KR100499860B1 - Process for high performance synthetic gas generation using the catalysts - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고효율 합성가스 제조용 촉매를 이용한 합성가스의 제조공정에 관한 것으로, 저온에서 합성가스를 생산할 수 있는 이원기능용 복합 촉매를 이용하여 종래 합성가스 제조공정에 비하여 반응온도를 200℃ 이상 낮출 수 있는 고효율로 합성가스를 제조하는 공정에 관한 것이다. 본 발명에 따른 공정은 탄화수소 및/또는 알코올, 물, 및 산소로 이루어진 반응물을 열교환기에 공급하여 일정온도로 가열하는 단계, 가열된 상기 반응물을 촉매반응기에 공급하여 직접부분 산화반응 및 연속적으로 개질반응을 실시하는 단계, 및 상기 직접부분 산화반응 및 개질반응에 의해 생성된 합성가스는 상기 열교환기를 통해 냉각된 후 후단공정으로 이송되는 단계를 포함한다.The present invention relates to a process for producing a synthesis gas using a catalyst for producing a high-efficiency synthesis gas, the reaction temperature can be lowered by 200 ℃ or more compared to a conventional synthesis gas production process using a dual function composite catalyst capable of producing synthesis gas at low temperature It relates to a process for producing a synthesis gas with high efficiency. The process according to the present invention comprises supplying a reactant consisting of hydrocarbon and / or alcohol, water, and oxygen to a heat exchanger to heat it to a constant temperature, and supplying the heated reactant to a catalytic reactor for direct partial oxidation and continuous reforming reaction. The step of carrying out, and the synthesis gas produced by the direct partial oxidation and reforming reaction is cooled through the heat exchanger and then transferred to a post-stage process.
Description
본 발명은 고효율 합성가스 제조용 촉매를 이용한 합성가스의 제조공정에 관한 것으로, 저온에서 합성가스를 생산할 수 있는 이원기능용 복합 촉매를 이용하여 종래 합성가스 제조공정에 비하여 반응온도를 200℃ 이상 낮출 수 있는 고효율로 합성가스를 제조하는 공정에 관한 것이다.The present invention relates to a process for producing a synthesis gas using a catalyst for producing a high-efficiency synthesis gas, the reaction temperature can be lowered by 200 ℃ or more compared to a conventional synthesis gas production process using a dual function composite catalyst capable of producing synthesis gas at low temperature It relates to a process for producing a synthesis gas with high efficiency.
상용화된 합성가스의 제조기술 중에서 탄화수소의 스팀 개질방법은 수소의 함량이 매우 높기 때문에 상업적으로 널리 사용되고 있는 방법이다. 반응은 예를 들어 메탄의 경우 하기 반응식 1과 같이 진행되며, 상기 반응은 매우 큰 흡열반응이기 때문에 촉매층 내부로 반응열을 전달하는 것이 전체 반응속도를 결정하는 단계가 된다. 상기 방법에서는 Ni계 촉매가 사용되고 있으며 현재도 상용화되는 공정이다. 또한, 상기 반응은 750∼850℃의 온도범위에서 메탄의 고전환율을 얻을 수 있다. 이를 이용한 공정은 도 1과 같이 촉매층 외표면을 간접 가열하여 반응열을 공급하는 형식으로 시스템이 구성된다. 도 1에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.→Steam reforming of hydrocarbons among commercially available synthesis gas production techniques is widely used because of the high hydrogen content. For example, in the case of methane, the reaction proceeds as in Scheme 1 below. Since the reaction is a very large endothermic reaction, transferring the reaction heat into the catalyst layer determines the overall reaction rate. In this method, a Ni-based catalyst is used and is still commercially available. In addition, the reaction can obtain a high conversion of methane in the temperature range of 750 ~ 850 ℃. In the process using the same, as shown in FIG. 1, the system is configured in such a manner as to indirectly heat the outer surface of the catalyst layer to supply reaction heat. Detailed description of Figure 1 will be described later.
따라서, 스팀 개질반응에서 가장 큰 문제점으로 지적되고 있는 열전달 문제를 해소하기 하기 위해, 도 2와 같이 반응물인 탄화수소 중에 일부의 산소를 혼합하여 하기 반응식 2와 같이 산화반응을 진행하며 이 때 발생된 반응열을 이용하여 생성된 이산화탄소, 물, 및 탄화수소의 2차 반응(하기 반응식 3, 4(메탄의 경우))을 진행하는 열원으로 사용한다(A.M. O'Connor and J.R.H. Ross, "The effect of O2 addition on the dioxide reforming of methane over Pt/ZrO2 catalysts", Catal. Today, 46, 203-210(1998)).Therefore, in order to solve the heat transfer problem, which is pointed out as the biggest problem in the steam reforming reaction, a part of oxygen is mixed in a hydrocarbon as a reactant as shown in FIG. 2 and an oxidation reaction proceeds as shown in Scheme 2 below. It is used as a heat source for the secondary reaction of carbon dioxide, water, and hydrocarbons produced by using the following reaction schemes (3, 4 in the case of methane) (AM O'Connor and JRH Ross, "The effect of O 2 addition"). on the dioxide reforming of methane over Pt / ZrO 2 catalysts ", Catal. Today, 46, 203-210 (1998)).
한국 공개특허공보 제99-49702호에서는, 도 2와 같은 공정을 이용하여 종래 스팀 개질의 문제점을 보완하는 개량 공정을 제안한 바 있다. 즉, 일차 반응기에서 산화반응을 진행하며 발생된 열과 수분, 이산화탄소를 2차 반응기의 반응물로 이용하는 방법을 사용함에 따라 도 1과 같이 반응기의 외부에서 직접 가열에 따른 열전달에 의한 효율 약화 문제를 완화하였다. 특히 산화반응용 촉매로 열적인 안정성이 우수한 귀금속을 사용하였으며, 후단 개질 촉매는 Ni계를 사용하여 시스템의 내구성을 증진하였다.Korean Laid-Open Patent Publication No. 99-49702 has proposed an improved process to compensate for the problem of conventional steam reforming using the process as shown in FIG. In other words, by using a method of using the heat, water, and carbon dioxide generated during the oxidation reaction in the primary reactor as a reactant of the secondary reactor, the problem of efficiency deterioration due to heat transfer due to direct heating from the outside of the reactor as shown in FIG. . In particular, a noble metal with excellent thermal stability was used as the catalyst for oxidation reaction, and the post-modification catalyst used Ni-based to improve the durability of the system.
그러나 여전히 반응온도는 750∼850℃의 높은 상태로 유지할 필요가 있다. 이의 주된 원인은 각 물질의 평형 전환율에 의한 것이다. 즉, 반응물인 메탄이 반응온도 800℃ 전후에서 95부피% 이상의 고전환율을 얻을 수 있기 때문이다.However, the reaction temperature still needs to be maintained at a high state of 750 to 850 ° C. The main reason for this is due to the equilibrium conversion of each substance. That is, methane, a reactant, can obtain a high conversion rate of 95% by volume or more at around 800 ° C.
한편, 부분 산화반응에서 상기와 같이 탄화수소의 일부가 이산화탄소 및 물로 전환된 다음 일산화탄소와 수소로 전환되는 반응기구와는 다르게 특정한 귀금속의 표면에서는 하기 반응식 5와 같이 탄화수소를 직접 부분 산화하여 합성가스를 얻을 수 있는 것으로 보고되었다(K. Takehira 등, "Direct partial oxidation of methane into synthesis gas over Rh|YSZ|Ag", Catal. Toady, 29, 397-402(1996)). 즉, 상기 반응식 2와 같이 이산화탄소와 물의 중간체를 경유하여 재차 일산화탄소와 수소로 전환(상기 반응식 3 및 4)되는 반응기구가 아니라, 일산탄소와 수소로 직접 분해되는 경로로 반응을 진행(하기 반응식 5)할 수 있다. 따라서 메탄의 이산화탄소 개질과 메탄의 스팀 개질과는 다르게 큰 반응열을 필요로 하지 않는 반응경로를 경유하게 됨으로써 종래 반응에 비해서 저온에서 반응이 진행될 수 있다. 더욱이, 직접 분해 반응이 진행될 때는 약한 발열반응(-36kJ/mol)으로 반응기의 온도 콘트롤 측면에서도 매우 용이하다.On the other hand, in the partial oxidation reaction, a part of the hydrocarbon is converted into carbon dioxide and water as described above, and then, on the surface of a specific noble metal, the hydrocarbon is partially partially oxidized to obtain a synthesis gas as shown in Scheme 5 below. (K. Takehira et al., “Direct partial oxidation of methane into synthesis gas over Rh | YSZ | Ag”, Catal. Toady, 29, 397-402 (1996)). In other words, the reaction proceeds through a path that is directly decomposed into carbon monoxide and hydrogen, instead of being converted into carbon monoxide and hydrogen again through an intermediate of carbon dioxide and water as shown in Scheme 2 (Scheme 3 and 4). )can do. Therefore, unlike carbon dioxide reforming of methane and steam reforming of methane, the reaction can proceed at a lower temperature than the conventional reaction by passing through a reaction path that does not require a large amount of reaction heat. Moreover, when the direct decomposition reaction proceeds, it is very easy in terms of temperature control of the reactor with a weak exothermic reaction (-36 kJ / mol).
