KR101272083B1 - 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 석탄 합성가스를 슬러리에 함유된 촉매와 반응시켜 합성연료를 생성하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기에 관한 것으로, 이를 위해 촉매를 함유하는 슬러리가 저장된 기포탑 반응기 본체;와, 유입관을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 기포입자로 전환시켜 반응기 본체의 내부로 공급할 수 있도록 상기 반응기 본체의 저면에 배치되는 분산수단; 상기 반응기 본체의 내부를 트레이 형태로 구획되게 배치되며, 상기 분산수단으로부터 공급되는 합성가스의 기포 입자를 균일하게 재분산시키는 적어도 1개 이상의 재분산수단;과, 상기 반응기 본체의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응되어 생성된 합성연료만을 외부로 유출시키는 필터링수단; 및 상기 반응기 본체의 상단에 연결되어 미반응 합성가스 및 반응시 생성되는 화학가스를 외부로 배출시키는 유출관;을 포함하여 이루어지며, 상기 재분산수단은 내부 기공이 하단부에서 상단부로 연속적으로 불규칙하게 이어지는 다공성 금속 구조체와, 상기 다공성 금속 구조체의 상부에 결합되는 제 2분산디스크로 이루어지며, 여기에 상기 다공성 금속 구조체의 하부에 배치되는 다공성 촉매 금속 구조체를 더 포함하되, 상기 다공성 촉매 금속 구조체는 다공성 금속 구조체의 표면에 촉매층이 코팅되어 구성되는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 석탄 합성가스를 슬러리에 함유된 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의해 합성연료를 생성하는 기포탑 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 본체 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 균일하게 재분산시켜 줌으로써, 반응기 내에 촉매와 합성가스의 반응을 활성화시킬 수 있는 구조의 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기에 관한 것이다.
일반적으로, 기포탑 반응기는 높은 열 및 물질 전달의 장점을 가지고 있어서 생화학반응, 폐수처리 및 석탄 액화반응과 같은 반응들에서 널리 활용되고 있다.
이러한 기포탑 반응기에서는 기상의 반응물이 촉매 및 생성물로 구성되어 있는 연속 상을 통과하면서 반응이 이루어진다.
이때 반응물, 촉매간의 균일한 접촉 및 분산을 통한 물질전달 속도는 반응 효율을 결정하는 변수로서 매우 중요시된다.
여기서 반응기체의 물질전달 속도를 증진시키기 위한 주요 수단으로 반응기 내에 유동성을 증가시키는 방법과, 연속상 내에 기체 포집율을 증가시키는 방법이 주로 활용되고 있다.
일반적으로 기포탑 반응기에서의 유체 흐름은 크게 두 가지 영역으로 나누어지는데, 균일 흐름 영역과 불균일 흐름 영역이 그것이다. 기체의 선속가 낮은 저유속에서는 균일 흐름 영역이 발생하는 반면 고유속에서는 불균일 흐름 영역이 형성된다.
따라서 높은 반응 수율을 요구하는 반응에서는 연속상의 유동성이 우수한 불균일 흐름 영역에서 반응을 진행시키는 것이 일반적이다.
반응기 내에 물질전달 속도를 증진시키는 또 다른 방법으로서 기체 포집율을 증가시키는 방법이 있다. 기체 포집율은 연속상 내에 존재하는 기체상의 부피비율로 정의된다.
Letzel et al.(1999)에 따르면, 기체 포집율과 반응기체의 물질전달 속도의 비는 약 0.5로 일정한 값을 보인다. 따라서 기체 포집율을 증진시키는 것은 물질전달 속도를 증가시키기 위한 중요한 변수이다.
일반적으로 기체 포집율은 반응기체의 선속도, 반응기 직경, 연속상의 물리적 특성 등에 따라 영향을 받는다.
즉, 반응 기체의 선속도가 증가할수록, 반응기의 직경이 작을수록, 연속상의 점도와 표면장력이 낮을수록 반응기 내에 기체 포집율은 증가하는 경향성을 보인다. 이와 같이 반응 조건에 따른, 또는 반응 첨가제에 따른 기체 포집율의 변화에 대한 연구는 많이 진행되어 왔다. 그러나 반응기의 설계에 따른 기체 포집율에 대한 연구는 제한적인 것이 현실이다.
