KR101390661B1 - 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기에 관한 것으로, 반응기본체 내에서의 촉매와 합성가스의 반응효율을 촉진하면서 동적 기체분배기에서 합성가스가 외부로 세는 것을 억제하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 동적 기체분배기는 기포탑 반응기의 반응기본체에 연통되게 설치되며, 배합통, 기체분산수단 및 고정분산디스크를 포함한다. 배합통은 상부에 반응기본체와 연결될 수 있는 개방부가 형성되어 있고, 유입관을 통해 유입된 합성가스를 일시 저장한다. 기체분산수단은 배합통의 외부에서 합성가스를 공급받아 배합통 내부로 공급하며, 배합통 내부에서 고정분산디스크로 합성가스를 분출한다. 그리고 고정분산디스크는 배합통의 개방부에 결합되어 설치되며, 표면에 다수의 개구공이 형성되어 기체분산수단에 의해 분산된 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시킨다.

Description

동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기{Dynamic Gas Distributor And A Bubble Column Comprising The Dynamic Gas Distributor}

본 발명은 기포탑 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기본체 하부에 동적 기체분배기를 설치하여 합성가스를 반응기본체 내부로 제공하는 동적 기체분배기 및 그를 적용한 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 반응물(합성가스)이 촉매 및 생성물로 구성되어 있는 연속 상을 통과하면서 반응이 이루어진다.

이때 반응물(합성가스)과 촉매간의 균일한 접촉 및 분산을 통한 물질전달 속도는 반응 효율을 결정하는 변수로서 매우 중요시된다. 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 선속도가 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.

일반적으로 기포의 상승속도는 기포입자의 크기 및 크기분포와 밀접한 관계를 갖는다. 즉, 기포의 상승속도는 기포입자의 크기의 0.5 제곱에 비례하여 증가한다. 또한 다양한 크기의 기포입자들이 공존할 경우에는, 기포입자 간의 상승속도에서 차이를 보이기 때문에 상호 간의 충돌 빈도수가 증가하게 된다. 이러한 높은 충돌 빈도수는 기포입자 간의 응집으로 이어지기 때문에 거대 기포입자의 생성을 초래할 수 있다. 기포 상승속도의 증가는 단위 시간 동안에 반응기 내에 체류하는 시간의 감소로 이어지기 때문에 기체 포집율 관점에서 부정적이다.

따라서 반응기 내로 유입되는 기포입자의 크기를 제어하는 기술은 반응기 효율을 증진시키는 데에 매우 필수적이다. 지금까지 많은 연구자들이 이러한 기포입자의 크기를 제어하기 위하여 다양한 기체분배기 유형들을 적용하여 왔다.

이에 대한 대표적인 예로서 다공성 기체분배판, 다공성 기체분배관, 메탈폼 등을 생각할 수 있다.

이들은 기체분산판의 기공크기 및 기공간극이 기포입자의 크기분포에 미치는 영향을 체계적으로 분석함으로써 기체분산판에 대한 설계를 최적화 할 수 있었다. 다만, 이들의 연구는 일정한 형태로 고정되어 있는 기체분산판을 사용함으로 인해서 발생하는 한계요소들을 극복할 수 없었다. 즉, 일정하게 열려있는 기공을 통해서, 기포기둥이 형성되기 때문에 이에 대한 제어가 불가능하다.

이때 형성되는 기포기둥은 선행해서 상승하는 기포입자의 후단부에 형성되는 웨이크가 후행하는 기포입자의 상승속도를 촉진시킴에 따라서 나타나는 것으로 추정된다.

