KR100218917B1 - Non-uniform high thermal conductivity reaction block and manufacturing method - Google Patents

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Abstract

본 발명은 a) 금속할로겐화물과 탄소계 지지체의 반응혼합물을 준비하는 단계와; b) 상기 반응혼합물을, 원통형의 외틀 및 소정의 두께를 갖고 내경이 다르며 상하로 이동가능한 복수개의 원통형으로 이루어지고, 상기 외틀의 바닥면으로부터의 상기 각 원통의 하단의 높이는 상기 외틀의 바깥쪽을 향해 단계적으로 증가 또는 감소하도록 설치되어 있는 내틀 및 상기 내틀의 맨 안쪽에 상기 외틀의 바닥면에 접하도록 설치되어 있는 원기둥 봉을 구비한 성형틀에 투입하는 단계; 및 c) 상기 외틀의 바닥면으로부터의 상기 각 원통의 하단의 높이가 같아지도록 상기 성형틀의 내틀을 하방으로 소정거리 밀어내려 성형틀내의 반응혼합물을 압축성형하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는, 겉보기 밀도 분포가 전체적으로 균일하지 않고 가장 자리를 향하여 단계적으로 증가 또는 감소하는 화학열펌프에 사용되는 열전달 및 물질전달 특성이 우수한 반응 블록의 제조방법 및 그에 따라 제조된 반응 블록을 제공한다.The present invention comprises the steps of: a) preparing a reaction mixture of a metal halide and a carbon-based support; b) the reaction mixture is composed of a cylindrical outer frame and a plurality of cylinders having a predetermined thickness and having different inner diameters and movable up and down, and the height of the lower end of each cylinder from the bottom surface of the outer frame is outside of the outer frame. Injecting into a forming mold having an inner frame installed to increase or decrease in a stepwise manner and a cylindrical rod provided on the innermost side of the inner frame to contact the bottom surface of the outer frame; And c) compressing the reaction mixture in the mold by pushing the inner mold of the mold downward for a predetermined distance so that the height of the lower end of each cylinder from the bottom of the outer frame is the same. Provided are a method for producing a reaction block having excellent heat transfer and mass transfer characteristics for use in a chemical heat pump whose apparent density distribution is not overall uniform but which gradually increases or decreases toward the edge, and a reaction block produced accordingly.

Description

비균열 고열전도성 반응블록 및 그 제조방법Non-cracked high thermal conductivity reaction block and its manufacturing method

본 발명은 금속할로겐화물/암모니아 또는 수증기 계의 고-기 반응을 이용하는 화학열펌프에서 사용되는 반응 블록에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 화학반응기내에 열전달 및 물질전달 특성을 개선하기 위해 겉보기 밀도 분포가 전체적으로 균일하지 않고 블록의 가장자리를 향하여 단계적으로 증가 또는 감소하는 반응블록 및 그 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a reaction block used in a chemical heat pump using a high-reaction reaction of a metal halide / ammonia or water vapor system, and more particularly, in order to improve heat transfer and mass transfer characteristics in a chemical reactor, The present invention relates to a reaction block and a method of manufacturing the same, which increase or decrease in steps toward the edge of the block and are not overall uniform.

화학열펌프(chemical heat pump)는 열펌프의 일종으로 반응열을 수반하는 가역적인 화학반응을 이용하여 축열, 증열, 냉동 및 승온의 기능을 수행하며, 냉난방 장치, 심야전기축열 시스템 또는 건물냉동공조 시스템 등에 사용된다.Chemical heat pump is a type of heat pump that uses reversible chemical reactions involving reaction heat to perform the functions of heat storage, heat storage, freezing, and temperature raising. It is a heating / cooling device, a late night electric heat storage system, or a building refrigeration air conditioning system. Used for

한편, 냉동·냉장시스템에서 사용되는 CFC계 냉매는 성층권의 오존층을 파괴하는 문제점이 있어, 냉매의 사용 규제에 관한 몬트리올 의정서에서는 일정기간 경과 후에는 그러한 냉매의 사용을 금지하기로 한 상황이다. 따라서, CFC계 냉매를 사용하지 않는 대체 냉동·냉장시스템 개발이 절실히 요구되고 있는데, 화학열펌프 기술은 이러한 요구도 충분히 만족시킬 것으로 기대되고 있다.On the other hand, CFC-based refrigerants used in refrigeration and refrigeration systems have a problem of destroying the stratospheric ozone layer, and the Montreal Protocol on the Restriction of Refrigerant Use has banned the use of such refrigerants after a certain period of time. Therefore, there is an urgent need for development of alternative refrigeration and refrigeration systems that do not use CFC-based refrigerants, and chemical heat pump technology is expected to satisfy these requirements.

