KR0139356B1 - 반응 증류 방법을 이용한 화학 반응 열 펌프 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 폐열을 효과적으로 이용할 수 있는 화학반응 열 펌프 장치에 관한 것이다. 본 발명의 목적은 화학 반응 열 펌프에 사용할 수 있는 가역 반응계, 즉 2-프로판올/아세톤/수소 반응계를 이용하여, 폐쇄 회로를 이루고 있는 하나의 장치에는 흡열 반응과 발열 반응을 동시에 행함은 물론이고, 고순도의 반응 생성물을 분리 공급함으로써 화학 반응 열 펌프의 효율을 극대화시키고, 또한 반응물의 재공급 없이 반영구적으로 사용이 가능한 장치를 개발하는 것이다. 특히, 본 발명의 화학 반응 열 펌프 장치는 열이 이동되는 과정에서 열 손실이 극대화되고 반응과 분리를 하나의 장치에서 처리함으로써 운전비 및 장치비를 절감함과 아울러, 조작상의 위험이 적어 상업적인 이용 가능성이 매우 높다.

Description

반응 증류 방법을 이용한 화학 반응 열 펌프 장치

제1도는 본 발명의 장치에 대한 개략도.

제2도는 반응과 증류를 별도로 행하여 흡혈 반응을 수행한 경우와 본 발명의 장치를 사용하여 반응과 증류를 동시에 행하여 흡열 반응을 수행한 경우의 생성물의 생성 속도를 비교하여 나타낸 그래프.

제3도는 기존의 일반적인 장치를 이용한 경우와 본 발명의 장치를 이용한 경우의 열 펌프 성능 차이를 장치의 내부 부피에 대하여 비교한 그래프.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

11 : 흡열 반응기 주반응부12, 13 : 흡열 반응기 반응 증류부

14 : 흡열 반응기 생성물 출구15 : 흡열 반응기 재비기 출구

16 : 흡열 반응물 입구17 : 공급 밸브

18 : 투시경21 : 액체 저장고

22, 23 : 발열 반응물 경로24 : 발열 반응물 입구

25 : 발열 반응기 내부 경로26 : 발열 반응기

27 : 발열 생성물 출구31 : 흡열 반응기 재비기

32 : 예열기33 : 혼합기

34 : 첵 밸브35, 36 : 펌프

36 : 냉각기38, 39 : 압력 조절 밸브

41, 46 : 열매체 출입구42, 43, 44, 45 : 열매체 경로

51, 54 : 온도 제어기53, 55 : 온도 감지기

52, 56 : 제어 밸브

본 발명은 폐열을 효과적으로 이용할 수 있는 화학 반응 열 펌프 장치에 관한 것이다. 더 구체적으로 말하자면, 본 발명은 연속적으로 저온에서의 흡열 반응과 고온에서의 발열 반응을 수행하여 열을 저온에서 고온으로 이동시킬 수 있으며, 반응 안정성이 있고, 생성물과 반응물의 분리가 용이한 화학 반응계를 이용함으로써, 특히 조작상의 위험이 적어 상업적으로 이용 가능성이 매우 높은 화학 반응 열 펌프 장치에 관한 것이다.

열 펌프는 저온의 열을 고온의 열로 바꾸어주는 장치로서 1852년에 캘빈에 의하여 구성된 열 펌프가 그 시초인 것으로 알려져 있다. 그러나, 실제로는 제이콥 퍼킨스에 의한 증기 압축식 냉동기의 설계가 캘빈의 것보다 18년이나 앞선 것이었다. 공기 압축식 냉동기를 이용한 최초의 얼음 공장이 1850년경 호주의 제임스 해리슨에 의해 세워진 바 있다.

현대적 의미의 열 펌프는 할데인이 1930년에 제작한 장치를 그 효시로 보는 것이 일반적인데, 할데인은 대가를 열원으로 이용하였으며, 기상 조건이 좋지 않을 때를 대비하여 물을 겸용으로 쓸 수 있도록 고안하였다. 1935년에는 공기 조절과 냉방을 목적으로 물과 브롬화리튬을 이용한 흡수 사이클 열 펌프가 미국에 설치되었다. 이 장치는 연소 물질이 없고 폭발성이 없으며 인체에 해가 없어 상업적으로 이용되어 왔다.[D.V. Paranjape, et al., Characteristics of Water-calcium Chloride and Water-Lithium Bromide Absorption Heat Pumps, AICHE J. 32(1986), 1924-1927].

