KR101398857B1 - 열전달 면적이 증가된 촉매반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일부분에 요철이 반복형성된 복수의 제1호일; 적어도 일부분에 요철이 반복형성되고, 제1호일과 교번하고 서로 맞닿게 배열되어 제1호일의 일측면에 열매체가 유동하는 열교환 통로를 형성하고 제1호일의 타측면에 반응물이 대향유동하는 반응통로를 형성하는 복수의 제2호일; 반응물이 촉매반응을 하도록 반응통로내에 삽입되는 촉매삽입물; 및 제1호일과 제2호일을 고정하고 지지하도록 제1호일의 적어도 일측변과 제2호일의 적어도 일측변에 접하여 구비되는 복수의 지지수단;을 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기를 구현하여 열전달 효율이 향상되고 압력에 강한 효과가 있다.

Description

열전달 면적이 증가된 촉매반응기{Catalyst reactor with increasing heat exchanging surface}

본 발명은 열전달 면적이 증가된 촉매반응기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 요철이 형성된 주전열면을 구비한 호일 사이에 촉매판을 삽입하여 반응 열전달효율이 향상되고 압력에 강한 구조를 갖는 열전달 면적이 증가된 촉매반응기에 관한 것이다.

화학반응에 있어서, 반응속도를 조절하기 위해 촉매를 사용한다. 이때 촉매를 활성화시키고 발열반응 또는 흡열반응시 반응온도를 조절하기 위해 촉매반응기를 사용하게 된다.

도 1은 미국등록특허 제7594326호의 저비용 고온 열교환기 제조방법에 의한 열교환기의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선을 따라 절개한 단면도이다. 열교환기(50)는 대향 유동형 열교환이 일어나는 반응통로(53)와 반응통로(53)의 양단에 각각 형성된 열매체 입,출구(51a, 51b) 및 반응물 입,출구(52a, 52b)로 구성된다. 반응통로(53)는 대략 열교환 호일(54) 및 촉매삽입판(55)을 포함한다. 열교환 호일(54)은 반응통로(53) 내부에 열매체(1) 및 반응물(2)이 대향 유동할 수 있도록 열매체통로(3) 및 반응물통로(4)를 구획하는 주름진 호일이다. 촉매삽입판(55)은 촉매코팅된 주름진 판으로 반응물통로(4)마다 삽입된다.

상술한 바와 같이 구성되는 고온 열교환기(50)는 화학반응이 발열반응일 경우 열매체(1)로 냉각유체가 사용된다. 먼저 냉각제가 열매체 입구(51a)로 유입하고 반응물(2)이 반응물 입구(52a)로 유입한다. 냉각제와 반응물(2)은 반응통로(53)에서 서로 대향유동하면서 촉매 삽입판(55)에 코팅된 촉매와 열교환 호일(54)에서의 열전달에 의해 촉매반응이 일어난다. 화학반응 후의 반응물(2')은 반응물 출구(52b)로 나오며 열교환 후의 열매체(1')인 냉각제는 열매체 출구(51b)로 나오게 된다.

상술한 구성의 고온 열교환기(50)는 열교환호일(54)과 촉매삽입판(55)의 접촉빈도가 작아 열전달 면적이 적으므로 발열반응이나 흡열반응시에 촉매반응에 필요한 열의 전달이 좋지 않은 문제점이 있었다. 또한 열전달 효율을 향상시키기 위해 고온 열교환기(50)를 크게 하면 압력차이가 크게 발생하여 구조적으로 압력을 견디지 못하므로 결과적으로 제조가능한 고온 열교환기(50)의 크기가 제한되는 문제점이 있었다.

또한 종래의 열교환 장치로 통상적으로 핀 판형 열교환기가 사용되었다. 핀 판형 열교환기는 주전열면(primary surface) 판이 복수개 적층된다. 그리고 주전열면 판의 표면상에 수직으로 복수의 핀을 용접하거나 열교환 판과 판 사이에 주름진 판을 더 구비하여 부전열면(secondary surface)을 더 형성한다.

이러한 종래의 열교환 장치는 부피대비 전열면적(㎡/㎥)이 낮아 필요한 열효율을 얻기 위해서는 더 크게 제작되어야 하는 문제점이 있었다.

US7594326 10

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로, 요철이 형성된 주전열면을 구비한 호일 사이에 촉매판을 삽입하여 반응 열전달효율이 향상되고 압력에 강한 구조를 갖는 열전달 면적이 증가된 촉매반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련하여 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 적어도 일부분에 요철이 반복형성된 복수의 제1호일; 적어도 일부분에 요철이 반복형성되고, 제1호일과 교번하고 서로 맞닿게 배열되어 제1호일의 일측면에 열매체가 유동하는 열교환 통로를 형성하고 제1호일의 타측면에 반응물이 대향유동하는 반응통로를 형성하는 복수의 제2호일; 반응물이 촉매반응을 하도록 반응통로내에 삽입되는 촉매삽입물; 및 제1호일과 제2호일을 고정하고 지지하도록 제1호일의 적어도 일측변과 제2호일의 적어도 일측변에 접하여 구비되는 복수의 지지수단;을 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기에 의해 달성될 수 있다.