한편, 상기 반응식 3 및 4는 평형반응으로, 생성물질 중에서 수소 및/또는 일산화탄소를 반응기로부터 제거할 때 메탄의 분해속도가 증가될 수 있기 때문에 보다 저온에서 메탄의 개질 반응이 가능하다. 이러한 점에 착안된 각종 연구결과를 볼 수 있으며 대표적인 방법으로서 CH4, CO2를 이용한 합성가스 제조공정에서 수소 분리막을 이용하여 수소를 제거함에 따라 반응온도를 낮춘 연구 결과를 볼 수 있다(박상언, "탈수소 공정 개선을 위한 고선택 분리막 촉매 개발에 관한 연구", 화학연구원 연구보고서, 1995-E-IDO2-P-01 (1998)). 이와 같이 반응/분리를 동시에 진행함에 따라서 반응온도를 낮추며 또한 부수적으로 고농도의 수소를 얻을 수 있는 장점이 있기 때문에 매력을 갖는 공정으로 평가되고 있다.On the other hand, the reaction schemes 3 and 4 are equilibrium reactions, and since the decomposition rate of methane can be increased when removing hydrogen and / or carbon monoxide from the reactor, the methane reforming reaction can be performed at a lower temperature. As a representative method, various research results can be seen. As a representative method, a research result of lowering the reaction temperature as hydrogen is removed using a hydrogen separation membrane in a synthesis gas manufacturing process using CH 4 and CO 2 can be seen. "Study on the Development of High Selective Membrane Catalysts for the Improvement of Dehydrogenation Process," Research Institute of Chemical Research, 1995-E-IDO2-P-01 (1998). As the reaction / separation proceeds at the same time, the reaction temperature is lowered and it is evaluated as an attractive process because it has the advantage of obtaining a high concentration of hydrogen incidentally.
대표적인 연구결과를 보면 니켈계 개질 촉매와 팔라듐 분리막을 이용하여 메탄의 평형 전환율을 높임에 따라서 반응기의 온도를 낮출 수 있었다(A. Bsile, 등 "The partial oxidation of methane to syngas in a palladium membrane reactor : simulation and experimental studies", Catal. Toady, 67, 65-75(2001)). 그러나 니켈계 촉매의 경우 탄화수소에 대한 산화반응에 대한 활성이 낮기 때문에 시스템의 온도를 낮추는데 한계가 있으며, 또한 전술된 바와 같이 직접 부분 산화법을 이용할 때 저온에서 합성가스의 생산가능성이 보고된바 있으나 이를 이용한 공정 개발은 완료되지 못한 시점에 있다.Representative findings indicate that nickel-based reforming catalysts and palladium separators can be used to reduce the reactor temperature by increasing the equilibrium conversion of methane (A. Bsile, et al., “The partial oxidation of methane to syngas in a palladium membrane reactor: simulation and experimental studies ", Catal. Toady , 67 , 65-75 (2001)). However, nickel-based catalysts are limited in lowering the temperature of the system because of their low activity for hydrocarbon oxidation, and as described above, the possibility of syngas production at low temperatures has been reported using the direct partial oxidation method. The process development used is not complete.
또한, 연료전지의 가능성에 대한 인식 증대로 인하여 탄화수소 및 알코올의 개질반응에 의한 합성가스 제조, 특히, 수소를 대상물질로 하는 공정에 대한 연구가 많이 진행되고 있다. 특히 수송용, 이동용 연료전지 시스템에서는 연료 보관의 편이성, 안전성, 단위질량당 수소생성량 등에 기인하여 액화탄화수소 및 알코올의 개질반응을 통하여 수소를 생산하는 방안이 채택되고 있다.In addition, due to the increased awareness of the possibility of fuel cells, a lot of researches have been conducted on the production of syngas by reforming reactions of hydrocarbons and alcohols, in particular, a process using hydrogen as a target material. In particular, in transportation and mobile fuel cell systems, a method of producing hydrogen through reforming of liquefied hydrocarbons and alcohols has been adopted due to fuel storage convenience, safety, and hydrogen production per unit mass.
일반적으로 사용되는 알코올에는 메탄올을 사용하고 있으며, 이러한 메탄올을 이용한 개질 반응의 경우에는 상기 설명한 탄화수소와 달리 250∼350℃, GHSV(1000∼4000hr-1)의 반응조건에서 Cu계 촉매를 이용하여 개질반응을 진행시킨다[P.J. de Wild 등 "Catalytic production of hydrogen from methanol", Catal. Today, 60, 3 (2000)]. 그러나 낮은 GHSV로 인하여 다량의 촉매가 필요하며, 또한 사용되는 촉매가 Cu계이므로 반응온도를 고온에서 유지할 경우, 열화에 의해서 촉매의 수명이 단축되는 결점을 안고 있다.In general, alcohol is used as methanol, and in the case of the reforming reaction using methanol, unlike the hydrocarbon described above, the reforming is performed using a Cu-based catalyst under the reaction conditions of 250 to 350 ° C. and GHSV (1000 to 4000 hr −1 ). Proceed the reaction [PJ de Wild et al. "Catalytic production of hydrogen from methanol", Catal. Today , 60 , 3 (2000)]. However, due to the low GHSV, a large amount of catalyst is required, and since the catalyst used is Cu-based, when the reaction temperature is maintained at a high temperature, the catalyst has a disadvantage of shortening the life of the catalyst.
이러한 종래 메탄올 개질 공정에서의 단점을 보완하고, 좀더 고순도의 수소를 생산하기 위해서 J. Han 등은 Pd-Cu, Pd-Ag 분리막을 이용하여 습윤개질반응을 진행하였으나, 기존 공정에 비하여 상당히 고가의 구성이 불가피하다(J. Han 등, "Purifier-integrated methanol reformer for fuel cell vehicles, J. Power Sources, 86, 223 (2000)).In order to make up for the disadvantages of the conventional methanol reforming process and to produce hydrogen with higher purity, J. Han et al. Performed a wet reforming reaction using Pd-Cu and Pd-Ag separation membranes, but were considerably more expensive than conventional processes. Configuration is inevitable (J. Han et al., “Purifier-integrated methanol reformer for fuel cell vehicles, J. Power Sources , 86 , 223 (2000)).
이에 본 발명자들은 저온에서 탄화수소 및/또는 알코올의 직접 부분 산화반응(direct partial oxidation)을 진행함과 동시에 생성물을 전환/제거하여 평형 전환율 향상시킬 수 있는 촉매를 이용한 합성가스 제조공정을 개발하게 되었다.Accordingly, the present inventors have developed a synthesis gas production process using a catalyst capable of improving the equilibrium conversion rate by performing direct partial oxidation of hydrocarbons and / or alcohols at a low temperature and converting / removing products.