그러나, 종래 화학열펌프의 반응기내에서 일어나는 금속할로겐화물/암모니아 또는 수증기 계, 예를 들어, NaBr-NH3, NiCl2-H2O 또는 NiCl2-NH3등의 고-기 반응은 그 반응이 진행되면서 고체 반응층의 부피팽창(swelling) 현상으로 인해 반응가스의 물질전달, 즉, 기체 확산이 원활하게 이루어지지 않는다. 또한 반응기내에서 반응층으로 사용되는 고체 염의 낮은 열전도도로 인해 반응열을 쉽게 방출하지 못하게 됨에 따라 역반응이 일어날 수 있으므로 전체 반응전화율이 낮아지게 된다. 이러한 문제점을 개선하기 위해 예를 들면, 구형탄소입자, 팽창흑연 또는 탄소섬유 등의 탄소계 물질을 고체염과 혼합하여 사용함으로서 반응층의 공극률을 크게 하고 반응가스의 물질전달을 용이하게 해주었다. 또한 탄소계 물질은 열전도도가 크기 때문에 고-기 가역반응을 위한 열의 제거 및 공급 속도가 빠르게 진행된다. 이러한 고체염과 탄소계 지지체의 반응혼합물은 일반적으로 함침법 또는 고상혼합법 등에 의해 제조되며, 최종 성형된 블록의 형태는 보통 실린더형이다.However, high-reaction reactions such as metal halide / ammonia or water vapor systems, such as NaBr-NH 3 , NiCl 2 -H 2 O or NiCl 2 -NH 3 , which occur in a reactor of a conventional chemical heat pump As this progresses, mass transfer of the reaction gas, that is, gas diffusion, is not performed smoothly due to the volume swelling phenomenon of the solid reaction layer. In addition, due to the low thermal conductivity of the solid salt used as the reaction layer in the reactor, since the reaction heat is not easily released, reverse reaction may occur, thereby lowering the overall reaction conversion rate. In order to improve this problem, for example, by using a carbon-based material such as spherical carbon particles, expanded graphite or carbon fiber mixed with a solid salt to increase the porosity of the reaction layer and facilitate the mass transfer of the reaction gas. In addition, the carbon-based material has a high thermal conductivity, so the heat removal and supply rate for the high-gas reversible reaction is fast. The reaction mixture of the solid salt and the carbon-based support is generally prepared by impregnation or solid phase mixing, and the like, and the final molded block is usually cylindrical.

하지만, 이렇게 제조된 반응 블록은 전체적으로 혼합 비율, 겉보기 밀도 및 공극률이 균일하다. 따라서, 탄소계 지지체를 사용하지 않았을 경우에 보였던 부피팽창현상이 여전히 보이고 결국 반응가스의 물질전달이 나빠지는 문제점을 또다시 야기시킨다. 또한, 반응 블록이 반응 가스와 반응하기 전에는 상기 반응 블록내 각 위치의 특성이 균일하지만 반응생성물이 생성되면서 물질전달 및 열전달 특성이 변하게 되므로 반응전화율이 위치에 따라 변하게 되고 온도 및 압력 구배가 생기게 된다. 그리고, 물질전달을 향상시키기 위해서 반응 블록의 겉보기 밀도를 작게 해야 되는데, 그렇게 되기 위해서는 고체염의 일정 질량당 전체 부피가 커지게 되고 결국 화학열펌프 시스템이 부피가 커지게 되는 문제점이 있다. 또한, 반응시 반응 블록내 온도구배가 크면 반응조건의 제어가 용이하지 않고, 일정 시간 동안의 반응에서 반응 블록내의 열을 빨리 제거하지 못하게 되면 그 열에 의해 역반응이 생겨서 반응속도가 저하되는 문제점이 있다.However, the reaction blocks thus prepared have a uniform mixing ratio, apparent density and porosity as a whole. Therefore, the volume expansion phenomenon seen when the carbonaceous support is not used is still seen, which in turn causes the problem of worsened mass transfer of the reaction gas. In addition, before the reaction block reacts with the reaction gas, the properties of the respective positions in the reaction block are uniform, but the reaction product is generated and the material transfer and heat transfer characteristics are changed, so the reaction conversion rate is changed according to the position and temperature and pressure gradients are generated. . In addition, in order to improve mass transfer, the apparent density of the reaction block must be made small. In order to do so, the total volume per fixed mass of the solid salt becomes large, and thus, the chemical heat pump system becomes large in volume. In addition, if the temperature gradient in the reaction block is large during the reaction, control of the reaction conditions is not easy, and if the heat in the reaction block cannot be removed quickly during the reaction for a predetermined time, there is a problem that the reaction rate is lowered due to the reverse reaction caused by the heat. .

