베르기우스 공정

프리드리히 베르기우스

베르기우스 공정(영어: Bergius process)은 고온 고압에서 고휘발성 역청탄을 수소화하여 합성 연료로 사용되는 액체 탄화수소를 생산하는 방법이다. 이 공정은 1913년 프리드리히 베르기우스가 처음 개발했다. 1931년에 베르기우스는 고압화학 개발로 노벨 화학상을 수상했다.

공정

석탄은 미세하게 분쇄된 후 뜨거운 가스 흐름에서 건조된다. 건조된 제품은 공정에서 재활용된 중유와 혼합된다. 일반적으로 혼합물에 촉매가 첨가된다. 수년에 걸쳐 텅스텐 또는 이황화 몰리브데넘, 주석 또는 니켈 올레산염 등 여러 촉매가 개발되었다. 또는 석탄에 존재하는 황화 철이 공정에 충분한 촉매 활성을 가질 수 있는데, 이것이 원래의 베르기우스 공정이었다.

혼합물은 반응기로 펌프질된다. 반응은 400 ~ 500 °C의 온도와 20 ~ 70 MPa의 수소 압력에서 일어난다. 반응은 중유, 중간유, 가솔린 및 가스를 생성한다. 전체 반응은 다음과 같이 요약할 수 있다.

$n{\ce {C}}+(n-x+1){\ce {H2->C_{\mathit {n}}H}}_{2n-2x+2}$ (여기서 x = 불포화도)

반응로에서 직접 생성된 제품은 일반적인 수소첨가처리 촉매를 통과시켜 안정화해야 한다. 제품 흐름은 사이클로알케인과 방향족 화합물이 풍부하고 알케인(파라핀)이 적으며 알켄(올레핀)이 매우 적다. 다른 분획물은 원하는 품질의 합성 연료를 생산하기 위해 추가 처리(크래킹, 촉매 개질)를 거칠 수 있다. 플랫폼밍과 같은 공정을 통과하면 대부분의 사이클로알케인이 방향족 화합물로 전환되고 회수된 수소는 공정으로 재활용된다. 플랫폼밍에서 나온 액체 제품은 75% 이상의 방향족 화합물을 함유하고 연구 옥탄가 (RON)가 105를 넘는다.

전반적으로 공정에 직접 투입된 탄소의 약 97%가 합성 연료로 전환될 수 있다. 그러나 수소 생성에 사용된 탄소는 이산화탄소로 손실되어 공정의 전체 탄소 효율을 감소시킨다.

석탄 재 및 촉매와 혼합된 비반응성 타르성 화합물의 잔류물이 남는다. 잔류물 흐름에서 탄소 손실을 최소화하려면 저회분 사료가 필요하다. 일반적으로 석탄은 무게 기준으로 10% 미만의 회분을 가져야 한다. 공정에 필요한 수소는 석탄 또는 잔류물에서 수증기 개질을 통해 생산할 수도 있다. 일반적인 수소 요구량은 건조, 무회분 석탄 1톤당 약 80kg의 수소이다. 일반적으로 이 공정은 수소화와 유사하다. 출력은 중유, 중간유, 가솔린의 세 가지 수준이다. 중간유는 더 많은 가솔린을 얻기 위해 수소화되고, 중유는 석탄과 다시 혼합되어 공정이 재시작된다. 이런 식으로 중유 및 중간유 분획도 이 공정에서 재사용된다.

베르기우스 연구의 가장 최근 진화는 1981년부터 1985년까지 운영된 앨라배마주 윌슨빌의 2단계 수소액화 플랜트이다. 이곳에서는 미세하게 분쇄된 석탄과 재활용 공여 용매를 사용하여 열과 수소 압력 하에 석탄 추출물이 제조되었다. 석탄 분자가 분해됨에 따라 자유 라디칼이 형성되며, 이는 공여 용매로부터 수소 원자를 흡수하여 즉시 안정화된다. 추출물은 추가 수소 공급을 받는 촉매 유동층 수소화분해기(H-Oil 유닛)로 이동하여 저분자량 탄화수소를 형성하고 석탄에 원래 존재했던 황, 산소, 질소를 분리한다. 액체 제품의 일부는 수소화된 공여 용매로, 이는 1단계로 돌아간다. 액체 제품의 나머지는 증류를 통해 다양한 비점 범위 제품과 회분 잔류물로 분별된다. 회분 잔류물은 커-맥기 임계 용매 탈회분 유닛으로 이동하여 추가 액체 제품과 미반응 석탄 및 중질 잔류물을 포함하는 고회분 물질을 생성하며, 상업적 플랜트에서는 이를 가스화하여 공정에 필요한 H2를 생산한다. 플랜트에 들어가는 석탄을 직접 가스화하는 것을 피하도록 매개변수를 조정할 수 있다. 플랜트 구성의 대체 버전은 L-C Fining 및 비용매 탈회분 유닛을 사용할 수 있다. 공여 용매의 일반적인 종은 융합 고리 방향족 화합물(테트라하이드로나프탈렌 및 그 이상) 또는 유사한 헤테로사이클릭 화합물이다.

