KR101342136B1 - Method and Apparatus for Synthesizing Methane from Syngas - Google Patents
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Abstract
본 발명은 합성가스(CO + H2 혼합가스)를 이용하여 메탄을 합성하여 합성 천연가스(synthetic natural gas)를 만드는 방법 및 장치에 대한 것으로서, 일산화탄소와 수소를 주성분으로 포함하는 합성가스에 스팀을 첨가하는 단계, 합성가스를 등온 반응기와 단열 반응기에 분리하여 공급하는 단계 및 등온 반응기에 의해 메탄의 조성이 높아진 합성가스를 단열 반응기로 송부하여 메탄을 합성하는 단계를 포함하는 메탄 합성방법을 제공하며,
상기 합성 가스에 스팀을 공급하기 위한 스팀 공급장치, 상기 합성가스와 스팀의 혼합가스의 일부가 공급되며, 상기 혼합가스가 반응하여 메탄을 생성하는 등온 반응기, 냉각수가 공급되며, 상기 냉각수를 가열하여 포화수로 형성한 후, 상기 포화수를 상기 등온 반응기에 공급하는 냉각수 공급탱크, 상기 등온 반응기로부터 배출되는 메탄 함유 혼합가스로부터 수분을 응축 제거하여 메탄 함유 가스를 공급하는 응축기, 상기 응축기를 통해 공급되는 메탄 함유 가스로부터 열을 회수하기 위한 열 교환기 및 상기 열교환기를 통과한 메탄 함유 가스 및 상기 합성가스와 스팀의 나머지 혼합가스가 혼합되어 공급되며, 촉매의 존재 하에서 반응하여 메탄을 합성하는 단열반응기를 포함하는 메탄 합성 장치가 제공된다.The present invention relates to a method and apparatus for producing synthetic natural gas by synthesizing methane using syngas (CO + H 2 mixed gas), wherein steam is added to a syngas containing carbon monoxide and hydrogen as a main component. It provides a methane synthesis method comprising the step of adding, separating and supplying the synthesis gas to the isothermal reactor and the adiabatic reactor and sending the synthesis gas having a high composition of methane by the isothermal reactor to the adiabatic reactor to synthesize the methane ,
A steam supply device for supplying steam to the synthesis gas, a portion of a mixture of the synthesis gas and steam is supplied, an isothermal reactor for reacting the mixed gas to generate methane, cooling water is supplied, and the cooling water is heated to After the formation of the saturated water, the cooling water supply tank for supplying the saturated water to the isothermal reactor, the condenser for supplying the methane-containing gas by condensing water from the methane-containing mixed gas discharged from the isothermal reactor, the condenser supplied through A heat exchanger for recovering heat from the methane-containing gas, and the methane-containing gas passing through the heat exchanger and the remaining mixed gas of the synthesis gas and steam are mixed and supplied, and an adiabatic reactor reacting in the presence of a catalyst to synthesize methane. Provided is a methane synthesis apparatus comprising.
Description
본 발명은 석탄 혹은 바이오매스 등의 가스화를 통하여 얻어지거나 혹은 석유화학산업 등의 부생가스에서 발생하는 합성가스(CO + H2 혼합가스)를 이용하여 메탄을 합성하여 합성 천연가스(synthetic natural gas)를 만드는 방법 및 장치에 대한 것이다. The present invention synthesizes methane using a synthesis gas (CO + H 2 mixed gas) obtained through the gasification of coal or biomass or generated by-product gas, such as petrochemical industry synthetic synthetic gas (synthetic natural gas) It is about a method and a device for making it.
최근 유가 상승에 따라 천연가스의 가격도 상승하고 있다. 이에 저렴한 석탄의 청정 연료화에 대한 관심이 증대되고 있으며, 석탄 가스화 기술에 대한 연구가 활발해지고 있다. 이와 함께 석탄 가스화에 의해 얻어진 합성가스를 경제적으로 활용하는 방안에 대한 연구도 함께 진행되고 있으며, 최근 미국, 중국 등지에서 활발하게 상업화가 추진되고 있다.