또한 고-기 반응의 역반응인 기체의 탈착반응시 기체탈착으로 인해 공극(pore)이 반응전보다 커지게 되는데, 이 공극은 열전달에 장애가 되는 것으로 겉보기 밀도가 균일한 블록의 경우에는 열전달이 원활하게 이루어지지 않고, 또 탈착반응의 전화율이 일정시간내에 원하는 만큼 이루어지지 않는 문제점도 있다. 이렇게 종래의 균일 반응 블록은 여전히 한계가 있어서 만족할 만한 정도는 아니었다.In addition, the pores become larger than before the reaction due to the gas desorption during the desorption reaction of the gas, which is a reverse reaction of the high-gas reaction, and the pores are a barrier to heat transfer. There is also a problem that the conversion rate of the desorption reaction is not achieved as much as desired within a predetermined time. This conventional homogeneous reaction block was still limited and not satisfactory.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점들을 해결하기 위해 안출한 것으로 그 목적은 고체염-탄소계 지지체의 반응 블록을 제조하는 방법에 있어서, 겉보기 밀도를 균일하게 하지 않고 블록 가장자리를 향하여 단계적으로 증가하도록 제조함으로서 반응가스가 고체염에 흡착되는 반응이 진행되더라도 부피 팽창에 상관없이 반응 블록내 가스투과도를 일정하게 유지할 수 있고, 상기 반응으로 인해 생성된 반응열을 반응기 열교환벽으로 더욱 원활히 전달할 수 있으며, 기체 탈착 반응의 전화율이 향상된 반응 블록 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.Accordingly, the present invention has been made to solve the above problems, the object of which is to increase the step by step toward the edge of the block without uniform density in the method for producing a reaction block of a solid salt-carbon-based support By manufacturing so that the reaction gas is adsorbed to the solid salt, even if the reaction proceeds, the gas permeability in the reaction block can be kept constant regardless of volume expansion, and the reaction heat generated by the reaction can be more smoothly transferred to the reactor heat exchange wall, It is to provide a reaction block having improved conversion rate of gas desorption reaction and a method for producing the same.

제1a도는 본 발명에 따라 비균일 고열전도성 반응 블록을 제조하기 위한 성형틀의 사시도이다.Figure 1a is a perspective view of a mold for producing a non-uniform high thermal conductivity reaction block in accordance with the present invention.

제1b도는 제1a도에 나타난 성형틀의 단면도이다.FIG. 1B is a sectional view of the forming die shown in FIG. 1A.

제2도는 NiCl2가 반응염으로 사용된 균일 열전도성 반응 블록과 비균일 열전도성 반응 블록의 반응속도를 비교한 그래프이다.2 is a graph comparing the reaction rates of the homogeneous thermally conductive block and the non-uniform thermally conductive block in which NiCl 2 is used as the reaction salt.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 a) 금속할로겐화물과 탄소계 지지체의 반응혼합물을 준비하는 단계와; b) 상기 반응혼합물을 원통형의 외틀 및 소정의 두께를 갖고 내경이 다르며 상하로 이동가능한 복수개의 원통으로 이루어지고, 상기 외틀의 바닥면으로부터의 상기 각 원통의 하단의 높이는 상기 외틀의 바깥쪽을 향해 단계적으로 증가 또는 감소하도록 설치되어 있는 내틀 및 상기 내틀의 맨 안쪽에 상기 외틀의 바닥면에 접하도록 설치되어 있는 원기둥 봉을 구비한 성형틀에 투입하는 단계; 및 c) 상기 외틀의 바닥면으로부터의 상기 각 원통의 하단의 높이가 같아지도록 상기 성형틀의 내틀을 하방으로 소정거리 밀어내려 성형틀내의 반응혼합물을 압축성형하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는, 겉보기 밀도 분포가 전체적으로 균일하지 않고 가장자리를 향하여 단계적으로 증가하는 화학열펌프에 사용되는 반응 블록의 제조방법 및 그에 따라 제조된 반응 블록을 제공한다.The present invention to achieve the above object is a) preparing a reaction mixture of a metal halide and a carbon-based support; b) the reaction mixture is composed of a cylindrical outer frame and a plurality of cylinders having a predetermined thickness and having different inner diameters and movable up and down, the height of the lower end of each cylinder from the bottom surface of the outer frame toward the outside of the outer frame; Inserting into a forming mold having an inner frame installed to increase or decrease in stages and a cylindrical rod provided on the innermost side of the inner frame to contact the bottom surface of the outer frame; And c) compressing the reaction mixture in the mold by pushing the inner mold of the mold downward for a predetermined distance so that the height of the lower end of each cylinder from the bottom of the outer frame is the same. Provided are a process for producing a reaction block for use in a chemical heat pump in which the apparent density distribution is not overall uniform but gradually increases toward the edge, and the reaction block produced accordingly.