따라서, 본 발명의 목적은 탄화수소 및/또는 알코올의 직접 부분 산화력이 우수한 촉매와 함께, 일산화탄소에 대한 수성반응(CO shift reaction)에 의한 이산화탄소 및 수소로 전환력이 우수한 일산화탄소 개질촉매를 이용함으로써 합성가스의 제조온도를 현저히 낮출 수 있는 합성가스의 제조공정을 제공하는데 있다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a synthesis gas by using a carbon monoxide reforming catalyst which is excellent in converting carbon dioxide and hydrogen by an CO shift reaction to carbon monoxide together with a catalyst having excellent direct partial oxidation of hydrocarbons and / or alcohols. To provide a process for producing a synthesis gas that can significantly lower the manufacturing temperature of the.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 합성가스의 제조공정은, 탄화수소 및/또는 알코올, 물, 및 산소로 이루어진 반응물을 열교환기에 공급하여 일정온도로 가열하는 단계; 가열된 상기 반응물을 촉매반응기에 공급하여 직접부분 산화반응 및 연속적으로 개질반응을 실시하는 단계; 및 상기 직접부분 산화반응 및 개질반응에 의해 생성된 합성가스는 상기 열교환기를 통해 냉각된 후 후단공정으로 이송되는 단계를 포함한다.Synthetic gas production process according to the present invention for achieving the above object, the step of supplying a reactant consisting of a hydrocarbon and / or alcohol, water, and oxygen to a heat exchanger to heat to a constant temperature; Supplying the heated reactant to a catalytic reactor to perform direct partial oxidation and continuous reforming reaction; And syngas produced by the direct partial oxidation and reforming reaction is cooled through the heat exchanger and then transferred to a post stage process.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하면서 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 종래의 스팀 개질방법에 의해 합성가스를 제조하는 공정의 구성도로서, 현재 사용중인 천연가스 및/또는 알코올을 이용한 합성가스를 제조하는 공정의 개념도이다. 반응물(탄화수소 및 물)은 폐가스를 이용하여 열교환기(101)에서 일정온도(천연가스의 경우, 약 105∼700℃, 메탄올이 원료일 때 약 105∼250℃)까지 예열한 다음, 공급라인(11)을 통하여 반응기(100)로 공급된다. 상기 반응기(100)는 내부에 다수의 관이 장착되어 있고 관의 내부에, 예를 들어 메탄의 경우, 니켈계 개질 촉매(200)가 장착되어 있으며, 메탄올의 경우에는 구리계 개질 촉매(200)가 장착되어 있다. 예열된 반응물은 반응기내 촉매와 접촉되면서 합성가스로 전환되며 생성된 합성가스는 배출라인(12)을 통하여 후단 공정으로 공급된다. 스팀 개질은 흡열반응(상기 반응식 1)으로서 반응기(100)에 필요한 열량은 외부 열원(도면표기는 가열용 가스)으로부터 라인(1)을 통하여 공급되며 폐가스 배출라인(2)을 통하여 배출되는 폐가스는 열효율 증진을 목적으로 열교환기(101)에서 더욱 낮은 온도(약 105∼300℃)까지 냉각된 후 대기 중으로 배출된다. 이러한 구성을 따르는 합성가스 제조용 반응기에서 가장 큰 문제점은 외부로부터의 반응열 전달이 가장 중요한 요소기술로 평가된다는 점이며, 현재에도 이러한 연구가 추진되고 있다.1 is a block diagram of a process for producing a synthesis gas by a conventional steam reforming method, a conceptual diagram of a process for producing a synthesis gas using natural gas and / or alcohol currently in use. The reactants (hydrocarbon and water) are preheated to a constant temperature (about 105 to 700 ° C. for natural gas, about 105 to 250 ° C. when methanol is a raw material) in the heat exchanger 101 using waste gas, and then the supply line ( 11) is supplied to the reactor (100). The reactor 100 is equipped with a plurality of pipes therein, for example, in the case of methane, a nickel-based reforming catalyst 200 is mounted in the case of the methane, a copper-based reforming catalyst 200 in the case of methanol Is equipped. The preheated reactant is converted into syngas as it comes into contact with the catalyst in the reactor and the resulting syngas is fed to the downstream process via discharge line 12. Steam reforming is an endothermic reaction (Scheme 1), the amount of heat required for the reactor 100 is supplied through the line 1 from the external heat source (drawing gas is a heating gas) and the waste gas discharged through the waste gas discharge line (2) In order to improve the thermal efficiency, the heat exchanger 101 is cooled to a lower temperature (about 105 to 300 ° C) and then discharged into the atmosphere. The biggest problem in the synthesis gas production reactor according to this configuration is that the reaction heat transfer from the outside is evaluated as the most important element technology, and this research is being promoted even now.
또한 도 2는 종래의 부분 산화반응에 의한 합성가스의 제조공정을 나타내는 개략도로서, 특히 탄화수소의 개질반응 중 상기 도 1의 공정에서 가장 큰 문제점으로 지적되고 있는 열전달의 문제를 보완한 공정이다. 즉, 도 1에 있어서 반응물이 흐르는 촉매층(200)과 가열용 가스가 별도의 공간을 흐르도록 분리되어 있기 때문에 열교환의 효율 문제가 대두됨에 따라 이를 보완하기 위하여 반응물의 일부를 부분산화하는 공정이다. 공정의 구성을 살펴보면, 반응열은 탄화수소의 일부를 연소(연소반응기, 99)하여 CO2 및 H2O를 형성하면서 얻어지며, 생성된 가스는 라인(9)을 통하여 배출되고, 여기에 탄화수소와 물을 혼합하여 개질반응기(102)로 공급한다. 개질 반응기(102)는 Ni계 촉매(200)가 충진되어 있으며, 촉매 표면에서 탄화수소 가스와 물이 상기 반응식 1에 따라 진행되고, 또한 탄화수소와 이산화탄소가 상기 반응식 3에 따라 진행된다. 이렇게 합성가스가 형성되며 라인(13)을 통하여 열교환기(101)로 공급되고 일정온도까지 냉각된 후 라인(14)을 통하여 후단 공정으로 공급된다. 이 때 개질반응기(102)는 탄화수소, 예를 들어 메탄의 평형 전환율을 고려하여 통상적으로 750∼850℃로 유지하며, 95% 이상의 전환율을 얻을 수 있다.In addition, Figure 2 is a schematic diagram showing a process for producing a synthesis gas by a conventional partial oxidation reaction, in particular, the process of complementing the problem of heat transfer that is pointed out as the biggest problem in the process of Figure 1 of the hydrocarbon reforming reaction. That is, in FIG. 1, since the catalyst layer 200 and the heating gas in which the reactants flow are separated to flow in separate spaces, a part of the reactants is partially oxidized to compensate for the problem of efficiency of heat exchange. Looking at the construction of the process, the heat of reaction is obtained by burning a portion of the hydrocarbons (combustion reactor, 99) to form CO 2 and H 2 O, the resulting gas being discharged via line (9), where the hydrocarbons and water The mixture is supplied to the reforming reactor (102). The reforming reactor 102 is filled with a Ni-based catalyst 200, hydrocarbon gas and water proceed in accordance with Scheme 1 above, and hydrocarbon and carbon dioxide proceed in accordance with Scheme 3 above. Thus, the synthesis gas is formed and supplied to the heat exchanger 101 through the line 13, cooled to a predetermined temperature, and then supplied to the subsequent process through the line 14. In this case, the reforming reactor 102 is usually maintained at 750 to 850 ° C in consideration of the equilibrium conversion rate of hydrocarbons, for example, methane, and a conversion rate of 95% or more can be obtained.
또한, 도 3과 같이 산화촉매층과 개질촉매층을 하나의 반응기에 장착하여 동일한 효과를 얻을 수 있는 초기 모델의 부분 산화시스템도 볼 수 있으나, 이 반응기는 초기에 유입하는 CH4의 농도가 너무 높기 때문에 코크의 형성 확률이 높다. 따라서, 도 2와 같이 CH4의 공급을 반응열 생성용과 합성가스 생성용으로 나누어서 공급하는 것이 일반적이다. 이와 같은 도 2의 반응가스 생성을 목적으로 한 촉매연소장치는 일반 연소기를 사용하는 변형된 형태의 구성도 가능하다(포오니어 등, "산소-연료 부스트 리포머 공정 및 장치", 한국공개특허공보, 제2001-23652호).In addition, as shown in FIG. 3, the partial oxidation system of the initial model can be seen that the same effect can be obtained by mounting the oxidation catalyst layer and the reforming catalyst layer in one reactor, but this reactor has a high concentration of CH 4 initially introduced. The chance of coke formation is high. Therefore, as shown in FIG. 2, it is common to supply CH 4 separately for generation of reaction heat and synthesis gas. The catalytic combustion device for the purpose of generating the reaction gas of FIG. 2 may also be configured in a modified form using a general combustor (Pionier et al., "Oxygen-fuel boost reformer process and apparatus", Korean Laid-Open Patent Publication , 2001-23652).
전술한 바와 같이, 종래 니켈계 촉매를 이용한 부분 산화반응에 의한 합성가스 제조공정에서는 탄화수소를 상기 반응식 2에 의한 완전 산화반응을 진행시키고 이산화탄소와 물을 생성하며, 상기 반응식 3 및 4에 의해 일산화탄소와 수소를 형성하는 경로로 반응이 진행된다.As described above, in the synthesis gas production process using the partial oxidation reaction using a conventional nickel-based catalyst, the hydrocarbon is subjected to a complete oxidation reaction according to Scheme 2 to generate carbon dioxide and water, and the carbon monoxide and The reaction proceeds through a path to form hydrogen.
