KR101233299B1 - 고압 마이크로 채널 반응장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 마이크로 채널의 확산조립으로 인한 고압에의 취약성을 해소할 수 있는 고압 마이크로 채널 반응장치에 관한 것으로, 일측에 원료가스 공급관이 설치되는 봄베; 및 상기 봄베 내에 배치되며, 상기 원료가스 공급관으로부터 공급된 원료가스가 내부로 유통가능한 반응부를 포함하고, 상기 반응부는 상기 반응부와 상기 봄베 내부의 공간에 유통되고 상기 원료가스가 반응하여 발생되는 반응가스가 흐르는 반응가스유로와, 상기 봄베 외부로부터 유입되고 상기 봄베 외부로 배출되는 열전달가스가 흐르고 상기 반응가스유로에 대하여 격리되며 상기 반응가스유로와 접하여 열전달이 이루어지는 열전달가스유로를 가진다.

Description

고압 마이크로 채널 반응장치{High pressure micro-channel reacting device}
본 발명은 고압 마이크로 채널 반응장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 마이크로 채널의 확산조립으로 인한 고압에의 취약성을 해소할 수 있는 고압 마이크로 채널 반응장치에 관한 것이다.
마이크로 채널 촉매반응기(Micro Channel Catalyst Reactor : CMCCR)는 열전달, 촉매와 반응물의 접촉효율이 우수하여, 단위 부피당 냉각 또는 가열에 필요한 열 유속이 매우 빠르기 때문에 발열 또는 흡열량이 큰 반응기 구성 기술로 적합하다. 이러한 구성으로, 각종 촉매 반응기에서 소량의 촉매를 사용하면서 다량의 반응물을 처리할 수 있다
특히, 상기 마이크로 채널 촉매반응기는, 고압 운용시 공간 속도를 더욱 향상 할 수 있기 때문에 가급적 고압운전이 바람직하다. 그러나, 마이크로 채널 반응기를 구성 특성상 다수의 플레이트를 확산접합의 접합방식으로 접합하였기 때문에, 이러한 마이크로 채널 촉매반응기에 고압을 부여할 때 접합부가 망실될 위험이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 마이크로 채널의 확산조립으로 인한 고압에의 취약성을 해소할 수 있는 고압 마이크로 채널 반응장치를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일측에 원료가스 공급관이 설치되는 봄베; 및 상기 봄베 내에 배치되며, 상기 원료가스 공급관으로부터 공급된 원료가스가 내부로 유통가능한 반응부를 포함하고, 상기 반응부는 상기 반응부와 상기 봄베 내부의 공간에 유통되고 상기 원료가스가 반응하여 발생되는 반응가스가 흐르는 반응가스유로와, 상기 봄베 외부로부터 유입되고 상기 봄베 외부로 배출되는 열전달가스가 흐르고 상기 반응가스유로에 대하여 격리되며 상기 반응가스유로와 접하여 열전달이 이루어지는 열전달가스유로를 가지는 고압 마이크로 채널 반응장치이다.
상기 반응부는, 상기 봄베 내부의 공간과 연통되는 반응채널을 가지는 반응플레이트와, 상기 봄베 내부의 공간과 격리되는 열전달채널을 가지는 열전달플레이트가 교대로 적층되고, 상기 교대로 적층된 반응플레이트와 열전달플레이트의 양단부에는 상단플레이트 및 하단플레이트가 배치되며, 상기 상단플레이트는 상기 봄베를 관통하여 설치되는 열전달가스 공급관과 연결되고, 상기 하단플레이트는 상기 봄베를 관통하여 설치되는 열전달가스 배출관과 연결되며, 상기 상단플레이트 및 상기 하단플레이트 중 일방에는 상기 반응플레이트에서 형성되는 반응가스를 배출시키는 반응가스 배출관이 연결되며, 상기 열전달채널의 양단에는 상기 열전달플레이트를 관통하는 열전달가스 관통홀이 형성되고, 상기 반응채널의 일단에는 상기 반응플레이트를 관통하는 반응가스 관통홀이 형성되며, 상기 반응플레이트에는 상기 반응플레이트에 접하는 열전달플레이트의 열전달가스 관통홀과 연결되어 열전달가스를 연통시키는 열전달가스 연통홀이 형성되고, 상기 열전달플레이트에는 상기 열전달플레이트에 접하는 반응플레이트의 반응가스 관통홀과 연결되어 반응가스를 연통시키는 반응가스 연통홀이 형성되고, 상기 반응가스유로는 상기 원료가스 공급관과 상기 봄베 내부공간과 상기 반응채널과 상기 반응가스 연통홀과 상기 반응가스 관통홀과 상기 반응가스 배출관으로 이루어지며, 상기 열전달가스유로는 상기 열전달가스 공급관과 상기 열전달채널과 상기 열전달가스 연통홀과 상기 열전달가스 관통홀과 상기 열전달가스 배출관으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 열전달가스 공급관에는 발열가스 또는 흡열가스가 공급되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 발열가스가 공급되는 경우, 상기 열전달가스 공급관은 연료가스 공급관과 산소공급관으로 이루어지며, 상기 연료가스 공급관과 상기 산소공급관은 상기 열전달가스유로에 연결되는 것을 특징으로 하는 고압 마이크로 채널 반응장치.