첨부된 제1a도와 제1b도는 각각 본 발명에 따라 비균일 고열전도성 반응 블록을 제조하기 위한 성형틀의 사시도 및 단면도이다. 제1a도의 성형틀의 구조 및 그 성형틀을 사용하여 비균일 반응 블록을 제조하는 방법에 관해서 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.1A and 1B are respectively a perspective view and a cross-sectional view of a forming mold for producing a non-uniform high thermal conductivity reaction block according to the present invention. The structure of the mold of FIG. 1A and a method of manufacturing a non-uniform reaction block using the mold will be described in more detail as follows.

상기 성형틀은 원통형의 외틀, 내틀 및 원기둥 봉(A)을 구비한다. 상기 내틀은 소정의 두께를 갖고 내경(W0, W1, W2, W3, W4, W5)이 서로 다르며 상하로 이동가능한 복수개의 원통으로 이루어지고, 각각 높이 차이(D1, D2, D3, D4)를 두어서 상기 외틀의 바닥면으로부터의 상기 각 원통의 하단의 높이(h1, h2, h3, h4, h5)가 상기 외틀의 바깥쪽을 향해 단계적으로 증가하도록 설치되어 있다. 또한 상기 원기둥 봉은 반응 가스의 이동 경로가 되는 구멍을 형성하기 위한 것으로, 상기 내틀의 맨 안쪽에 상기 외틀의 바닥면에 접하도록 설치되어 있다. 상기 구멍은 반응 가스의 유입방향과 같은 방향으로 형성되며, 상기 방법과 같이 성형되는 동안 형성될 수도 있고 성형된 후에 따로 구멍을 형성할 수도 있다. 또한 여기서는 구멍이 하나 있는 반응 블록을 제조하지만, 열전달을 고려한다면 둘 이상의 것도 가능하다.The mold has a cylindrical outer frame, inner frame and cylindrical rod (A). The inner frame is formed of a plurality of cylinders having a predetermined thickness and inner diameters (W 0 , W 1 , W 2 , W 3 , W 4 , W 5 ) that are different from each other and move up and down, respectively, and have a height difference (D 1 , D). 2 , D 3 , D 4 ) so that the height (h 1 , h 2 , h 3 , h 4 , h 5 ) of the lower end of each cylinder from the bottom face of the outer frame is stepped outward of the outer frame. Installed to increase. In addition, the cylindrical rod is for forming a hole that serves as a movement path of the reaction gas, and is provided on the innermost side of the inner frame so as to contact the bottom surface of the outer frame. The holes are formed in the same direction as the inflow direction of the reaction gas, and may be formed during molding as in the above method, or may be separately formed after molding. Also here a reaction block with one hole is produced, but more than two are possible if heat transfer is considered.

성형하기 전에 성형틀의 부피, 압축후의 겉보기 밀도의 블록 성형조건을 결정한 후에 그에 따라 압축할 반응혼합물의 양을 계산하여 소정량을 칭량하여 상기 성형틀내에 투입한다. 이어 상기 각 원통의 하단이 성형틀 아래의 점선으로 표시한 부분까지 모두 내려오도록 상기 성형틀의 내틀을 하방으로 소정거리 밀어내려 성형틀내의 반응혼합물을 압축성형하면 겉보기 밀도 분포가 전체적으로 균일하지 않고 가장자리를 향하여 단계적으로 증가하는 비균일 반응 블록이 제조되며, 이는 열전달을 효율적으로 하기 위해 반응기내에서 반응 블록끼리 밀착되도로 적층되고 반응기 벽에도 밀착되어 사용되는 것이 바람직하다.Before molding, the block molding conditions of the volume of the mold and the apparent density after compression are determined, and the amount of the reaction mixture to be compressed is calculated accordingly, and a predetermined amount is weighed into the mold. Subsequently, when the lower end of each cylinder is pushed downward by a predetermined distance downward to lower the inner frame of the mold to a portion indicated by the dotted line under the mold, the apparent density distribution is not uniform as a whole. A non-uniform reaction block increasing step by step is prepared, which is preferably used in close contact with the reaction blocks in the reactor and in close contact with the reactor walls for efficient heat transfer.

상술한 바와 같은 본 발명의 반응 블록의 작용효과를 반응 블록의 사용과 관련된 중요 반응인 흡착 반응과 탈착 반응과 관련시켜 설명하면 다음과 같다.The functional effects of the reaction block of the present invention as described above will be described with reference to the adsorption reaction and the desorption reaction, which are important reactions related to the use of the reaction block.