그러나, 본 발명에서는 상기 반응식 5와 같이 메탄 및/또는 메탄올을 저온에서 일산화탄소와 수소로 직접 부분 산화할 수 있는 귀금속 촉매를 사용하여 저온 반응이 가능하게 하였다. 이 때 상기 반응식 5를 통하여 생성된 일산화탄소와 수소는 하기 반응식 6을 통해 메탄을 생성시킨다. 즉, 일산화탄소와 수소의 농도가 높아짐에 따라서 탄화수소(메탄)의 생성속도가 증가하게 된다. 따라서 가급적 탄화수소 및/또는 알코올의 분해 반응온도를 저온에서 진행하며, 생성물인 일산화탄소를 수소와 이산화탄소로 전환하여 탄화수소의 재생성을 억제할 수 있도록 하였다. 이 때 사용된 일산화탄소의 개질은 상용화된 니켈계 촉매 또는 철-크롬계 촉매를 이용하여 신속하게 진행할 수 있다. 이러한 일산화탄소의 개질 촉매는 당업계에 이미 잘 알려져 있다(J.M. Thomas and W.J. Thomas, "Principles and practice of Heterogeneous Catalysis", VCH, 545-546(1997)).However, in the present invention, as shown in Scheme 5, low-temperature reaction was possible using a noble metal catalyst capable of directly oxidizing methane and / or methanol to carbon monoxide and hydrogen at low temperature. At this time, the carbon monoxide and hydrogen generated through the reaction scheme 5 generates methane through the following reaction scheme 6. In other words, as the concentration of carbon monoxide and hydrogen increases, the rate of hydrocarbon (methane) production increases. Therefore, the decomposition reaction temperature of hydrocarbons and / or alcohols is preferably carried out at low temperatures, and the carbon monoxide, which is a product, is converted into hydrogen and carbon dioxide to suppress the regeneration of hydrocarbons. At this time, the reforming of the carbon monoxide used can be rapidly performed using a commercially available nickel-based catalyst or an iron-chromium-based catalyst. Such carbon monoxide reforming catalysts are already well known in the art (J. M. Thomas and W. J. Thomas, "Principles and practice of Heterogeneous Catalysis", VCH, 545-546 (1997)).
따라서 직접 분해 촉매와 일산화탄소의 개질 촉매를 층 분리하지 않고 균일 혼합하게 되면 귀금속의 촉매의 표면에서 분해되어 생성된 일산화탄소는 이웃한 수성반응촉매 표면에서 이산화탄소와 수소로 신속하게 전환할 수 있다는 매우 간단한 아이디어를 활용하여 탄화수소(예를 들어, 메탄)의 평형전환율을 향상할 수 있도록 하였다(도 4 참고).Therefore, if the direct decomposition catalyst and carbon monoxide reforming catalyst are uniformly mixed without separating the layers, the carbon monoxide decomposed on the surface of the catalyst of the noble metal can be quickly converted into carbon dioxide and hydrogen on the surface of the neighboring aqueous reaction catalyst. It was possible to improve the equilibrium conversion of hydrocarbons (for example methane) by using (see FIG. 4).
또한, 탄화수소 및/또는 알코올의 평형 전환율을 향상시키기 위한 또 다른 방법으로는, 생성된 수소를 반응기로부터 선택적으로 제거할 때 일산화탄소의 탄화수소화 반응 진행은 더욱 억제될 수 있고 일산화탄소의 전환에 의한 수소 생산공정이 더욱 신속하게 진행될 수 있음을 이용하는 방법이 있다. 따라서 상기 혼합촉매를 분리막 반응기에 장착하여 생성된 수소를 분리할 때 더욱 높은 탄화수소 및/또는 알코올의 전환율을 달성할 수 있다.In addition, as another method for improving the equilibrium conversion of hydrocarbons and / or alcohols, the progress of the hydrocarbonation reaction of carbon monoxide can be further suppressed when selectively removing the produced hydrogen from the reactor and the hydrogen production by conversion of carbon monoxide. There is a way to use that the process can proceed more quickly. Therefore, when the mixed catalyst is mounted in a membrane reactor, a higher conversion rate of hydrocarbon and / or alcohol may be achieved.
앞서 언급한 바와 같이, 본 발명에 따른 합성가스의 제조공정은As mentioned above, the manufacturing process of the syngas according to the present invention
탄화수소 및/또는 알코올, 물, 및 산소로 이루어진 반응물을 열교환기에 공급하여 일정온도로 가열하는 단계;Supplying a reactant consisting of hydrocarbon and / or alcohol, water, and oxygen to a heat exchanger to heat to a constant temperature;
가열된 상기 반응물을 촉매반응기에 공급하여 직접부분 산화반응 및 연속적으로 개질반응을 실시하는 단계; 및Supplying the heated reactant to a catalytic reactor to perform direct partial oxidation and continuous reforming reaction; And
상기 직접부분 산화반응 및 개질반응에 의해 생성된 합성가스는 상기 열교환기를 통해 냉각된 후 후단공정으로 이송되는 단계를 포함한다.Synthetic gas produced by the direct partial oxidation and reforming reaction is cooled through the heat exchanger and then transferred to a subsequent step.
상기 촉매반응기내에는 귀금속 담지 촉매와 일산화탄소 수성반응용 촉매를 균일하게 혼합하여 10㎛ 이하로 분쇄하고 입자형 또는 단일체로 가공하거나, 금속판, 금속망 또는 금속웹에 코팅하여 이루어진 촉매가 장착되어 있다.The catalyst reactor is equipped with a catalyst formed by uniformly mixing a supported noble metal catalyst and a catalyst for carbon monoxide aqueous reaction, pulverizing to 10 μm or less, processing into a granular or monolithic material, or coating a metal plate, a metal net or a metal web.
이 때, 상기 귀금속 담지 촉매는 Rh, Ru, Pd 및 Pt으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 이상 선택된 귀금속이 Al, Si, Zr, Ti 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 이상 선택된 다공성 지지체에 담지된 탄화수소 분해용 촉매이다. 또한, 상기 귀금속의 함량은 지지체의 중량기준으로 0.01∼5.0중량%이다.At this time, the noble metal supported catalyst is at least one noble metal selected from the group consisting of Rh, Ru, Pd and Pt decomposed hydrocarbon supported on at least one porous support selected from the group consisting of Al, Si, Zr, Ti and oxides thereof. Is a catalyst. In addition, the content of the noble metal is 0.01 to 5.0% by weight based on the weight of the support.
상기 일산화탄소 수성반응용 촉매는 Cu, Ni, Fe, Cr, Al 및 주기율표 1A와 2A족의 금속으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 이상 선택된다.The carbon monoxide aqueous reaction catalyst is at least one selected from the group consisting of Cu, Ni, Fe, Cr, Al, and metals of Groups 1A and 2A of the periodic table.
또한 본 발명에 있어서 사용가능한 탄화수소는 탄소수 1∼32의 지방족 탄화수소, 방향족 탄화수소, 및 올레핀으로 이루어진 군으로부터 선택되며, 바람직하게는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄을 주성분으로 하는 천연가스(LNG), 탄소수 2∼7의 액화석유가스(LPG), 휘발유, 백등유, 경유의 액상 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택되며, 액상 탄화수소는 기화하여 사용된다.In addition, the hydrocarbon usable in the present invention is selected from the group consisting of aliphatic hydrocarbons having 1 to 32 carbon atoms, aromatic hydrocarbons, and olefins, preferably natural gas (LNG), carbon number containing mainly methane, ethane, propane, butane It is selected from the group consisting of 2-7 liquefied petroleum gas (LPG), gasoline, white kerosene, light hydrocarbons, the liquid hydrocarbon is used by vaporization.
본 발명에 있어서 사용가능한 알코올은 바람직하게 메탄올 및/또는 에탄올이다.Alcohols usable in the present invention are preferably methanol and / or ethanol.
또한 본 발명에 따른 촉매반응기내의 촉매층 온도는 250∼800℃이고, 반응물의 가스공간속도(GHSV)는 5,000∼200,000hr-1이다.In addition, the catalyst bed temperature in the catalytic reactor according to the present invention is 250 ~ 800 ℃, the gas space velocity (GHSV) of the reactants is 5,000 ~ 200,000hr -1 .
상기 탄화수소, 물, 산소로 이루어지는 반응물의 함량은, 탄화수소 중 구성 탄소의 몰비에 대해 0.3∼1.0배의 산소, 탄화수소 중 구성 탄소의 몰비에 대해 0.5∼3.0배의 물로 이루어진다.The content of the reactant consisting of hydrocarbon, water and oxygen is 0.3 to 1.0 times the oxygen to mole ratio of the constituent carbon in the hydrocarbon and 0.5 to 3.0 times the water to the molar ratio of the constituent carbon in the hydrocarbon.