따라서 웨이크에 따른 기포기둥을 없애고 원하는 형태로의 기포입자의 크기를 제어할 수 있는 구조의 장치가 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 전술된 바와 같은 문제점을 해소하기 위해서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 반응기본체 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 균일하게 전환시킴은 물론, 기포입자의 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)에 의해 기포기둥이 발생되는 현상을 억제하여 반응기본체 내의 촉매와 반응효율이 증진될 수 있도록 한 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 반응기본체를 운전하거나 운전을 멈출 때 반응기본체 내부의 슬러리가 동적 기체분배기로 역류하는 것을 방지함은 물론, 회전디스크의 회전 주기를 일정하게 유지시켜 슬러리의 침강을 막을 수 있고, 또한 반응기를 종료할 때, 일정한 위치에서 회전디스크를 정지시켜 고정분산디스크의 개구비를 없애거나 최소로 만들어줌으로써 슬러리의 역류를 방지할 수 있는 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 회전디스크를 회전시키는 과정에서 합성가스가 외부로 세는 문제를 해소할 수 있는 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 기포탑 반응기의 반응기본체에 연통되게 설치되는 동적 기체분배기로서, 배합통, 기체분산수단 및 고정분산디스크를 포함한다. 상기 배합통은 상부에 상기 반응기본체와 연결될 수 있는 개방부가 형성되어 있고, 유입관을 통해 유입된 합성가스를 일시 저장한다. 상기 기체분산수단은 상기 배합통의 외부에서 합성가스를 공급받아 상기 배합통 내부로 공급하며, 상기 배합통 내부에서 상기 고정분산디스크로 상기 합성가스를 분출한다. 그리고 상기 고정분산디스크는 상기 배합통의 개방부에 결합되어 설치되며, 표면에 다수의 개구공이 형성되어 상기 기체분산수단에 의해 분산된 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시킨다.

본 발명에 따른 동적 기체분배기에 있어서, 상기 기체분산수단은 연결관과 회전디스크를 포함한다. 상기 연결관은 상기 유입관과 연결되어 배합통을 관통하여 설치된다. 상기 회전디스크는 상기 배합통의 내부에 설치되며 상기 연결관의 상단부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 유입관으로부터 공급된 합성가스를 분출하는 복수의 분출구멍이 형성되어 있다.

본 발명에 따른 동적 기체분배기에 있어서, 상기 연결관은 상기 유입관으로부터 공급된 합성가스를 상기 회전디스크에 공급할 수 있는 튜브 형태를 가지며, 상기 배합통에 관통하여 설치되는 부분은 실링 처리되어 상기 배합통에 고정 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 동적 기체분배기에 있어서, 상기 회전디스크는 상기 연결관을 통하여 공급된 합성가스를 상기 고정분산디스크로 공급할 수 있는 상기 복수의 분출구멍이 상기 고정분산디스크를 바라보는 쪽에 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 동적 기체분배기에 있어서, 상기 회전디스크는 연결캡과 복수의 날개를 포함한다. 상기 연결캡은 상기 연결관의 상단에 회전 가능하게 설치된다. 상기 복수의 날개는 상기 연결캡의 외곽에 방사형으로 설치되며, 각각 상기 복수의 분출구멍이 형성되어 있다.

본 발명에 따른 동적 기체분배기에 있어서, 상기 복수의 분출구멍을 통해 분출되는 합성가스의 분출압에 의해 상기 회전디스크가 회전할 수 있도록, 상기 복수의 날개는 각각 동일한 방향으로 경사지게 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 동적 기체분배기에 있어서, 상기 회전디스크의 재질은 물에 대한 접촉각이 80°이상이 되는 소수성 재질인 철, 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금 및 철-크롬-알루미늄 합금 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.

본 발명에 따른 동적 기체분배기에 있어서, 상기 반응기본체 내의 슬러리에 포함된 촉매는 0.1 ~ 200um 의 입도 분포를 갖는 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 일종 또는 이종 이상 혼합되어 구성될 수 있다.

본 발명은 또한 전술된 동적 기체분배기와, 촉매를 함유하는 슬러리가 저장되며, 상기 촉매를 함유하는 슬러리가 상기 동적 기체분배기로부터 유입되는 합성가스와 반응하여 합성연료를 생성하는 반응기본체를 포함하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기를 제공한다.