반응기체가 유입되고 반응기를 통과하는 과정에서 기포간의 응집과 깨짐의 수많은 상호작용이 반복된다. 이러한 과정에서 기포입자의 크기는 통상적으로 증가하게 되고, 따라서 기포의 상승속도도 증가한다.
일반적으로 기포의 상승속도는 기포입자의 크기의 0.5 제곱에 비례하여 증가한다. 기포 상승속도의 증가는 단위 시간동안에 반응기 내에 체류하는 시간의 감소로 이어지기 때문에 기체 포집율 관점에서 부정적이다.
이를 위해 기존에 재분산수단으로서 일반 체 모양의 판을 이용하는 연구가 몇몇 연구자들에 의하여 진행되기도 하였다. 그러나 이러한 얇은 판형태의 재분산수단은 기체를 고르게 분산시키는 데에 한계가 존재한다.
또한 기존의 재분산수단을 사용할 경우에는 아래쪽에 반응 기체만으로 이루어진 기체층이 형성되는 단점이 있었으며, 연속상에 분산되어 있는 촉매와 같은 고체 입자의 침전을 막을수 없는 문제점이 있었다.
이렇게 형성된 기체층은 미반응 영역을 형성함으로써 반응기 공간 효율 측면에서 부정적인 영향을 미친다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1목적은, 반응기 본체 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 균일하게 재분산시켜 줌으로써, 반응기 내에 촉매와 합성가스의 반응을 활성화시킬 수 있는 구조의 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기를 제공하는데 있다.
더 나아가 본 발명의 제 2목적은, 반응기 본체의 내부에 적어도 1개 이상의 재분산수단을 설치함으로써, 상기 반응기 본체의 전체에 걸쳐 균일한 기포 입자를 갖는 합성가스를 얻을 수 있어 촉매와의 반응을 활성화시킬 수 있는 한편, 재분산수단에 촉매층이 코팅된 다공성 촉매 금속 구조체를 형성함으로써 미반응 합성가스층이 형성되는 것을 최소화하고, 이 구간에서도 촉매와 합성가스가 반응할 수 있도록 한 구조의 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제 1발명은, 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기에 관한 것으로, 석탄 합성가스를 슬러리에 함유된 촉매와 반응시켜 합성연료를 생성하는 기포탑 반응기 있어서,촉매를 함유하는 슬러리가 저장된 기포탑 반응기 본체;와, 유입관을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 기포입자로 전환시켜 반응기 본체의 내부로 공급할 수 있도록 상기 반응기 본체의 저면에 배치되는 분산수단;와, 상기 반응기 본체의 내부를 트레이 형태로 구획되게 배치되며, 상기 분산수단으로부터 공급되는 합성가스의 기포 입자를 균일하게 재분산시키는 적어도 1개 이상의 재분산수단;와, 상기 반응기 본체의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응되어 생성된 합성연료만을 외부로 유출시키는 필터링수단; 및 상기 반응기 본체의 상단에 연결되어 미반응 합성가스 및 반응시 생성되는 화학가스를 외부로 배출시키는 유출관을 포함하여 이루어지며,
상기 재분산수단은 내부 기공이 하단부에서 상단부로 연속적으로 불규칙하게 이어지는 다공성 금속 구조체와, 상기 다공성 금속 구조체의 상부에 결합되는 제 2분산디스크로 이루어지며, 여기에 상기 다공성 금속 구조체의 하부에 배치되는 다공성 촉매 금속 구조체를 더 포함하되, 상기 다공성 촉매 금속 구조체는 다공성 금속 구조체의 표면에 촉매층이 코팅되어 구성되는 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기
상기 재분산수단은 내부 기공이 하단부에서 상단부로 연속적으로 불규칙하게 이어지는 다공성 금속 구조체와, 상기 다공성 금속 구조체의 상부에 결합되는 제 2분산디스크로 이루어지며, 여기에 상기 다공성 금속 구조체의 하부에 배치되는 다공성 촉매 금속 구조체를 더 포함하되, 상기 다공성 촉매 금속 구조체는 다공성 금속 구조체의 표면에 촉매층이 코팅되어 구성되는 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기
제 2발명은, 제 1발명에서, 상기 분산수단은 유입관이 연결된 제 1분산디스크로 이루어지되, 상기 제 1분산디스크의 개구는 지름 0.1mm 내지 2mm 범위이고, 개구비는 제 1분산디스크의 전체 대비 0.05 ~ 2.0% 범위인 것이 바람직하다.