Recently, the price of natural gas is rising along with rising oil prices. Accordingly, interest in clean fueling of inexpensive coal is increasing, and research on coal gasification technology is being actively conducted. Along with this, research on economic utilization of syngas obtained by coal gasification is being conducted, and commercialization is being actively promoted in the United States and China recently.
합성가스를 이용하여 메탄이 주성분인 합성 천연가스를 만드는 주요 반응식 및 반응열은 다음과 같다.The main reaction formula and heat for making synthetic natural gas with methane as the main component are as follows.
한편, 일산화탄소와 수소의 반응에서 생성된 물에 의하여 메탄 합성 반응에서는 다음 반응식 3과 같은 수성가스 전환반응이 부반응으로 발생되며, 여기서 발생된 이산화탄소에 의해 상기 반응식과 같이 이산화탄소로부터 메탄 합성반응도 같이 일어난다.On the other hand, in the methane synthesis reaction by the water produced in the reaction of carbon monoxide and hydrogen, a water gas shift reaction as in
위와 같은 메탄 합성반응은 열역학적으로 압력이 올라가면 메탄의 합성 수율이 상승되지만, 반응온도가 상승하면 반대로 메탄의 합성 수율이 오히려 떨어지게 된다.
In the methane synthesis reaction as described above, the yield of methane increases as the pressure increases thermodynamically, but the yield of methane decreases as the reaction temperature increases.
메탄의 합성에는 주로 Ni계 촉매가 사용되는데, 이때, 강한 발열이 수반되기 때문에 반응열의 효과적인 추출 및 제어가 메탄 합성공정을 설계함에 있어서 매우 중요한 요소이다. 특히 일반적인 Ni계 촉매는 700℃ 이상에서는 소결 현상에 의해 촉매의 수명이 줄어들기 때문에 온도 조절이 특히 중요하다. 또한 고온에서 사용할 수 있도록 개량된 Ni계 촉매의 경우도 800℃ 이상에서는 사용하기 어렵기 때문에 촉매층의 온도 조절은 매우 중요하다.
Ni-based catalysts are mainly used for the synthesis of methane. In this case, since strong exotherm is involved, effective extraction and control of reaction heat is a very important factor in designing the methane synthesis process. In particular, the general Ni-based catalyst temperature control is particularly important because the life of the catalyst is reduced by the sintering phenomenon above 700 ℃. In addition, since the Ni-based catalyst modified to be used at high temperature is difficult to use at 800 ° C. or higher, temperature control of the catalyst layer is very important.
따라서, 상업적으로 메탄 합성을 위해 사용되는 일반적인 공정에서는 다수의 단열 반응기를 사용하고, 일부 반응기에서 반응하고 나온 생성물을 반응기 전단으로 재순환하여 반응기 유입가스와 혼합하여 반응기로 공급함으로써, 반응기 유입가스의 CO 및 H2 농도를 낮추어 반응열을 제어하는 방식을 사용하고 있다.
Therefore, in a general process commercially used for methane synthesis, a large number of adiabatic reactors are used, and the products of the reactions from some reactors are recycled to the front end of the reactor, mixed with the reactor inlet gas, and fed to the reactor, thereby reducing CO in the reactor inlet gas. And a method of controlling the heat of reaction by lowering the H 2 concentration.
도 1은 종래에 상업적인 메탄 합성방법에서 적용되고 있는 공정의 예를 나타내는 도면이다. 도 1과 같은 종래의 메탄 합성 공정에 따르면, 1차 단열 반응기에서 배출되는 일부 가스를 재순환 압축기를 사용하여 1차 반응기 유입부로 재순환하여 1차 반응기에서 반응열을 제어하고, 2차 및 3차 단열 반응기를 차례로 통과함으로써 메탄의 수율을 높일 수 있다. 재순환된 가스를 이용하여 1차 반응기에서 온도를 700℃ 이하로 유지하게 되면, 1차 반응기 후단에서는 약 50% 정도의 메탄 조성을 얻을 수 있는데, 최소한 3단 혹은 4단의 단열 반응기를 거침으로써 90% 이상의 메탄 조성을 얻을 수 있다.
