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화학제품사전
Fine & Specialty Chemicals(정밀화학/스페셜티케미칼) 제조 원단위 및 프로세스(상,하)
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가격 : 88만원
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발행처 : Cischem
Directory of Chemical Products and Producers in China 2012
총분량 : 1,082쪽
책가격 : 70만원
발행일 : 2012년3월
발행처 : CNCIC
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Ethyl alcohol(Ethanol, 에틸알콜)

Ethyl alcohol(Ethanol, 에틸알콜)

HS No. : 2207-10-9000
CAS No. : 64-17-5
별명 : Alcohol
화학식 : C2H5OH, 분자량 46.07
성상 : 에탄올은 무색투명한 휘발성 및 가연성 액체로 자극적인 냄새와 상쾌한 향기가 있다. 발화점은 363℃, 비중은 7.947(15/15℃), 증기압은 40mmHg(19℃), 증기밀도는 1.6, -100℃에서도 얼지 않는다. 비점은 78.3℃, 인화점은 12.8℃로 물에는 임의의 비율로 혼합되고 그 때 발열하여 용적이 줄어든다. C2H5OH : 3H2O의 비율에서는 용적의 감소가 최대로 된다. 에테르, 클로로포름, 글리세린 등 각종 휘발성 기름에도 혼화된다.
용도 : 에탄올은 음료용, 공업용 및 연료용으로 사용되며 화학적 합성 또는 곡물의 발효로 제조되는데 합성알콜은 촉매를 사용하여 에틸렌 또는 천연가스를 원료로 제조하고 발효알콜은 곡물이나 과일 등의 당질을 원료로 제조한다. 브라질, 미국, 서유럽, 일본 등에서는 공업용 알콜의 90%이상이 곡물 발효로 제조되는 반면, 국내에서는 전량이 합성알콜이다. 수요 부문에서는 자동차 연료에서 가장 큰 변화가 있을 것으로 보이는데, 현재 주로 사용되는 가솔린이 유한한 자원인 반면 곡물을 발효시켜 제조하는 에탄올은 무한한 자원으로 환경문제와 연관하여 미래의 수요가 기대된다.
음료, 유기용제, 에테르, 에스테르, 셀룰로이드, 알카로이드 추출제, 니스, 잉크, 화장품, 에센스, 아세트알데히드의 제조, 생물표본보존용, 소독, 세정제, 방향유추출, 연료용(자동차 부동연료), 식산제조 등에 사용된다. 알콜 중에 수분을 검출하고자 할 경우에는 무수황산동(청색을 백색으로)을 가하면 수분이 있으면 청색으로 변한다. 완전히 무수로 하는 방법도 있다. 불순물로는 아세트알데히드가 있다. 이러한 것을 제거하자면 산화은 Ag2를 가해서 오래 방치해 초산으로 변화시켜서 이것을 수산화칼륨에 의해 제거시킨다. 용매제로도 사용된다. 드라이아이스로서 냉각제로 사용할 때 냉각능률을 올리기 위해서 알콜을 혼합한다. 가스크로마토그래피에서 분리용으로 사용한다. 기화열의 측정용에서 많이 사용된다.
제법 : 미국에서 생산되는 에탄올의 3/4는 에틸렌으로부터 얻는다. 에틸렌을 에탄올로 전환하는데는 2가지 공정이 있다. 첫 번째 공정은 UCC에서 최초로 사용한 방법인데 35% 정도의 낮은 농도의 에틸렌을 200~600psig(14.6~41.8기압)의 압력에서 일련의 황산 흡수기(absorber)를 통과시키면 C2H4+H2SO4→C2H5HSO4의 반응이 일어난다. 부산물로 얻어진 Ethyl Hydrogen Sulfate와 Ethyl Sulfate는 다른 반응기에서 물로 가수분해시키고 유출물은 수증기 탈거장치로 보내어 여기서 얻는 알콜, 물, 그리고 부산물인 에틸에테르를 분별 증류장치로 보낸다. 사용된 산은 재농축시켜 다시 흡수탑으로 보낸다. 이 공정은 에틸렌공정의 탈 에탄화 탑의 상부 생성물과 같은 원료를 처리하는데 정화장치를 가설할 필요가 없으며 Sulfate로의 전화율이 실제로 100%이고 전화되지 않은 원료를 다시 재순환시킬 필요가 없다. 에틸알콜의 수율은 90%정도인데 물질의 손실은 에틸에테르가 생성되기 때문이다. 이 공정을 채택한 에탄올 공장은 미국에서 생산되는 에틸에테르의 대부분을 차지한다. 2번째 공정은 촉매 수화로 미국의 Shell이 사용했는데 고순도 에틸렌을 570℉(299℃)로 가열하고 1000psi(68기압)으로 압축해 응축물과 섞은 다음 인산 촉매가 함유된 반응기로 보낸다.