상기 촉매반응기는 수소 및/또는 일산화탄소가 통과가능한 분리막이 설치되어 탄화수소의 평형전환율이 증가함과 동시에 합성가스중의 수소농도가 증가되며, 상기 분리막은 다공성 지지체에 Rh, Ru, Pd 및 Pt으로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 이상 선택된 귀금속, Ni, Cu 및 Ag로 이루어진 군으로부터 선택된 금속이 적어도 하나 이상 화학증착 또는 스퍼터링(sputtering)하여 제조된다. 상기 분리막의 다공성 지지체는, Al, Si, 주기율표 1A 및 2A, 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 이상 선택된 세라믹 다공성 지지체, 또는 Fe, Co, Ni, Mn, Cr, W, Mo, Sn 및 이의 산화물로 이루어진 군으로부터 적어도 하나 이상 선택되는 다공성 금속이 사용될 수 있다. 다만, 용접에 의한 조인트가 가능하여 구조물의 형성에 편리한 금속을 사용할 때 시스템 구성에서 더욱 유리 할 수 있다. 이 때, 상기 반응물의 가열온도는 105∼700℃이고, 합성가스의 냉각온도는 105∼300℃이다.In the catalytic reactor, a hydrogen and / or carbon monoxide passivation membrane is installed to increase the equilibrium conversion rate of the hydrocarbon and at the same time increase the concentration of hydrogen in the synthesis gas. The separation membrane is formed of Rh, Ru, Pd and Pt on the porous support. At least one metal selected from the group consisting of at least one precious metal selected from the group, Ni, Cu and Ag, is prepared by chemical vapor deposition or sputtering. The porous support of the separator is Al, Si, at least one ceramic porous support selected from the group consisting of periodic table 1A and 2A, and oxides thereof, or Fe, Co, Ni, Mn, Cr, W, Mo, Sn and oxides thereof At least one porous metal selected from the group consisting of may be used. However, it is possible to joint by welding, which may be more advantageous in system configuration when using a metal that is convenient for forming a structure. At this time, the heating temperature of the reactants is 105 ~ 700 ℃, the cooling temperature of the synthesis gas is 105 ~ 300 ℃.
본 발명을 도면을 참조하여 좀 더 구체적으로 살펴보면, 도 5는 본 발명에 따른 고효율 합성가스 제조공정의 일예이며, 도 6은 본 발명에 따른 다른 고효율 합성가스 제조공정의 일예이다.Looking at the present invention in more detail with reference to the drawings, Figure 5 is an example of a high-efficiency syngas production process according to the present invention, Figure 6 is an example of another high-efficiency syngas production process according to the present invention.
상기한 바와 같이, 산화촉매에서 내구성에 영향을 미치는 가장 큰 요인은 열화현상을 들 수 있는데, 종래의 부분 산화반응을 이용한 도 2 및 도 3의 공정에서는 촉매층에서 산화반응이 진행되는 반응기의 입구 부분은 탄화수소의 산화반응(상기 반응식 2)에 의하여 반응기 중간영역에 비해서 약 80∼100℃ 높은 온도를 나타내며 반응기 중간 이후부터 후단까지 설정치에 이르는 온도분포를 나타낸다(M.E.S. Hegarty 등, "Syngas production from natural gas using ZrO2-supported metals", Catal. Today, 42, 225-232(1998)). 따라서 입구의 온도는 900∼1000℃로 매우 높게 되어 산화촉매의 열적 안정성의 확보에 유의할 필요가 있다. 따라서 본 발명에서는 평형반응 증진 방법을 이용하여 개질 반응기의 온도를 종래 공정에 비하여 250℃ 이상 낮추어 촉매의 내구성 및 시스템의 내구성, 시스템 구성시 재질 선정의 편의성, 운전의 시작 및 종료시에 소요시간을 단축할 수 있도록 하였다.As described above, the biggest factor affecting the durability in the oxidation catalyst may be degradation. In the process of FIGS. 2 and 3 using the conventional partial oxidation reaction, the inlet portion of the reactor in which the oxidation reaction proceeds in the catalyst bed is performed. Represents a temperature range of about 80 to 100 ° C. higher than the middle region of the reactor by oxidation of hydrocarbons (Scheme 2) and a temperature distribution ranging from the middle to the rear end of the reactor (MES Hegarty et al., "Syngas production from natural gas"). using ZrO 2 -supported metals ", Catal. Today , 42 , 225-232 (1998). Therefore, the temperature of the inlet is very high (900 ~ 1000 ℃), it is necessary to pay attention to ensure the thermal stability of the oxidation catalyst. Therefore, in the present invention, the temperature of the reforming reactor is lowered by more than 250 ° C. using the method of improving the equilibrium reaction, thereby reducing the durability of the catalyst and the durability of the system, the convenience of selecting materials in the system configuration, and the time required at the start and end of operation. I could do it.
즉 도 5에서, 탄화수소 및/또는 알코올, 물 및 산소를 폐열 회수용 열교환기(101)에서 일정온도까지 가열한 다음 라인(11)을 통하여 촉매반응기(400)로 공급한다. 공급된 반응물은 촉매(210)의 표면에서 상기 반응식 5에 따르는 직접 부분 산화반응이 진행되어 일산화탄소 및 수소가 형성된다. 이 때 일산화탄소는 하기 반응식 7(도 4 참고)에 따르는 개질 반응이 연속적으로 진행되어 이산화탄소와 수소로 전환된다. 따라서 탄화수소의 전환율이 증가되므로 도 1 내지 3에 따른 공정에 비해서 반응온도를 현저하게 낮출 수 있다. 생성된 합성가스는 라인(15)을 통하여 열교환기(101)에서 반응물을 예열하면서 온도가 낮아진 다음 라인(16)을 통하여 후단 공정으로 이동된다.That is, in Figure 5, hydrocarbon and / or alcohol, water and oxygen is heated to a constant temperature in the heat exchanger 101 for waste heat recovery and then supplied to the catalytic reactor 400 through the line (11). The reactant supplied is subjected to a direct partial oxidation reaction according to Scheme 5 at the surface of the catalyst 210 to form carbon monoxide and hydrogen. At this time, the carbon monoxide is converted into carbon dioxide and hydrogen by continuously undergoing a reforming reaction according to Scheme 7 (see FIG. 4). Therefore, the conversion of the hydrocarbon is increased, so that the reaction temperature can be significantly lowered compared to the process according to FIGS. 1 to 3. The resulting syngas is lowered while preheating the reactants in the heat exchanger 101 via line 15 and then transferred to the subsequent process via line 16.
운전 초기에는 열교환기(101)의 온도가 매우 낮기 때문에 별도의 예열장치(도면내 미표기)에서 보다 많은 열량의 공급이 필요하며 반응기(400)의 온도가 정상상태에 이르면 열교환기(101)의 온도도 높아지기 때문에 예열기의 파워 공급량을 점차 줄이고 최종 정상상태에서는 예열기의 작동 없이 운전된다.Since the temperature of the heat exchanger 101 is very low at the beginning of operation, supply of more heat is required from a separate preheater (not shown in the drawing). When the temperature of the reactor 400 reaches a steady state, the temperature of the heat exchanger 101 is reached. Increasingly, the preheater power supply is gradually reduced and the final steady state is operated without the preheater running.
상기 촉매반응기(400)내에 촉매(201)는 직접 부분 산화력을 보유한 고표면적 지지체에 담지한 귀금속계 촉매와 탄화수소의 개질반응의 경우 고온 수성반응에 활성이 뛰어난 일산화탄소 수성반응용 촉매인 니켈계 또는 철-크롬계 촉매를 10㎛ 이하로 혼합 분쇄한 다음 입자형태 또는 단일체 형태로 가공하거나 금속판, 금속망 또는 금속웹에 코팅하여 열전달을 증진하는 형태로 사용할 수 있으며, 일반 탄화수소에 비해서 보다 저온에서 분해가 가능한 메탄올을 사용할 경우 저온 수성반응에 활성이 뛰어난 구리계 촉매를 동일한 형태로 가공하거나 코팅하여 사용할 수 있다. 합성가스 생산량 2000Nm3/일 이하의 소형에서는 입자형태로 사용가능하지만, 2000Nm3/일 이상의 생산규모에서는 금속판, 금속망 또는 금속웹에 코팅하여 장착하는 반응기 형태가 균일한 온도유지에 적절하다.In the catalytic reactor 400, the catalyst 201 is nickel or iron, which is a catalyst for carbon monoxide aqueous reaction which is excellent in high temperature aqueous reaction in the case of reforming reaction between a noble metal catalyst and a hydrocarbon supported on a high surface area support having direct partial oxidation power. -The chromium-based catalyst may be mixed and pulverized to 10 μm or less and then processed into a particle or monolithic form, or coated on a metal plate, a metal net or a metal web to promote heat transfer, and may be decomposed at a lower temperature than a general hydrocarbon. If possible methanol can be used by processing or coating the same copper-based catalysts excellent in low-temperature aqueous reaction. Synthetic gas output can be used in the form of particles in small size of 2000Nm 3 / day or less, but in the production scale of 2000Nm 3 / day or more, the type of reactor coated and mounted on a metal plate, a metal net or a metal web is suitable for maintaining a uniform temperature.