1 is a view showing an example of a process that is conventionally applied in the commercial methane synthesis method. According to the conventional methane synthesis process as shown in FIG. 1, part of the gas discharged from the primary adiabatic reactor is recycled to the primary reactor inlet using a recycle compressor to control the reaction heat in the primary reactor, and the secondary and tertiary adiabatic reactor By sequentially passing through, the yield of methane can be increased. By maintaining the temperature below 700 ° C in the primary reactor using the recycled gas, a methane composition of about 50% can be obtained at the rear end of the primary reactor, at least 90% by going through a three-stage or four-stage adiabatic reactor. The above methane composition can be obtained.
한편, 한국특허공개공보 제2010-0042266호에서는 합성 가스를 1차 단열 반응기와 2차 단열 반응기로 나누어 보내고, 1차 단열 반응기에서 나오는 생성물의 일부를 재순환하여 합성가스와 혼합하여 다시 1차 반응기로 보내는 방식으로 반응열을 제어하는 방법을 개시하고 있으며, 이때, 4개의 단열 반응기를 사용하여 90% 이상의 메탄 조성의 생성물을 얻고 있다.
Meanwhile, in Korean Patent Publication No. 2010-0042266, the synthesis gas is divided into a primary adiabatic reactor and a secondary adiabatic reactor, and a part of the product from the primary adiabatic reactor is recycled, mixed with the syngas, and returned to the primary reactor. A method of controlling the heat of reaction by sending is disclosed, wherein four adiabatic reactors are used to obtain products of 90% or more methane composition.
그러나, 이러한 복수의 단열 반응기를 조합하여 메탄을 제조하는 방법은 고온, 고압의 가스를 재순환하기 위한 설비 비용이 많이 요구되고, 다수개의 단열 반응기를 사용해야 원하는 수율의 메탄을 얻을 수 있다.
However, a method of manufacturing methane by combining a plurality of adiabatic reactors requires a lot of equipment cost for recycling high-temperature, high-pressure gas, and a plurality of adiabatic reactors may be used to obtain a desired yield of methane.
이러한 복수의 단열 반응기의 조합에 따른 단점을 극복하기 위해, 일반적으로 발열반응에 많이 사용되는 스팀 냉각장치를 이용한 쉘(shell) 내에 다수개의 튜브에 촉매가 충진된 등온 반응기를 이용하여 반응열을 회수함으로써, 메탄의 수율을 올릴 수 있는 반응기 시스템에 대한 시도가 있어왔다. 이러한 특허문헌으로는 미국특허 제4294932호를 들 수 있다.
In order to overcome the disadvantages caused by the combination of a plurality of adiabatic reactors, by recovering the heat of reaction using an isothermal reactor in which a plurality of tubes are filled with a catalyst in a shell using a steam cooling device generally used for exothermic reaction Attempts have been made to reactor systems that can increase the yield of methane. As such a patent document, US patent 4294932 is mentioned.
그러나, 이와 같은 반응기 시스템을 사용하여 상용 규모의 메탄 합성공정에 적용하기 위해서는 수천 개 이상의 튜브가 요구되기 때문에 실제 상업적으로 메탄을 제조하는 공정에는 적용하기가 어렵다. 또한, 반응열에 의해 짧은 촉매층 구간 내에서 막대한 열이 발생하기 때문에 약 1인치 내경의 튜브를 사용하여 외부에서 냉각을 하더라도 촉매층 중심부에서는 700℃ 이상의 높은 온도가 발생하기 때문에 튜브 사이즈를 크게 할 수 없고, 따라서 전체 반응기 사이즈가 비대해지는 문제가 있다. However, it is difficult to apply to methane production process commercially because more than thousands of tubes are required to apply to a commercial scale methane synthesis process using such a reactor system. In addition, since the heat of reaction generates enormous heat in the short catalyst layer section, even if the tube is cooled to the outside using an inner diameter of about 1 inch, the tube size cannot be increased because a high temperature of 700 ° C. or higher is generated at the center of the catalyst layer. Therefore, there is a problem that the overall reactor size becomes large.
본 발명은 메탄 합성공정을 단순화함으로써 메탄 합성을 위한 설비비를 최소화하고, 전체 반응기의 비대화를 억제할 수 있는 메탄 합성방법 및 장치를 제공하고자 한다.