삭제
제 4발명은, 제 1발명에서, 상기 제 2분산디스크의 개구비는 4% ~ 90% 범위인 것이 바람직하다.
제 5발명은, 제 1발명에서, 상기 다공성 금속 구조체는 물에 대한 접촉각이 120°이상이 되는 소수성 재질인 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금, 철-크롬-알루미늄 합금 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
제 6발명은, 제 1발명에서, 상기 다공성 금속 구조체는 내부 기공 크기가 20 ~ 90ppi(pore per inch)의 범위이고, 두께는 0.1 ~ 20cm 범위를 갖는 것이 바람직하다.
삭제
제 8발명은, 제 1발명에서, 상기 다공성 촉매 금속 구조체의 기공 크기는 다공성 금속 구조체의 기공 크기보다 상대적으로 크며, 5 ~ 30ppi의 범위를 갖는 것이 바람직하다.
제 9발명은, 제 1발명에서. 상기 촉매층은 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종이상 혼합되어 구성되는 것이 바람직하다.
제 10발명은, 제 1발명에서, 상기 촉매층은 화학적 증기 흡착법, 물리적 증기 흡착법, 원자층 증착법 중 한 가지 기술 또는 두 가지 기술 이상의 조합에 의하여 상기 다공성 촉매 금속 구조체의 표면에 코팅하는 것이 바람직하다.
제 11발명은, 제 1발명에서, 상기 촉매층은 상기 다공성 촉매 금속 구조체에 대비 0.1 ~ 30wt%의 질량분율로 코팅되어 구성되는 것이 바람직하다.
제 12발명은, 제 1발명에서, 상기 반응기 본체 내의 슬러리에 포함된 촉매는 0.1 ~ 200㎛ 의 입도 분포를 갖는 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종이상 혼합되어 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기는 반응기 본체의 내부에 적어도 1개 이상의 재분산수단을 설치하여 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 균일하게 재분산시켜 줌으로써, 반응기 내에 촉매와 합성가스의 반응을 활성화시킬 수 있어 최종적으로 획득되는 합성연료의 생성효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 재분산수단에 촉매층이 코팅된 다공성 촉매 금속 구조체를 형성함으로써 미반응 합성가스층이 형성되는 것을 최소화하고, 이 구간에서도 촉매와 합성가스가 반응할 수 있도록 하여 최종적으로 획득되는 합성연료의 생성효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 따른 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기의 구성도,
도 2는 도 1에서 발췌된 재분산수단을 도시한 분해 사시도,
도 3은 다양한 형태의 제 2분산디스크를 나타내는 구성도,
도 4 및 도 5는 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 평면 및 측면사진,
도 6은 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 기공크기에 따른 합성가스 포집율 변화를 나타내는 그래프,
도 7은 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 기공크기에 따른 합성가스층의 두께변화를 나타내는 그래프,
도 8 및 도 9는 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 두께에 따른 촉매 입자의 백믹싱 정도를 나타내는 그래프이다.
도 2는 도 1에서 발췌된 재분산수단을 도시한 분해 사시도,
도 3은 다양한 형태의 제 2분산디스크를 나타내는 구성도,
도 4 및 도 5는 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 평면 및 측면사진,
도 6은 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 기공크기에 따른 합성가스 포집율 변화를 나타내는 그래프,
도 7은 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 기공크기에 따른 합성가스층의 두께변화를 나타내는 그래프,
도 8 및 도 9는 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 두께에 따른 촉매 입자의 백믹싱 정도를 나타내는 그래프이다.