본 발명에 따른 기포탑 반응기는, 상기 반응기본체의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응에 의해 생성된 합성연료만을 상기 반응기본체의 외부로 유출시키는 필터링수단을 더 포함할 수 있다. 이때 상기 반응기본체의 상단에는 미반응 합성가스 및 반응시 생성되는 화학가스를 상기 반응기본체의 외부로 유출시키는 유출관이 연결될 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 기포탑 반응기는 반응기본체와, 동적 기체분배기를 포함한다. 상기 반응기본체는 촉매를 함유하는 슬러리가 저장되며, 상기 촉매를 함유하는 슬러리가 유입되는 합성가스와 반응하여 합성연료를 생성한다. 그리고 상기 동적 기체분배기는 상기 반응기본체의 하부에 연통되게 배치되며, 유입관을 통해 공급되는 합성가스를 회전으로 분산시키고, 분산된 합성가스를 균일한 기포입자로 전환시켜 상기 반응기본체의 내부로 공급한다. 이때 상기 동적 기체분배기는 배합통, 기체분산수단 및 고정분산디스크를 포함한다. 상기 배합통은 상부에 상기 반응기본체와 연결될 수 있는 개방부가 형성되어 있고, 유입관을 통해 유입된 합성가스를 일시 저장한다. 상기 기체분산수단은 상기 배합통의 외부에서 합성가스를 공급받아 상기 배합통 내부로 공급하며, 상기 배합통 내부에서 상기 고정분산디스크로 상기 합성가스를 분출한다. 그리고 상기 고정분산디스크는 상기 배합통의 개방부에 결합되어 설치되며, 표면에 다수의 개구공이 형성되어 상기 기체분산수단에 의해 분산된 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시킨다.

본 발명에 따르면, 반응기본체 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 균일하게 전환시킴은 물론, 기포입자의 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)에 의해 기포기둥이 발생되는 현상을 억제하여 반응기본체 내의 촉매와 반응효율이 증진될 수 있는 효과가 있다.

또한 반응 도중에 또는 반응 종료 시에 반응기본체 내부의 슬러리가 동적 기체분배기로 역류하는 것을 최소화하여 동적 기체분배기의 오작동 및 촉매의 유실을 막는 데에 효과가 있다.

또한 회전디스크가 내부로 공급되어 외부로 분출되는 합성가스에 의해 발생되는 힘을 이용하여 자체적으로 회전하기 때문에, 구동축을 이용하여 회전디스크를 구동시키는 방식에서 발생될 수 있는 합성가스의 리크(leak) 문제를 해소할 수 있는 효과가 있다. 즉 회전디스크는 내부로 공급된 후 외부로 분사되는 합성가스에 의해 발생되는 회전력을 이용하여 회전하기 때문에, 회전디스크를 회전시키기 위한 별도의 구동수단이 필요없다. 이로 인해 회전디스크를 구동축을 매개로 연결된 구동수단을 통해 회전시킴으로 인해서 발생될 수 있는 합성가스의 리크 문제를 해소할 수 있는 것이다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 동적 기체분배기의 일부 절개 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기을 보여주는 도면이다.
도 4는 도 3의 동적 기체분배기의 일부 절개 사시도이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

제1 실시예

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기를 보여주는 도면이다. 도 2는 도 1의 동적 기체분배기의 일부 절개 사시도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 기포탑 반응기(100)는 반응기본체(10) 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 보다 균일하게 제어함으로써, 반응기본체(10) 내에 촉매와 합성가스의 물질전달 및 반응효율을 증진시킬 수 있는 구조의 동적 기체분배기(20)를 적용한 기포탑 반응기(100)에 관한 것이다.

제1 실시예에 따른 기포탑 반응기(100)는 동적 기체분배기(20)를 통해 균일하게 전환된 기포입자가 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)와 병합되어 기포기둥이 발생되는 현상을 방지하기 위해 회전하는 기체분산수단(23)을 포함하는 구성이다.