The present invention is to provide a methane synthesis method and apparatus that can minimize the cost of methane synthesis, and to suppress the enlargement of the entire reactor by simplifying the methane synthesis process.
또한, 본 발명은 촉매 표면의 반응열을 효과적으로 제어함으로써 단열 반응기를 통해 메탄을 효과적으로 생산하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.The present invention also provides a method and apparatus for effectively producing methane through an adiabatic reactor by effectively controlling the heat of reaction on the catalyst surface.
본 발명은 합성가스로부터 메탄을 합성하는 방법에 관한 것으로서, 제1 구현예에 따르면, 일산화탄소와 수소를 주성분으로 포함하는 합성가스에 스팀을 첨가하는 단계, 합성가스를 등온 반응기와 단열 반응기에 분리하여 공급하는 단계 및 등온 반응기에 의해 메탄의 조성이 높아진 합성가스를 단열 반응기로 송부하여 메탄을 합성하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a method for synthesizing methane from synthesis gas, according to a first embodiment, adding steam to a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen as a main component, separating the synthesis gas into an isothermal reactor and an adiabatic reactor. The step of supplying and sending the synthesis gas of the methane composition is increased by the isothermal reactor to the adiabatic reactor to synthesize the methane.
본 발명의 제2 구현예에 따르면, 상기 스팀은 합성가스와 스팀의 전체 부피에 대하여 10 내지 50부피%로 첨가될 수 있다.According to a second embodiment of the present invention, the steam may be added in 10 to 50% by volume based on the total volume of the syngas and steam.
본 발명의 제3 구현예에 따르면, 상기 혼합가스는 전체 혼합가스의 15 내지 60부피%가 등온반응기로 공급될 수 있다.According to a third embodiment of the present invention, the mixed gas may be supplied to the isothermal reactor 15 to 60% by volume of the total mixed gas.
본 발명의 제4 구현예에 따르면, 상기 등온 반응기로 공급된 혼합 가스에 포화수를 이용하여 등온 반응기의 온도를 일정하게 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다. According to a fourth embodiment of the present invention, the method may further include maintaining a constant temperature of the isothermal reactor using saturated water in the mixed gas supplied to the isothermal reactor.
한편, 본 발명은 일산화탄소와 수소를 포함하는 합성가스로부터 촉매의 존재 하에서 반응하여 메탄을 합성하는 메탄 합성 장치에 관한 것으로서, 제1 구현예에 따르면, 상기 메탄 합성 장치는 상기 합성 가스에 스팀을 공급하기 위한 스팀 공급장치, 상기 합성가스와 스팀의 혼합가스의 일부가 공급되며, 상기 혼합가스가 반응하여 메탄을 생성하는 등온 반응기, 냉각수가 공급되며, 상기 냉각수를 가열하여 포화수로 형성한 후, 상기 포화수를 상기 등온 반응기에 공급하는 냉각수 공급탱크, 상기 등온 반응기로부터 배출되는 메탄 함유 혼합가스로부터 수분을 응축 제거하여 메탄 함유 가스를 공급하는 응축기, 상기 응축기를 통해 공급되는 메탄 함유 가스로부터 열을 회수하기 위한 열 교환기 및 상기 열교환기를 통과한 메탄 함유 가스 및 상기 합성가스와 스팀의 나머지 혼합가스가 혼합되어 공급되며, 촉매의 존재 하에서 반응하여 메탄을 합성하는 단열반응기를 포함한다.On the other hand, the present invention relates to a methane synthesis apparatus for synthesizing methane by reacting in the presence of a catalyst from a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen, according to a first embodiment, the methane synthesis apparatus supplies steam to the synthesis gas A steam supply device for supplying a part of the mixed gas of the synthesis gas and steam, an isothermal reactor for reacting the mixed gas to generate methane, cooling water is supplied, and the cooling water is heated to form saturated water, A cooling water supply tank for supplying the saturated water to the isothermal reactor, a condenser for supplying methane-containing gas by condensing water from the methane-containing mixed gas discharged from the isothermal reactor, and heat from the methane-containing gas supplied through the condenser A heat exchanger for recovery and a methane-containing gas and the The remaining mixed gas of suwa steam is mixed and supplied, and includes an adiabatic reactor that reacts in the presence of a catalyst to synthesize methane.