가) 흡착 반응A) adsorption reaction

비균일 고열전도성 반응 블록(이하 비균일 블록이라 한다)은 반응 가스와의 합성반응시 발생한 반응열을 원활하게 바깥쪽 방향으로, 즉 반응기 벽쪽으로 전달함으로서 발열반응에 의한 반응 블록 내부의 온도상승을 억제하고, 이는 또한 반응기 벽을 통한 열의 제거를 향상시키며, 반응 속도를 크게 하는 열역학적 평형온도와의 차이(

Figure kpo00002
Teq)를 균일 열전도성 반응 블록(이하 균일 블록이라 한다)보다 크게 하여 속도가 향상되는 효과를 얻을 수 있다. 또한 반응 블록내의 안쪽과 반응기 벽쪽의 온도차이를 줄임으로서 실제 공정에서 용이성을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.The non-uniform high thermal conductivity reaction block (hereinafter referred to as non-uniform block) smoothly transfers the reaction heat generated during the synthesis reaction with the reaction gas to the outside direction, that is, to the reactor wall, thereby suppressing the temperature rise inside the reaction block due to the exothermic reaction. This also improves the removal of heat through the reactor walls and increases the reaction rate with the thermodynamic equilibrium temperature (
Figure kpo00002
It is possible to obtain an effect of increasing the speed by making Teq larger than the uniform thermally conductive reaction block (hereinafter referred to as uniform block). It is also expected that ease of use in the actual process will be achieved by reducing the temperature difference between the inside of the reaction block and the reactor wall.

나) 탈착 반응B) desorption reaction

블록의 바깥 부분에 염의 양이 많도록, 다시 말하면, 겉보기 밀도가 블록의 바깥쪽을 향해 증가되도록 제조된 비균일 블록은 반응기벽으로부터 전달되는 열을 이용하여 분해 반응, 즉 기체 탈착 반응을 일으키는 염의 양이 균일 블록에 비하여 상대적으로 많아져서 반응기벽쪽에 열전도도가 높기 때문에 반응 초기의 반응 속도나 탈착 반응전화율이 향상될 것으로 기대된다.Non-uniform blocks made so that the outer portion of the block has a high amount of salt, that is, the apparent density is increased toward the outside of the block, utilize a heat transferred from the reactor wall to produce a decomposition reaction, ie, a gas desorption reaction. It is expected that the reaction rate and the desorption reaction conversion rate at the initial stage of the reaction will be improved because the amount is relatively higher than that of the uniform block and the thermal conductivity is high on the reactor wall.

실시예에 앞서 본 발명에 사용되는 일반적인 금속할로겐화물과 탄소계 지지체의 반응혼합물의 제조 방법을 예로 들어 설명하면 다음과 같다.Prior to the embodiment described as an example of the production method of the reaction mixture of the general metal halide and carbon-based support used in the present invention as follows.

먼저 팽창성 흑연(일명 흑연 층간화합물)을 800 내지 850℃에서 10분 동안 팽창시킨 후, 증류수로 세척한 다음 다시 800℃에서 30분간 건조한다. 이어서 상기 팽창흑연에 소정 혼합비로 금속염, 예를 들면 NiCl2를 혼합하는데, 그 혼합하는 방법은 원하는 양의 NiCl2를 수용액으로 만든 후 팽창흑연에 함침시킨다. 함침된 혼합물을 65 내지 105℃, -700 내지 -650mmHg의 조건하에서 수분이 제거되도록 4 내지 6시간 유지하여 반응혼합물을 제조한다.First expandable graphite (aka graphite interlayer compound) is expanded for 10 minutes at 800 to 850 ℃, then washed with distilled water and then dried at 800 ℃ again for 30 minutes. Subsequently, the expanded graphite is mixed with a metal salt, for example NiCl 2 , in a predetermined mixing ratio. The mixing method is to make a desired amount of NiCl 2 into an aqueous solution and then impregnate the expanded graphite. The impregnated mixture is maintained for 4 to 6 hours to remove moisture under the conditions of 65 to 105 ° C and -700 to -650 mmHg to prepare a reaction mixture.

이제 하기 실시예를 통해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명한다. 하지만, 본 실시예는 예시적이며, 본 발명을 제한하지 않고, 본 발명의 범위내에서 수정 및 변화시킬 수 있다.The present invention is now described in more detail with reference to the following examples. However, this embodiment is exemplary and can be modified and changed within the scope of the present invention without limiting the present invention.

실시예 1과 2는 비균일 반응 블록 제조를 위한 최상의 조건을 결정하기 위한 시험으로, 겉보기 밀도 분포가 전체적으로 균일한 반응 블록에 대해서 각각 겉보기 밀도와 혼합비를 다르게 설정하여 제조함으로서 변화하는 암모니아와의 반응속도를 관찰한 것이다.Examples 1 and 2 are tests for determining the best conditions for the production of non-uniform reaction blocks. The reactions with ammonia varying by making different apparent densities and mixing ratios for reaction blocks with an overall uniform density distribution. I observed the speed.