제1 실시예에 따른 기포탑 반응기(100)는 필터링수단(30)과, 유출관(11)을 갖는 반응기본체(10)와, 반응기본체(10)의 하부에 배치되어 유입관(24)을 통해 유입되는 합성가스를 균일한 입자로 전환시키는 동적 기체분배기(20)를 포함한다.

반응기본체(10)는 합성가스와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 촉매를 함유하는 슬러리(오일, 왁스)가 저장되어 있는 구성이다.

반응기본체(10)에 저장된 슬러리에 포함된 촉매는 피셔-트롭쉬 반응 및 워터 가스 쉬프트(water gas shift) 반응에 대해 활성을 갖는 것으로, 획득되는 합성연료의 성분에 따라 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종이상 혼합되어 구성될 수 있다.

또한 촉매는 반응기본체(10) 내에 고르게 분사되기 위해서 0.1㎛ ~ 200㎛의 입도 분포를 갖는다. 이는 입자 크기가 0.1㎛보다 작을 경우, 필터링수단(30)에 의해서 걸러지지 않기 때문에 촉매의 유출을 야기할 수 있고, 200㎛보다 클 경우에는, 촉매의 침전 현상이 강하게 나타나고 반응기본체(10) 내에 촉매 입자의 고른 분산이 어렵기 때문에 바람직하지 않다.

여기서 필터링수단(30)은 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의해 생성된 합성연료를 배출시키고 촉매는 필터링하는 기능을 한다.

필터링수단(30)은 반응기본체(10)의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응에 의해 생성된 합성연료만을 외부로 유출시키는 기능을 한다.

이러한 필터링수단(30)은 일반 스테인리스 재질로 구성될 수 있으며, 기공크기가 0.1㎛ ~ 10㎛ 범위로 구성될 수 있으며, 가장 바람직하게는 기공 크기 1㎛인 것이 바람직하다. 기공 크기가 1㎛인 필터링수단(30)을 사용하였을 경우, 반응기본체(10) 내에 촉매입자는 거르고 선택적으로 합성연료만을 수거할 수 있다.

그리고 유출관(11)은 반응기본체(10) 내에서 미반응 합성가스 및 반응에 의해 생성된 화학가스(메탄, 프로판, 펜탄 등)를 배출하는 기능을 한다. 여기서 화학가스와 합성연료는 모두 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 생성물이라는 점에서 유사하지만, 화학가스는 반응조건에서 기상의 형태를 갖고, 합성연료는 액상의 형태를 취한다는 점에서 차이가 있다.

한편 동적 기체분배기(20)는 유입관(24)을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 기포입자로 전환시켜 반응기본체(10)의 내부로 공급할 수 있도록 반응기본체(10)의 하부에 연결되게 설치된다.

이러한 동적 기체분배기(20)는 고정분산디스크(21), 배합통(22) 및 기체분산수단(23)을 포함하여 구성된다. 배합통(22)은 고정분산디스크(21)의 테두리에 연직 하방으로 연장되어 있으며, 유입관(24)이 연결된다. 기체분산수단(23)은 유입관(24)과 연결되어 배합통(22)을 관통하여 설치되는 연결관(232)과, 배합통(22)의 내부에 내장되며 연결관(232)의 상단부에 회전 가능하게 설치되는 회전디스크(231)를 포함한다.

여기서 고정분산디스크(21)는 표면에 다수의 개구공(H)이 형성되어 배합통(22)을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시키는 기능을 한다. 이 때 고정분산디스크(21)의 개구공(H) 지름 크기는 0.1mm ~ 2mm 범위이고, 개구비는 0.05 ~ 2.0% 범위로 구성되는게 바람직하다.

상기에서 개구공(H)의 전체 개구비가 0.05%보다 작을 경우, 고정분산디스크(21)에서 작용하는 합성가스의 압력 강하가 매우 크게 되기 때문에, 반응기본체(10) 내의 슬러리에 포함된 촉매 및 반응에 의해 생성된 합성연료의 역류에 의해 막힘 현상이 발생하고 연속 상에 분사되어 있는 촉매 입자의 깨짐을 유발할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.

