KR101354479B1 - 유속변화가 가능한 유동층 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유동반응기 내에서 유동속도를 변화시키는 것에 의해 고체입자에 대한 기체반응물의 농도를 상승시키면서도 고체입자의 원활한 이송을 유지할 수 있는 유속변화형 유동반응기에 관한 것으로, 고체입자와 유체입자가 유입되는 하부고속부와, 상기 하부고속부의 상측에 연속으로 연결돼서 상기 하부고속부에 비해 유속이 저하하는 중부저속부와, 상기 중부저속부의 상측으로 연속으로 연결돼서 상기 중부저속부에 비해 유속이 빨라지는 상부고속부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유속변화가 가능한 유동층 반응기{Fluidized bed reactor being able to change gas velocity}
본 발명은 유속변화형 유동반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유동반응기 내에서 유동속도를 변화시키는 것에 의해 고체입자에 대한 기체반응물의 농도를 상승시키면서도 고체입자의 원활한 이송을 유지할 수 있는 유속변화형 유동반응기에 관한 것이다.
종래에 CO2회수 공정으로는 습식법에 의한 공정이 사용되었다. 즉, CO2를 포함하는 가스를 아민류 계통의 용액을 통과시켜 CO2를 흡수하게 하고 재생탑에서 그 용액을 재생하여 사용하는 방법이며, 이러한 습식법은 공정과정에 폐수가 추가로 발생되는 단점이 있다.
따라서 상기 습식법의 단점을 해소하기 위한 대안으로 건식법에 의한 CO2의 회수방법이 제안되었다. 상기 건식법을 이용한 시스템은 두개의 반응기를 이용하여 CO2를 회수하는 것으로, 회수반응기에 공급된 CO2를 고체흡수제(건식흡수제)에 흡착제거하고, 상기 고체흡수제는 재생반응기로 유입되어 흡착된 CO2를 제거하고, 전처리반응기에서 고체흡수제에 H2O를 흡습시켜 다시 회수반응기에 공급하는 과정으로 이루어진다.
그러나, 도 4에 도시된 바와 같이, 회수반응기에서는 흡수제가 투입되는 하단부로부터 높이가 증가함에 따라 반응기 내부에 존재하는 흡수제의 양이 지속적으로 감소하는 문제점이 있다(Daizo Kunii & Octave Levenspiel, Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann, 2nd Edition, 1991, 195page).
특히, 회수반응기로써 유동층 반응기를 사용하는 경우에는 회수반응기의 상측으로 갈수록 배기가스의 분압이 저하하므로, 배기가스에 대한 흡수제의 흡수능이 저하하게 된다(도 5 참조)(Esmail R. Monazam & Lawrence J. Shadle and Ranjani Siriwardane, Equilibrium and Absorption Kinetics of Carbon Dioxide by Solid Supported Amine Sorbent, AIChE Journal, 57(11), 3153-3159, 2011).
따라서, 기존의 방식으로는 회수반응기에 의한 이산화탄소의 흡수율을 더 이상 향상시킬 수 없는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 유동반응기 내에서 유동속도를 변화시키는 것에 의해 고체입자에 대한 기체반응물의 농도를 상승시키면서도 고체입자의 원활한 이송을 유지할 수 있는 유속변화형 유동반응기를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고체입자와 반응기체가 유입돼서 유동화상태에서 상기 고체입자와 반응기체간에 화학반응을 발생시키는 유동반응기에 있어서, 상기 유동반응기는 고체입자와 유체입자가 유입되는 하부고속부와, 상기 하부고속부의 상측에 연속으로 연결돼서 상기 하부고속부에 비해 유속이 저하하는 중부저속부와, 상기 중부저속부의 상측으로 연속으로 연결돼서 상기 중부저속부에 비해 유속이 빨라지는 상부고속부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 하부고속부의 단면적은 상기 중부저속부의 단면적보다 작고, 상기 상부고속부의 단면적은 상기 중부저속부의 단면적보다 작은 것을 특징으로 한다.