이하에서는 본 발명에 따른 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 따른 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기의 구성도이고, 도 2는 도 1에서 발췌된 재분산수단을 도시한 분해 사시도이고, 도 3은 다양한 형태의 제 2분산디스크를 나타내는 구성도이고, 도 4 및 도 5는 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 평면 및 측면사진이고, 도 6은 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 기공크기에 따른 합성가스 포집율 변화를 나타내는 그래프이고, 도 7은 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 기공크기에 따른 합성가스층의 두께변화를 나타내는 그래프이고, 도 8 및 도 9는 재분산수단의 다공성 금속 구조체의 두께에 따른 촉매 입자의 백믹싱 정도를 나타내는 그래프이다.
먼저 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 석탄 합성가스를 슬러리에 함유된 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의해 합성연료를 생성하는 기포탑 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 본체 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 균일하게 재분산시켜 줌으로써, 반응기 내에 촉매와 합성가스의 반응을 활성화시킬 수 있는 구조의 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기에 관한 것이다.
이러한 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기는 반응기 본체(10)와, 상기 반응기 본체(10)의 저면에 배치되어 합성가스의 기포입자를 분산시키는 분산수단(20)과, 상기 반응기 본체(10)를 구획하여 다단 배치되는 적어도 1개 이상의 재분산수단(30)과, 합성가스와 촉매의 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의해 생성된 합성연료는 배출시키고 촉매는 필터링하는 필터링수단(40)과, 미반응 합성가스 및 반응에 의해 생성된 화학가스(메탄, 프로판, 펜탄 등)를 배출하는 유출관(12)으로 구성된다.
상기 반응기 본체(10)는 내부에 촉매를 함유하는 슬러리(오일, 왁스)가 저장된다.
그리고 상기 분산수단(20)은 유입관(11)을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 기포입자로 전환시켜 반응기 본체(10)의 내부로 공급할 수 있도록 상기 반응기 본체(10)의 저면에 배치되는 구조이다.
여기서 상기 유입관(11)은 합성가스의 유속을 조절할 수 있는 유량제어부(50)와, 기체의 유속을 실시간으로 확인할 수 있는 유량계(60)가 구비될 수 있다.
아울러 상기 분산수단(20)은 유입관(11)을 통해 유입되는 합성가스의 기포 입자를 균일하게 전환시켜 주는 제 1분산디스크(20)로 이루어진다. 이 때 상기 제 1분산디스크(20)의 표면에는 다수의 개구가 타공되어 있으며, 각 개구는 지름의 크기는 0.1mm 내지 2mm 범위이고, 개구비는 제 1분산디스크(20)의 전체 대비 0.05 ~ 2.0% 범위이다.
이는 개구비가 0.05%보다 작을 경우, 제 1분산디스크(20)에서 작용하는 기체(합성가스)의 압력 강하가 매우 크게 되기 때문에, 반응기 본체(10) 내의 슬러리에 포함된 촉매 및 반응에 의해 생성된 합성연료의 역류에 의해 막힘 현상이 발생하고 연속상에 분사되어 있는 촉매 입자의 깨짐을 유발할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
또한 개구비가 2.0% 이상이면, 반응기 본체(10) 내부로 합성가스의 고른 분사가 어렵게 되기 때문에 개구비를 0.05 ~ 2.0% 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
여기서 상기 제 1분산디스크(20)를 통해서 유입된 합성가스는 상기 반응기 본체(10)에서 연속 상인 촉매 및 슬러리와 접촉을 하고 이곳에서 피셔-트롭쉬 반응이 이루어진다. 이 때, 합성가스는 제 1분산디스크(20)를 통해 분사되면 연속상에 충분한 유동성을 공급함으로써 촉매의 접촉을 높이고 피셔-트롭쉬 발열반응에 의한 반응열을 외부로 고르게 방출시키게 된다.
한편 상기 반응기 본체(10)에 저장된 슬러리에 포함된 촉매는 피셔-트롭쉬 반응 및 워터 가스 쉬프트(water gas shift) 반응에 대해 활성을 갖는 것으로, 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종이상 혼합되어 구성된다.
