[스크랩] 정제화학제품의 대량 합성을 실현하는 마이크로 리액터 개발

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정제화학제품의 대량 합성을 실현하는 마이크로 리액터 개발

KISTI 『글로벌동향브리핑(GTB)』 2009-03-04

- 심구형(深溝型( 마이크로 리액터 1대로 처리 능력 연간 1,000톤 -

NEDO 기술개발 기구의 산업기술 연구 조성 사업(예산 규모 : 약 50억 엔(약 800억 원))의 일환으로 도쿠시마(Tpkushima) 대학 대학원 SCI 테크노 사이언스 연구부 선진 물질 재료 부문 켄이치로(Kenichiro) 교수는 1대로 연간 1,000톤의 대량 정제화학제품 합성을 가능하게 하는 저압력 손실 마이크로 리액터 기술을 개발하였다. 특수한 가공 기술을 필요로 하지 않기 때문에 마이크로 리액터를 병렬화했을 때와 비교하여 현격하게 도입 비용을 저감할 수 있는 기술이다.

마이크로 리액터는 미세한 유로로 구성된 화학반응 장치로, 반응 조건을 엄밀하게 제어할 수 있기 때문에 효율적으로 화합물 합성을 실시할 수 있다고 한다. 이미 연구실 레벨에서는 광반응이나 전기 합성, 중합 반응 등에 응용되어 그 효과가 실증되고 있다. 현재 마이크로 리액터의 실용화를 위해 마이크로 리액터를 병렬화시켜 처리량을 증대시키는 수법이 제안되고 있지만, 유체를 균일하게 분할하기 위한 유체 제어 기술이 필요한 것 등이 과제가 되고 있다. 따라서 본 연구에서는 아스펙트 비(aspect ratio)(주 1)가 큰 유로(깊이 10㎝)를 이용하여 수치 시뮬레이션과 실험 양면으로부터 유동 상태와 열교환 성능을 평가하여 심구형 마이크로 리액터에서도 균일한 접촉 상태를 유지해 반응 처리량을 증대시키는 것에 성공하였다.

향후 본 연구에서는 심구형 마이크로 리액터를 이용한 대형 화학 플랜트를 건설하여 그 성능을 검증하기 위한 검토를 기업과의 의견교환이나 제휴를 강화해서 진행해 갈 예정이라고 한다.

배경 및 연구 개요를 살펴보면 마이크로 리액터는 대표 치수가 1mm 이하 크기의 공간에서 화학반응을 실시하는 장치로 화학반응을 연속하여 실시하고 정밀한 온도 제어나 신속한 혼합을 실현하기 때문에 화학 프로세스의 보다 나은 효율화에 공헌한다고 한다. 현재 마이크로 리액터의 실용화를 위해 마이크로 리액터를 병렬화시켜 처리량을 증대시키는 수법이 제안되고 있지만, 원료를 등분 분할하기 위한 유체 제어가 필요한 것 등이 과제가 되고 있다.

본 연구에서는 마이크로 리액터의 병렬화에 의하지 않는 대량 처리 기술로서 심구형 마이크로 리액터를 제안하였다. 심구형 마이크로 리액터는 폭이 1mm 이하인데 대해 깊이가 수 cm 이상이라는 아스펙트 비가 큰 유로로 구성되어 있어 마이크로 리액터의 특징을 유지한 채로 처리량을 증대시킬 수 있다. 깊이가 10cm의 경우 유로 깊이 100μm의 마이크로 리액터에 비해 1,000배의 처리량을 실현할 수 있다. 심구형은 처리량을 증대시키는 수법에 비해 도입 비용을 큰 폭으로 억제하는 것이 가능할 뿐만 아니라 조작·보수 유지도 용이하다. 또한 압력 손실을 미세하게 조정하는 것도 가능하며 시범 제작품에서는 연간 1,000톤의 물을 유통시켰을 경우의 압력 손실은 평균 20kPa와 유량에 비해 작다.

향후 본 연구에서는 심구형 마이크로 리액터를 이용한 파일럿 크기의 화학 플랜트를 건설하여 그 성능을 검증하기 위한 검토를 기업과의 의견교환이나 제휴 강화를 통해서 진행해 갈 예정이라고 한다. 또한 각종 반응 프로세스에서의 응용 가능성에 대해 각종 배치 합성 장치를 연속화하는 것에 의한 합성 프로세스의 안정화, 발열을 수반하는 각종 합성 반응 프로세스의 안전성 향상의 항목에 대해 산업계와 폭넓게 의견을 교환하거나 연구회를 실시해 갈 예정이라고 한다.

(주 1) 종횡의 길이 비.

<참고자료> (좌) 심구형 마이크로 리액터의 개념도 / (우) 실험공장

NEDOReactor20090226.jpg

https://app3.infoc.nedo.go.jp/informations/koubo/press/CA/nedopressplace.2008-11-26.1174332432/nedopress.2009-02-17.3489544287/