종래의 기계적 열 펌프는 잠열을 이용하여 기계적 에너지를 열 에너지로 변환하여 저장한 후에 보다 높은 온도의 열로 바꾸어주는 반면에, 화학 반응 열 펌프는 화학 반응의 반응열을 이용하여 열을 흡수한 후에 보다 고온에서 열을 방출하므로 기계적 열 펌프보다 많은 양의 열을 보다 높은 온도까지 이동시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 화학 반응 열 펌프는 기계적 열 펌프와 같이 유체를 압축하고 팽창시킬 필요가 없기 때문에 더욱 효율적으로 고온의 열을 만들 수 있는 장점이 있다. 특히, 화학 반응 열 펌프는 에너지 밀도가 잠열이나 현열보다 더 큰 화학 반응의 반응열을 이용하므로, 저장 용기 등의 부대 시설을 갖추지 않고도 오랜기간 열 손실 없이 고온의 열을 저장할 수 있는 장점이 있다. 그러나, 이상과 같이 기계적 열 펌프에 비하여 우수한 장점을 가진 화학 반응 열 펌프는 반응의 가역성, 촉매, 반응 속도 등의 물리 화학적인 문제뿐만 아니라, 반응기, 펌프, 열교환기, 분리기 등의 장치 상의 문제점 때문에 지금까지실용화되지 못하고 있다.

이상과 같은 이유로 상업적으로 이용 가능한 화학 반응 열 펌프 장치가 개발되지 않았지만, 아래 표 1에 나타낸 바와 같이, 사용 가능한 반응계 및 촉매에 대하여 상당히 많은 연구가 진행 중에 있다.

화학 반응 열 펌프 장치에 이용 가능한 반응계 및 촉매

반 응 계	사 용 촉 매
2-프로판올/아세톤/수소 반응계탈수소화 반응수소화 반응	라니 니케르 루테늄, 백금,아크롬산구리
사이클로헥산/벤젠/수소 반응계탈수소화 반응수소화 반응	백금
메탄올 개질	니켈
암모니아 합성	철 산화물
메탄올 분해	아크롬산아연
메탄올 합성	아크롬산구리아연

표 1에 나타난 반응계 중에서 실용화 가능성이 매우 높은 반응계는 2-프로판올/아세톤/수소 반응계이다. 일반적으로, 이 반응계는 비교적 저온에서(100℃ 이하) 열을 흡수하여 고온에서 (200℃ 이상) 열을 방출할 수 있고, 또한 반응이 안정하고 생성물과 반응물의 분리가 용이한 것으로 알려져 있으며, 특히 조작 상의 위험이 적어 상업적인 이용 가능성이 매우 높다. 상기 2-프로판올/아세톤/수소 반응계의 반응 기구는 다음 식 (1)과 같다.

C₃H₇OH + 열 ↔ C₃H₆O + H₂--------- (1)

이 반응계는 앞서 언급한 바와 같이, 표 1의 다른 반응계들에 비해 낮은 온도에서 열을 흡수할 수 있고, 반응 안정성이 높아 일본, 프랑스 등지의 많은 연구자들이 실용화를 위한 연구에 이용하고 있다. 이 반응계에서는 80℃ 근처에서 2-프로판올이 아세톤과 수소로 분해되면서 2-프로판올 1 몰당 24kcal의 열을 흡수한다(이하, '흡열 반응'으로 표기). 또한, 열을 흡수한 아세톤과 수소는 200℃ 근처에서 열을 방출하면서 2-프로판올은 다시 흡열 반응 단계로 유입되면서 다시 아세톤과 수소로 분해되어 열을 흡수하게 된다. 이상과 같이, 상기 반응계는 연속적으로 흡열 반응과 발열 반응을 수행하여 열을 저온에서 고온으로 이동시킬 수 있는 화학 반응계이다.

그러나, 화학 반응 열 펌프 장치를 구성하기 위해서는 이 반응계의 흡열 반응에서 2-프로판올이 아세톤과 수소로 완벽하게 분해되거나, 발열 반응을 일으킬 수 있는 최소 농도 이상의 전화율을 가져야 함은 물론이고, 또한 발열 반응에서도 마찬가지로 충분한 전화율을 가져야 한다. 그러나, 상기 반응계는 다른 일반적인 모든 반응에서와 같이, 흡열 반응은 온도가 높을 수록 발열 반응은 온도가 낮을 수록 평형 전화율이 높기 때문에, 낮은 온도에서 흡열하여 보다 높은 온도에서 발열해야 하는 화학 반응 열 펌프를 구성하는 데 어려움이 따른다.