또한 상기 촉매는 반응기 본체(10) 내에 고르게 분사되기 위해서 0.1 ~ 200㎛ 의 입도 분포를 갖는다. 이는 입자 크기가 0.1㎛보다 작을 경우, 필터링수단(40)에 의해서 걸러지지 않기 때문에 촉매의 유출을 야기할 수 있고, 200㎛보다 클 경우에는, 촉매의 침전 현상이 강하게 나타나기 때문에 반응기 본체(10) 내에 촉매 입자의 고른 분산이 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
아울러 상기 재분산수단(30)은 적어도 1개 이상 구비되고, 상기 반응기 본체(10)의 내부를 트레이 형태로 구획되게 배치되며, 상기 분산수단(20)으로부터 공급되는 합성가스의 기포 입자를 균일하게 재분산시키는 기능을 한다.
이러한 재분산수단(30)은 내부 기공이 하단부에서 상단부로 연속적으로 불규칙하게 이어지는 다공성 금속 구조체(32)와, 상기 다공성 금속 구조체(32)의 상부에 결합되는 제 2분산디스크(31)로 이루어진다.
여기서 상기 제 2분산디스크(31)는 합성가스가 재분산수단(30)을 통과할 때, 합성가스의 흐름이 한쪽으로 치우치지 않고 고르게 분사되는 것을 돕고 상부에 배치되는 촉매 입자가 하부로 침전하는 것을 보조적으로 막아주기 위하여 설치된다.
또한 상기 다공성 금속 구조체(32)의 기공크기가 작아질수록 제 2분산디스크(31)를 통과하는 합성가스의 흐름이 일시적으로 한쪽으로 치우치는 현상이 강하게 나타난다. 따라서 제 2분산디스크(31)는 이러한 합성가스의 치우침을 막고 반응기 본체(10) 내에 고르게 합성가스의 흐름을 유도하는 역할을 한다.
여기서 상기 제 2분산디스크(31)는 도 3과 같이, 다양한 개구 밀집군의 형태로 제작될 수 있다. 즉, 도 3의 (a)와 같이 타공된 개구가 제 2분산디스크(31)의 중심에 밀집군으로 배치시켜 구성할 수 있으며, (b)와 같이 전체에 걸쳐 개구 밀집군을 분포시켜 구성할 수 있으며, (c)와, 같이 다양한 크기의 동심원 개구 밀집군으로 분포시켜 구성될 수 있다.
그리고 상기 제 2분산디스크(31)는 개구비가 4% ~ 90%인 범위인 것이 바람직하다. 이는 개구비가 4%보다 작게 되면 다공성 금속 구조체(32)의 하부에 압력강하가 증가하여 미반응 합성가스층의 두께를 증가시키는 부정적인 결과를 초래하기 때문이고, 90% 이상을 경우에는 다공성 금속 구조체(32)만을 사용한 경우와 비교해서, 합성가스의 포집율 및 고체(촉매) 입자 분산능력 관점에서 큰 차이를 보이지 않기 때문에 바람직하지 않다.
아울러 상기 다공성 금속 구조체(metal form)(32)는 도 4 및 도 5와 같이, 내부 기공이 하단부에서 상단부로 연속적으로 불규칙하게 이어지게 구성된다.
이러한 다공성 금속 구조체(32)는 물에 대한 접촉각이 120°이상이 되는 소수성 재질인 것이 바람직하다.
즉, 물에 대한 접촉각이 120°이상은 물에 대한 발수성이 높은 금속을 의미하며, 접촉각이 120°이하이면, 다공성 금속 구조체의 표면이 합성가스 보다는 연속상에 대해서 친화력이 강해지기 때문에, 다공성 금속 구조체(32)의 기공 내에서 연속상이 기체의 이동 경로를 방해하는 결과를 초래한다.
이렇게 되면, 합성가스의 균일한 재분산이 어렵게 되고 재분산수단(30)으로서의 다공성 금속 구조체(32)의 기능이 저하된다. 따라서 다공성 금속 구조체(32)의 재질은 물에 대한 접촉각을 120°이상으로 유지할 수 있는 소수성 재질인 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금, 철-크롬-알루미늄 합금 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
또한 상기 다공성 금속 구조체(32)는 내부 기공 크기는 20ppi 내지 90ppi(pore per inch)의 범위를 갖는다.