또한 개구공(H)의 개구비가 2.0% 이상이면, 반응기본체(10)의 내부로 합성가스의 고른 분사가 어렵게 되기 때문에 개구비를 0.05 ~ 2.0% 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.

이렇게 고정분산디스크(21)의 개구비를 0.05 ~ 2.0% 범위로 한정하면, 균일한 입자 분포를 갖는 합성가스가 반응기본체(10)의 연속 상에 충분한 유동성을 공급함으로써 촉매 및 슬러리와 접촉을 높여 합성가스의 생산수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 피셔-트롭쉬 발열 반응에 의한 반응열 역시 외부로 고르게 방출시킬 수 있는 구조가 마련된다.

배합통(22)은 고정분산디스크(21)와 일체로 결합된 것으로, 보다 상세하게는 고정분산디스크(21)의 테두리에 연직 하방으로 연장되어 결합되는 구조이다. 즉 배합통(22)은 반응기본체(10)와 연결되는 부분에 개방부(221)가 형성되어 있으며, 그 개방부(211)를 덮도록 고정분산디스크(21)가 배합통(22)에 결합된다.

이러한 배합통(22)은 유입관(24)을 통해 유입된 합성가스를 일시 저장하여 일정한 조성과 압력으로 혼합시키는 기능을 한다. 또한 유입관(24)은 합성가스의 유속을 조절할 수 있는 유량제어부(40)와, 기체의 유속을 실시간으로 확인할 수 있는 유량계(50)가 구비되어 촉매와의 반응에 의해 획득되는 합성연료의 선택도를 향상시킬 수 있다.

여기서 유입관(24)은 기체분산수단(23)의 연결관(232)에 연결된다.

기체분산수단(23)은 고정분산디스크(21)의 하부에 이격 설치되어 고정분산디스크(21)의 개구공(H)을 통해 균일한 입자로 전환된 기포입자가 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)와 병합되어 기포기둥이 발생되는 현상을 방지하기 위한 것이다.

보다 상세하게는 기체분산수단(23)은 고정분산디스크(21)의 하부에 이격 배치되어 개구공(H)의 개폐주기를 조절해주는 회전디스크(231)와, 회전디스크(231)에 연결되어 배합통(22) 외부의 유입관(24)에 연결되는 연결관(232)을 포함한다.

여기서 연결관(232)은 유입관(24)으로부터 공급된 합성가스를 회전디스크(231)에 공급할 수 있는 튜브 형태를 갖는다. 배합통(22)에 관통하여 설치되는 연결관(232) 부분으로 합성가스가 밖으로 세는 것을 방지할 수 있도록, 해당 부분은 실링 처리된다.

회전디스크(231)는 연결관(232)을 통하여 공급된 합성가스를 고정분산디스크(21)로 공급할 수 있는 분출구멍(233)들이 형성되어 있다. 분출구멍(233)들은 고정분산디스크(21)를 바라보는 쪽에 형성된다.

회전디스크(231)는 연결관(232)의 상단에 회전 가능하게 설치되는 연결캡(234)과, 연결캡(234)의 외곽에 방사형으로 설치된 복수의 날개(235)를 포함한다. 복수의 날개(235)에 각각 분출구멍(233)들이 형성되어 있다. 연결관(232)과 분출구멍(233)은 서로 연통되어 있다.

분출구멍(233)들을 통해 분출되는 합성가스의 분출압에 의해 회전디스크(231)가 회전할 수 있도록, 복수의 날개(235)는 각각 동일한 방향으로 경사지게 형성된다.

한편 제1 실시예에서는 날개(235)가 경사지게 형성된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 복수의 날개는 수평하게 형성하고, 복수의 날개(235)에 형성된 분출구멍(233)들의 분출 각도를 동일한 방향으로 경사지게 형성할 수도 있다.

또한 회전디스크(231)의 재질은 물에 대한 접촉각이 80°이상이 되는 소수성 재질인 철, 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금, 철-크롬-알루미늄 합금 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.