또, 상기 반응채널에는 반응촉매가 도포되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 열전달채널에는 연소촉매가 도포되는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통하여, 고압하에서도 안정적으로 반응을 유도할 수 있는 마이크로 채널 반응장치를 구현할 수 있다.
특히, 상기 마이크로 채널 반응장치는 흡열반응의 탄화수소개질용 반응기로 사용이 가능하고, 발열반응의 액상탄화수소 합성반응용 반응기로 사용이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고압 마이크로 채널 반응장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 고압 마이크로 채널 반응장치의 반응부의 개략도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명에 따른 고압 마이크로 채널 반응장치(100)의 기본적인 특징은, 봄베(102)라는 압력용기 속에 복수의 플레이트를 확산접합하여 이루어진 반응부(114)를 배치시키는 것에 의해, 상기 반응부(114)의 확산접합부에 걸리는 압력에 대하여 상기 봄베(102)에 공급되는 압력을 외압으로 상쇄시키는 것에 있다.
따라서, 상기 고압 마이크로 채널 반응장치(100)는 일측에 원료가스 공급관(104)이 설치되는 봄베(102)와, 상기 봄베(102) 내에 배치되며, 상기 원료가스 공급관(104)으로부터 공급된 원료가스가 내부로 유통가능한 반응부(114)를 포함한하여 이루어진다.
상기 봄베(102)의 형상으로는 일반적으로 구형, 또는 상하단에 반구형이 결합된 원통형을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 다만, 상기 반응부(114)가 복수의 플레이트를 접합하여 형성되는 것에 의해 일정한 높이를 가지는 단면이 다각형 또는 원형의 기둥형상을 가지기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이, 상하단에 반구형이 결합된 원통형을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 반응부(114)는 상술한 바와 같이 복수의 플레이트를 확산접합하여 이루어질 수 있다. 상기 반응부(114)의 형상은 단면이 다각형 또는 원형의 기둥형상으로 이루어지며, 압력에 대한 취약부를 최소화하기 위해서는 원형의 단면을 가지는 플레이트를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 반응부(114)에는 기본적으로, 화학반응을 통해 목적하는 산물을 얻기 위한 반응가스가 흐르는 반응가스유로와, 상기 반응가스에 대해 열을 공급하거나 제거하는 열전달가스가 흐르는 상기 반응가스유로와 접촉하는 열전달가스유로를 가진다.
특히, 상기 봄베(102) 내부공간으로 반응가스(또는 원료가스)를 제공하는 것에 의해 적층되는 플레이트의 개수가 증가하는 경우에 각 플레이트에 균등한 압력으로 반응가스의 분기공급이 가능하며, 일정한 압력의 유지가 가능하다. 따라서, 상기 반응가스유로는 상기 봄베(102) 내부공간과 연통되게 된다. 반대로, 상기 열전달가스유로는 반응가스유로에 대해 격리된다.
