지구 온난화 문제의 주된 원인인 이산화탄소를 제거하고 이를 에너지원으로 재순환시키기 위한 노력의 일환으로 이산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄올을 합성하는 공정을 개발하였다. 이 공정은 일차로 이산화탄소를 역수성 가스반응(water shift reaction)을 통하여 일산화탄소와 물로 전환시킨 뒤 생성된 물을 제거하여 이 기체 생성물을 메탄올 합성 반응기에 주입시켜 메탄올을 합성하는 공정이다. 본 연구의 목표는 이산화탄소를 메탄올 합성의 원료로 사용함으로써 수소 에너지와의 연계를 확립하며 이산화탄소 처리를 위한 새로운 공정을 개발하는 것이다. 본 연구에서는 각각의 반응에 대한 촉매 및 반응조건의 실험 자료를 토대로 역수성 가스반응을 통한 메탄올 합성의 두 단계 공정을 설계하고 그에 따른 경제성을 평가하였다. 실험과 계산을 상호 보완적으로 실시하여 실험 횟수를 최소화하였다. 최적의 반응 조건 도출, 촉매의 활성저하 문제 해결, 최적의 순환흐름 등의 목표를 효율적으로 수행하기 위해 단계적인 설계 절차 방법을 사용하였다. 각각의 설계 절차 단계에서 발생되는 다양한 공정 조건에 따른 수많은 상태들에 대해 적절한 대안 공정 흐름도를 만들고 이에 대한 모사를 수행하여 최적의 상태를 결정함으로써 최적의 공정을 설계하였다. 마지막으로 공정을 비용 면에서 고찰하여 기존의 메탄올 합성 공정들과 비료함으로써 본 연구에서 개발한 공정의 경제적 타당성을 입증하였다.

Removing CO₂, which is the major cause of the global warming, and recycling it to the energy source are very important socially and environmentally. For those, we developed a new process that synthesizes methanol by reacting CO₂ and H₂. First, this process converts CO₂ to CO and H₂O by the water-gas shift reaction. Then, it produces methanol by the methanol-synthesizing reaction. The main purpose of this study is to develop a new process of reducing CO₂ coming from various plants and of producing methanol. This study focuses on designing and cost estimating of the two-step process, using the experimental data of reaction condition and catalyst. The experiments and simulation are done simultaneously to minimize the number of experiments. This study also adopts design hierarchy(Douglas) to find the best flowsheet systematically. By choosing the best one among numerous alternative processes and operating condition, an optimal flowsheet is designed. This new process is also proved to be economically sound compared with conventional methanol systhesis processes.

CO₂ Water-gas Shift Reaction Methanol Systehsis Design Cost Estimation Simulation New Process

Douglas JM, AIChE J., 31, 353 (1985) 
Han CH, Douglas JM, Stephanopoulos G, Comput. Chem. Eng., 19(S), 63 (1995) 
Baasel WD, "Preliminary Chemical Engineering Plant Design," VAN NOSTRAND REINHOLD (1990)
Biegler LT, Grossmann IE, Westerberg AW, "Systematic Methods of Chemical Process Design," Prentice Hall (1997)
Ramirez WF, "Computational Methods for Process Simulation," Butterworths (1989)
Westerberg AW, Subrahmanian E, Reich Y, Konda S, Cunningham DP, Dutoit AH, Granger HL, Konda S, Marshall KC, Milliken RC, Monarch IA, Neergaard JP, Patrick RH, Thomas ME, Comput. Chem. Eng., 21(S), 1 (1997)
Haddeland GE, "Methanol," SRI Report No. 43 (1968)
Haddeland GE, "Methanol," SRI Report No. 43B (1981)
Haddeland GE, "Methanol," SRI Report No. 43A1 (1972)
Kim JK, Moon I, Joo OS, Han SH, Proceedings of '98 KIChE Spring Meeting, 381 (1998)
Skrzypek J, Lachowska M, Serafin D, Chem. Eng. Sci., 45, 89 (1990) 
Graaf GH, Stamhuis EJ, Beenacker AACM, Chem. Eng. Sci., 43, 3185 (1988) 
Arno B, "Carbon Dioxide Activation by Metal Complex," VCH Publisher, Germany (1988)
Fruehauf PS, Mahoney DP, Chem. Eng. Prog., 90(3), 75 (1994)
Smith R, "Chemical Process Design," McGraw-Hill (1995)