그리고 제1호일은 요철이 반복형성된 제1주전열면부; 및 제1주전열면부의 적어도 일측에 구비되어 열매체 또는 반응물이 유출입하는 제1매니폴드부;를 포함하고, 제2호일은 요철이 반복형성된 제2주전열면부; 및 제2주전열면부의 적어도 일측에 구비되어 열매체 또는 반응물이 유출입하는 제2매니폴드부;를 포함한다.

또한 제1,2주전열면부의 요철은 제1,2주전열면부의 평면상에서 파형으로 연장된다.

또한 제1,2주전열면부는 사다리꼴 형상이다.

또한 제1,2주전열면부는 제1,2호일의 중앙에 위치한다.

그리고 열매체 또는 반응물의 균일한 유동분배를 위해 제1매니폴드부 및 제2매니폴드부 사이에 구비되는 분배판;을 더 포함한다.

또한 분배판은 열매체의 균일한 유동분배를 위해 제1매니폴드부 및 제2매니폴드부 사이에 구비되는 열매체 분배판; 및 반응물의 균일한 유동분배를 위해 제1매니폴드부 및 제2매니폴드부 사이에 구비되는 반응물 분배판; 중 적어도 하나를 포함한다.

그리고 촉매삽입물은 적어도 일면에 요홈이 형성되고 촉매코팅된 판을 포함한다.

또한 요홈은 평면형상이 원형, 선형, 파형 및 격자형 중 적어도 하나이다.

그리고 촉매삽입물은 요철이 형성되고 촉매코팅된 판을 포함한다.

그리고 촉매삽입물은 촉매코팅된 복수의 브러시를 적어도 일측면에 구비한 판을 포함한다.

그리고 촉매삽입물은 스프링으로 이루어지고 촉매코팅된 판을 포함한다.

그리고 촉매삽입물은 다공성 소재로 이루어지고 촉매코팅된 판을 포함한다.

그리고 촉매삽입물은 평면이 그물형상이고 촉매코팅된 판을 포함한다.

그리고 촉매삽입물은 교체가능하다.

그리고 촉매삽입물은 촉매삽입물을 고정하기 위해 적어도 일측에 구비되는 걸쇠를 더 포함한다.

그리고 제1호일 및 제2호일의 일측변이 원통면의 원주를 이루도록 제1호일, 제2호일 및 상기 촉매삽입물이 만곡된다.

그리고 제1호일, 제2호일 및 촉매삽입물이 평평하게 유지되어 박스타입으로 형성된다.

본 발명에 따르면 제1주전열면부 및 제2주전열면부와 촉매삽입물의 접촉빈도수가 크기 때문에 열전도 면적이 증가하는 효과가 있다. 또한 부전열면을 형성하지 않고도 제1주전열면부와 제2주전열면부의 요철 및 촉매삽입물의 요홈과 같은 구성으로 인하여 대류에 의한 열전달이 활발한 효과가 있다. 따라서 촉매반응의 열전달 효율이 향상되는 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따르면 제1주전열면부와 제2주전열면부에 형성된 요철이 서로 맞닿아 지지해주므로 압력에 강한 효과가 있다. 따라서 본 발명에 따른 열전달 면적이 증가된 촉매반응기를 크기에 제한없이 제작 가능한 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따르면 촉매삽입물이 교환가능하게 구비되므로 다양한 촉매반응에 사용가능한 효과가 있다.

그리고 본 발명에 따르면 열교환을 위한 부전열면을 형성하지 않아 구성이 단순하고 제작이 간편하며 제작비용도 절감되는 효과가 있다. 또한 주전열면만으로 열전달면을 형성하여 부피대비 전열면적(㎡/㎥)이 높으므로 적은 부피에서도 높은 열전달 효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.
도 1은 미국등록특허 제7594326호의 저비용 고온 열교환기 제조방법에 의한 열교환기의 사시도,
도 2는 도 1의 A-A선을 따라 절개한 단면도,
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가된 촉매반응기의 사시도,
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가된 촉매반응기의 부분분해사시도,
도 5는 도 3의 B-B선을 따라 절개한 단면도,
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가된 촉매반응기를 구성하는 제1호일 또는 제2호일의 평면도,
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기를 구성하는 촉매삽입물의 평면도,
도 8은 제1변형실시예에 따른 촉매삽입물의 단면도,
도 9는 제2변형실시예에 따른 촉매삽입물의 평면도,
도 10은 제3변형실시예에 따른 촉매삽입물의 평면도,
도 11은 제4변형실시예에 따른 촉매삽입물의 단면도,
도 12는 제5변형실시예에 따른 촉매삽입물의 단면도,
도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기를 구성하는 반응물 분배판의 사시도,
도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기의 사시도,
도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기의 작동상태도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