본 발명의 제2 구현예에 따르면, 상기 메탄 합성 장치는 1 내지 3개의 상기 단열 반응기를 포함할 수 있다.According to a second embodiment of the present invention, the methane synthesizing apparatus may comprise one to three said adiabatic reactors.
본 발명에 의하면, 재순환공정이 필요 없어 공정을 단순화시킬 수 있고, 효과적으로 반응열을 추출할 수 있어 촉매층의 최고 온도를 낮출 수 있다. 이에 의해 효과적으로 메탄을 합성할 수 있다. According to the present invention, a recirculation process is not necessary, the process can be simplified, and the heat of reaction can be effectively extracted to lower the maximum temperature of the catalyst layer. Thereby, methane can be synthesize | combined effectively.
도 1은 종래의 메탄 합성 공정에서 복수의 단열 반응기를 조합하여 메탄을 합성하는 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 메탄 합성공정의 일 예를 개략적으로 나타내는 공정도이다.1 is a process diagram schematically showing a process of synthesizing methane by combining a plurality of adiabatic reactors in a conventional methane synthesis process.
2 is a process diagram schematically showing an example of a methane synthesis process according to the present invention.
본 발명은 석탄가스화 등을 통하여 얻어진 일산화탄소와 수소를 주성분으로 포함하는 합성가스를 이용하여 메탄을 제조하는 방법에 관한 것으로서, 등온 반응기와 스팀을 이용하여 촉매 표면의 반응열을 효과적으로 제어하고, 후단에 배치된 단열 반응기를 통해 메탄을 효과적으로 생산하고자 한다.
The present invention relates to a method for producing methane using a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen as a main component obtained through coal gasification, etc., which effectively controls the heat of reaction on the surface of the catalyst using an isothermal reactor and steam, and is arranged in the rear stage. It is intended to produce methane effectively through the advanced adiabatic reactor.
도 2는 본 발명의 메탄 합성공정의 구성도를 나타내는 것으로서, 도 2를 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
FIG. 2 shows a schematic diagram of a methane synthesis process of the present invention, with reference to FIG.
본 발명에 있어서 메탄 제조를 위해 수소와 일산화탄소를 주성분으로 포함하는 합성가스를 사용한다. 이와 같은 합성가스는 석탄 혹은 바이오매스 등의 가스화를 통하여 얻어지거나 혹은 석유화학산업 등의 부생가스에서 발생하는 합성가스를 이용할 수 있다. 이와 같은 수소와 일산화탄소를 사용하여 합성가스를 이용하여 메탄이 주성분인 합성 천연가스를 만드는 주요 반응식 및 반응열은 다음과 같다.In the present invention, a synthesis gas containing hydrogen and carbon monoxide as main components is used for the production of methane. Such syngas may be obtained through gasification of coal or biomass, or may use syngas generated from by-product gas such as petrochemical industry. The main reaction formula and heat of reaction for making synthetic natural gas containing methane as a main component using syngas using hydrogen and carbon monoxide are as follows.
한편, 일산화탄소와 수소의 반응에서 생성된 물에 의하여 메탄 합성 반응에서는 다음 반응식 2와 같은 수성가스 전환반응이 부반응으로 발생되며, 여기서 발생된 CO2에 의해 상기 반응식 3과 같이 메탄 합성반응도 같이 일어난다.On the other hand, in the methane synthesis reaction by the water produced in the reaction of carbon monoxide and hydrogen, a water gas shift reaction as in
위와 같은 메탄 합성반응은 열역학적으로 압력이 올라가면 메탄의 합성 수율이 상승되나, 반응온도가 상승하면 반대로 메탄의 합성 수율이 떨어지게 된다. 메탄의 합성에는 주로 Ni계 촉매가 사용되는데, 이때, 강한 발열이 수반되기 때문에 반응열의 효과적인 추출 및 제어가 메탄 합성공정을 설계함에 있어서 매우 중요한 요소이다. 특히 일반적인 Ni계 촉매는 700℃ 이상에서는 소결 현상에 의해 촉매의 수명이 줄어들기 때문에 온도를 조절할 필요가 있다.