[실시예 1]Example 1

겉보기밀도가 다른 각각의 균일 반응 블록에 대한 암모니아 기체의 반응전화율의 비교Comparison of Reaction Rate of Ammonia Gas for Each Homogeneous Reaction Block with Different Apparent Density

비교된 반응 블록은 NiCl2대 팽팡 흑연의 혼합 무게비가 4:6이 되도록 하여 상기 반응혼합물의 제조 방법에 따라 바깥지름 4.1cm, 안지름 0.5cm 및 높이 1.0cm의 실린더형으로 각각 겉보기 밀도를 300, 400 및 500kg/m3으로 달리 성형한 3종류의 균일 블록이었으며, 상기 균일 블록에 대해서 각각 암모니아 기체와 반응을 실시하였다.The compared reaction block has a mixing weight ratio of NiCl 2 to Pangfang graphite of 4: 6, and according to the preparation method of the reaction mixture, the outer diameter is 4.1 cm, the inside diameter 0.5 cm and the height 1.0 cm, the cylindrical density of 300, respectively. There were three types of homogeneous blocks molded differently at 400 and 500 kg / m 3 , and the homogeneous blocks were reacted with ammonia gas, respectively.

반응기는 스테인레스 또는 탄소강 재질의 실린더형 반응기로서 NH3봄베와 연결한 다음 외부와 밀폐시켰으며, 반응 블록이 반응기벽에 밀착될 수 있도록 삽입한 후 NH3봄베로부터 암모니아 기체를 1kg/cm2압력으로 주입하였다. 암모니아 기체는 반응기내로 유입되어 반응 블록의 안쪽 구멍을 통해 상기 블록내로 확산되어 염, 즉 NiCl2와 반응하는데 이 때 봄베의 감량을 전자저울로 칭량하였다. 상기 블록내 염의 양은 이미 알고 있기 때문에 이 염과 반응하는 전체 암모니아 기체의 이론적인 흡착량을 알 수 있고, 시간이 경과하면서 나타나는 NH3봄베의 감량은 반응한 암모니아 기체의 실제량을 의미한다. 반응이 완전히 끝난 경우에는 더 이상 NH3봄베가 감량되지 않았다. 상기 3종류의 균일 반응 블록과 반응한 암모니아 기체의 이론적 흡착량에 대한 실제 흡착량의 비를 반응전화율로 계산하여 반응 시간에 따라 각각 다르게 나타난 결과를 하기 표 1에 나타내었다.Reactor as the following stylized outside and sealed, 1kg / cm 2 pressure of ammonia gas from the NH 3 gas cylinder was inserted to the reaction block can be brought into close contact with the reactor wall connected to the NH 3 gas cylinder as a cylindrical reactor of stainless steel or carbon steel Injected. Ammonia gas was introduced into the reactor and diffused into the block through the inner hole of the reaction block to react with a salt, that is, NiCl 2 , where the weight loss of the bomb was weighed with an electronic balance. Since the amount of salt in the block is already known, the theoretical amount of adsorption of the total ammonia gas reacted with the salt can be known, and the loss of NH 3 bombe over time means the actual amount of reacted ammonia gas. At the end of the reaction, the NH 3 bomb was no longer lost. The ratio of the actual adsorption amount to the theoretical adsorption amount of the ammonia gas reacted with the three types of homogeneous reaction blocks was calculated by the reaction conversion rate, and the results are shown differently according to the reaction time.

Figure kpo00003
Figure kpo00003

겉보기 밀도가 300, 400 및 500kg/m3이었을 때 블록내 공극율은 각각 0.52, 0.35 및 0.2이었으며 표 1에서 보는 바와 같이 겉보기 밀도가 증가할수록 암모니아 기체의 물질전달이 어려워졌다. 따라서, 겉보기밀도가 작아지면 반응전화율은 커지고 반응속도는 빨라진다.When the apparent densities were 300, 400, and 500 kg / m 3 , the porosities in the blocks were 0.52, 0.35, and 0.2, respectively, and as the apparent density increased, the mass transfer of ammonia gas became more difficult. Therefore, the smaller the apparent density, the larger the conversion rate and the faster the reaction rate.