이는 물에 대한 접촉각이 80°보다 낮은 친수성 재질을 이용하게 되면 기체의 흐름이 기공의 개폐주기에 의해서 제어되기보다는 회전디스크(231)와 기포 사이의 표면장력의 영향을 강하게 받기 때문에 바람직하지 않기 때문이다.

이와 같이 제1 실시예에 따르면, 반응기본체(10) 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 균일하게 전환시킴은 물론, 기포입자의 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)에 의해 기포기둥이 발생되는 현상을 억제하여 반응기본체(10) 내의 촉매와 반응효율이 증진시킬 수 있다.

또한 반응 도중에 또는 반응 종료 시에 반응기본체(10) 내부의 슬러리가 동적 기체분배기(20)로 역류하는 것을 최소화하여 동적 기체분배기(20)의 오작동 및 촉매의 유실을 막을 수 있다.

또한 회전디스크(231)가 내부로 공급되어 외부로 분출되는 합성가스에 의해 발생되는 힘을 이용하여 자체적으로 회전하기 때문에, 구동축을 이용하여 회전디스크를 구동시키는 방식에서 발생될 수 있는 합성가스의 리크(leak) 문제를 해소할 수 있다. 즉 회전디스크(231)는 내부로 공급된 후 외부로 분출되는 합성가스에 의해 발생되는 회전력을 이용하여 회전하기 때문에, 회전디스크(231)를 회전시키기 위한 별도의 구동수단이 필요없다. 이로 인해 회전디스크를 구동축을 매개로 연결된 구동수단을 통해 회전시킴으로 인해서 발생될 수 있는 합성가스의 리크 문제를 해소할 수 있는 것이다.

제2 실시예

한편 제1 실시예에서는 기체분산수단(23)을 통해 합성가스를 제공하는 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 배합통(22)에 연결된 유입관(241)을 통해서도 합성가스를 공급할 수 있다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 동적 기체분배기(120)를 적용한 기포탑 반응기(200)를 보여주는 도면이다. 도 4는 도 3의 동적 기체분배기(120)의 일부 절개 사시도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 제2 실시예에 따른 기포탑 반응기(200)는 배합통(22)에 합성가스를 공급하는 유입관(241)이 더 연결된 구조를 제외하면, 제1 실시예에 따른 기포탑 반응기(도 1의 100)과 동일한 구조를 갖는다.

기체분산수단(23)으로 연결되는 유입관(24; 제1 유입관이라 함) 이외에, 배합통(22)에 직접 연결된 유입관(241; 제2 유입관이라 함)을 더 포함한다. 제2 유입관(241)은 배합통(22)의 중심을 향하게 하나가 설치될 수 있다.

제2 유입관(241)은 합성가스의 유속을 조절할 수 있는 유량제어부(401)와, 기체의 유속을 실시간으로 확인할 수 있는 유량계(501)가 구비되어 촉매와의 반응에 의해 획득되는 합성연료의 선택도를 향상시킬 수 있다.

그리고 제2 유입관(241)을 통해서 배합통(22)으로 유입되는 합성가스가 직접 회전디스크(231)에 물리적인 영향을 주는 것을 최소화하기 위해서, 제2 유입관9241)은 배합통(22) 내에 설치되는 회전디스크(231)의 위치보다는 아래쪽의 배합통(22) 부분에 설치될 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10: 반응기본체
11: 유출관
20: 동적 기체분배기
21: 고정분산디스크
22: 배합통
23: 기체분산수단
231: 회전디스크
232: 연결관
233: 분출구멍
234: 연결캡
235: 날개
24, 241: 유입관
30: 필터링수단
40,401: 유량제어부
50,501: 유량계
H: 개구공
100: 기포탑 반응기

Claims (11)