이 결과, 상기 반응부(114)는 상기 봄베(102)의 내부공간과 연통되는 반응가스유로와, 상기 봄베(102)의 내부공간과 격리되는 열전달가스유로를 형성하도록 구성된다. 이러한 상기 반응부(114)는 상기 봄베(102) 내부의 공간과 연통되는 반응채널(135,155,175,195)을 가지는 반응플레이트(130,150,170,190)와, 상기 봄베(102) 내부의 공간과 격리되는 열전달채널(125,145,165,185)을 가지는 열전달플레이트(120,140,160,180)가 교대로 적층되고, 상기 교대로 적층된 반응플레이트(130,150,170,190)와 열전달플레이트(120,140,160,180)의 양단부에는 상단플레이트(116) 및 하단플레이트(118)가 배치된다.
상기 열전달플레이트(120,140,160,180)는 좌우 양측으로 배치되는 열전달채널(125,145,165,185)을 가지며, 상기 열전달채널(125,145,165,185)의 양단에는 열전달가스 관통홀(121,123,141,143,161,163,181,183)이 형성된다. 그리고, 상기 열전달채널(125,145,165,185) 및 상기 열전달가스 관통홀(121,123,141,143,161,163,181,183)에 대하여 격리되는 반응가스 연통홀(124,144,164,184)가 배치된다. 상기 반응가스 연통홀(124,144,164,184)은 상하방향 중 어느 일방에 형성될 수 있으며, 본 발명에서는 상측에 배치되는 것으로 도시하였다.
상기 열전달채널(125,145,165,185)은 열전달가스의 접촉면적을 확복하기 위해 상기 열전달가스 관통홀(121,123,141,143,161,163,181,183) 사이에 복수의 오목한 홈으로 형성된다. 상기 열전달채널(125,145,165,185)에는 연소를 보조하기 위해 연소촉매가 도포될 수 있다.
다음으로, 상기 반응플레이트(130,150,170,190)는 좌우 양측으로 상기 열전달플레이트(120,140,160,180)의 좌우 양측에 형성된 상기 열전달가스 관통홀(121,123,141,143,161,163,181,183)과 동일한 위치에 형성되는 열전달가스 연통홀(131,133,151,153,171,173,191,193)이 형성된다. 이 때, 상기 열전달가스 관통홀(121,123,141,143,161,163,181,183)과, 상기 열전달가스 연통홀(131,133,151,153,171,173,191,193)는 동일한 형상 및 단면적을 가지는 것이 열전달 가스의 이동에 바람직하다. 본 발명의 실시예에서는 상기 열전달가스 관통홀(121,123,141,143,161,163,181,183)과, 상기 열전달가스 연통홀(131,133,151,153,171,173,191,193)는 모두 원호형상의 슬릿으로 형성된다.
그리고, 상기 반응플레이트(130,150,170,190)의 상부에는 상하측에 걸쳐 반응채널(135,155,175,195)가 형성된다. 상기 반응채널(135,155,175,195)의 상측에는 반응가스 관통홀(134,154,174,194)가 형성되며, 상기 반응채널(135,155,175,195)의 하측은 상기 봄베(102)의 내부공간과 유통된다.
상기 반응채널(135,155,175,195)은 반응가스의 접촉면적을 확복하기 위해 상기 반응가스 관통홀(134,154,174,194)에서 상기 반응플레이트(130,150,170,190)의 하단에 걸쳐 복수의 오목한 홈으로 형성된다. 상기 반응플레이트(130,150,170,190)의 하단까지 상기 반응채널(135,155,175,195)이 형성되는 것에 의해, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 반응플레이트(130,150,170,190)와 상기 열전달플레이트(120,140,160,180)가 적층된 경우에 외부에서 상기 반응채널(135,155,175,195)이 노출된다. 이렇게 노출된 상기 반응채널(135,155,175,195)에 의해 상기 봄베(102) 내의 원료가스가 상기 반응플레이트(130,150,170,190) 내부로 진입하게 된다. 또, 상기 반응채널(135,155,175,195)에는 반응가스의 반응을 보조하기 위해 반응촉매가 도포될 수 있다.
