KR100440623B1 - 쉘 앤드 튜브형 광촉매 분해용 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응유체 유입부; 복수개의 자외선 광원 및 각각의 자외선 광원을 둘러싸는 구조로 배치된 복수개의 광촉매 코팅튜브로 이루어진 광촉매층; 상기 광촉매 코팅튜브 및 자외선 광원을 반응기에 고정시키기 위한 고정부재; 및 생성유체 배출부로 구성되어 있고, 반응유체가 반응기 내부로 유동되어 상기 자외선 광원 및 광촉매 코팅튜브 표면에 수직으로 접촉됨으로써 자외선 광원의 조사에 의해 광촉매 코팅튜브 표면상에서 광촉매 분해되는 쉘-앤드-튜브형(shell and tube) 광촉매 분해용 반응기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 쉘-앤드-튜브형 광촉매 분해용 반응기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 자외선 광원 및 광촉매 코팅튜브가 쉘 내부에 기하학적으로 배치되어 있고, 반응 유체가 쉘 내부에 유동되어 자외선 광원의 조사에 의해 광촉매 코팅튜브 표면상에서 광촉매 분해되는, 광촉매 분해용 반응기에 관한 것이다.
종래부터 휘발성 유기물질을 제거하기 위한 방법으로 흡착, 응축, 흡수, 열소각, 촉매산화, 바이오필터등을 이용한 방법이 이용되어 왔다. 이들 중 흡착, 응축, 흡수 등은 거시적 안목으로 보면 오염물질을 농축시키는 공정이기 때문에 생성물의 회수가 경제적으로 유리할 경우 외에는 궁극적인 해결책이 되지 못하며, 폐활성탄이나 폐흡수액을 2차로 처리해야하는 부담이 따른다. 열소각공정은 낮은 농도의 유기물을 완전히 분해할 수 있어 대부분의 배출원에 적용이 가능하지만 촉매를 사용하지 않는 열분해 방식은 많은 에너지를 소모하기 때문에 경제적인 부담이 있으며, 고온에서 운용되기 때문에 NOx와 같은 새로운 오염물질의 배출원이 될 수도 있다.
촉매를 사용하여 반응 온도를 열소각의 절반 정도로 낮춰주는 촉매산화공정은 유지비가 열소각에 비해 저렴하고 열분해 공정보다 반응물의 농도가 낮을 때에도 적용이 가능하다는 장점이 있으나, 고가의 귀금속 촉매를 사용해야 하고 염소나 황화합물에는 촉매독으로 인해 적용이 어렵다는 문제가 있다. 또한, 바이오필터를 이용한 생물학적인 처리는 난분해성 독성 물질의 처리에는 부적합하다.
광촉매 산화반응은 촉매산화공정에 속한다고 볼 수 있으나, 반응에 필요한 활성화 에너지가 열의 형태가 아닌 빛을 통해 공급된다는 점에 차이가 있으며, 오염물질의 농축공정이 아닌 완전 분해가 가능한 공정으로서, 산소가 전자 수용체로 작용하고, OH-와 H2O가 전자 공여체로 작용하여, 강력한 산화력을 지닌 OH 라디칼을 생성시키며, 이들이 처리 대상 유기물질을 산화시켜 CO2, H2O, HCl 등으로 분해시키는 것으로 알려져 있다.
이러한 광촉매 산화반응은 유독한 약품 등을 사용하지 않을 뿐만 아니라, 화석 연료도 사용하지 않으면서 불과 수 와트 정도의 자외선 램프만으로 난분해성 화학물질을 경제적으로 분해시킬 수 있다. 또한, 운전 조건이 수월하고, 에너지 소모가 적으며 시스템 구성이 단순화되어 초기 투자비용이 절감되는 이점이 있다.
이러한 광촉매 산화반응이 청정성과 경제성을 동시에 지니고 있음에도 불구하고 아직까지 산업현장에서 산업용 휘발성 유기화합물 제거공정으로 상용화되지 못한 이유는, 방향족 화합물에 대한 분해반응을 수행했을 때 나타나는 광촉매의 급격한 비활성화 현상이 발생하고, 또한 빛과 반응물이 동시에 촉매표면에서 접촉하였을 때에만 반응이 진행된다는 특성을 지녀서 일반적인 화학반응에서 보다 변수가 하나 늘어나게 되어 반응기를 설계하는데 그 만큼의 어려움이 따르기 때문이다.