[실시예 2]Example 2

금속할로겐화물과 탄소계 지지체의 혼합비를 다르게 한 각각의 균일 반응 블록에 대한 암모니아 기체의 반응전화율Reaction Conversion Rate of Ammonia Gas for Each Homogeneous Reaction Block with Different Mixing Ratio of Metal Halide and Carbon Support

겉보기 밀도가 350kg/m3로 모두 같고, NiCl2대 팽창 흑연의 혼합 무게비가 4:6, 5:5 및 6:4로 다르다는 것을 제외하고는 모두 실시예 1과 같이 제조한 3종류의 균일 블록을 실시예 1과 같은 방법으로 시험하여 각각의 반응 블록에 대해서 반응되는 암모니아의 이론적 흡착량에 대한 실제 흡착량의 비를 반응전화율로 계산하여 반응 시간에 따라 각각 다르게 나타난 결과를 하기 표 2에 나타내었다.All three uniform blocks prepared as in Example 1 except that the apparent density was the same at 350 kg / m 3 and the mixing weight ratio of NiCl 2 to expanded graphite was 4: 6, 5: 5 and 6: 4. Was tested in the same manner as in Example 1, the ratio of the actual adsorption amount to the theoretical adsorption amount of ammonia reacted for each reaction block was calculated as the reaction conversion rate, and the results are shown differently according to the reaction time. It was.

Figure kpo00004
Figure kpo00004

표 2에서 보는 바와 같이 팽창 흑연의 혼합비가 커짐에 따라 반응 블록내 NiCl2의 함침량은 적어지지만 반응 블록내 유효 열전도도는 커지게 되고 따라서 반응에서 발생한 열은 쉽게 제저할 수 있어 암모니아 반응속도가 빨라진 것이다.As shown in Table 2, as the mixing ratio of the expanded graphite increases, the impregnation amount of NiCl 2 in the reaction block decreases, but the effective thermal conductivity in the reaction block increases, so that the heat generated in the reaction can be easily removed. It's faster.

계속해서 하기 실시예 3은 실질적으로 본 발명에 따라 제조된 비균일 반응 블록과 종래의 균일 반응 블록과의 성능을 비교하여 본 발명의 열전달특성이 우수함을 보이기 위한 것이다.Subsequently, Example 3 is to show that the heat transfer characteristics of the present invention are excellent by comparing the performance of the non-uniform reaction block prepared according to the present invention with the conventional homogeneous reaction block.

[실시예 3]Example 3

균일 블록과 비균일 블록의 성능향상 비교Performance Improvement Comparison of Uniform and Non-Uniform Blocks

균일 블록과 비균일 블록에 의한 열전달특성을 비교하기 위해 먼저 제1도의 성형틀의 맨 안쪽에 지름 1.5cm의 원기둥 봉을 바닥까지 밀어 넣고 5개의 원통형틀의 높이차(D)를 각각 5cm로 하고, NiCl2와 팽창 흑연의 무게비를 4 : 6으로 하여 겉보기 밀도가 반응 블록의 안쪽으로부터 160, 220, 280, 340, 400kg/m3로 일정 증가되는 바깥지름 1.5cm, 안지름 1.5cm 및 높이 1cm인 비균일 블록을 제조하였다. 그리고 바깥지름 15cm, 안지름 1.5cm 및 높이 0.5cm의 크기에 비균일 블록과 같이 NiCl2와 팽창 흑연의 무게비를 4:6으로 하여 같은 양의 반응혼합물을 사용하여 겉보기 밀도가 320kg/m3인 균일 블록을 제조하였다.To compare the heat transfer characteristics of the uniform and non-uniform blocks, first push the cylindrical rod with a diameter of 1.5 cm to the bottom of the mold of Figure 1 to the bottom and set the height difference (D) of the five cylindrical frames to 5 cm each. , The weight ratio of NiCl 2 to expanded graphite is 4: 6, and the apparent density is increased to 160, 220, 280, 340, 400kg / m 3 from the inside of the reaction block with an outer diameter of 1.5 cm, inner diameter of 1.5 cm and height of 1 cm. Non-uniform blocks were prepared. In addition, a uniform density of 320 kg / m 3 was obtained using the same amount of reaction mixture with a weight ratio of NiCl 2 and expanded graphite as 4: 6 with non-uniform blocks of 15cm outside diameter, 1.5cm inside diameter and 0.5cm height. The block was prepared.

암모니아와 직접 반응시키기 전에 사전 시험으로써 반응기 외부로부터 열을 가해 반응 블록내의 여러 위치에서 온도를 측정한 결과, 비균일 블록은 가열시간 7분 경에 반응기 안쪽과 바깥쪽의 온도차가 10℃/5.4cm인 반면 균일 블록의 온도차는 19℃/5.4cm로 나타났다. 이는 비균일 블록의 열전달 특성이 좋아 반응기벽으로부터 공급되는 열을 안쪽으로 잘 전달해 주기 때문이다.As a preliminary test before direct reaction with ammonia, the temperature was measured at various locations within the reaction block by applying heat from the outside of the reactor, and the non-uniform block had a temperature difference of 10 ° C./5.4 cm between the inside and the outside of the reactor after 7 minutes of heating time. In contrast, the temperature difference of the uniform block was found to be 19 ° C / 5.4 cm. This is because the heat transfer characteristics of the non-uniform block are good to transfer heat supplied from the reactor wall to the inside.