이러한 공정 구성을 따를 때 생성물중 일산화탄소의 농도를 신속하게 제거함에 따라서 평형 전환율을 높일 수 있기 때문에 반응기의 운전온도를 더욱 낮출 수 있다.By following this process configuration, as the concentration of carbon monoxide in the product is rapidly removed, the equilibrium conversion can be increased, thereby lowering the operating temperature of the reactor.
한편, 도 6에서와 같이, 도 5와 같은 공정의 효율을 더욱 높일 수 있는 방법으로 도 5의 촉매반응기(400)를 도 6의 촉매반응기(500)로 교체할 때 더욱 높은 평형 전환율을 얻을 수 있다. 반응기 내에서 생성되는 수소 및/또는 일산화탄소가 통과할 수 있는 분리막을 사용하여 이들을 반응물로부터 분리한다. 따라서 탄화수소 및/또는 알코올의 평형 전환율이 증진되며 기존 반응시스템에 비해서 효율성 제고를 기할 수 있다. 또한 부분 산화반응을 이용하여 합성가스를 생산할 때 가장 큰 단점으로 산화반응용 산소를 공급하기 위하여 공기를 공급하게 되는데 이 때 질소 또한 혼합됨에 따라서 생산된 합성가스를 희석시키는 효과를 나타낸다. 따라서 본 발명에 따른 공정 구성으로 실시할 때, 반응물 중에 포함된 질소 및 물의 농도를 최소화함에 따라 분리막을 통과한 가스 중 수소의 농도를 매우 높게 유지할 수 있다. 물론 사용하는 분리막의 형태에 따라서 주성분인 수소 이외에 일산화탄소, 탄화수소 및/또는 알코올, 물, 질소의 농도가 결정되지만, 수소에 대한 투과선택도(permeation selectivity) 150(H2/N2) 수준이 확보되어도 90%이상의 수소와 미반응 탄화수소 및/또는 알코올, 일산화탄소, 물, 이산화탄소 각각 1% 내외 및 5% 질소 포함된 합성가스를 얻을 수 있다. 따라서, 이러한 공정을 이용하여 제조된 합성가스는 수소의 농도가 매우 높기 때문에 고농도의 수소를 필요로 하는 공정에 이용할 때 더욱 경쟁력을 갖는다.On the other hand, as shown in FIG. 6, when the catalytic reactor 400 of FIG. 5 is replaced with the catalytic reactor 500 of FIG. 6 in a way to further increase the efficiency of the process as shown in FIG. have. Separation membranes through which hydrogen and / or carbon monoxide produced in the reactor can pass are used to separate them from the reactants. As a result, the equilibrium conversion of hydrocarbons and / or alcohols can be improved and efficiency can be improved over existing reaction systems. In addition, the biggest drawback when producing the synthesis gas using the partial oxidation reaction is to supply air to supply the oxygen for the oxidation reaction, when nitrogen also shows the effect of diluting the synthesis gas produced. Therefore, when the process configuration according to the present invention, by minimizing the concentration of nitrogen and water contained in the reactants it is possible to maintain a very high concentration of hydrogen in the gas passing through the separator. Of course, the concentration of carbon monoxide, hydrocarbons and / or alcohols, water, and nitrogen in addition to hydrogen, which are the main components, is determined depending on the type of separator used, but the permeation selectivity for hydrogen (H 2 / N 2 ) is secured. Even more than 90% hydrogen and unreacted hydrocarbons and / or alcohol, carbon monoxide, water, carbon dioxide can be obtained a synthesis gas containing about 1% and 5% nitrogen, respectively. Therefore, the synthesis gas produced using such a process is more competitive when used in a process requiring a high concentration of hydrogen because the concentration of hydrogen is very high.
본 발명에서는 합성가스를 보다 낮은 온도에서 반응기의 효율성 제고를 목적으로 한다. 따라서 본 발명에서 사용하는 분리막은 종래의 수소에 대한 고선택도를 갖는 박막(foil)형 또는 지지체 표면침적(electroless plating, 이하 EP로 표기함)으로 제조하는 방법보다는 전술한 다공성 지지체의 내부에 전술한 귀금속, Ni, Ag, Cu군에서 한가지 이상을 화학증착(CVD) 또는 스퍼터링(sputtering)하여 제조된 분리막을 사용하는 것이 바람직하다(M. Kajiwara 등, "Rhodium-and iridium-dispersed porous alumina membranes and their hydrogen perameation properties", Catal. Today, 56, 83-87(2000), E. Kikuchi 등, "Steam reforming of methane in membrane reactors: comparision of electroless-plating and CVD membrane and catalyst packing modes", Catal. Today, 56, 75-81(2000)). 이와 같이 제조된 수소 분리막은 사용하면 수소에 대한 선택도(permeation selectivity)는 200∼300(H2/N2)으로서 다소 낮지만 본 발명에서와 같이 탄화수소 및/또는 알코올의 전환율 극대화를 목적으로 하는 시스템에 사용은 최상의 결과를 얻을 수 있다(Y.S. Cheng 등, "Performance of alumina, zeolite, palladium, Pd-Ag alloy membrane for hydrogen separation from Towngas mixture", J. Membr. Sci., 204, 329-340(2002)). 이와 함께 기존에 박막형 또는 EP법으로 제조된 분리막의 경우 귀금속의 사용량이 많기 때문에 고가이기 때문에 초고순도의 수소를 얻기 위한 특수 용도의 고부가가치 장치 이외에는 사용이 불가능하였다. 그러나 본 발명에서와 같이 반응온도를 낮추면서 90%이상의 수소에 기타 물질이 포함되어도 상용성을 갖는 시스템에서는 수소에 대한 선택도 무한대를 갖는 고가의 분리막의 활용은 오히려 경쟁력이 없다.In the present invention, the synthesis gas is aimed at improving the efficiency of the reactor at a lower temperature. Therefore, the separator used in the present invention is described above in the porous support described above rather than a method of manufacturing a conventional foil-type or electroless plating (hereinafter referred to as EP) having high selectivity for hydrogen. It is preferable to use a separator prepared by chemical vapor deposition (CVD) or sputtering of at least one precious metal, Ni, Ag, and Cu group (M. Kajiwara et al., “Rhodium-and iridium-dispersed porous alumina membranes and their hydrogen perameation properties ", Catal. Today , 56 , 83-87 (2000), E. Kikuchi et al.," Steam reforming of methane in membrane reactors: comparision of electroless-plating and CVD membrane and catalyst packing modes ", Catal. Today , 56 , 75-81 (2000). The hydrogen separation membrane thus prepared has a slightly low permeation selectivity of 200 to 300 (H 2 / N 2 ), but is intended to maximize the conversion of hydrocarbons and / or alcohols as in the present invention. Use in the system yields the best results (YS Cheng et al., "Performance of alumina, zeolite, palladium, Pd-Ag alloy membrane for hydrogen separation from Towngas mixture", J. Membr. Sci. , 204 , 329-340 ( 2002)). In addition, conventional membranes manufactured by the thin film type or EP method are expensive because they use a lot of precious metals, and thus they cannot be used except for high value-added devices for special purposes to obtain ultra-high purity hydrogen. However, the use of expensive separators having infinite selectivity for hydrogen is not competitive in a system having compatibility, even though other materials are included in 90% or more of hydrogen while lowering the reaction temperature as in the present invention.
본 발명의 고효율 합성가스 제조공정의 상기 기술적 구성과 구체적인 작용효과에 대한 자세한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 아래의 설명에 의하여 명확하게 이해될 것이다.Details of the technical configuration and specific effects of the high-efficiency syngas production process of the present invention will be clearly understood by the following description of the preferred embodiment of the present invention.
실시예 1Example 1
Rh/Al2O3와 니켈계 혼합촉매 제조:Preparation of Rh / Al 2 O 3 and Nickel-based Mixed Catalysts:
촉매는 Rh/Al2O3를 제조한 다음 상용촉매인 니켈계 촉매 (ICI사 57-7, Ni 18중량%, SiO2 0.1중량%이하, SO3 0.05중량%이하, 지지체 Ca, Al산화물 혼합체) 촉매와 물리 혼합하여 제조하였다. 먼저 Rh/Al2O3의 제조법을 설명하면 다음과 같다.The catalyst was prepared by Rh / Al 2 O 3 and then used as a commercial catalyst, a nickel-based catalyst (57I of ICI, 18% by weight of Ni, 0.1% by weight of SiO 2 , 0.05% by weight of SO 3 , support Ca, Al oxide mixture ) Was physically mixed with the catalyst. First, the manufacturing method of Rh / Al 2 O 3 will be described.