초창기의 광촉매 반응 연구에서 널리 쓰였던 슬러리형 반응기는 미세한 촉매입자를 폐수 중에 분산시킴으로써 반응물과 촉매사이의 접촉효율을 극대화 할 수 있었으나(대한민국 특허출원 제96-702419호 참조), 반응물과 촉매입자 자신에 의한 광차단 현상으로 인해 빛에너지를 효율적으로 이용하는데 문제가 있어왔다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방안으로 반응 슬러리를 강력하게 혼합시킴으로써 반응기의 효율을 증가시킬 수 있었으나, 슬러리형 반응기는 기본적으로 미세한 촉매입자의 회수를 위한 여과 공정이 필요하여 연속공정으로 설치하기에 난점이 있다. 특히, 미세 입자를 대기중에서 유동시키면서 반응시키는데 있어서 이들은 특수한 유동층 반응기를 제외하고 대기오염분야에 적용하는 것이 용이하지 않았다.
이러한 슬러리형 반응기의 문제점을 극복하기 위해 적절한 고체 지지체에 산화티탄과 같은 광촉매를 코팅함으로써 촉매를 고정화시킨 촉매 고정식 반응기가 제안되었다. 이러한 촉매 고정식 반응기는 연속공정이 용이하다는 장점은 있으나, 슬러리형 반응기와 비교할 때 반응 유체와 촉매의 계면 면적이 매우 작아 이에 따른 반응의 효율도 1/4 정도로 감소된다. 그러나, 이러한 코팅 형태로 고정화된 촉매를 도입함으로써 입자상 촉매가 본질적으로 내포하고 있는 광 반응기 설계 및 운전상의 한계를 극복할 수 있기 때문에 상기와 같은 표면적과 체적상의 손실을 감안하더라도 실제 촉매반응기 운전상의 이점이 매우 크다. 단, 고정화 반응기의 광 효율을 증가시키기 위해서는 자외선 광원과 촉매 표면간의 상호 배치 관계뿐 아니라 자외선 광원을 효율적으로 촉매 표면에 유도하는 방법들이 필수적이며, 처리하고자 하는 반응 유체가 촉매와 실제로 접촉하는 면적을 극대화하고, 두 상간의 물질전달을 용이하게 해야 하는 것이 중요한 해결 과제로 대두되었다.
이러한 문제점을 해결하기 위해, 촉매는 반응기 벽면에 코팅시키고 두 동심원 사이로 반응 유체를 유동시키는 애눌러형 구조의 반응기가 개시되었다(대한민국 특허출원공개 특2000-0017686호 참조). 이러한 애눌러형 반응기를 사용하는 이유는 자외선이 투과할 수 있는 재질을 사용하더라도 산화티탄이 코팅되어 있는 경우는 자외선의 대부분이 흡수되어 버리기 때문이다. 최근에 보고되고 있는 상용화 반응기도 이러한 애눌러형 반응기에서 크게 벗어나지 못하고 있는 상태이다. 이런 애눌러형 구조의 가장 큰 단점은 대형화가 어렵고 반응 유체들을 적절히 혼합할 수 있는 수단이 마땅치 않다는 점인데, 이러한 문제를 해결하기 위해 애눌러 공간 내에서 반응물을 나선형으로 회전시켜 준다거나(미국 특허 제5,069,885호), 공간 내에 산화티탄이 코팅된 비드를 충진하여 촉매층의 역할과 유체의 혼합을 동시에 이루려는 시도가 보고되고 있지만(Sematech Technology Transfer 96023084A-ENG), 기본적으로는 애눌러형 반응기와 큰 차이가 있는 구조는 아니었다.
