prediction ………………… 32
3. Results and discussion ………………………………………………………………… 35
3.1. Review of the scale-up reaction results …………………………………………… 35
3.1.1. Two step process …………………………………………………………… 35
3.1.1.1. Oligomerization of endo-DCPD and CPD on Al-MCM-41(F) …… 35
3.1.1.2. Isomerization of endo-THTCPD to exo-THTCPD on HY(30) …… 40
3.1.2. One-pot process …………………………………………………………… 42
3.1.2.1. One-pot DCPD oligomerization and TCPD isomerization on
MMZ-Hβ(300) …………………………………………………… 42
3.1.2.2. One-pot DCPD oligomerization and TCPD isomerization
on Hβ(25) ………………………………………………………… 44
3.1.3. Comparison of scale-up reaction test results between two-step process and
one-pot process …………………………………………………………… 46
3.2. Review of the reaction results for the two step process isomerized over AlCl3 …… 49
3.2.1. Oligomerization of endo-DCPD and CPD on Al-MCM-41(F) ……………… 49
3.2.2. Isomerization of endo-THTCPD on AlCl3 in comparison with HY(30) …… 50
3.2.3. Comprehensive analysis for endo-THTCPD isomerization on AlCl3 ……… 56
3.3. Comparative economic analysis by the unit production cost prediction assuming
a pilot scale production …………………………………………………………… 58
3.3.1. Two step process and one-pot process using aluminosilicate catalysts ……… 58
3.3.2. Two step process of isomerization over AlCl3 compared with HY(30) ……… 64
3.3.3. Comprehensive economic analysis for THTCPD production ………………… 70
4. Conclusion ……………………………………………………………………………… 73
Reference ………………………………………………………………………………… 76
Supplementary data of Tables ………………………………………………………… 80