역사

프리드리히 베르기우스는 하빌리타치온 기간 동안 이 공정을 개발했다. 탄소 함유 기질의 고압 및 고온 화학 기술은 1913년에 특허를 얻었다. 이 공정에서는 갈탄의 수소화를 통해 합성 연료로 사용되는 액체 탄화수소를 생산한다. 그는 일반적으로 알려진 피셔-트롭쉬 공정보다 훨씬 이전에 이 공정을 개발했다. 카를 골드슈미트는 1914년 그의 공장인 테 골드슈미트 AG (현재 에보닉 인더스트리스)에 산업 플랜트를 건설하도록 그를 초대했다. 생산은 제1차 세계 대전이 끝난 후인 1919년에야 시작되었는데, 이때는 이미 연료 수요가 감소하고 있었다. 기술적인 문제, 인플레이션 그리고 프란츠 요제프 에밀 피셔의 끊임없는 비판(공정의 개인적인 시연 후 지지로 바뀌었음)으로 인해 진행이 더뎠고, 베르기우스는 그의 특허를 카를 보슈가 연구하던 바스프에 팔았다. 제2차 세계 대전 이전에 연간 4백만 톤의 합성 연료 생산 능력을 가진 여러 공장이 건설되었다. 이 공장들은 제2차 세계 대전 동안 독일에 연료와 윤활유를 공급하기 위해 광범위하게 사용되었다.

사용

제2차 세계 대전 당시 합성 가솔린 공장(IG 파르벤 인더스트리, 폴리체)의 석탄 엘리베이터 유적

석탄 수소화는 더 이상 상업적으로 사용되지 않는다.

베르기우스 공정은 나치 독일의 카르텔 기업인 브라바그(Brabag)에 의해 광범위하게 사용되었다. 이 공정을 사용한 공장들은 제2차 세계 대전의 석유 작전 동안 폭격의 표적이 되었다. 현재 베르기우스 공정 또는 그 파생물을 상업적으로 운영하는 공장은 없다. 가장 큰 시범 공장은 독일 보트로프에 있는 일일 200톤 규모의 공장으로, 루르콜레가 운영했으며 1993년에 가동을 중단했다. 중국의 한 회사가 일일 4,000톤 규모의 공장을 건설하고 있다는 보고서가 있었으며, 2007년에 가동될 것으로 예상되었으나 달성되었는지 확인된 바는 없다.

제2차 세계 대전 말기, 미국은 석탄을 가솔린으로 전환하는 연구에 막대한 자금을 지원하기 시작했으며, 여기에는 일련의 시험 플랜트 건설 자금도 포함되었다. 이 프로젝트는 노획한 독일 기술의 도움을 크게 받았다. 베르기우스 공정을 사용하는 한 플랜트는 미주리주 루이지애나에 건설되어 1946년경 가동을 시작했다. 미시시피 강을 따라 위치한 이 플랜트는 1948년까지 상업적인 양의 가솔린을 생산하고 있었다. 루이지애나 공정 방식은 석유 기반 가솔린보다 약간 비쌌지만, 비슷한 가격으로 고품질의 자동차 가솔린을 생산했다. 이 시설은 1953년 드와이트 D. 아이젠하워 행정부에 의해 폐쇄되었는데, 이는 석유 산업의 강력한 로비 때문이었다고 한다.

같이 보기

• 합성 액체 연료 프로그램
• 피셔-트롭쉬 공정
• 캐릭 공정
• 석탄수 슬러리 연료

외부 링크

• The Early Days of Coal Research, U.S. Department of Energy webpage