상기 반응가스 관통홀(134,154,174,194)은 상기 반응가스 연통홀(124,144,164,184)과 동일한 위치에 배치된다. 그리고, 이 때, 상기 반응가스 관통홀(134,154,174,194)과 상기 반응가스 연통홀(124,144,164,184)은 동일한 형상 및 단면적을 가지는 것이 반응가스의 이동에 바람직하다. 본 발명의 실시예에서는 상기 반응가스 관통홀(134,154,174,194)과, 상기 반응가스 연통홀(124,144,164,184)은 모두 원호형상의 슬릿으로 형성된다.
상기 상단플레이트(116)는 상기 봄베(102)를 관통하여 설치되는 열전달가스 공급관과 연결되고, 상기 하단플레이트(118)는 상기 봄베(102)를 관통하여 설치되는 열전달가스 배출관(112)과 연결된다. 또, 상기 상단플레이트(116) 및 상기 하단플레이트(118) 중 일방에는 상기 반응플레이트(130,150,170,190)에서 형성되는 반응가스를 배출시키는 반응가스 배출관(106)이 연결된다.
상기 열전달가스 공급관은 상기 발열가스가 공급되는 경우, 연료가스 공급관(108)과 산소공급관(110)으로 이루어질 수 있다. 또, 상기 열전달가스 공급관은흡열가스가 공급되는 경우에는 하나 이상의 관으로 형성될 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 바와 같이 2개의 열전달가스 공급관(108,110)으로 형성되는 경우에는 발열반응과 흡열반응 모두에 대해서 적용이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 고압 마이크로 채널 반응장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 이러한 구성을 통해, 상기 반응가스유로는 상기 원료가스 공급관(104)과 상기 봄베(102) 내부공간과 상기 반응채널(135,155,175,195)과 상기 반응가스 연통홀(124,144,164,184)과 상기 반응가스 관통홀(134,154,174,194)과 상기 반응가스 배출관(106)으로 이루어진다.
그리고, 상기 열전달가스유로는 상기 열전달가스 공급관(108,110)과 상기 열전달채널(125,145,165,185)과 상기 열전달가스 연통홀(131,133,151,153,171,173,191,193)과 상기 열전달가스 관통홀(121,123,141,143,161,163.181,183)과 상기 열전달가스 배출관(112)으로 이루어지게 된다.
예를 들어, 상기 고압 마이크로 채널 반응장치(100)로 흡열반응인 탄화수소 개질반응을 하는 경우에는 상기 원료가스 공급관(104)에 탄화수소(HC)와 스팀의 혼합물을 공급하고, 상기 연료가스 공급관(108) 및 상기 산소 공급관(110)에 연료인 탄화수소와 산화제인 산소를 각각 공급한다.
따라서, 상기 탄화수소(HC)와 스팀의 혼합물의 압력으로 상기 봄베(102) 내부에 일정한 압력이 부여되고, 탄화수소(HC)와 스팀의 혼합물은 상기 반응채널(135,155,175,195)을 통해 상기 반응플레이트(130,150,170,190) 내부로 유입되어 개질되고, 상기 반응가스 연통홀(124,144,164,184)과 상기 반응가스 관통홀(134,154,174,194)에 의해 형성되는 관형상의 통로를 지나 상기 반응가스 배출관(106)으로 배출된다. 이와 동시에 탄화수소와 산소는 상기 열전달플레이트(120,140,160,180)를 지나면서 연소돼서, 상하로 접촉된 상기 반응플레이트(130,150,170,190)에 열을 공급하게 된다. 그리고, 연소된 배가스는 상기 열전달가스 연통홀(131,133,151,153,171,173,191,193)과 상기 열전달가스 관통홀(121,123,141,143,161,163.181,183)에 의해 형성되는 관형상의 통로를 지나 상기 열전달가스 배출관(112)으로 배출된다.