또, 상기 상부고속부는 단면적이 상측으로 갈수록 점차적으로 좁아지는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 중부저속부에는 반응기체가 추가로 공급되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 하부고속부의 상단에는 연장부가 형성되고, 상기 연장부는 상기 중부저속부의 내측에 배치되며, 상기 추가로 공급되는 반응기체는 상기 연장부의 상단보다 하측에 위치하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통하여, 동일한 양의 고체입자에 대하여 높이가 상승한 이후에도 추가적으로 반응기체를 주입함으로써 반응기체 농도를 증가시키는 것에 의해 반응이 활발하게 일어날 수 있으며, 추가적인 반응기체 주입 위치의 유속을 하부와 동일하거나 낮은 유속으로 맞출 수 있고, 반응의 종료 이후에는 다시 유속을 증가시켜 기체와 고체 혼합물의 원활한 이송이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 유동반응기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 도 1의 유동반응기를 사용한 이산화탄소 포집장치의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 2에 따른 유동반응기의 개략적인 단면도이다.
도 4는 회수반응기에서 높이에 따른 흡수제의 흡수율의 그래프이다.
도 5는 배기가스의 분압에 따른 흡수제의 흡수능의 그래프이다.
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.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 유동반응기(102)를 도시한다.
상기 유동반응기(102)는 종래의 재생반응기와 달리 단면적이 하부에서 상측으로 갈수록 2번에 걸쳐 변화하고 있다. 즉, 상기 유동반응기(102)는 고체입자와 유체입자가 유입되는 하부고속부(150)와, 상기 하부고속부(150)의 상측에 연속으로 연결돼서 상기 하부고속부(150)에 비해 유속이 저하하는 중부저속부(152)와, 상기 중부저속부(152)의 상측으로 연속으로 연결돼서 상기 중부저속부(152)에 비해 유속이 빨라지는 상부고속부(154)를 포함한다.
상기 하부고속부(150)는 유동화가 일어나면서, 아직 반응이 일어나지 않은 고체입자와 반응가스가 존재하므로, 고속의 유속조건 하에서도 충분한 반응이 일어나게 된다.
그리고, 상기 하부고속부(150)의 상측에 도달하면, 하부고속부에서의 반응에 의해 반응기체중에 포함된 반응물의 농도가 낮아지므로, 반응능력이 남아 있는 고체입자가 존재하더라도 반응이 더디게 일어나게 된다.
따라서, 본 발명에서는 상기 하부고속부(150)의 상측에 상기 하부고속부(150)보다 유속이 감소하는 중부저속부(152)를 배치한다. 이를 통해, 유속이 느려지면 반응기체와 고체입자의 접촉시간이 증가하므로 반응속도가 느리더라도 충분한 반응이 일어날 수 있도록 한다. 그러므로, 상기 중부저속부(152)를 통과하는 동안에 대부분의 고체입자가 반응능력을 소진하게 된다. 본 발명의 실시예 1에서 상기 중부저속부(152)는 상기 하부고속부(150)에 비해 단면적을 증가시키는 것에 의해(a1<a2) 유속을 느려지게 한다.
다만, 속도 저하로 인하여, 유동화가 이루어지지 않거나, 압력상승에도 불구하고 반응기체의 농도가 낮은 경우에는 상기 중부저속부(152)에 추가로 반응기체를 공급하는 것이 가능하다. 이로 인해, 상기 중부저속부(152) 내의 반응기체의 농도가 증가할 수 있다. 그러나, 추가되는 반응기체량이 지나친 경우에는 에어커튼 효과에 의해 상기 하부고속부(150)로부터 상승하는 유동화현상을 방해하므로 상기 중부저속부(152)를 설치한 효과가 저감될 수 있다.
따라서, 추가로 공급되는 반응기체와 고체입자의 직접적인 접촉을 방지하는 것이 바람직하다. 이를 위해서, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 하부고속부(150)의 상단에는 연장부(156)가 일체로 형성되고, 상기 연장부(156)는 상기 중부저속부(152)의 내측에 배치되며, 상기 추가로 공급되는 반응기체는 상기 연장부(156)의 상단보다 하측에 위치시킬 수 있다. 이 결과, 추가로 공급되는 반응기체는 상기 연장부(156)의 외주면에 부딪혀서 상승하므로, 상기 하부고속부(150)로부터 상승하는 고체입자 및 반응기체의 유동을 방해하는 커튼효과가 일어나지 않게 된다.
반응기체를 추가로 공급할 경우에는, 상기 중부저속부(152)와 상기 하부고속부(150)의 결합부분에 하는 것이 바람직하며, 중부저속부(152)의 상측에는 상부고속부(154)가 배치돼서, 반응이 완료된 고체입자와 잔여기체를 다음 과정으로 이동하기 용이하도록 유속을 증가시킨다. 본 발명에서는 이를 위해, 상기 상부고속부(154)의 단면적을 상기 중부저속부(152)에 비해 좁게 형성하고 있다(a2<a3).