상기 반응계 중 흡열 반응의 온도에 대한 이론 평형 전화율은 700℃ 이상에서 99 몰% 이상의 높은 값을 갖지만, 온도가 감소함에 따라 그 값이 점점 감소하여 화학 반응 열 펌프에서 이용할 수 있는 온도인 60~100℃(이하, '흡열 온도'라 표기)에서는 2~11 몰%가 된다. 또한, 발열 반응의 온도에 대한 이론 평형 전화율은 80℃ 이하에서 95 몰% 이상의 값을 갖지만, 온도가 증가함에 따라 그 값이 점점 감소하여 화학 반응 열 펌프에서 이용할 수 있는 온도인 200℃ 정도(이하, '발열 온도'라 표기)에서는 약 20 몰%가 된다. 이상의 결과로부터, 상기 반응계(표 1에 표시된 다른 반응계를 모두 포함)를 이용하여 저온에서 흡열 반응을 수행하고 고온에서 발열 반응을 행하기 위해서는, 흡열 반응에서 반응물로 사용되는 발열 반응의 생성물 중의 2-프로판올의 농도가 최소한 11 몰% 이상이어야 하고, 반대로 발열 반응에서 반응물로 사용되는 흡열 반응의 생성물 중의 아세톤과 수소의 농도가 최소한 20 몰% 이상이 되어야 함을 알 수 있다. 또한, 흡열 반응의 경우, 반응물의 농도가 평형 전화율 이상이 된다 하여도 반응에서의 농도 차이는 그 반응의 주된 추진력이 되므로 농도차가 클수록 생성물의 생산 속도는 커진다. 그러므로, 상기 반응계의 가역 과정을 원활하게 순환시키기 위해서는 반응물의 농도를 높이기 위한 분리 장치가 필요하다. 특히, 반응 효율을 높이기 위해서는 주반응기보다 더 큰 분리 장치가 필요하며, 이에 따른 열전달, 이송, 단열등의 문제점이 발생한다.

이상과 같은 조건을 만족시키는 장치를 만들기 위해서는 증류탑 및 이송 펌프 등의 장치가 대형화되어야 하며, 똬ㄴ 분리 장치의 운전에 과도한 에너지가 필요하므로 현실적으로 산업화는 어렵다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기 식(1)과 같은 반응계를 도입하여 화학 반응 열 펌프 장치를 실용화하는 데 있어서 제약이 되는 상기의 문제점들을 해결할 수 있는 장치를 개발하여 실용 가능한 화학 반응 열 펌프 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명에서 도입한 기술적 수단은 증류탑내에 증류단 또는 충전물 대신 측수 제작한 촉매를 채우고 화학 반응과 동시에 증류 공정을 수행하여 흡열 반응과 분리 공정을 동시에 수행하는 장치(이하, '흡열 반응기'라 표기)를 구성하여 반응 증류 공정을 이용하는 것이다.

이러한 반응 증류 공정에서, 흡열 반응기 내에 존재하는 촉매와 하향류(下向流)로 존재하는 액상과의 계면에서는 반응 평형이 존재하고, 이 액상과 상향류(上向流)로 존재하는 기상의 계면에는 상평형이 존재한다. 여기서, 액상에는 2-프로판올과 아세톤만이 존재하고 기상에는 2-프로판올과 아세톤, 그리고 수소가 존재하게 된다. 액상에 수소가 없는 이유는 수소의 증기업이 다른 두 물질의 그것에 비해 매우 크기 때문이다. 여기서, 만약 액상에 존재하는 물질의 몰 분율이 흡열 반응이 진행될 수 있는 영역의 몰 분율을 갖는다면 액상에 존재하는 2-프로판올은 촉매와 반응하여 아세톤과 수소로 분해될 것이다. 분해된 수소는 반응과 동시에 기상으로 이동되어 발열 반응에 참여하고, 아세톤은 액상으로 먼저 이동되어 액상의 2-프로판올과 상평을 유지하면서 기상으로도 이동된다. 여기서 한가지 유의할 점은, 액상의 몰 분율이 발열 반응이 진행될 수 있는 영역의 몰 분율을 갖는다해도 기상에 존재하는 수소가 촉매와 접촉할 기회가 없으므로 발열 반응은 일어나지 않게 되어 흡열 반응기내에서 본 반응계는 비가역 반응이 된다는 것이다.