로듐의 함량이 지지체인 활성화알루미나의 0.1중량%가 되도록 금속전구체 (고지마사 제품)를 증류수에 용해하여 제조하였다. 제조된 용액은 3회에 걸처서 활성화알루미나(알드리치 19996-6, 이하 Al2O3)에 초기젖음법(incipient wetness method)으로 담지하였다. 담지는 균일성을 얻기 위하여 지지체인 알루미나 기공부피에 해당되는 용액을 투입하고 혼합하여, 흡수되지 않고 남는 용액이 존재하지 않도록 하였다. 용액을 혼합한 후 교반한 알루미나는 60℃ 건조기에서 30분 건조한 다음 상기와 같이 동일한 방법으로 전구물질의 함침을 반복하였다. 3회 반복한 후 24시간 건조하고 400℃ 소성로에서 3시간 소성하여 완성하였다.A metal precursor (manufactured by Kojima Co., Ltd.) was dissolved in distilled water so that the content of rhodium was 0.1% by weight of activated alumina as a support. The prepared solution was supported on activated alumina (Aldrich 19996-6, hereinafter Al 2 O 3 ) by incipient wetness method three times. In order to obtain uniformity, a solution corresponding to the alumina pore volume as a support was added and mixed, so that a solution remaining without being absorbed was not present. After mixing the solution, the stirred alumina was dried in a 60 ° C. dryer for 30 minutes, and the impregnation of the precursor was repeated in the same manner as described above. After repeating three times, dried for 24 hours and completed by firing for 3 hours in a 400 ℃ kiln.
제조된 Rh/Al2O3 촉매를 ICI 사 57-7와 동일 함량을 혼합한 후 12시간 몰밀링한 슬러리를 80∼105℃ 건조기에서 건조하고, 400℃에서 4시간 소성한 후 100∼140메쉬(mesh)로 분쇄하여 제조완성하였다.After mixing the prepared Rh / Al 2 O 3 catalyst with the same content as ICI 57-7, the slurry was molten for 12 hours, dried in an 80-105 ° C. dryer, calcined at 400 ° C. for 4 hours, and then 100-140 mesh. It was prepared by milling into a mesh.
실시예 2Example 2
Rh/SA와 니켈계 혼합촉매 제조:Preparation of Rh / SA and Nickel-based Mixed Catalysts:
로듐의 지지체로 실리카알루미나(알드리치, 22,883-4)를 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 촉매를 제조하였다.A catalyst was prepared in the same manner as in Example 1, except that silica alumina (Aldrich, 22,883-4) was used as the support for rhodium.
또한, Rh/SA촉매를 사용하여 혼합촉매도 상기 실시예 1과 동일하게 제조하였다.In addition, a mixed catalyst was prepared in the same manner as in Example 1 using the Rh / SA catalyst.
실시예 1 및 2에서 제조된 촉매와 수성반응용 상용촉매인 ICI 57-7에 대하여 탄화수소 중 CH4를 모델반응물로 하여 활성을 측정하였다.The activity of the catalysts prepared in Examples 1 and 2 and ICI 57-7, which is a commercial catalyst for aqueous reaction, was measured using CH 4 in a hydrocarbon as a model reactant.
실시예 3Example 3
상기 실시예 1에서 제조된 촉매의 메탄 분해반응 활성은 내경 4㎜의 석영 고정층 반응기를 사용하여 측정하였다. 반응가스의 조성은 메탄 10.0부피%, O2 5.0부피%, 물 10부피%이며, 균형가스로 질소를 사용하였다. 반응가스의 부피는 50ml/min으로 공급하였으며 촉매의 중량은 0.05g을 충진하였다. 촉매층내 반응가스의 공간속도(GHSV)는 60,000hr-1이었다. 메탄의 전환율이 정상상태에 도달되도록 반응물 공급 후 3시간 후에 측정하였다. 반응기 입구측의 메탄의 전환율은 하기 수학식 1을 사용하여 결정하였다. 산소의 전환율 역시 메탄과 동일한 방법으로 결정하였다.The methane decomposition activity of the catalyst prepared in Example 1 was measured using a quartz fixed bed reactor having an inner diameter of 4 mm. The composition of the reaction gas was methane 10.0% by volume, 5.0% by volume of O 2 , 10% by volume of water, and nitrogen was used as a balance gas. The volume of the reaction gas was supplied at 50 ml / min and the weight of the catalyst was filled with 0.05 g. The space velocity (GHSV) of the reaction gas in the catalyst bed was 60,000 hr −1 . The conversion of methane was measured 3 hours after the reaction feed to reach steady state. The conversion of methane at the inlet side of the reactor was determined using Equation 1 below. The conversion of oxygen was also determined in the same way as methane.
촉매층 배출가스 중 H2, CO의 농도는 1부피%의 표준가스를 이용하여 정량하였다. 이들은 TCD(thermal conductivity detector) 검출기와 FID(flame ionization detector)가 각각 장착된 휴렛펙커드사의 HP-6890 가스크로마토그래피를 사용하여 분석하였다. 수소, 산소, 일산화탄소는 분자체(Molecular sieve) 13x, 메탄은 HP-1 모세관 컬럼(30m, ID 250㎛)으로 분리하였으며, 가스크로마토그래피의 운반가스는 헬륨을 사용하였다. 촉매활성은 700℃ 및 500℃에서 측정하였다.The concentrations of H 2 and CO in the catalyst bed exhaust gas were quantified using 1% by volume of standard gas. They were analyzed using Hewlett-Packard's HP-6890 gas chromatography equipped with a thermal conductivity detector (TCD) detector and a flame ionization detector (FID). Hydrogen, oxygen, and carbon monoxide were separated into a molecular sieve 13x, and methane was separated into an HP-1 capillary column (30 m, ID 250 µm), and gas chromatography used helium. Catalytic activity was measured at 700 ° C and 500 ° C.
활성측정 결과, 메탄과 산소의 전환율 및 수소와 일산화탄소의 농도는 하기 표 1에 나타낸 바와 같다. 상기 결과에 따르면, 혼합촉매의 경우 메탄의 전환율은 59.9부피%로, 니켈계 개질촉매를 혼합하지 않은 경우의 48.8%에 비하여 약 11% 증가한 것으로 나타났으며, 수소와 일산화탄소의 비 역시 3.69부피%에서 12.36부피%로 매우 높게 나타났다. 이러한 점으로 볼 때 생성된 일산화탄소는 물과의 수성 개질반응(상기 반응식 7)에 의하여 이산화탄소 및 수소로 전환된 것으로 알 수 있으며 이에 의하여 메탄의 전환율이 증가된 것을 알 수 있다.As a result of activity measurement, the conversion of methane and oxygen and the concentration of hydrogen and carbon monoxide are shown in Table 1 below. According to the results, the conversion rate of methane in the mixed catalyst was 59.9% by volume, which was about 11% increase compared to 48.8% when the nickel-based reforming catalyst was not mixed, and the ratio of hydrogen and carbon monoxide was also 3.69% by volume. Was very high at 12.36% by volume. From this point of view, the produced carbon monoxide can be seen to have been converted to carbon dioxide and hydrogen by an aqueous reforming reaction with water (Scheme 7), thereby increasing the conversion of methane.
실시예 4Example 4
반응온도 500℃에서 물 공급의 유무를 변경한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 실시하였고, 실험결과는 하기 표 1과 같다. 표 1에 정리한 바와 같이 물을 공급하지 않을 때 메탄의 전환율은 53.7%로 나타났으며 수분이 공급될 때 전환율이 61.5%로 증가되었다. 즉, 수분이 공급됨에 따라서 CO의 전환반응에 의하여 메탄의 전환율이 건조조건 대비 약 14.5%([61.5-53.7]/53.7×100)의 전환율이 증가되는 효과를 얻을 수 있었으며 수소의 농도도 크게 증가되어 수소/일산화탄소의 비가 10.02로 증가되었다.Except for changing the presence or absence of water supply at the reaction temperature 500 ℃ was carried out in the same manner as in Example 3, the experimental results are shown in Table 1. As summarized in Table 1, when no water was supplied, the conversion rate of methane was 53.7%, and when water was supplied, the conversion rate was increased to 61.5%. That is, as moisture was supplied, the conversion rate of methane was increased by about 14.5% ([61.5-53.7] /53.7×100) compared to the drying condition by the conversion of CO, and the concentration of hydrogen was also greatly increased. The hydrogen / carbon monoxide ratio was then increased to 10.02.