In the methane synthesis reaction as described above, the synthesis yield of methane increases as the pressure increases thermodynamically, but the synthesis yield of methane decreases as the reaction temperature increases. Ni-based catalysts are mainly used for the synthesis of methane. In this case, since strong exotherm is involved, effective extraction and control of reaction heat is a very important factor in designing the methane synthesis process. In particular, since the Ni-based catalyst has a lifespan shortened by the sintering phenomenon at 700 ° C or higher, it is necessary to control the temperature.
이에, 본 발명에서는 촉매층에서의 반응열을 낮추기 위해, 상기와 같은 합성가스(1)에 스팀(2)을 혼합한다. 상기 합성가스(1)에 스팀을 혼합하여 반응열을 희석함으로써 촉매층에서의 반응열을 억제할 수 있다.
Thus, in the present invention, in order to lower the heat of reaction in the catalyst layer, the
예를 들어, H2/CO의 비율이 2.8인 합성가스를 반응기의 입구 온도 300℃로 주입하는 경우 단열 반응기를 사용하여 메탄을 합성하는 경우, 반응열에 의해 촉매 층의 최고 온도는 923℃까지 올라가게 된다. 그러나 여기에 스팀을 예를 들어, 30부피%를 혼합하여 공급하면, 촉매층의 최고 온도가 809℃로 낮아질 수 있음을 확인하였다. 이에, 본 발명에서는 스팀을 주입하여 반응열을 추출함으로써 촉매층의 최고 온도를 낮추고자 한다.
For example, when a synthesis gas having a ratio of H 2 / CO of 2.8 is injected at the inlet temperature of the reactor at 300 ° C, when methane is synthesized using an adiabatic reactor, the maximum temperature of the catalyst bed is increased to 923 ° C by the heat of reaction. I will go. However, it was confirmed that when the steam is supplied, for example, by mixing 30% by volume, the maximum temperature of the catalyst layer may be lowered to 809 ° C. Therefore, in the present invention, the steam is injected to extract the heat of reaction to lower the maximum temperature of the catalyst layer.
이때, 합성가스(1)에 혼합되는 스팀(2)은 상기 혼합가스(1) 전체 부피에 대하여 10부피% 내지 50부피%의 범위로 포함되는 것이 바람직하다. 10부피% 미만으로 포함되는 경우에는 반응열의 희석 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 50부피%를 초과하는 경우에는 메탄의 합성 수율이 저하하여 바람직하지 않다.
At this time, the steam (2) mixed in the synthesis gas (1) is preferably included in the range of 10% by volume to 50% by volume relative to the total volume of the mixed gas (1). When it is contained in less than 10% by volume, the dilution effect of the heat of reaction cannot be sufficiently obtained, and when it exceeds 50% by volume, the synthesis yield of methane decreases, which is not preferable.
상기 혼합된 합성가스(1)와 스팀(2)의 혼합 가스는 분리되어 상기 단열 반응기(7)와 등온 반응기(3)로 유입된다. 상기 단열 반응기(7)는 통상적으로 사용되는 것을 적용할 수 있는 것으로서, 여기서는 특별히 한정되지 않는다. 나아가, 상기 등온 반응기(3)는 쉘-튜브 형태의 반응기를 사용할 수 있음은 물론, 애뉼러 형태의 반응기를 사용할 수도 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않는다.
The mixed gas of the mixed syngas 1 and
1차 단열 반응기(7)에서의 촉매의 최고 온도는 등온 반응기(3)로 나누어져 들어가는 혼합가스의 양을 조절함으로써 제어할 수 있는 것으로서, 상기 등온 반응기(3)로 공급되는 혼합가스의 양은 전체 혼합가스의 15부피% 내지 60부피%의 범위인 것이 바람직하다. 15부피% 미만인 경우에는 1차 단열 반응기에서의 촉매의 최고 온도를 낮추는데 충분하지 않다. 한편, 등온반응기(3)로 공급되는 혼합가스의 양이 증가할수록 크기가 큰 등온반응기(3)가 요구되는데, 60부피%를 초과하는 경우에는 지나치게 큰 등온반응기(3)가 요구되어 경제적으로 바람직하지 않다.