따라서, 상기와 같은 화학 반응계를 사용하면 다른 부수적인 조작 없이 연속적으로 고순도의 아세톤과 수소를 발열 반응기로 연속 공급할 수 있으며, 발열 반응기에서 흡열 반응기로 공급되는 저농도의 2-프로판올을 흡열 반응기의 적당한 위치에 공급하여 열을 연속적으로낮은 온도에서 높은 온도로 이동시킬 수 있는 화학 반응 열 펌프 장치를 구성할 수 있다.

이상에서 2-프로판올/아세톤/수소 반응계를 통하여, 본 발명 방치의 메카니즘을 설명하였으나, 본 발명의 장치는 이 반응계에만 한정되지 않고, 사이클로헥산/벤젠/수소 반응계에도 적용될 수 있다.

더 구체적으로 말하자면, 본 발명에 따르면 가역적 화학 반응이 가능한 반응계를 사용하여 저온에서의 흡열 반응과 고온에서의 발열 반응을 연속적으로 수행하도록 이루어진, 각각 촉매로 채워진 흡열 반응부 및 발열 반응부, 열을 장치 외부로 전달하는 수단, 그리고 제어 및 단열 수단으로 이루어진 것이 특징인 화학반응 열 펌프 장치가 제공된다.

여기서, 흡열 반응부는 흡열 반응기 주반응부와 반응 증류부가 동일한 하나의 경로로 연결되어 있고 반응과 증류가 동시에 일어나는 반응 증류 장치이며, 발열 반응부는 도입되는 원료의 자체 가열(self heating)이 원활히 일어날 수 있도록 그 크기가 발열 반응기 내경의 0.1~0.9배인 발열 반응기 내부 경로를 한 개이상 포함한다.

이러한 본 발명의 반응계에서 촉매로서는 루텐늄, 백금, 아크롬산구리, Cu-Zn 및 라니 니켈로 이루어지는 군 중에서 선택된 것 1종 이상을 알루미나, 활성탄, 또는 제올라이트에 담지시킨 것을 사용할 수 있다.

이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 장치를 보다 상세히 설명한다.