1. 기포탑 반응기의 반응기본체에 연통되게 설치되는 동적 기체분배기로서,
   상부에 상기 반응기본체와 연결될 수 있는 개방부가 형성되어 있고, 유입관을 통해 유입된 합성가스를 일시 저장하는 배합통;
   상기 배합통의 외부에서 합성가스를 공급받아 상기 배합통 내부로 공급하며, 상기 배합통 내부에서 고정분산디스크로 상기 합성가스를 분출하는 기체분산수단;
   상기 배합통의 개방부에 결합되어 설치되며, 표면에 다수의 개구공이 형성되어 상기 기체분산수단에 의해 분산된 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시키는 고정분산디스크;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
2. 제1항에 있어서, 상기 기체분산수단은,
   상기 유입관과 연결되어 배합통을 관통하여 설치되는 연결관;
   상기 배합통의 내부에 설치되며 상기 연결관의 상단부에 회전 가능하게 설치되며, 상기 유입관으로부터 공급된 합성가스를 분출하는 복수의 분출구멍이 형성된 회전디스크;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
3. 제2항에 있어서, 상기 연결관은
   상기 유입관으로부터 공급된 합성가스를 상기 회전디스크에 공급할 수 있는 튜브 형태를 가지며, 상기 배합통에 관통하여 설치되는 부분은 실링 처리되어 상기 배합통에 고정 설치되는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
4. 제2항에 있어서, 상기 회전디스크는
   상기 연결관을 통하여 공급된 합성가스를 상기 고정분산디스크로 공급할 수 있는 상기 복수의 분출구멍이 상기 고정분산디스크를 바라보는 쪽에 형성된 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
5. 제4항에 있어서, 상기 회전디스크는
   상기 연결관의 상단에 회전 가능하게 설치되는 연결캡;
   상기 연결캡의 외곽에 방사형으로 설치되며, 각각 상기 복수의 분출구멍이 형성된 복수의 날개;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
6. 제5항에 있어서,
   상기 복수의 분출구멍을 통해 분출되는 합성가스의 분출압에 의해 상기 회전디스크가 회전할 수 있도록, 상기 복수의 날개는 각각 동일한 방향으로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
7. 제4항에 있어서,
   상기 회전디스크의 재질은 물에 대한 접촉각이 80°이상이 되는 소수성 재질인 철, 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금 및 철-크롬-알루미늄 합금 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 반응기본체 내의 슬러리에 포함된 촉매는 0.1 ~ 200um 의 입도 분포를 갖는 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 일종 또는 이종 이상 혼합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 동적 기체분배기;
   촉매를 함유하는 슬러리가 저장되며, 상기 촉매를 함유하는 슬러리가 상기 동적 기체분배기로부터 유입되는 합성가스와 반응하여 합성연료를 생성하는 반응기본체;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
10. 제9항에 있어서,
    상기 반응기본체의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응에 의해 생성된 합성연료만을 상기 반응기본체의 외부로 유출시키는 필터링수단;을 더 포함하고,
    상기 반응기본체의 상단에는 미반응 합성가스 및 반응시 생성되는 화학가스를 상기 반응기본체의 외부로 유출시키는 유출관이 연결되는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
11. 촉매를 함유하는 슬러리가 저장되며, 상기 촉매를 함유하는 슬러리가 유입되는 합성가스와 반응하여 합성연료를 생성하는 반응기본체;
    상기 반응기본체의 하부에 연통되게 배치되며, 유입관을 통해 공급되는 합성가스를 회전으로 분산시키고, 분산된 합성가스를 균일한 기포입자로 전환시켜 상기 반응기본체의 내부로 공급하는 동적 기체분배기;를 포함하며,
    상기 동적 기체분배기는,
    표면에 다수의 개구공이 형성되어 유입관을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시키는 고정분산디스크;
    상기 고정분산디스크의 테두리에 연직 하방으로 연장된 배합통;
    상기 배합통의 외부에서 합성가스를 공급받아 상기 배합통 내부로 공급하며, 상기 배합통 내부에서 상기 고정분산디스크로 상기 합성가스를 분출하는 기체분산수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.

Images