KR101138853B1 - 가스 혼합가열기와 이를 이용한 촉매성능평가장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가스 혼합가열기 및 이를 이용한 촉매성능평가장치에 관한 것으로, 복수의 가스가 유입되는 가스 유입구 및 물이 유입되는 물 유입구와, 상기 가스들 및 물을 외부로 배출하기 위한 배출구를 갖는 하우징; 그리고 상기 하우징의 내부공간을 구획하여, 상기 가스들과 상기 물을 혼합하기 위한 혼합부 및 상기 혼합부에서 혼합된 상기 가스들 및 물을 가열하기 위한 가열부를 형성시키는 내부격벽을 포함하는 가스 혼합가열기를 구비한다. 본 발명에 따르면, 가스들과 물을 혼합하는 과정과, 혼합된 가스들 및 물을 가열하여 수증기를 포함하는 혼합가스를 생성하는 과정이 가스 혼합가열기에서 모두 이루어지기 때문에 촉매성능평가장치의 전체적인 구조를 단순화하고, 소형화를 이룰 수 있게 된다.

Description

가스 혼합가열기와 이를 이용한 촉매성능평가장치{Gas mixing and heating device and apparatus for performance evaluation of catalysts using the same}

본 발명은 가스 혼합가열기 및 이를 이용한 촉매성능평가장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스들과 물을 혼합하고, 혼합된 가스들 및 물을 가열하기 위한 가스 혼합가열기 및 이를 이용한 촉매성능평가장치에 관한 것이다.

촉매는 화학반응에서 반응물질 이외의 것으로, 반응 도중에 소모되지 않고 단지 반응속도만을 증가시키는 물질을 한다.

이러한 촉매는 차량 배기가스의 정화시스템, 연료전지용 수소개질, 다양한 화학적 촉매 반응 실험 등에 걸쳐 활용되어지고 있다.

여기서 수소개질이란 메탄 등과 같은 탄화수소의 분자구조를 재배열 시켜서 전기 발생에 필요한 순수한 수소를 추출해 내는 과정을 말한다.

특정한 반응에 대한 촉매의 효능은 그 종류와 제조 방법, 담지체의 적용 방법, 운전조건 등에 따라 크게 달라질 수 있으며, 촉매 성능의 차이는 화학공정의 생산성, 폐기물 발생량, 분리공정의 에너지 비용 등에 큰 영향을 미치게 된다.

따라서 특정한 반응에 대한 최적의 반응 촉매를 개발하는 것이 매우 중요하며, 촉매의 개발 및 연구에 있어서 반응물질의 성분 및 조성을 평가하기 위한 촉매성능장치가 사용되고 있다.

촉매성능장치에 관한 기술은 한국등록특허 0731149호(발명의명칭:촉매성능평가장치)에 의해 공지되어 있다.

상기 촉매성능장치는 서로 다른 가스의 공급을 위한 다수의 가스공급관과, 다수의 가스를 혼합하기 위한 혼합기와, 혼합기에서 혼합된 혼합가스와 물공급관으로부터 공급된 물을 가열하기 위한 증발기와, 증발기에서 나온 혼합가스 및 수증기가 공급되는 촉매반응기 등을 포함하여 구성된다.

그러나 상기 촉매성능장치는 혼합기와 증발기가 독립적으로 마련되기 때문에 구조가 복잡하고, 전체적인 부피가 커지는 문제가 있었다.

또한 혼합기에서는 가스들만이 혼합되기 때문에 촉매반응기로 공급되는 가스들 및 수증기가 균일하게 혼합되지 못한 상태이므로 원활한 촉매 반응을 구현하기가 어려운 문제가 있었다.

따라서 본 발명은 종래에 제기되고 있는 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 본 발명의 목적은 구조를 단순화하고, 소형화를 이룰 수 있으며, 가스들과 수증기를 균일하게 혼합할 수 있는 가스 혼합가열기 및 이를 이용한 촉매성능평가장치를 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 가스 혼합가열기는, 복수의 가스가 유입되는 가스 유입구 및 물이 유입되는 물 유입구와, 상기 가스들 및 물을 외부로 배출하기 위한 배출구를 갖는 하우징; 그리고 상기 하우징의 내부공간을 구획하여, 상기 가스들과 상기 물을 혼합하기 위한 혼합부 및 상기 혼합부에서 혼합된 상기 가스들 및 물을 가열하기 위한 가열부를 형성시키는 내부격벽을 포함하며, 상기 내부격벽에는 상기 혼합부와 상기 가열부를 연통시키기 위한 연통홀이 형성된다.

그리고 상기 내부격벽에서 상기 혼합부 내측으로 연장되며, 가스가 유입되는 가스 유입홀 및 물이 유입되는 물 유입홀을 갖는 혼합관부를 더 포함한다.