상기 비균일 블록과 상기 균일 블록 각각에 대해서 암모니아 기체와 반응 시험한 다음 비교한 결과를 제2도에 나타내었다. 제2도에서 나타난 바와 같이 비균일 블록의 반응속도가 빠르게 나타났는에 이는 반응초기에 나타나는 반응블록의 부피팽창으로 인한 물질 전달의 한계를 극복한 것이다. 즉, 반응 블록내 겉보기 밀도가 바깥쪽이 크게 됨으로서 열전도도 특성이 좋아졌고 그로 인해 암모니아 가스의 확산이 보다 용이하도록 개선된 것이다.FIG. 2 shows the results of a reaction test with ammonia gas for each of the non-uniform blocks and the uniform blocks. As shown in FIG. 2, the reaction rate of the non-uniform block appeared quickly, which overcomes the limitation of mass transfer due to the volume expansion of the reaction block. In other words, the apparent density in the reaction block becomes larger, so that the thermal conductivity is improved, thereby improving the diffusion of ammonia gas.

또한, 본 반응 블록은 실린더형 블록이지만, 그 형태는 제한되지 않고 예를 들면, 높이를 더 낮게 하여 평판형의 블록으로 제조할 수 있으며, 그 이외에도 삼각, 사각 등의 다각 기둥 등 다양한 형태의 기둥형의 비균일 블록도 가능하다.In addition, although the reaction block is a cylindrical block, the shape is not limited, and for example, the height can be lowered to produce a flat block, and in addition, various types of pillars such as polygonal columns such as triangles and squares. Non-uniform blocks of type are also possible.

이와 같이, 겉보기 밀도가 안쪽에서 바깥쪽으로 단계적으로 증가하도록 제조한 비균일 반응 블록은 반응열을 반응기벽으로 효과적으로 전달할 수 있으며, 물질전달 특성도 우수하다. 이상에서는 반응 블록의 안쪽으로부터 가장자리를 향하여 겉보기 밀도가 증가하는 비균일 블록에 대한 물질전달 및 열전달 효과에 대해서 주로 설명하였다. 그러나, 이와 반대로 겉보기 밀도로 감소하게도 제조할 수 있으며, 이런 것들은 특수한 목적으로 반응속도를 억제하고자 할 때 등 여러 응용분야에서 사용할 수 있다.As such, the non-uniform reaction block prepared to increase the apparent density step by step from the inside to the outside can effectively transfer the reaction heat to the reactor wall, and also has excellent material transfer characteristics. In the above, the mass transfer and heat transfer effects of the non-uniform block in which the apparent density increases from the inside of the reaction block toward the edge have been mainly described. However, on the contrary, it can be made to reduce the apparent density, and these can be used in various applications such as when the reaction rate is to be suppressed for a special purpose.

Claims (2)

a) 금속할로겐화물과 탄소계 지지체의 반응혼합물을 준비하는 단계;a) preparing a reaction mixture of a metal halide and a carbon-based support; b) 상기 반응혼합물을 원통형의 외틀 및 소정의 두께를 갖고 내경이 다르며 상하로 이동가능한 복수개의 원통으로 이루어지고, 상기 외틀의 바닥면으로부터의 상기 각 원통의 하단의 높이는 상기 외틀의 바깥쪽의 향해 단계적으로 증가 또는 감소하도록 설치되어 있는 내틀 및 상기 내틀의 맨 안쪽에 상기 외틀의 바닥면에 접하도록 설치되어 있는 원기둥 봉을 구비한 성형틀에 투입하는 단계; 및b) the reaction mixture is composed of a cylindrical outer frame and a plurality of cylinders having a predetermined thickness and different in inner diameter and movable up and down, the height of the lower end of each cylinder from the bottom surface of the outer frame toward the outer side of the outer frame; Inserting into a forming mold having an inner frame installed to increase or decrease in stages and a cylindrical rod provided on the innermost side of the inner frame to contact the bottom surface of the outer frame; And c) 상기 외틀의 바닥면으로부터의 상기 각 원통의 하단의 높이가 같아지도록 상기 성형틀의 내틀을 하방으로 소정거리 밀어내려 성형틀내의 반응혼합물을 압축성형하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는, 겉보기 밀도 분포가 전체적으로 균일하지 않고 가장자리를 향하여 단계적으로 증가 또는 감소하는 화학열펌프에 사용되는 반응블럭의 제조방법.c) compressing the reaction mixture in the mold by pushing the inner mold of the mold downward a predetermined distance so that the height of the lower end of each cylinder from the bottom surface of the outer frame is the same. A method for producing a reaction block for use in a chemical heat pump, in which the density distribution is not uniform throughout and increases or decreases in steps toward the edges. 제1항에 따른 방법으로 제조되는 반응블럭.A reaction block prepared by the method according to claim 1.
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