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 중부저속부(152)는 급격하게 단면이 변화하는 것이 아니라, 상측으로 갈수록 점차적으로 단면적이 좁아지게 형성된다. 따라서, 상기 중부저속부(152)를 고체입자와 잔여기체가 통과하면서 상승할수록 점차적으로 유속이 증하게 된다.
이 때, 상기 상부고속부(154)에서의 유속이 적어도 상기 하부고속부(150)의 유속과 같거나 크게 하는 것이 바람직하다.
상기 하부고속부(150)의 길이(b1), 상기 중부저속부(152)의 길이(b2), 상기 상부저속부(154)의 길이(b3)는 반응기체와 고체입자의 종류, 유량, 및 반응속도에 따라 적합하게 선택될 수 있다.
본 발명의 실시예 1에 따른 유동반응기(102)는 기본적으로 상술한 바와 같이 형성된다. 다음으로, 도 2를 참조하여, 상기 유동반응기(102)를 이용한 건식 이산화탄소 포집장치(100)에 대하여 설명한다. 상기 건식 이산화탄소 포집장치(100)는 상기 유동반응기(102) 이외의 부분은 공지된 것이므로 구조 및 작동에 대해 간략하게 설명한다.
상기 건식 이산화탄소 포집장치(100)는 실시예 1에 따른 유동반응기(102), 회수싸이클론(110), 재생반응기(114), 및 전처리반응기(120)를 포함한다. 상기 전처리반응기(120)는 기본적으로 상기 재생반응기(114)와 동일한 구조를 가지며, 단지 상기 재생반응기(114)에는 재생가스가 공급되고, 상기 전처리반응기(120)에는 전처리가스가 공급된다.
상기 유동반응기(102)는 반응기체인 배기가스가 공급되는 배기가스공급관(106,108)이 하부고속부(150) 및 중부저속부(152)에 각각 설치된다. 상기 배기가스공급관(106,108)에는 조절밸브(130,132)이 설치되어 있으며, 메인공급관(134)을 통해 도시되지 않은 배기가스 공급원과 연결된다. 상술한 바와 같이, 상기 중부저속부(152)에 배치되는 배기가스공급관(108)은 상기 연장부(156)의 상단보다 하측에 배치된다.
상기 건식 이산화탄소 포집장치(100)에 사용되는 고체입자인 건식 고체흡수제는 공지의 기술에서 사용된 것을 사용할 수 있으며, 특히, 이산화탄소의 흡착력이 좋은 K2CO3 또는 Na2CO3를 사용하는 것이 바람직하다.
상기 유동싸이클론(110)은 공지의 장치로써, 상기 유동반응기(102)에서 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 원심분리하여, 상기 고체흡수제는 자중에 의해 낙하하고, 가벼운 기체, 즉 이산화탄소가 제거된 배기가스는 상기 유동싸이클론(110)에 연결되는 분리가스배출관(112)을 통해 이후 단계로 진행된다.
상기 재생반응기(114)에서는 이산화탄소를 흡수한 고체흡수제를 가열하여, 상기 고체흡수제가 이산화탄소를 방출할 수 있도록 한다. 이 때, 상기 고체흡수제의 가열온도는 상기 배기가스의 주입온도보다 높다. 상기 재생반응기(114)에서 고체흡수제의 가열은 재생가스공급관(116)으로부터 유입되는 재생가스에 의해 유동화상태에서 이루어지며, 상기 재생가스로는 스팀을 사용할 수 있다. 스팀을 이용하는 경우, 재생된 가스 중 수분만 제거하면 순수한 이산화탄소를 얻을 수 있으므로 바람직하다. 상기 고체흡수제는 상기 재생반응기(114)에 설치된 흡수제유출관(122)을 통해 상기 전처리반응기(120)로 이동된다.
상기 재생반응기(114)에는 재생싸이클론(118)이 추가로 설치된다. 이는 상기 재생가스에 의해 부유되는 고체흡수제의 유실을 방지하기 위한 것이다. 상기 재생싸이클론(118)의 구조는 기본적으로 상기 유동싸이클론(110)과 동일하다. 상기 재생싸이클론(118)에 설치되는 이산화탄소배출관(117)을 통해 배출되는 기체는 상기 고체흡수제가 흡수했던 이산화탄소이다.