도 1은 애눌러형 반응기 및 그의 문제점을 나타낸 것이다. 도 1에서 같이,반응기 내벽에 촉매를 코팅할 경우에는 자외선 광원과 평행한 방향으로 반응 유체가 유동하게 되므로 반응물을 적절히 혼합하는데 어려움이 따르고, 촉매층에 근접한 부분의 반응 유체만이 분해되게 된다. 또한, 빛의 조사량을 극대화하기 위해 가능한 한 촉매층과 자외선 광원이 인접하도록 설계하게 되는데, 이로 인해 조사면적이 줄어들게 되고 처리량에 한계가 발생한다. 반응유체를 적절히 혼합하고 난류형태의 흐름을 부여하기 위해 반응기 외벽에 촉매를 코팅하고 램프에 수직한 방향으로 반응 유체가 접촉하는 변형된 애눌러형 반응기도 생각해 볼 수 있으나, 이 경우는 촉매 지지체를 자외선이 투과 가능한 파이렉스(Pyrex)나 석영으로 제작해야 하는데, 이는 내충격성이 취약하므로 대용량의 반응장치에 사용하기에는 불가능하다. 최근에는 애눌러형이 아닌 새로운 형태의 반응기도 보고되고 있으나, 이들은 대부분 새로운 형태의 램프나 새로운 촉매재료, 또는 새로운 형태의 코팅기술을 필요로 하고 있다.
광촉매에 의한 유기 화학물질의 분해 효율을 높이기 위해서는 자외선 광원과 광촉매간의 기하학적으로 최적화된 상호 배치 관계 및 자외선 광원을 효율적으로 조사할 수 있는 방법들이 필수적이며, 또한 광촉매 구조체 표면이 유체와 실제로 접촉하는 면적을 극대화하고 물질 전달을 용이하게 하는 것도 매우 중요하다.
본 발명자들은 이와 같은 종래의 광촉매 반응기들의 문제점을 해결하고자 예의 연구를 거듭한 결과 본 발명에서는 자외선 광원과 그 주위에 광촉매 코팅튜브들을 기하학적으로 배열하고 자외선 광원에 수직한 방향으로 반응 유체를 유동시키는 새로운 광촉매 반응기를 발명하기에 이르렀다.
본 발명의 목적은 광촉매 구조체 표면이 유체와 접촉하는 면적을 극대화하여 물질전달이 용이한 광촉매 분해 반응기 시스템을 제공하여 종래의 광촉매 반응기들이 갖는 상기의 한계점을 극복하기 위한 것이다.
도 1은 애눌러형(annular) 반응기를 나타낸 도이고;
도 2a는 본 발명에 따른 광촉매 반응기의 사시도이며;
도 2b는 상기 도 2a의 광촉매 반응기 유입구의 상세도이고;
도 3은 광촉매 코팅튜브용 금속 지지체의 형태를 나타낸 도이며;
도 4a은 본 발명에 따른 광촉매 반응기의 측단면도이고;
도 4b는 광촉매 코팅튜브를 지지하는 제1 타공망을 나타낸 도이며;
도 4c는 자외선 광원을 지지하는 제2 타공망을 나타낸 도이고;
도 4d는 상기 도 4a의 A 부분에 대한 확대도이며;
도 5a는 본 발명에 따른 광촉매 반응기의 평면 투시도이고;
도 5b는 자외선 광원 차폐고정용 플랜지의 상세구조도이며;
도 6은 본 발명에 따른 광촉매 분해용 반응기에서 반응 유체의 속도 분포를 예측한 그래프이고;
도 7은 본 발명에 따른 광촉매 분해용 반응기에서 반응 유체의 압력강하 예측 그래프이다.
<도면의 부호에 대한 간략한 설명>
100 쉘 110 유입구
120 분산판 130 프리필터
140 광촉매 코팅튜브 141 제1 타공망
150 자외선 광원 151 제2 타공망
152 플랜지 153 O-링
160 배출구
본 발명은 반응유체 유입부; 복수개의 자외선 광원 및 각각의 자외선 광원을 둘러싸는 구조로 배치된 복수개의 광촉매 코팅튜브로 이루어진 광촉매층; 상기 광촉매 코팅튜브 및 자외선 광원을 반응기에 고정시키기 위한 고정부재; 및 생성유체 배출부로 구성되어 있고, 상기 광촉매층의 자외선 광원 및 광촉매 코팅튜브가 그의 길이 방향이 유체 흐름 방향과 수직이 되도록 위치된 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-튜브형(shell and tube) 광촉매 분해용 반응기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 쉘-앤드-튜브형 광촉매 분해용 반응기에서는 반응 유체를 광촉매 코팅튜브 및 자외선 광원에 수직한 방향으로 유동시킴으로써 혼합효과를 증대시키고 난류가 형성되도록 유도한다.