또한 상기 혼합부에는 상기 물 유입구와 상기 물 유입홀을 연결하는 안내유로를 형성하기 위한 가이드블록이 마련된다.

상기 하우징의 외측에는 상기 가열부로 유입된 상기 가스들 및 물을 가열하기 위한 히터가 설치된다.

또한 상기 가스 유입구 및 상기 물 유입구는 상기 혼합부 측에 형성되고, 상기 배출구는 상기 가열부 측에 형성된다.

상기 내부격벽은 상기 가열부측으로 갈수록 상기 연통홀보다 직경이 증가하는 벤츄리부를 더 구비하여 상기 연통홀을 통과한 상기 가스들 및 물이 상기 벤츄리부를 통해 확산되도록 한다.

본 발명에 따른 촉매성능평가장치는 상기 가스 혼합가열기; 상기 가스 혼합가열기에서 생성된 혼합가스 및 수증기와, 촉매 간 촉매반응이 이루어지는 촉매반응기; 및 상기 촉매반응기를 통과한 혼합가스를 분석하는 분석기; 를 포함한다.

본 발명에 따른 촉매성능평가방법은 가스들과 물이 혼합 및 가열되어 수증기를 포함하는 혼합가스를 생성하는 혼합 및 가열단계; 상기 혼합가스와 촉매 간의 촉매반응이 이루어지는 촉매반응단계; 및 상기 촉매반응단계에서 촉매 반응이 이루어진 혼합가스를 분석하는 분석단계; 를 포함한다.

상술한 본 발명에 따른 가스 혼합가열기와 이를 이용한 촉매성능평가장치 및 촉매성능평가방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명에 따르면, 가스들과 물을 혼합하는 과정과, 혼합된 가스들 및 물을 가열하여 수증기를 포함하는 혼합가스를 생성하는 과정이 가스 혼합가열기에서 모두 이루어지기 때문에 촉매성능평가장치의 전체적인 구조를 단순화하고, 소형화를 이룰 수 있게 된다.

둘째, 본 발명에 따르면, 혼합부에서 혼합된 가스들과 물이 가열부로 분사되면서 재차 혼합되기 때문에 균일하게 혼합된 혼합가스를 생성할 수 있는 이점이 있다.

셋째, 본 발명에 따르면, 혼합부에 마련되는 혼합관부를 더 구비하고, 혼합관부 내부에서 가스들 및 물이 혼합되기 때문에 가스들 및 물을 보다 균일하게 혼합할 수 있는 이점이 있다.

넷째, 본 발명에 따르면, 내부격벽의 연통홀을 통과한 가스들 및 물이 벤츄리부를 통해 확산되면서 분사되도록 하여 가스들 및 물, 또는 수증기를 포함하는 혼합가스의 혼합 효과를 극대화시킬수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 촉매성능평가장치의 전체적인 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 촉매성능평가장치에 적용되는 가스 혼합가열기를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 촉매성능평가장치에 적용되는 가스 혼합가열기를 도시한 평면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 촉매성능평가방법을 도시한 순서도이다.

이하 본 발명에 따른 가스 혼합가열기와 이를 이용한 촉매성능평가장치 및 촉매성능평가방법에 대한 바람직한 실시예가 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명된다.

본 발명은 여기서 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 촉매성능평가장치를 도시한 블록도이다.

도 1을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 촉매성능평가장치는 다수의 가스공급관(111,112,113)과, 물공급관(114)과, 촉매반응기(115)와, 응축기(116)와, 세퍼레이터(117)와, 버퍼탱크(118)와, 분석기(119)와, 가스 혼합가열기(200)와, 컨트롤러를 포함하여 구성된다.

가스공급관(111,112,113)들은 서로 다른 가스를 공급하기 위한 것으로, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소 등을 공급한다.

각 가스공급관(111,112,113)에는 가스의 유량을 조절하기 위한 유량조절기(111a,112a,113a)와 양방향 솔레노이드 밸브(111b,112b,113b)가 설치될 수 있다.

물공급관(114)은 물탱크(114a)에 저장된 물을 가스 혼합가열기(200)로 공급하기 위한 것으로서, 물공급관(114)에는 펌프(114b)와 양방향 솔레노이드 밸브(114c)가 설치될 수 있다.

가스 혼합가열기(200)는 다수의 가스공급관(111,112,113)을 통해 유입되는 가스들과, 물공급관(114)을 통해 유입되는 물을 혼합 및 가열하여 수증기를 포함하는 혼합가스를 생성한다.