여기서 기공 크기가 10ppi 보다 클 경우, 다공성 금속 구조체(32)가 유체 흐름에 대한 저항체로서 작용하기 어렵기 때문에, 큰 기포를 여러 개의 작은 기포로 쪼개는 역할을 수행할 수 없게 된다.
또한 도 6의 다공성 금속 구조체(32)의 기공 크기에 따른 기체 포집율 변화를 나타내는 그래프를 참조하면 다음과 같다.
여기서 기공크기가 10ppi ~ 90ppi로 증가함에 따라 기체(합성가스) 포집율이 증가하는 것을 관찰할 수 있다.
특히 10ppi에서는 다공성 금속 구조체(32)가 없을 때와 거의 유사한 기체 포집율을 보임에 따라서, 다공성 금속 구조체(32)에 의한 기포 쪼개짐 또는 기포 재분산의 효과가 미미하다는 것을 확인할 수 있다.
반면에 기공 크기가 90ppi보다 작을 경우에는, 재분산수단(30)에 작용하는 유체의 압력강하가 너무 크게 되어서 반응물의 막힘 현상이 발생할 수 있다. 게다가, 이와 같이 기공의 크기가 작을 경우, 재분산수단(30) 아래쪽에 체류하고 있는 기체(합성가스)층의 두께가 급격히 증가하면서 촉매가 함께 분포하지 않는 미반응 영역이 발생하기 때문에 바람직하지 않다.
더불어 도 7의 다공성 금속 구조체(32)의 기공 크기에 따른 합성가스층의 두께 변화를 나타내는 그래프를 참조하면, 상기 다공성 금속 구조체(32)의 기공 크기가 90ppi보다 작을 경우, 기체(합성가스)층의 두께가 급격하게 증가하는 것이 관찰되었다. 그렇기 때문에 다공성 금속 구조체(32)의 기공 크기는 20~ 90ppi 범위에서 설계하는 것이 바람직하다.
아울러 상기 다공성 금속 구조체(32)의 두께는 0.1 ~ 20cm 범위를 갖는 것이 바람직하다. 이는 다공성 금속 구조체(32)의 두께가 0.5cm보다 클 경우, 다공성 금속 구조체(32) 상부 영역의 촉매입자가 하부 영역으로 침전하는 것을 막음으로써, 반응기 본체(10)의 높이별 촉매 입자의 균일한 분포를 이끌어 낼 수 있다.
반면 0.1cm보다 작을 경우에는, 다공성 금속 구조체(32) 내에 기공이 구부러짐 없이 거의 일직선으로 균일하게 배열되기 때문에, 촉매 입자의 백믹싱(backmixing)을 막을 수 없게 되고 결국 촉매입자의 균일한 분포의 구현이 힘들다.
이는 도 8과 같이, 다공성 금속 구조체(32)의 기공이 80ppi이고, 두께가 0.1cm일 경우, 상부에 투입한 촉매입자가 침전하여 다공성 금속 구조체(32)의 하부로 침전하는 것을 관찰할 수 있다. 반면 도 9와 같이, 다공성 금속 구조체(32)의 두께가 1.0cm일 경우, 하부에서는 촉매입자가 거의 발견되지 않는 것을 알 수 있다. 즉, 두께가 1.0cm인 다공성 금속 구조체(32)에서는 구조체 상부에서 하부로의 촉매 입자 백믹싱(backmixing) 및 침전이 일어나지 않기 때문에 균일한 촉매 입자의 분산이 가능하다.
한편 상기 재분산수단(30)은 다공성 금속 구조체(32)의 하부에 배치되는 다공성 촉매 금속 구조체(33)를 더 포함하되, 상기 다공성 촉매 금속 구조체(33)는 다공성 금속 구조체의 표면에 촉매층(331)이 코팅되어 구성된다.