상기 재생반응기(114)를 통과한 고체흡수제는 상기 전처리반응기(120)에서 이산화탄소를 흡수하기 용이한 온도를 가지게 되고, 상기 유동반응기(102)로 이동하게 된다. 상기 전처리반응기(120)의 전처리가스공급관(124)에는 고체흡수제의 냉각을 위한 전처리가스를 공급한다. 상기 전처리가스로는 대기, 또는 질소가스와 같은 불활성기체 등을 사용할 수 있다. 상기 전처리가스의 온도는 적어도 상기 유동반응기(102)에 공급되는 배기가스의 주입온도와 같거나 이보다 낮아야 한다. 그리고, 상기 전처리가스는 상기 전처리반응기(120) 내에서 고체흡수제를 유동층 운동을 시키는 것에 의해 고체흡수제를 빠르게 냉각시킬 수 있다.
또, H2O를 흡수한 건식 고체흡수제는 이산화탄소가 H2O에 쉽게 용해되는 성질 때문에 이산화탄소의 흡착율을 더욱 높이게 된다. 따라서, 상기 전처리가스를 수증기 포화상태로 공급하여 상기 고체흡수제를 조습시키는 것이 바람직하다.
상기 전처리반응기(120)에도 전처리싸이클론(126)이 설치돼서, 고체흡수제의 이탈을 방지한다. 따라서, 상기 전처리싸이클론(126)에 의해 회수되는 고체흡수제는 다시 상기 전처리반응기(120)로 피드백시키면서, 고체흡수제로부터 열에너지를 흡수한 전처리가스만을 전처리가스배출관(127)을 통해 방출시키는 것이 가능하다. 이러한 전처리가스와 고체흡수제의 접촉에 의하여 상기 전처리반응기(120)에서 배출되는 고체흡수제의 온도는 상기 유동반응기(102)의 주입온도와 동일하도록 조절하여야 한다.
다음으로 본 발명의 실시예 2에 따른 유동반응기(104)에 대해 설명한다. 상기 유동반응기(104)는 기본적으로 실시예 1의 유동반응기(102)와 동일하나 상부고속부의 형상이 상이하다. 상기 유동반응기(104)의 상부고속부(165)는 테이퍼부(164)와 소구경부(166)를 포함하여 이루어지며, 하부고속부(160)와 중부저속부(162), 연장부(168)의 설명은 실시예 1의 유동반응기(102)와 동일하므로 그 설명은 생략한다.
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: 건식 이산화탄소 포집장치 102,104: 유동반응기
106,108: 배기가스공급관 110: 유동싸이클론
112: 분리가스배출관 114: 재생반응기
116: 재생가스공급관 117: 이산화탄소배출관
118: 재생싸이클론 120: 전처리반응기
122: 흡수제유출관 124: 전처리가스공급관
126: 전처리싸이클론 127: 전처리가스배출관
128: 흡수제재유입관 130,132: 조절밸브
134: 메인공급관 150,160: 하부고속부
152,162: 중부저속부 154,165: 상부고속부
156,168: 연장부 164: 테이퍼부
166: 소구경부

Claims (5)

  1. 고체입자와 반응기체가 유입돼서 유동화상태에서 상기 고체입자와 반응기체간에 화학반응을 발생시키는 유동반응기에 있어서,
    상기 유동반응기는 고체입자와 유체입자가 유입되는 하부고속부와,
    상기 하부고속부의 상측에 연속으로 연결돼서 상기 하부고속부에 비해 유속이 저하하는 중부저속부와,
    상기 중부저속부의 상측으로 연속으로 연결돼서 상기 중부저속부에 비해 유속이 빨라지는 상부고속부를 포함하고,
    상기 중부저속부에는 반응기체가 추가로 공급되며,
    상기 하부고속부의 상단에는 연장부가 형성되고, 상기 연장부는 상기 중부저속부의 내측에 배치되며, 상기 추가로 공급되는 반응기체는 상기 연장부의 상단보다 하측에 위치하는 것을 특징으로 하는 유동반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부고속부의 단면적은 상기 중부저속부의 단면적보다 작고, 상기 상부고속부의 단면적은 상기 중부저속부의 단면적보다 작은 것을 특징으로 하는 유동반응기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 상부고속부는 단면적이 상측으로 갈수록 점차적으로 좁아지는 것을 특징으로 하는 유동반응기.
  4. 삭제
  5. 삭제
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