참고예 1Reference Example 1
상기 실시예 3과 동일한 조건에서 메탄의 분해반응을 실시하였다. 촉매의 충전량을 2배로 증가시켜 SV를 30,000hr-1로 유지하였다. 실험결과 하기 표 1에 정리한 바와 같이 500℃에서 메탄의 전환율이 80%까지 증가되는 놀라운 효과를 볼 수 있었다. 이러한 점은 비교예 2와 비교할 때 동일한 귀금속 촉매의 투입량임에도 불구하고 48.8부피%에서 81.0%로 귀금속 단독대비 60%의 전환율 증가를 얻을 수 있었다. 이러한 점으로 볼 때 일산화탄소의 제거 즉, 생성물의 제거가 메탄의 전환율에 절대적임을 의미하는 것으로 도 5와 같이 생성가스를 반응기에서 제거할 때 더욱 높은 전환율의 확보가 기대된다.The decomposition reaction of methane was carried out under the same conditions as in Example 3. The charge amount of the catalyst was doubled to keep the SV at 30,000 hr −1 . Experimental results As summarized in Table 1 below, the conversion rate of methane at 500 ° C. was found to be an amazing effect. This point, despite the same noble metal catalyst input compared with Comparative Example 2 was able to obtain a conversion rate of 60% compared to noble metal alone from 48.8% by volume to 81.0%. From this point of view, the removal of carbon monoxide, that is, the removal of the product, means absolute conversion of methane. As shown in FIG. 5, a higher conversion rate is expected to be obtained when the product gas is removed from the reactor.
비교예 1Comparative Example 1
귀금속 촉매를 사용하지 않고 ICI사의 57-4 니켈계 촉매만을 사용한 것을 제외하고는 상기 실시예 4와 동일하게 실시하였다. 실험결과 500℃에서 수소, 일산화탄소를 얻을 수 없었으며 메탄과 산소의 소비도 전혀 나타나지 않았다. 그러나 반응온도 700℃에서는 메탄의 전환율이 99.1부피%로 나타났다. 따라서 본 발명에 따른 귀금속과 일산화탄소의 전환이 용이한 전이금속을 혼합하여 사용할 때 반응온도를 낮출 수 있는 효과적인 방법임을 알 수 있다.The same process as in Example 4 was carried out except that only a 57-4 nickel-based catalyst of ICI Corporation was used without using a noble metal catalyst. As a result, hydrogen and carbon monoxide could not be obtained at 500 ℃ and no consumption of methane and oxygen was observed. However, the conversion of methane was 99.1% by volume at 700 ℃. Therefore, it can be seen that it is an effective method for lowering the reaction temperature when using a mixture of a noble metal and a carbon monoxide transition metal easy to convert according to the present invention.
비교예 2Comparative Example 2
니켈계 ICI 57-7 촉매를 혼합하지 않고 Rh/Al2O3 촉매 단독의 메탄분해 활성을 측정한 것을 제외하고는 상기 실시예 3과 동일하게 실시하였다.The same procedure as in Example 3 was carried out except that the methane decomposition activity of the Rh / Al 2 O 3 catalyst alone was measured without mixing the nickel-based ICI 57-7 catalyst.
실험결과 하기 표 1에 나타내었으며, 하기 표 1과 같이, 메탄의 전환율은 48.8부피%로 나타났다. 이는 Rh/Al2O3 촉매의 사용량이 2배로 증가된 상태에서도 오히려 적은 전환율을 나타내었다. 이러한 점으로 볼 때 니켈계 촉매의 역할이 중요함을 알 수 있다. 이는 H2/CO의 비를 보면 더욱 자명하다. 실시예 3의 경우 H2/CO의 비가 12.36이나 귀금속의 단독으로 실시된 실험에서는 H2/CO의 비가 3.69로 25%의 수준으로 낮게 나타났다.Experimental results are shown in Table 1, as shown in Table 1, the conversion of methane was found to be 48.8% by volume. This showed a relatively low conversion rate even when the amount of the Rh / Al 2 O 3 catalyst was doubled. In this regard, it can be seen that the role of the nickel-based catalyst is important. This is even more apparent in terms of the ratio of H 2 / CO. In the case of Example 3, the ratio of H 2 / CO was 12.36, but in the experiment conducted with noble metal alone, the ratio of H 2 / CO was 3.69, which was low as 25%.
비교예 3Comparative Example 3
물을 포함하지 않고, 탄화수소의 직접 분해를 진행한 것을 제외하는 상기 비교예 2와 동일하게 실시하였고, 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.It was carried out in the same manner as in Comparative Example 2, except that the direct decomposition of the hydrocarbon was not included, the results are shown in Table 1 below.
하기 표 1에 따르면, 메탄의 전환율은 48.8%로 비교예 2의 반응과 유사한 결과를 나타냈다. 반면 일산화탄소와 수소의 비가 2.10으로 상기 반응식 5에 따른 직접 분해반응이 진행되었음을 알 수 있다. 또 다른 점은 Rh/Al2O3 촉매에서는 CO의 전환반응의 역할은 없으며 물에 의하여 오히려 분해반응이 억제되는 현상을 볼 수 있다. 따라서 CO를 효과적으로 제거하기 위해서 일산화탄소의 수성 반응성이 우수한 니켈계 또는 철-크롬계 촉매의 혼합이 필요한 것을 알 수 있다.According to Table 1 below, the conversion of methane was 48.8%, showing similar results to the reaction of Comparative Example 2. On the other hand, it can be seen that the direct decomposition reaction according to Scheme 5 was performed at a ratio of carbon monoxide and hydrogen of 2.10. Another point is that the Rh / Al 2 O 3 catalyst does not play a role in the conversion of CO and can be seen that the decomposition reaction is suppressed by water. Therefore, in order to effectively remove CO, it can be seen that a mixture of a nickel-based or iron-chromium-based catalyst having excellent aqueous reactivity of carbon monoxide is required.
* 반응조건 : CH4 10%, O2 5%, 균형가스는 질소와 수분을 사용함.* Reaction condition: CH 4 10%, O 2 5%, balanced gas uses nitrogen and water.
탄화수소를 이용하여 합성가스의 제조온도를 500℃전후의 저온까지 낮춤에 따라 촉매의 수명, 공정의 구성 및 운전에 있어서 기존 합성가스 공정에 비해서 경쟁력을 제고할 수 있다. 특히, 시스템의 특성상 개질가스 중에는 수소의 함량이 매우 높기 때문에 암모니아 합성공정, 연료전지용 수소 생산공정에 활용할 때 경제성이 기대된다.By lowering the temperature of the synthesis gas to a low temperature around 500 ° C using hydrocarbons, it is possible to enhance the competitiveness of the synthesis gas process compared to the existing synthesis gas process in terms of catalyst life, process configuration and operation. In particular, due to the characteristics of the system, the reformed gas has a very high hydrogen content, and thus economical efficiency is expected when used in ammonia synthesis and fuel cell hydrogen production.
상기 실시예 및 비교예를 통해 알 수 있는 바와 같이, 탄화수소, 물, 및 산소를 이용하여 합성가스의 제조온도를 500℃ 전후의 저온까지 낮춤에 따라 촉매의 수명, 공정의 구성 및 운전에 있어서 종래 합성가스 공정에 비해서 경쟁력을 제고할 수 있으며, 개질가스 중에는 수소의 함량이 매우 높기 때문에 암모니아 합성공정, 연료전지용 수소 생산공정에 활용할 때 경제성이 기대된다.As can be seen from the above examples and comparative examples, as the production temperature of the synthesis gas is lowered to a low temperature around 500 ° C. using hydrocarbons, water, and oxygen, the catalyst life, process configuration and operation of the conventional Competitiveness can be improved compared to the synthesis gas process, and since the content of hydrogen is very high in the reformed gas, it is expected to be economical when used in the ammonia synthesis process and the hydrogen production process for fuel cells.
도 1은 종래의 스팀 개질방법에 의한 합성가스 제조공정의 개략구성도이다.1 is a schematic configuration diagram of a synthesis gas production process by a conventional steam reforming method.
도 2는 종래의 부분 산화반응에 의한 합성가스 제조공정의 개략구성도이다.2 is a schematic configuration diagram of a conventional synthesis gas production process by a partial oxidation reaction.
도 3은 종래의 부분 산화반응을 이용한 다른 합성가스 제조공정의 개략구성도이다.3 is a schematic configuration diagram of another syngas production process using a conventional partial oxidation reaction.
도 4는 본 발명의 촉매 표면에서 탄화수소 및/또는 알코올의 분해반응과 일산화탄소 전이반응을 통한 합성가스 생성 반응기구를 나타낸다.Figure 4 shows a syngas production reactor through the decomposition of hydrocarbons and / or alcohols and carbon monoxide transfer reaction on the catalyst surface of the present invention.
도 5는 본 발명에 따른 고효율 합성가스 제조공정의 일구체예이다. 5 is one embodiment of a high-efficiency syngas production process according to the present invention.
도 6은 본 발명에 따른 다른 고효율 합성가스 제조공정의 일구체예이다.6 is one embodiment of another high-efficiency syngas production process according to the present invention.
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