여기서 상기 다공성 촉매 금속 구조체(33)는 재분산수단(30)의 하부에 형성되는 미반응 합성가스층의 형성을 간섭하여 합성가스와 촉매의 접촉을 활성화시켜 반응 영역을 확장시킬 수 있다.
이러한 다공성 촉매 금속 구조체(33)의 기공 크기는 다공성 금속 구조체(32)의 기공 크기보다 상대적으로 큰 5 ~ 30ppi의 범위를 갖는다.
이는 다공성 촉매 금속 구조체(33)의 기공 크기가 작을수록 구조체 아래에 형성되는 합성가스층의 두께가 증가하기 때문에 이러한 합성가스층의 형성을 최소화하기 위해서는 다공성 촉매 금속 구조체(33)의 기공 크기를 30ppi보다 크게 설계하는 것이 필요하다. 도 7에서 확인할 수 있듯이, 기공 크기가 30ppi에서는 다공성 금속 구조체(32) 아래에서 합성가스층이 거의 형성되지 않는 것을 관찰할 수 있다. 따라서 다공성 촉매 금속 구조체(33)의 기공 크기는 다공성 금속 구조체(32)의 기공 크기보다 크면서 5 ~ 30ppi로 한정하는 것이 바람직하다.
또한 상기 다공성 촉매 금속 구조체(33)에 사용되는 촉매층(331)은 연속상에 슬러리 내 포함되어 분산되어 있는 촉매 입자와 같은 성분의 촉매일 수도 있고 다른 성분의 촉매일 수 있다. 여기서 상기 촉매층에 사용된 촉매 성분은 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종이상 혼합시켜 구성할 수 있다.
이러한 상기 촉매층(331)은 화학적 증기 흡착법, 물리적 증기 흡착법, 원자층 증착법 중 한 가지 기술 또는 두 가지 기술 이상의 조합에 의하여 상기 다공성 촉매 금속 구조체의 표면에 코팅되어 구성된다.
이 때 상기 촉매층(331)은 상기 다공성 촉매 금속 구조체(33)에 전체 대비 0.1 ~ 30wt% 범위의 질량분율로 코팅되어 구성되며, 이는 0.1wt%보다 작은 양의 촉매층(331)이 코팅될 경우, 다공성 촉매 금속 구조체(33)의 반응 효율 증진에 큰 영향을 미치지 않기 때문에 바람직하지 않고, 또한 촉매층(331)이 30wt%보다 클 경우에는 너무 두꺼워지기 때문에, 유체의 흐름에 의해서 떨어져 나가는 문제점이 발생한다. 따라서 촉매층(331)의 질량분율은 0.1 ~ 30 wt% 범위로 하는 것이 바람직하다.
상기 필터링수단(40)은 상기 반응기 본체(10)의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응에 의해 생성된 합성연료만을 외부로 유출시키는 기능을 한다.
이러한 상기 필터링수단(40)은 일반 스테인리스 재질로 구성될 수 있으며, 기공크기가 0.1 ~ 10㎛ 범위로 구성될 수 있으며, 가장 바람직하게는 기공 크기 1㎛인 것이 바람직하다. 기공 크기 1㎛의 필터링수단(40)을 사용하였을 경우, 반응기 본체 내에 촉매입자는 거르고 선택적으로 액상의 합성연료만을 수거할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.