The maximum temperature of the catalyst in the primary adiabatic reactor (7) can be controlled by adjusting the amount of mixed gas divided into the isothermal reactor (3), the amount of the mixed gas supplied to the isothermal reactor (3) It is preferably in the range of 15% to 60% by volume of the mixed gas. Less than 15% by volume is not sufficient to lower the maximum temperature of the catalyst in the primary adiabatic reactor. On the other hand, as the amount of the mixed gas supplied to the
상기 등온 반응기(3)로 공급된 혼합가스는 낮은 온도에서 메탄 합성반응이 진행된다. 따라서, 등온 반응기 내에서 상기 혼합가스는 메탄 수율이 증가하게 되는데, 약 80% 이상까지의 메탄 조성을 얻을 수도 있다.
The mixed gas supplied to the
상기 등온 반응기(3)에는 촉매가 충진된 촉매층 외부에 포화수가 공급되어 등온 반응기의 온도를 일정하게 유지시켜주는 역할을 한다. 상기 포화수는 냉각수 공급탱크(5)에서 가열하여 얻어진 것으로서, 이와 같은 포화수를 등온 반응기(3)로 공급함으로써 등온 반응기(3)의 온도를 일정하게 유지할 수 있다. 이때, 반응열에 의해 발생되는 포화증기는 다시 냉각수 공급탱크(5)로 회수된다.
The
한편, 냉각수 공급탱크(5)에서 발생하는 고압 스팀은 1차 단열 반응기(7)에서 발생하는 가스와 열교환기(10)에 의해 추가로 가열하여 과포화 스팀(2)을 생산할 수 있으며, 이에 의해 얻어진 과포화 스팀(2)은 스팀 터빈에 이용할 수 있다.
On the other hand, the high pressure steam generated in the cooling water supply tank (5) can be further heated by the gas generated in the primary adiabatic reactor (7) and the heat exchanger (10) to produce the supersaturated steam (2), thereby obtained The
상기 등온 반응기(3)에서 배출된 혼합가스는 열교환기(10)에서 상기 공급된 혼합가스를 냉각한 후, 응축기(11)에서 수분을 응축수(12)로 제거하여 냉각된 혼합가스를 얻을 수 있다. 그 후, 열교환기(10)로 가스의 온도를 조절한 후에, 분리되어 1차 단열 반응기(7)로 공급되는 반응되지 않은 혼합가스와 혼합되어 1차 단열 반응기(7)로 공급된다. 상기 등온 반응기(3)에서 배출된 혼합가스는 메탄의 조성이 높기 때문에, 이후 단열 반응기(7)로 들어갈 때, 앞의 스팀의 희석효과와 같은 효과를 나타내어 반응열을 억제하는 효과를 추가로 제공한다.
The mixed gas discharged from the
이와 같이 1차 단열 반응기(7)에는 반응하지 않은 합성가스(1) 및 스팀(2)의 혼합가스와 등온 반응기(3)를 통과하여 메탄의 조성이 높아진 가스가 혼합되어 공급되며, 상기 1차 단열 반응기(7)에서 메탄 합성반응이 수행됨으로써 반응기 내에서의 반응열을 낮출 수 있으며, 결국 촉매층의 최고 온도를 낮출 수 있다.
As such, the primary adiabatic reactor 7 is supplied with a mixture gas of unreacted synthesis gas 1 and
이어서, 1차 단열 반응기(7)를 통과한 가스는 순차적으로 2차 단열 반응기(8) 및 3차 단열 반응기(9)를 통과시켜 메탄 생성의 수율을 높일 수 있으며, 등온 반응기(3)와 3개의 단열 반응기(7, 8, 9)를 사용함에 의해 최종 생성물로서 합성 천연가스인 메탄(13)을 농도는 97% 이상으로 얻을 수 있다.
Subsequently, the gas passing through the primary adiabatic reactor (7) can be sequentially passed through the secondary adiabatic reactor (8) and the tertiary adiabatic reactor (9) to increase the yield of methane production, isothermal reactor (3) and 3 By using two adiabatic reactors 7, 8 and 9, methane 13, which is a synthetic natural gas, as a final product can be obtained at a concentration of 97% or more.