제1도에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 장치는 흡열 반응부 A, 발열 반응부 B, 흡열 반응부 제어부 C 및 발열 반응부 제어부 D로 구성되어 있다. 흡열 반응부의 A의 주반응부(11) 및 반응 증류부(12 및 13)과, 발열 반응부 B의 발열 반응기(26)에 촉매를 채우고 80~100℃의 폐열을 포함하는 열매체를 열매체 입구(41)에 공급하여 흡열 반응기 재비기(再沸器)(31), 흡열 반응부 A의 열매체 경로(42), 열매체 경로(43)을 순서대로 통과시키면서 열을 상기 주반응부(11)에 공급한다. 장치에 열을 공급한 열매체는 첵 밸브(34)를 거쳐 반응물 예열기(32)에서 발열 생성물 출구(27)로 공급되는 발열 반응 생성물로부터 일차적으로 열을 흡수한다. 반응물 예열기(32)를 통과한 열매체는 열매체 경로(44)를 거쳐 발열 반응부 B의 열매체 경로(45)를 통과하면서 발열 반응기(26)으로부터 이차적으로 열을 흡수한다. 이와 같이, 장치로부터 열을 흡수한 열매체는 발열 반응부 B의 제어부 D, 즉 온도 제어기(54), 온도 감지기(55), 제어 밸브(56)에 의해 원하는 온도(120~300℃)를 유지하면서 열매체 출구(46)을 통하여 일정하게 배출된다. 흡열 반응물은 열매체로부터 열을 공급받은 흡열 반응부 A의 재비기(31)에서 비등(沸騰)되어 흡열 반응기 재비기 출구(15)를 통하여 주반응부(11)로 일정하게 공급된다. 주 반응부(11)에 공급된 흡열 반응물은 일정한 반응 속도로 흡열 반응을 하여 흡열 반응물의 일부는 생성물로 전환되고, 미반응 혼합물은 다시 흡열 반응부 A의 반응 증류부(12 및 13)로 공급되어 미반응된 흡열 반응물이 완전히 전환된다. 흡열 반응물을 완전히 전환시키기 위하여 흡열 반영부 A의 반응 증류부(13) 상부의 온도는 흡열 반응부 C의 제어부, 즉 온도 제어기(51), 제어 밸브(52) 및 온도 감지기(53)를 이용하여 일정하게 유지시키며, 반응 생성물 중의 일정량을 환류시켜 상기 반응 증류부(12 및 13)에서의 미반응 반응물이 완전히 전환되도록 한다. 여기서, 흡열 반응부 A에서 생성된 흡열 반응 생성물은 곧 발열 반응에서 사용되는 반응물이 된다. 흡열 반응부 A에서 생성된 발열 반응물은 냉각기(37)에 의해 냉각된 후에는 일정 압력(0.1~5기압)에서 기체와 액체로 존재하게 된다. 이어서, 이들은 각각 기체 펌프(35)와 액체 펌프(36)를 사용하여 발열 반응물 경로(22)를 거쳐 반응물 예열기(32)에서 60℃이상으로 예열된 후, 발열 반응물 경로(23)를 통하여 혼합기(33)에서 균일하게 혼합되고, 이어서 발열 반응부 B의 입구(24)로 공급된다. 이 때, 흡열 반응부 A에서 생성된 발열 반응물 중 액체로 존재하는 반응물은 장치의 원활한 운전을 위하여 액체 저장고(21)에 일시 저장한 후 공급한다. 발열 반응부 B의 입구(24)로 공급된 발열 반응물은 발열 반응기(26)의 내부 경로(25)를 통과하면서 발열 반응기(26)의 반응열에 의해 70~200℃로 자동적으로 가열되어 발열 반응기(26)로 유입된다. 발열 반응기(26)에 유입된 발열 반응물은 일정한 반응 속도로 발열 반응을 하여 상기 내부 경로(25)의 반응물과 열매체 경로(45)의 유체에 고온(120~300℃)의 열을 전달한 후, 발열 생성물 출구(27)를 통하여 반응물 예열기(32)로 전달된다. 여기서, 이들 반응물은 열매체 및 발열 반응물과 열을 교환한다. 열 교환이 끝난 발열 반응 생성물은 일정한 온도와 유속으로 흡열 반응물 입구(16)를 거쳐 흡열 반응기에 유입된다.

이상과 같이 본 발명에서는 화학 반응 열 펌프에 사용할 수 있는 가역 반응계를 이용하여, 폐쇄 회로를 이루고 있는 하나의 장치에서 흡열 반응과 발열 반응을 동시에 행함은 물론이고 고순도의 반응 생성물을 분리 공급함으로써 화학 반응 열 펌프의 효율을 극대화시킬 수 있고, 또한 반응물의 재공급 없이 반영구적으로 사용이 가능한 장치를 개발하였다. 특히 열이 이동되는 과정에서 열 손실을 극소화하였고 반응과 분리를 하나의 장치에서 처리함으로써 운전비 및 장치비를 절감하였다.

제2도는 아직까지 실용화된 화학 반응 열 펌프가 없었기 때문에 일반적으로 반응과 증류 공정을 각각 별도로 수행하여 흡열 반응을 하였을 때와 본 발명의 장치를 이용하여 흡열 반응을 수행하였을 때의 생성물의 생성 속도를 흡열 반응의 온도에 따라 비교한 그래프도이다.

제2도에서 본 발명의 장치를 사용했을 때 얻어진 생성물의 생성 속도는 원(○) 모양으로 표시하였고, 반응과 증류를 따로 행하였을 때 얻어진 생성물의 생성 속도는 역삼각형(▽) 모양으로 표시하였다. 본 발명 장치를 사용하였을 때가 일반적인 방법을 사용하였을 때와 비교하여 20%이상 생성 속도가 향상되었음을 알 수 있다.

제3도는 본 발명의 장치와 기존의 일반적인 장치와의 열 펌프 성능 차이를 장치의 내부 부피에 대하여 비교하여 나타낸 그래프도로서, 여기서 본 발명의 장치를 사용하여 얻어진 열 펌프 성능은 원(○) 모양으로 표시하였고, 일반적인 장치를 사용하여 얻어진 열 펌프 성능은 역삼각형(▽) 모양으로 표시하였다. 본 발명 장치를 사용하였을 때가 일반적인 장치를 사용하였을 때와 비교하여 열 펌프의 성능이 2.5배 이상 향상되었음을 알 수 있다.