촉매반응기(115)는 가스 혼합가열기(200)에서 생성된 혼합가스와 촉매 간의 촉매반응을 이루기 위한 것으로, 촉매가 충진된 튜브(115a)와, 튜브(115a)를 감싸는 가열기(115b)를 구비할 수 있다.

응축기(116)는 촉매반응기(115)를 통과한 혼합가스를 응축하고, 세퍼레이터(117)는 혼합가스에 존재하는 수분을 분리하여 배출하며, 버퍼탱크는(118)는 혼합가스의 유속을 정압화 시키는 기능을 수행한다.

세퍼레이터(117)와 버퍼탱크(118) 사이에는 혼합가스의 흐름을 조절하기 위한 양방향 솔레노이드 밸브(120)가 설치될 수 있다.

분석기(119)는 촉매반응기(115)를 통과한 혼합가스의 성분 및 조성비 등을 분석하여 촉매의 성능을 평가하게 된다.

이때 분석기(119)는 촉매반응기(115)를 통과한 혼합가스와 촉매반응기(115)를 거치지 않은 혼합가스를 비교하여 촉매의 성능을 평가할 수 있다.

컨트롤러는 분석기(119) 및 각 구성요소의 상태를 실시간으로 확인하며 제어하는 기능을 수행한다.

도 2는 본 발명에 따른 가스 혼합가열기를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 가스 혼합가열기를 도시한 평면도이다.

도 2 및 도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 가스 혼합가열기(200)는 외관을 형성하는 하우징(210)과, 하우징의 내부공간을 구획하는 내부격벽(220)을 포함한다.

하우징(210)은 다수의 가스가 유입되는 가스 유입구(211,212,213)와, 물이 유입되는 물 유입구(214)와, 가스들 및 물이 가열되어 생성된 혼합가스를 외부로 배출하기 위한 배출구(215)를 구비한다.

내부격벽(220)은 하우징(210)의 내부공간을 구획하여, 가스들과 물을 혼합하기 위한 혼합부(M)와, 혼합부(M)에서 혼합된 가스들 및 물을 가열하기 위한 가열부(H)를 형성시킨다.

이러한 내부격벽(220)에는 혼합부(M)와 가열부(H)를 연통시키기 위한 연통홀(221)이 형성되며, 연통홀(221)을 통해 혼합부(M)에서 혼합된 가스들 및 물은 가열부(H)로 이동할 수 있게 된다.

여기서 혼합부(M) 측에 가스 유입구(211,212,213) 및 물 유입구(214)가 형성되고, 가열부(H) 측에 배출구(215)가 형성되도록 하는 것이 바람직하다.

또한 가스 혼합가열기(200)는 혼합부(M)의 내부에 마련되는 혼합관부(230)를 더 포함할 수 있다.

혼합관부(230)는 내부격벽(220)에서 혼합부(M) 내측으로 연장되게 형성되는 것으로, 가스들이 유입되는 다수의 가스 유입홀(231)과, 물이 유입되는 물 유입홀(232)을 구비한다.

이러한 혼합관부(230)는 연통홀(221) 측의 일단은 개구되고, 타단은 막히도록 형성되는 것이 바람직하며, 혼합관부(230) 내부에서 가스들과 물의 혼합이 이루어지게 된다.

또한 혼합부(M)에는 물 유입구(214)와 물 유입홀(232)을 연결하는 안내유로(241)를 형성하기 위한 가이드블록(240)이 형성될 수 있으며, 물 유입구(214)로 유입되는 물은 안내유로(241) 및 물 유입홀(232)을 통해 혼합관부(230) 내부로 이송될 수 있다.

가열부(H)에서는 가스들 및 물의 가열이 이루어지며, 이를 위해 가열부(H) 쪽 하우징(210)의 외측에는 가스들 및 물을 가열하기 위한 히터(250)가 설치된다.

가열부(H)로 유입되는 가스들 및 물은 내부격벽(220)의 연통홀(221)을 통과한 후 압력강하에 의해 가열부(H)에서 보다 균일하게 혼합되며, 히터(240)에 의해 가열되어 수증기를 포함하는 혼합가스로 변하게 된다.

본 발명에 따른 가스 혼합가열기(200)는 실시형태에 따라서 하나의 가스 유입구(211)를 구비하여 상기 하나의 가스 유입구(211)로 다수의 가스가 유입되도록 하거나, 다수의 가스 유입구(211,212,213)를 구비하여 각 가스 유입구(211,212,213)에 각 가스공급관(111,112,113)이 직접 연결되도록 할 수 있다.

또한 내부격벽(220)은 가열부(H) 측으로 갈수록 연통홀(221) 보다 직경이 증가하는 벤츄리부(222)를 더 구비할 수 있으며, 연통홀(221)을 통과한 가스들 및 물이 벤츄리부(222)를 통해 확산되도록 실시할 수 있다.