본 발명의 바람직한 실시양태에 있어서, 복수개의 광촉매 코팅튜브를 각각의 자외선 광원 주위에 기하학적으로, 바람직하게는 허니컴(honeycomb) 형태로 배치하여 자외선 광원에 의한 자외선 조사를 통해 광촉매 코팅튜브의 모든 부분에서 광촉매 산화반응이 일어날 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 광촉매 분해용 반응기에서는 금속튜브를 광촉매 코팅용 지지체로 사용함으로써 유지관리가 편리하며, 복잡한 형태로 성형이 가능하기 때문에 자외선 조사면적을 종래의 애눌러형 반응기에 비해 상당하게 증대시킬 수 있다.
광촉매 물질로는 티타늄산화물(TiO2)이 환경분야에 가장 많이 쓰이고 있으며, 이는 크게 루틸형(rutile)과 아나타제형(anatase) 결정 구조를 갖는데, 본 발명에서는 아나타제형 티타늄산화물이 사용하였다.
반응기에 유입되는 반응유체를 반응기내에 고르게 분포시키기 위하여 반응유체의 유입구를 복수개로 설치할 수 있으며, 유입구 뒤쪽에 분산판을 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 반응유체중의 고체 불순물이 유입되어 자외선 광원이 파손되는 것을 방지하기 위하여 광촉매 코팅튜브 전단에 프리필터를 설치하는 것이 바람직하다.
자외선 조사를 위한 자외선 광원으로는 통상 파장 254 nm의 살균 램프을 사용할 수 있으며, 파장 365nm의 UV-A 램프를 사용할 수도 있다. 바람직하게는, 오존 램프를 사용함으로써 발생되는 오존이 광촉매 표면에서 일어나는 산화반응을 보조하는 역할을 하게 할 수도 있다.
특히, 분해시키고자 하는 반응유체가 휘발성 유기화합물인 경우에는, 통상의 자외선 광원을 사용하면 반응개시 후 일정 시간 후에 광촉매가 비활성화되는 현상이 발생하게 되는데, 이러한 광촉매의 비활성화를 방지하기 위하여 자외선 광원으로 오존 램프를 사용할 수 있다.
광촉매 코팅튜브 및 자외선 광원을 반응기에 고정시키기 위한 고정부재는,반응기 내측에 위치되어 광촉매 코팅튜브를 고정시키고 지외선 광원은 통과시키는 제1 타공망과, 상기 제1 타공망을 관통한 자외선 광원을 반응기 외측에 고정시키는 동시에 외부 공기로부터 밀폐시키는 제2 타공망으로 구성된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다.
도 2a는 본 발명에 따른 광촉매 반응기의 사시도이다. 도 2a에 도시된 본 발명의 광촉매 분해용 반응기는 쉘 (100); 반응 유체를 상기 쉘 (100) 내부로 유동시키는 복수개의 유입구 (110); 유입된 반응 유체를 고르게 분포시키기 위한 분산판 (120); 고체 불순물이 유입되어 램프를 파손시키는 것을 방지하기 위해 광촉매 코팅튜브 전단에 설치된 스텐레스 메쉬를 접합한 프리필터 (130); 자외선 조사용 광원 (150) 및 그 주위에 배치된 광촉매 코팅튜브 (140); 및 반응이 완료되어 생성된 유체가 배출되는 복수개의 배출구 (160)로 구성되어 있다.
도 2b는 본 발명에 따른 광촉매 반응기의 유입부를 상세히 도시한 것으로서, 반응기 쉘 (100)의 유입부에는 반응 유체가 고르게 분포되도록 유동시키기 위해 복수개의 유입구를 설치할 수 있으나, 본 발명에서는 예시를 위한 목적으로 두 개의 유입구 (110)만을 도시하였다. 유입구 (110)를 통해 반응기에 유입된 반응 유체를 보다 고르게 분포시키기 위해 유입구 뒤쪽에 일정한 크기 및 형태의 구멍이 있는 분산판 (120)이 설치되었으며, 유입된 반응 유체 중에 고체 불순물이 함께 혼합되어 유입됨으로써 자외선 광원이 파손되는 것을 방지하기 위하여 스텐레스 메쉬를 접합한 프리필터 (130)가 촉매층 전단에 설치되었다.