이상과 같이 본 발명의 화학 반응 열 펌프 장치는 반응 평형을 이동시킴으로써 생성물의 생성 속도를 20%이상 향상시킬 수 있으며, 장치의 크기를 최소화하고 흡열 반응기, 분리 장치, 발열 반응기를 적절히 배열하여 열 펌프 성능을 기존의 방법에 의하여 2.5배 이상 향상시킴으로써 폐열을 효율적으로 이용할 수 있다.

이하, 본 발명의 장치를 실시예에 따라 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 이들 실시예에만 국한되는 것은 아니다.

[실시예]

[실시예1]

20~50 메쉬로 선별한 활성탄에 루테늄과 백금을 1:1로 담지시킨 후, 이것을 흡열 반응부 A의 주반응부(11) 및 반응 증류부(12 및 13)에 채우고, 10~30 메쉬의 아크롬산구리를 발열 반응기(26)에 채웠다. 80℃의 물을 열매체 입구(41)로 공급하여 흡열 반응기 재비기(31)→흡열 반응기 열매체 경로(42)→열매체 경로(43)→체크 밸브(34)→반응물 예열기(32)→열매체 경로(44)→발열 반응기 열매체 경로(45)→열매체 출구(46)의 순서로 일정하게 공급하였다. 2-프로판올은 공급밸브(17)를 통해 시간당 20리터를 공급하였다. 냉각기(37)에 상온의 냉각수를 시간당 200리터 공급하였다. 흡열 반응부 A의 반응 증류부(13) 상부의 온도가 올라가기 시작하면 그 온도가 56℃로 유지되도록 흡열 반응부 A의 제어부 C, 즉 온도 제어기(51), 제어 밸브(52) 및 온도 감지기(53)를 사용하여 그 일정량을 환류시켰다. 압력 조절 밸브(38)를 열어 흡열 반응부 A의 내부 압력을 상압으로 조절하였다. 아세톤이 액체 저장고(21)에 모이기 시작하면 기체 펌프(35)와 액체 펌프(36)를 작동하여 수소와 아세톤을 발열 반응물 경로(22)를 거쳐 반응물 예열기(32)에서 70℃로 예열시킨 후, 발열 반응물 경로(23)→혼합기(33)→발열 반응기 입구(24)→발열 반응기 내부 경로(25)→발열 반응기(26)의 순서로 공급하였다. 발열 반응기(26)의 온도가 올라가기 시작하면 압력 조절 밸브(39)를 조절하여 발열 반응기(26)의 압력이 2.5 기압이 되도록 하였다. 발열 반응기(26)의 압력이 2.5 기압으로 일정하게 유지되면 2-프로판올의 공급을 서서히 줄이고, 투시경(18)로 보아 흡열 반응부 A의 주반응부(11) 내부의 액위가 일정해지면 2-프로판올의 공급을 중단하였다. 이와 동시에 열매체를 온도 제어기(54), 온도 감지기(55) 및 제어 밸브(56)를 사용하여 열매체 출구(46)으로 일정하게 배출시켜 200℃, 16기압의 고압 증기를 시간 당 90리터 얻을 수 있었다.

[실시예2]

알루미나를 50~80 메쉬로 선별하여 백금을 담지시킨 후, 흡열 반응부 A의 주반응부(11)와 반응 증류부(12 및 13) 및 발열 반응부 B의 발열 반응기(26)에 채웠다. 100℃의 물을 실시예 1과 같은 방법으로 공급하였다. 사이클로헥산을 공급 밸브(17)로 시간 당 18리터 공급하였다. 냉각기(37)에 상온의 냉각수를 시간당 200리터 공급하였다. 흡열 반응기 반응 증류부(13) 상부의 온도가 올라가기 시작하면 온도가 80℃로 유지되도록 흡열 반응부 A의 제어부 C, 즉 온도 제어기(51), 제어 밸브(52) 및 온도 감지기(53)을 사용하여 그 일정량을 환류시켰다. 압력 조절 밸브(38)를 열어 흡열 반응기의 내부 압력을 300Torr로 조절하였다. 벤젠이 액체 저장고(21)에 모이기 시작하면 실시예 1과 같이 기체 펌프(35)와 액체 펌프(36)을 작동시켜 수소와 벤젠을 발열 반응기(26)으로 공급하였다. 발열 반응기(26)의 온도가 올라가기 시작하면 압력 조절 밸브(39)를 조절하여 발열 반응기(26)의 압력이 4 기압이 되도록 하였다. 발열 반응기(26)의 압력이 5 기압으로 일정하게 유지되면 사이클로헥산의 공급을 서서히 줄이고, 투시경(18)로 보아 흡열 반응부 A의 주반응부(11) 내부의 액위가 일정해지면 사이클로헥산의 공급을 중단하였다. 이와 동시에 열매체를 발열 반응부 B의 제어부 D, 즉 온도 제어기(54), 온도 감지기(55) 및 제어 밸브(56)을 사용하여 열매체 출구(46)으로 일정하게 배출시켜 250℃, 39기압의 고압 증기를 시간 당 400리터 얻을 수 있었다.