10: 반응기 본체 11: 유입관
12: 유출관
20: 분산수단, 제 1분산디스크
30: 재분산수단 31: 제 2분산디스크
32: 다공성 금속 구조체
33: 다공성 촉매 금속 구조체
331: 촉매층
40: 필터링수단
50: 유량제어부
60: 유량계
12: 유출관
20: 분산수단, 제 1분산디스크
30: 재분산수단 31: 제 2분산디스크
32: 다공성 금속 구조체
33: 다공성 촉매 금속 구조체
331: 촉매층
40: 필터링수단
50: 유량제어부
60: 유량계
Claims (12)
- 석탄 합성가스를 슬러리에 함유된 촉매와 반응시켜 합성연료를 생성하는 기포탑 반응기 있어서,
촉매를 함유하는 슬러리가 저장된 기포탑 반응기 본체(10);
유입관(11)을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 기포입자로 전환시켜 반응기 본체(10)의 내부로 공급할 수 있도록 상기 반응기 본체(10)의 저면에 배치되는 분산수단(20);
상기 반응기 본체(10)의 내부를 트레이 형태로 구획되게 배치되며, 상기 분산수단(20)으로부터 공급되는 합성가스의 기포 입자를 균일하게 재분산시키는 적어도 1개 이상의 재분산수단(30);
상기 반응기 본체(10)의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응되어 생성된 합성연료만을 외부로 유출시키는 필터링수단(40); 및
상기 반응기 본체(10)의 상단에 연결되어 미반응 합성가스 및 반응시 생성되는 화학가스를 외부로 배출시키는 유출관(12)을 포함하여 이루어지며,
상기 재분산수단(30)은 내부 기공이 하단부에서 상단부로 연속적으로 불규칙하게 이어지는 다공성 금속 구조체(32)와, 상기 다공성 금속 구조체(32)의 상부에 결합되는 제 2분산디스크(31)로 이루어지며, 여기에 상기 다공성 금속 구조체(32)의 하부에 배치되는 다공성 촉매 금속 구조체(33)를 더 포함하되, 상기 다공성 촉매 금속 구조체(33)는 다공성 금속 구조체의 표면에 촉매층(331)이 코팅되어 구성되는 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
- 제 1항에 있어서,
상기 분산수단(20)은 유입관이 연결된 제 1분산디스크로 이루어지되, 상기 제 1분산디스크의 개구는 지름 0.1mm 내지 2mm 범위이고, 개구비는 제 1분산디스크의 전체 대비 0.05 ~ 2.0% 범위인 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 제 2분산디스크(31)의 개구비는 4% ~ 90% 범위인 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
- 제 1항에 있어서,
상기 다공성 금속 구조체(32)는 물에 대한 접촉각이 120°이상이 되는 소수성 재질인 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금, 철-크롬-알루미늄 합금 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
- 제 1항에 있어서,
상기 다공성 금속 구조체(32)는 내부 기공 크기가 20 ~ 90ppi(pore per inch)의 범위이고, 두께는 0.1 ~ 20cm 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
- 삭제
- 제 1항에 있어서,
상기 다공성 촉매 금속 구조체(33)의 기공 크기는 다공성 금속 구조체의 기공 크기보다 상대적으로 크며, 5 ~ 30ppi의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
- 제 1항에 있어서,
상기 촉매층(331)은 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종이상 혼합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
- 제 1항에 있어서,
상기 촉매층(331)은 화학적 증기 흡착법, 물리적 증기 흡착법, 원자층 증착법 중 한 가지 기술 또는 두 가지 기술 이상의 조합에 의하여 상기 다공성 촉매 금속 구조체의 표면에 코팅하는 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
- 제 1항에 있어서,
상기 촉매층(331)은 상기 다공성 촉매 금속 구조체에 대비 0.1 ~ 30wt%의 질량분율로 코팅되어 구성되는 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
- 제 1항에 있어서,
상기 반응기 본체(10) 내의 슬러리에 포함된 촉매는 0.1 ~ 200㎛ 의 입도 분포를 갖는 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종이상 혼합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 재분산수단을 적용한 트레이 기포탑 반응기.
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Citations (3)
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| KR20010031287A (ko) * | 1997-10-21 | 2001-04-16 | 나체만 제시카 알 | 촉매의 마모 및 불활성화를 감소시키는 슬러리 탄화수소합성 방법 |
| WO2007114271A1 (ja) | 2006-03-30 | 2007-10-11 | Nippon Steel Engineering Co., Ltd. | 気泡塔型炭化水素合成反応器 |
| KR20080060739A (ko) * | 2006-12-27 | 2008-07-02 | 한국에너지기술연구원 | 촉매가 코팅된 금속 구조체 및 그 제조방법과 이를 이용한 피셔-트롭쉬 반응의 액체연료 제조방법 |
-
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- 2010-08-10 KR KR1020100077009A patent/KR101272083B1/ko active IP Right Grant
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