자외선 광원으로는 파장 254 nm의 살균 램프(일본 산쿄전기사 제품)이 사용되었다.
도면에 도시한 바와 같이 자외선 광원 (150)과 광촉매 코팅튜브 (140)는, 자외선 광원 (150) 하나를 광촉매 코팅튜브 (140) 여섯 개가 둘러싼 허니콤 형태로 구성되어 종래의 애눌러형 반응기에서 보다 단위 자외선 광원 당 조사면적이 더 넓어지도록 설계하였다.
도 3은 광촉매 코팅튜브 (140)에서 광촉매를 코팅하기 위한 지지체로서 역할을 하는 금속튜브의 형태를 나타낸 도이다. 기존의 애눌러형 반응기에서는 산화티탄 광촉매를 코팅하기 위한 지지체로서 파이렉스 유리를 사용하는 것이 일반적이었으나, 본 발명에서는 유리재질 대신 금속(바람직하게는 알루미늄)을 사용함으로써 반응기 구조의 안정성을 높이고 유지관리가 편리하도록 하였다. 금속 지지체를 사용함으로써 얻을 수 있는 또 하나의 장점은 목적하는 형태로 사출성형이 가능하다는 점이다. 이러한 점을 이용하여 촉매의 도포가능 표면적을 넓히고, 유체에 와류를 부여할 수 있도록 일반적인 원형튜브에 핀을 추가하는 것이 가능하다. 이때, 자외선 조사면적을 이상적으로 넓히기 위해서 자외선 광원에 수직한 방향으로 핀을 추가하는 경우 사출성형의 특성상 사용가능한 형태는 램프와 길이 방향으로 평행하게 핀을 부착하고, 그 표면에 광촉매를 코팅하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 일부 자외선이 도달하지 않는 튜브를 제외하더라도 기존의 애눌러형 반응기에 비해 조사면적을 50% 이상 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라, 코팅튜브의 최종 표면적을 2 배 이상 증가시킬 수 있다.
또한, 광촉매 코팅튜브 (140)로서, 단순 튜브 형태 대신에 메쉬를 여러번 두루말이 형태로 말아서 제작한 메쉬 튜브에 광촉매를 코팅한 것을 사용할 수도 있으며, 이 경우 촉매 구조물의 외부뿐만 아니라 내부에도 반응유체가 통과하게 되므로 반응면적과 체류시간을 더욱 증대시킬 수 있다.
하기 표 1에 도 1에 도시한 바와 같은 종래의 애눌러형 반응기와 도 2에 따른본 발명의 쉘-앤드-튜브형 반응기의 표면적, 즉 자외선 조사면적의 차이를 나타내었다.
| 반응기 | 관 지름(cm) | 관 둘레(cm) | 관 길이(cm) | 관 개수 | 표면적(m2) |
| 애눌러형 반응기 | 100 | 314 | 1,130 | 50 | 17.7 |
| 본 발명의 반응기 | 45 | 226 | 1,130 | 160 | 40.6 |
도 4a은 본 발명에 따른 광촉매 반응기의 측단면도이다. 자외선 광원 (150)과 광촉매 코팅튜브 (140)을 배열하여 쉘 내부에 지지시키는 방법에는 여러 가지가 있을 수 있으나, 자외선에 의한 경화 또는 부식의 문제를 발생시키지 않는 스텐레스 재질의 평판에, 도 4b에서와 같이 목적하는 배열 형태로 당해 광촉매 코팅튜브와 자외선 광원의 직경에 상응하는 구멍을 천공한 타공망을 이용하는 것이 가장 저렴하면서 정확한 기하학적 배열을 지지할 수 있는 방법이다. 본 발명에 따른 광촉매 반응기에서, 도 4b에 도시한 타공망은 제1 타공망으로 칭하며, 여기서 나타낸 바와 같이 점선 원으로 나타낸 부분이 광촉매 코팅튜브 (140)이 지지되는 부분이고, 검정색으로 채워진 원으로 나타낸 부분이 자외선 광원 (150)이 그를 통해 외부로 연장되는 부분이다. 이러한 도 4b의 제1 타공망 (141)은 쉘 (100) 내부 측면 가장자리쪽에 장착되어 광촉매 코팅튜브와 자외선 광원을 지지한다. 반응물의 혼합효과를 높이는 동시에 압력강하를 최소화하기 위해 광촉매 코팅튜브 사이의 간격은 5 내지 10 mm가 바람직하다.