이때 벤츄리부(222), 즉 내부격벽(220)의 가열부(M)측 표면은 연통홀(221)의 중심축과 60 ㅀ의 각도를 이루도록 형성될 수 있으며, 이는 연통홀(221)을 통해 가열부(H)로 분사되는 가스들 및 물이 120 ㅀ의 각도로 분사되도록 하여 가스들 및 물, 또는 수증기를 포함하는 혼합가스의 혼합 효과를 극대화시키기 위한 것이다.

다음은 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 촉매성능평가방법을 설명하기로 한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 촉매성능평가방법은 유입단계(S410)와, 혼합 및 가열단계(S420)와, 촉매반응단계(S430)와, 응축단계(S440)와, 수분 분리단계(S450)와, 분석단계(S460)를 포함하여 구성된다.

먼저 유입단계(S410)에서는 가스공급관들(111,112,113) 및 물공급관(114)을 통해 가스들 및 물이 가스 혼합가열기(200)로 유입된다.

그리고 혼합 및 가열단계(S420)에서는 가스혼합가열기(200) 내부의 가스들과 물이 혼합 및 가열되어 수증기를 포함하는 혼합가스로 변하게 된다.

이후 촉매반응단계(S430)에서는 촉매반응기(115)에 의해 혼합가스와 촉매 간의 촉매반응이 이루어진다.

계속해서 응축단계(S440)에서는 응축기(116)를 통해 혼합가스가 응축되며, 수분 분리단계(S450)에서는 혼합가스에 존재하는 수분이 제거된다.

그리고 분석단계(S460)에서 분석기(119)에 의해 혼합가스의 성분 및 조성비를 분석하여 촉매 성능을 평가하게 된다.

이와 같이 본 발명에 따른 촉매성능평가방법은 혼합 및 가열단계(S420)에서 가스들과 물의 혼합 및 가열이 동시에 이루어지기 때문에, 혼합단계와, 가열단계를 나누어 수행하는 종래 촉매성능평가방법에 비해 신속하고, 간단하게 촉매의 성능을 평가할 수 있게 된다.

이상과 같이 도면과 명세서에서 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

111,112,113 : 가스 유입구 114 : 물 유입구
115 : 촉매반응기 116 : 응축기
117 : 세퍼레이터 118 : 버퍼탱크
119 : 분석기 200 : 가스 혼합가열기
210 : 하우징 220 : 내부격벽
230 : 혼합관부 240 : 가이드블록
250 : 히터 M : 혼합부
H : 가열부

Claims (8)

1. 복수의 가스가 유입되는 가스 유입구 및 물이 유입되는 물 유입구와, 상기 가스들 및 물을 외부로 배출하기 위한 배출구를 갖는 하우징; 그리고
   상기 하우징의 내부공간을 구획하여, 상기 가스들과 상기 물을 혼합하기 위한 혼합부 및 상기 혼합부에서 혼합된 상기 가스들 및 물을 가열하기 위한 가열부를 형성시키는 내부격벽을 포함하며,
   상기 내부격벽에는 상기 혼합부와 상기 가열부를 연통시키기 위한 연통홀이 형성되며,
   상기 내부격벽은 상기 가열부측으로 갈수록 상기 연통홀보다 직경이 증가하는 벤츄리부를 더 구비하여 상기 연통홀을 통과한 상기 가스들 및 물이 상기 벤츄리부를 통해 확산되도록 하는 가스 혼합가열기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 내부격벽에서 상기 혼합부 내측으로 연장되며, 가스가 유입되는 가스 유입홀 및 물이 유입되는 물 유입홀을 갖는 혼합관부를 더 포함하는 가스 혼합가열기.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 혼합부에는 상기 물 유입구와 상기 물 유입홀을 연결하는 안내유로를 형성하기 위한 가이드블록이 마련되는 가스 혼합가열기.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 하우징의 외측에는 상기 가열부로 유입된 상기 가스들 및 물을 가열하기 위한 히터가 설치되는 가스 혼합가열기.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 가스 유입구 및 상기 물 유입구는 상기 혼합부 측에 형성되고, 상기 배출구는 상기 가열부 측에 형성되는 가스 혼합가열기.
6. 삭제
7. 제 1항 내지 제 5항 중 적어도 어느 한 항에 기재된 가스 혼합가열기;
   상기 가스 혼합가열기에서 생성된 혼합가스 및 수증기와, 촉매 간 촉매반응이 이루어지는 촉매반응기; 및
   상기 촉매반응기를 통과한 혼합가스를 분석하는 분석기; 를 포함하는 촉매성능평가장치.
8. 삭제

Images