한번 보낼 때마다 얻어지는 전화율이 4.2%이므로 재순환/입력원료 비율은 23/1이다. 기체와 액체는 분리되고 아직 반응하지 않은 에틸렌은 불활성 물질을 뽑아낸 다음 재순환시킨다. 에탄올은 수증기로 탈거한다. 정화장치로 보내기 전에 알콜을 전화할 때 생기는 아세트알데히드를 극미량까지 제거하기 위해 촉매를 써서 수소화시킨다. 수율은 97%까지 올라가는 것으로 알려졌다. 이 공정은 비싼 산의 재농축 시설이 필요 없음으로 시설 투자비가 적게 든다. 유지비 또한 황산화(Sulfation) 공정에서 보다 적게 든다. 황산은 소비되지 않지만 반응하지 않은 원료를 재순환시키는데 전력이 소비되므로 이런 장점이 상쇄된다. 단점은 부대 설비비가 많이 들고 원료가 중합에 쓰일 수 있는 고순도 에틸렌이어야 한다. 유럽의 몇몇 국가들은 아직도 석탄이나 천연 가스로부터 얻어지는 아세틸렌으로 만들어지는 아세트알데히드를 수소첨가 반응에 의해서 생산하고 있다. 또한 에탄올의 어느 정도는 에틸렌을 산화해 생산하는데 이를 Wacker Process라 한다.
(1) 발효법 : 발효성 당류를 포함한 가장 대표적인 것은 廢糖密이 있다. 당농도를 약 22%로 묽게하여 누룩으로 하고 여기에 효모를 더해 알콜발효를 하는데, 먼저 효모를 건전하고 충분히 발육시키기 위해 영양원이 풍부한 액에 미리 배양시킨 효모액을 만들고 이것을 누룩 염산에 대해 5~10% 가한다. 5∼6일로 발효가 끝나면 이것을 증류시켜 에틸알콜을 얻는다. 에틸알콜의 理論收量은 당의 약 50%(중량)이지만 실제로는 당분 50~60%의 폐당밀 10톤에서 95% 에틸알콜 2800~3000ℓ를 얻는다.
녹말질 원료는 종래 증자시켜 온실효모 또는 맥아를 더해 당화시켜 그 당화누룩에 효모를 더해 발아시키는데 그후 당화력이 강한 아밀로법(아밀로균) 대신, 더욱더 진하게 만들 수 있는 액체 효모법이 많이 사용될 때가 있었으나 현재는 성력화와 안정성 면에서 거의 모두가 효소당화법을 채택하고 있다. 산소제를 사용하는 경우는 증자누룩에 대해 전분량의 0.1%(중량비)를 가하면 효모의 적온(34℃)까지는 당화하며 그 당화누룩에 효모를 더해 발효시킨다. 효소제는 당화력과 더불어 액화력도 강해서 냉각시간이 단축된다. 현재는 효소당화법이 널리 사용된다. 효소제를 사용할 경우에는 증자의 모든 맛에 대해 전분량의 0.1%(중량비)를 가하면 효모의 적당한 온도(34℃)까지는 당화됨으로 이러한 당화의 모든 맛에 효모를 가해서 발효시킨다. 효소제는 당화력을 가해서 액화력도 강하기 때문에 냉각시간이 단축된다. 현재는 효소당화법이 널리 행해지고 있다.
(2) 합성법 : 합성알콜의 제조법으로 아세트알데히드에 수소를 첨가하는 방법(아세트알데히드 수첨법)과 에틸렌을 농황산에 흡수시켜 가수분해하는 방법(황산법), 에틸렌과 물을 직접 반응시키는 직접수화법이 있다. 아세트알데히드 수첨법은 공업화되어 있지 않고 황산법은 UCC와 프랑스에서 기업화되어 있는 예가 있지만 최근 건설되는 공장은 직접수화법을 채택하고 있는 경우가 많다. 직접수화법은 Shell그룹에서 처음으로 개발했다. 이 밖에는 이스트만법, 히베르니아법, 내쇼날디스티라법 등이 있는데 어느 것이나 모두 인산을 촉매로 하는 공정으로 기본적인 차이는 없다.
① Shell법(직접수화법) : 직접수화법은 원료 에틸렌을 콤프레셔에서 70기압까지 압축해 여기에 순수한 물을 넣어 가열로에서 반응온도를 290℃까지 올려 기화된 것을 반응탑으로 보낸다. 반응탑은 銅라이닝을 한 다층탑이고, 내부에는 다공질 담체로 75% 인산을 포함한 촉매가 가득 채워져 있다. 보내진 에틸렌과 물의 가스를 이 촉매 층을 통과할 때 반응해 에탄올로 전화된다. 부반응으로 에테르는 생성되는데, 그 양은 1% 정도이다. 또 적은 양으로 혼재하는 아세틸렌의 수화에 의해 아세트알데히드가 생성된다. 반응탑저에서 배출된 반응생성물은 가성소다로 중화되어 가스분리기에 가스와 액체로 나뉘어진다. 가스는 냉각기에서 냉각된 뒤 세정탑에서 에탄올을 모으기 위해 물로 세척하고 미반응 에틸렌으로 재사용한다. 액체 생성물과 세정액은 함께 분유탑으로 보내져서 에탄올 분 약 90%까지 농축된다. 이어서 니켈촉매를 가득 채운 환원탑으로 보내어지고 미량으로 함유되고 있는 아세트알데히드는 수소로 환원되어 에탄올로 전화된다. 조제 에탄올은 추출탑에 보내져 추출증탑에 의해 에테르 따위의 저비점물을 분리한 후 최종 정제탑에서 95%의 제품이 된다.
② 황산법 : 온도가 약 60℃, 압력 약 25기압의 원료 에틸렌을 98% 농황산에 흡수시켜 에틸황산·디에틸 황산을 생성시킨다. 흡수탑에서의 생성물은 탑저에서 가수분해탑으로 보내지고 약 70℃에서 가수분해되어 에탄올과 황산으로 나뉘어지고 동시에 에테르를 부생한다. 에탄올·에테르·황산의 혼합물은 스트립퍼에 보내져 탑 꼭대기에서 에탄올과 에테르가 유출되고 탑 아래에서 廢稀 황산이 분리·회수된다. 탑정에서 유출된 조성에탄올은 정유되어 95%의 정제 에탄올이 되고 廢稀 황산은 공정을 거쳐 재사용된다. 황산법은 원료에틸렌의 농도가 낮아도 좋은 반면, 제품 에탄올의 약 10%의 에테르가 부생하며 황산에 의한 장치의 부식이 심하다는 결점이 있다.


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[2023년 11월-398호]

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