도 4c는 상기 도 4b의 쉘 (100) 내부의 제1 타공망 (141)을 지나 쉘의 밖으로 연장된 자외선 광원 (150)을 반응기 외부에 고정시키는 제2 타공망 (151)을 나타낸 것이다. 제2 타공망 (151)은 자외선 광원 (150)을 반응기 외부에 고정시키는 동시에 자외선 광원 (150)과 반응기의 연결 부분을 밀폐시키는 역할을 한다. 반응기 외부로 연장되어 외부로 노출되는 자외선 광원 (150) 부분을 외부로부터 차단시키면서 반응기에 고정시키기 위하여 플랜지 (152)를 설치하여 자외선 광원 (150)이 차폐고정되도록 하였다.
도 4d는 상기 도 4a의 A 부분에 대한 확대도이다. 도 4d를 참조하면, 유입구 (110)를 통해 유동되어 프리필터를 통과한 반응 유체는 자외선 광원 (150) 및 광촉매 코팅튜브 (140)과 그의 길이 방향에 대해 수직한 방향으로 접촉하게 되고, 자외선 광원 (150)의 조사에 의해 광촉매 코팅튜브 (140) 표면에서 반응한다.
본 발명의 광촉매 반응기의 광촉매층은 적절한 배열, 바람직하게는 두 개 열의 자외선 광원 (150)과 이들을 중심으로 배열된 세 개 열의 광촉매 코팅튜브 (140)가 하나의 단위로 구성되어 설치 및 유지보수가 간편하도록 할 수 있다.
도 5a는 본 발명에 따른 광촉매 반응기의 평면 투시도이며, 도 5b는 반응기 외부로 연장된 자외선 광원 (150)과 제2 타공망과의 연결 지점에서 자외선 광원 (150)을 반응기에 고정시키면서, 외부에 노출되는 것을 방지하기 위한 장치인 플랜지 (152)의 상세구조를 도시한 것이다. 플랜지 (152)의 나사를 회전시킴에 따라 자외선 광원 (150)과 플랜지 (152)사이에 삽입된 O-링 (153)이 조여들어 자외선 광원 (150)을 반응기에 고정시키면서 외부 공기와 차단시키는 작용을 하게된다. 광촉매 코팅튜브 (140)은 반응기 내부의 벽면에 장착된 제1 타공망 (141)에 의해 고정되므로 별도의 봉합이 필요하지 않다. 본 발명의 광촉매 분해용 반응기는 자외선 광원 (150)을 플랜지 (152)로 직접 차폐시킴으로써 자외선의 손실을 최소화 할 수 있으며 오존 램프의 사용할 경우 램프에서 발생한 오존을 직접 산화 보조제로 사용할 수 있다는 장점이 있다.
도 6은 본 발명에 따른 광촉매 분해용 반응기에서 반응 유체를 선속도 1 m/sec로 유동시킬 경우의 속도 분포를 상용 유체 시뮬레이션 프로그램인 플루언트(Fluent)를 이용하여 예측한 결과이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 반응 유체가 튜브와 튜브 사이를 통과할 경우에는 선속도가 4 m/sec 까지 빨라지는 것을 볼 수 있으나, 이는 산들바람 정도의 세기이므로 이로써 자외선 광원이 파손될 염려는 없을 것이다.
반응기의 성능을 높이기 위해서는 유체와 촉매관 사이의 접촉을 극대화 하여야 하며, 이를 위해서는 촉매관과 자외선램프를 차단판으로 삼아 유체의 경로에 많은 변화를 부여하는 것이 바람직하다. 이러한 경로변경이 지나칠 경우 압력강하가 지나치게 높아질 우려가 있으며, 이는 배기 시스템에 무리를 주게 되어 블로워에 문제가 생기거나 충분한 처리유량을 얻을 수 없는 등의 우려가 있다.
유체의 혼합정도와 압력강하는 서로 반대의 경향을 갖기 때문에, 유체의 혼합을 극대화하려 하다 보면 압력강하가 지나치게 커져서 시스템에 무리를 주는 반응기의 형태가 될 수 있다.