[실시예3]

50~80메쉬의 라니니켈을 흡열 반응부 A의 주반응부(11)에 채우고, Cu-Zn을 흡열 반응기 반응 증류부(12 및 13) 및 발열 반응기(26)에 채웠다. 90℃의 물을 실시예 1과 같은 방법으로 공급하였다. 2-프로판올을 공급 밸브(17)을 통해 시간 당 25리터 공급하였다. 냉각기(37)에 상온의 냉각수를 시간 당 200리터 공급하였다. 흡열 반응기 반응 증류부(13) 상부의 온도가 올라가기 시작하면 온도가 56℃로 유지되도록 흡열 반응부 A의 제어부 C, 즉 온도 제어기(51), 제어 밸브(52) 및 온도 감지기(53)를 사용하여 그 일정량을 환류시켰다. 압력 조절 밸브(38)를 열어 흡열 반응부 A의 내부 압력을 600 Torr로 조절하였다. 아세톤이 액체 저장고(21)에 모이기 시작하면 실시예 1과 같이 기체 펌프(35)와 액체 펌프(36)를 작동시켜 아세톤과 수소를 발열 반응기(26)으로 공급하였다. 발열 반응기(26)의 온도가 올라가기 시작하면 압력 조절 밸브(39)를 조절하여 발열 반응기(26)의 압력이 1.5기압이 되도록 하였다. 발열 반응기(26)의 압력이 1.5기압으로 일정하게 유지되면 2-프로판올의 공급을 서서히 줄이고, 투시경(18)로 보아 흡열 반응부 A의 주반응부(11) 내부의 액위가 일정해지면 2-프로판올의 공급을 중단하였다. 이와 동시에 열매체를 발열 반응부 B의 제어부 D, 즉 온도 제어기(54), 온도 감지기(55) 및 제어 밸브(56)을 사용하여 열매체 출구(46)으로 일정하게 배출시켜, 210℃, 19기압의 고압 증기를 시간 당 720리터 얻을 수 있었다.

Claims (7)

1. 각각 촉매로 채워진 흡열 반응부(A)와 그의 제어부(C) 및 발열 반응부(B)와 그의 제어부(D)로 구성되고, 저온에서의 흡열 반응과 고온에서의 발열 반응을 연속적으로 수행하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 화학 반응 열 펌프 장치.
2. 제1항에 있어서, 반응계는 가역적 화학 반응이 가능한 계이고, 2-프로판올/아세톤/수소 또는 사이클로헥산/벤젠/수소인 것인 화학 반응 열 펌프 장치.
3. 제1항에 있어서, 촉매는 루테늄, 백금, 아크롬산구리, Cu-Zn 및 라니 니켈로 이루어지는 군 중에서 선택된 것 1종 이상을 알루미나, 활성탄, 또는 제올라이트에 담지시킨 것인 화학 반응 열 펌프 장치.
4. 제1항에 있어서, 흡열 반응부(A)는 흡열 반응기 주반응부(11)과 반응 증류부(12 및 13)이 동일한 하나의 경로로 연결되어 반응과 증류가 동시에 일어나는 반응 증류 장치인 것인 화학 반응 열 펌프 장치.
5. 제1항에 있어서, 발열 반응부(B)는 그 크기가 발열 반응기(26) 내경의 0.1~0.9배인 발열 반응기 내부 경로(25)를 한 개 이상 포함한 것인 화학 반응 열 펌프 장치
6. 제1항에 있어서, 저온은 60~150℃인 것인 화학 반응 열 펌프 장치.
7. 제1항에 있어서, 고온은 150~300℃인 것인 화학 반응 열 펌프 장치.