상기 각각의 단열 반응기(7, 8, 9)를 통과함으로써 합성된 메탄 함유 가스에는 반응 부산물인 수분을 포함하고 있으므로, 이러한 수분 제거를 위해 배출되는 메탄 함유 가스를 응축하기 위한 응축기(12)를 각각 포함할 수 있다. 이에 의해 응축된 수분을 메탄 가스로부터 분리함으로써 고 순도의 메탄(13)을 회수할 수 있다.Since the methane-containing gas synthesized by passing through each of the adiabatic reactors 7, 8, and 9 contains water as a reaction by-product, each
1: 합성가스 2: 스팀
3: 등온 반응기 4: 냉각수
5: 냉각수 공급 탱크 6: 과포화 스팀
7: 1차 단열 반응기 8: 2차 단열 반응기
9: 3차 단열 반응기 10: 열교환기
11: 응축기 12: 응축수
13: 메탄1: syngas 2: steam
3: isothermal reactor 4: cooling water
5: cooling water supply tank 6: supersaturated steam
7: Primary adiabatic reactor 8: Secondary adiabatic reactor
9: 3rd adiabatic reactor 10: heat exchanger
11: condenser 12: condensate
13: methane
Claims (6)
상기 혼합가스를 등온 반응기와 단열 반응기에 분리하여 공급하는 단계; 및
상기 등온 반응기에 의해 메탄 함량이 높아진 가스를 단열 반응기로 송부하여 메탄을 합성하는 단계를 포함하며, 상기 스팀은 합성가스와 스팀의 전체 부피에 대하여 10 내지 50부피%로 첨가되는 메탄 합성방법.
Adding steam to a synthesis gas including carbon monoxide and hydrogen to form a mixed gas;
Separating and supplying the mixed gas to an isothermal reactor and an adiabatic reactor; And
Methane is synthesized by sending a gas having a higher methane content to the adiabatic reactor by the isothermal reactor, wherein the steam is added at 10 to 50% by volume based on the total volume of syngas and steam.
The methane synthesis method according to claim 1, wherein the mixed gas is supplied with 15 to 60% by volume of the total mixed gas to the isothermal reactor.
The methane synthesis method of claim 1, wherein the isothermal reactor supplies saturated water to maintain a constant temperature of the isothermal reactor.
상기 합성 가스에 스팀을 공급하는 스팀 공급장치;
상기 합성가스와 스팀의 혼합가스의 일부가 공급되며, 상기 혼합가스가 반응하여 메탄을 생성하는 등온 반응기;
냉각수가 공급되며, 상기 냉각수를 가열하여 포화수로 형성한 후, 상기 포화수를 상기 등온 반응기에 공급하는 냉각수 공급탱크;
상기 등온 반응기로부터 배출되는 메탄 함유 혼합가스로부터 수분을 응축 제거하여 메탄 함유 가스를 공급하는 응축기;
상기 응축기를 통해 공급되는 메탄 함유 가스로부터 열을 회수하기 위한 열 교환기; 및
상기 열교환기를 통과한 메탄 함유 가스 및 상기 합성가스와 스팀의 나머지 혼합가스가 혼합되어 공급되며, 니켈 함유 촉매의 존재 하에서 반응하여 메탄을 합성하는 단열반응기를 포함하는 메탄 합성 장치.
A methane synthesis apparatus for synthesizing methane by reacting in the presence of a nickel-containing catalyst from a synthesis gas containing carbon monoxide and hydrogen, the methane synthesis apparatus is
A steam supply device for supplying steam to the synthesis gas;
A isothermal reactor supplied with a portion of the mixed gas of the syngas and steam, and reacting the mixed gas to generate methane;
Cooling water is supplied, the cooling water supply tank for heating the cooling water to form a saturated water, and then supply the saturated water to the isothermal reactor;
A condenser for condensing and removing water from the methane-containing mixed gas discharged from the isothermal reactor to supply a methane-containing gas;
A heat exchanger for recovering heat from the methane containing gas supplied through the condenser; And
Methane-containing gas passing through the heat exchanger and the remaining mixed gas of the synthesis gas and steam is mixed and supplied, the methane synthesis apparatus comprising an adiabatic reactor for reacting in the presence of a nickel-containing catalyst to synthesize methane.
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