이에 따라, 본 발명에 따른 광촉매 분해용 반응기를 이용하여 반응 유체를 반응시킬 때 반응기 내부에서의 압력강하를 플루언트를 사용하여 예측해 봄으로써, 본 발명의 반응기가 어느 정도의 압력강하를 유발시킬 수 있는 지를 알아보았다.
도 7은 나타낸 바와 같이, 압력강하는 유체의 선속도, 장애물의 기하학적 배치 외에 장애물의 마찰계수가 또 다른 변수가 되는데, 광촉매 코팅튜브가 유리이고 그의 형태는 구형일 경우를 가정하였다. 도 7에 나타낸 바와 같이, 선속도를 2 m/sec 까지 증가시켜도 압력강하가 100 Pa 미만인 것으로 나타났다. 이러한 결과로부터 실제 운전에서의 안전 요인을 감안한다 하더라도 압력강하는 1,000 Pa 이내가 될 것이다.
본 발명에 따른 광촉매 분해용 반응기는 촉매 지지체로 알루미늄 등의 금속을 사용하여 사용 및 유지가 편리하고, 자외선 광원의 수를 증가시킴에 따라 자외선 광원 당 자외선 조사면적을 증가시킬 수 있으므로 처리용량을 대형화시킬 수 있으며, 금속튜브에 광촉매 물질을 코팅함으로써 원형 외에도 복잡한 형태의 튜브를 제작 사용할 수 있어 자외선 조사면적을 극대화 할 수 있다. 또한, 반응 유체가 광촉매 코팅튜브와 자외선 광원에 수직한 방향으로 유동하므로 광촉매 코팅튜브 자체가 장애물로 작용하여 유체의 접촉효과를 극대화할 수 있다.
Claims (10)
- 반응유체 유입부; 복수개의 자외선 광원 및 각각의 자외선 광원을 둘러싸는 구조로 배치된 복수개의 광촉매 코팅튜브로 이루어진 광촉매층; 상기 광촉매 코팅튜브 및 자외선 광원을 반응기에 고정시키기 위한 고정부재; 및 생성유체 배출부로 구성되어 있고, 상기 광촉매층의 자외선 광원 및 광촉매 코팅튜브가 그의 길이 방향이 유체 흐름 방향과 수직이 되도록 위치된 것을 특징으로 하는, 쉘-앤드-튜브형(shell-and-tube) 광촉매 분해용 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 자외선 광원과 광촉매 코팅튜브가 허니컴 구조로 배치된 것을 특징으로 하는 광촉매 분해용 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 반응유체 유입구 뒷쪽에 분산판이 추가로 장착된 것을 특징으로 하는 광촉매 분해용 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광촉매 코팅튜브 전단에 프리필터가 추가로 장착된 것을 특징으로 하는 광촉매 분해용 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광촉매 코팅튜브가 알루미늄 튜브에 광촉매가 코팅된 것임을 특징으로 하는 광촉매 분해용 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광촉매 코팅튜브가 단순 튜브 형태, 표면에 핀을 가진 튜브 형태 또는 메쉬 튜브 형태인 것을 특징으로 하는 광촉매 분해용 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 고정부재가 반응기 내측에 위치되어 광촉매 코팅튜브를 고정시키고 지외선 광원은 통과시키는 제1 타공망과, 상기 제1 타공망을 관통한 자외선 광원을 반응기 외측에 고정시키는 동시에 외부 공기로부터 밀폐시키는 제2 타공망으로 구성된 것을 특징으로 하는 광촉매 분해용 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 자외선 광원이 중심 파장 180 내지 370 nm인 자외선 램프 또는 오존 램프인 것을 특징으로 하는 광촉매 분해용 반응기.
- 제 1 항에 있어서,상기 광촉매 코팅튜브들이 5 내지 10 mm의 간격으로 배치된 것을 특징으로 하는 광촉매 분해용 반응기.
- 제 7 항에 있어서,상기 제2 타공망으로부터 외부로 연장되어 나온 자외선 광원 부분을 차폐시키기 위해 O-링이 장착된 플랜지가 사용되는 것을 특징으로 하는 광촉매 분해용 반응기.
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