또 다른 예로써, 상기 고압 마이크로 채널 반응장치(100)로 발열반응인 PrOx, WGS, MTN 반응을 수행하는 경우에는, 상기 원료가스 공급관(104)에 원료가스를 공급하고, 상기 연료가스 공급관(108) 및 상기 산소 공급관(110)에 냉각용 열전달가슬 공급한다. 이 때, 상기 산소 공급관(110)은 폐쇄하는 것도 가능하다. 발열반응 역시 원료가스 및 열전달가스의 흐름은 흡열반응과 같으며, 열의 이동이 상기 반응플레이트(130,150,170,190)에서 상기 열전달플레이트(120,140,160,180)로 흐른다는 차이가 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 고압 마이크로 채널 반응장치 102: 봄베
104: 원료가스 공급관 106: 반응가스 배출관
108: 연료가스 공급관 110: 산소 공급관
112: 열전달가스 배출관 114: 반응부
116: 상단플레이트 118: 하단플레이트
120,140,160,180: 열전달플레이트 130,150,170,190: 반응플레이트
121,123,141,143,161,163.181,183: 열전달가스 관통홀
124,144,164,184: 반응가스 연통홀 125,145,165,185: 열전달채널
131,133,151,153,171,173,191,193: 열전달가스 연통홀
134,154,174,194: 반응가스 관통홀 135,155,175,195: 반응가스채널

Claims (6)

  1. 일측에 원료가스 공급관이 설치되는 봄베; 및
    상기 봄베 내에 배치되며, 상기 원료가스 공급관으로부터 공급된 원료가스가 내부로 유통가능한 반응부를 포함하고,
    상기 반응부는 상기 반응부와 상기 봄베 내부의 공간에 유통되고 상기 원료가스가 반응하여 발생되는 반응가스가 흐르는 반응가스유로와, 상기 봄베 외부로부터 유입되고 상기 봄베 외부로 배출되는 열전달가스가 흐르고 상기 반응가스유로에 대하여 격리되며 상기 반응가스유로와 접하여 열전달이 이루어지는 열전달가스유로를 가지고,
    상기 반응부는, 상기 봄베 내부의 공간과 연통되는 반응채널을 가지는 반응플레이트와, 상기 봄베 내부의 공간과 격리되는 열전달채널을 가지는 열전달플레이트가 교대로 적층되고, 상기 교대로 적층된 반응플레이트와 열전달플레이트의 양단부에는 상단플레이트 및 하단플레이트가 배치되며, 상기 상단플레이트는 상기 봄베를 관통하여 설치되는 열전달가스 공급관과 연결되고, 상기 하단플레이트는 상기 봄베를 관통하여 설치되는 열전달가스 배출관과 연결되며, 상기 상단플레이트 및 상기 하단플레이트 중 일방에는 상기 반응플레이트에서 형성되는 반응가스를 배출시키는 반응가스 배출관이 연결되며,
    상기 열전달채널의 양단에는 상기 열전달플레이트를 관통하는 열전달가스 관통홀이 형성되고, 상기 반응채널의 일단에는 상기 반응플레이트를 관통하는 반응가스 관통홀이 형성되며,
    상기 반응플레이트에는 상기 반응플레이트에 접하는 열전달플레이트의 열전달가스 관통홀과 연결되어 열전달가스를 연통시키는 열전달가스 연통홀이 형성되고, 상기 열전달플레이트에는 상기 열전달플레이트에 접하는 반응플레이트의 반응가스 관통홀과 연결되어 반응가스를 연통시키는 반응가스 연통홀이 형성되고,
    상기 반응가스유로는 상기 원료가스 공급관과 상기 봄베 내부공간과 상기 반응채널과 상기 반응가스 연통홀과 상기 반응가스 관통홀과 상기 반응가스 배출관으로 이루어지며,
    상기 열전달가스유로는 상기 열전달가스 공급관과 상기 열전달채널과 상기 열전달가스 연통홀과 상기 열전달가스 관통홀과 상기 열전달가스 배출관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고압 마이크로 채널 반응장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 열전달가스 공급관에는 발열가스 또는 흡열가스가 공급되는 것을 특징으로 하는 고압 마이크로 채널 반응장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 발열가스가 공급되는 경우, 상기 열전달가스 공급관은 연료가스 공급관과 산소공급관으로 이루어지며, 상기 연료가스 공급관과 상기 산소공급관은 상기 열전달가스유로에 연결되는 것을 특징으로 하는 고압 마이크로 채널 반응장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 반응채널에는 반응촉매가 도포되는 것을 특징으로 하는 고압 마이크로 채널 반응장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열전달채널에는 연소촉매가 도포되는 것을 특징으로 하는 고압 마이크로 채널 반응장치.
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