<구성 및 기능>

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가된 촉매반응기의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가된 촉매반응기의 부분분해사시도이고, 도 5는 도 3의 B-B선을 따라 절개한 단면도이다. 도 3 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가된 촉매반응기의 구성 및 기능을 상세하게 설명한다.

이하에서 언급되는 '좌측' 및 '우측'은 도면상의 좌측 및 우측을 의미한다. 또한 '주전열면'(primary surface)을 이용한 열교환 방식은 주전열면을 사이에 두고 고온유체로부터 저온유체로 직접적으로 열이 전달되는 방식을 말한다. 그리고 '부전열면'(secondary surface)을 이용한 열교환 방식은 주전열면에 핀(fin)과 같은 확장된 전열면을 형성하여 주전열면으로부터 부전열면으로 추가적인 열전도가 이루어지고 부전열면 및 유체간에도 열이 전달되는 방식을 말한다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가된 촉매반응기는 대략 제1,2호일(110, 120), 촉매삽입물(130), 분배판(140), 지지수단(150) 및 고정봉(160)을 포함하여 구성된다.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가된 촉매반응기를 구성하는 제1호일 또는 제2호일의 평면도이다. 도 3 내지 도 6을 참조하여 제1,2호일(110, 120)을 자세하게 설명한다.

제1,2호일(110, 120)은 도 5에 도시된 바와 같이 열교환 통로(10)와 반응통로(20)를 구획하고 열이 전달되는 금속재질의 판이다. 열교환 통로(10)는 열매체(1)의 이동통로이다. 반응통로(20)는 반응물(2)의 이동통로로 촉매반응이 일어난다. 제1,2호일(110, 120)은 대략 제1,2주전열면부(111, 121)와 제1,2매니폴드부(112, 122)를 포함한다.

제1,2주전열면부(111, 121)는 요철이 반복형성된 부분으로 도 6에 도시된 바와 같이 제1,2호일(110, 120)의 중앙부에 위치하며 사다리꼴 형상이다. 제1,2주전열면부(111, 121)의 평면상에는 도시된 바와 같이 파형의 요철이 횡방향으로 연장되며 종방향으로 반복형성된다. 요철의 평면형상인 파형은 특정진폭 및 특정주기를 가질 수 있다. 이때 제1주전열면부(111)에 형성된 요철의 평면파형과 제2주전열면부(121)에 형성된 요철의 평면파형은 도시된 바와 같이 동일한 형상일 수도 있고, 도시된 바와 다르게 진폭 및 주기는 동일하지만 위상차가 있을 수도 있다. 위상차가 있는 경우 유동하는 열매체(1)나 반응물(2)이 와류를 형성하여 열전달이 잘 일어나게 된다. 그리고, 도 5에 도시된 바와 같이 제1,2주전열면부(111, 121)의 단면은 파형일 수 있다. 이러한 제1,2주전열면부(111, 121)를 통해 열매체(1)와 반응물(2)간에 열이 교환된다.

제1,2매니폴드부(112, 122)는 열매체(1) 또는 반응물(2)이 제1,2주전열면부(111, 121)로 유출입하는 통로이다. 제1,2매니폴드부(112, 122)는 제1,2주전열면부(111, 121)의 양 측변에 각각 하나씩 접하여 형성되며 도시된 바와 같이 대략 삼각형의 평평한 판일 수 있다. 그리고 제1,2매니폴드부(112, 122)는 유동분배를 위해 삼각형의 가장 긴 변이 도시된 바와 같이 만곡되어 형성될 수 있다. 이러한 제1,2매니폴드부(112, 122)는 좌측의 제1,2매니폴드부(112,122)가 열매체(1) 또는 반응물(2)의 유입부가 되면 우측의 제1,2매니폴드부(112,122)는 열매체(1) 또는 반응물(2)의 유출부가 된다. 다만, 제1,2호일(110, 120)을 사이에 두고 열매체(1)와 반응물(2)은 대향유동하므로 좌측의 제1,2매니폴드부(112, 122)가 열교환통로(10)를 구성할 때에 열매체(1)의 유입부가 되었다면, 반응통로(20)를 구성할 때에는 반응물(2)의 유출부가 된다.

이러한 제1,2호일(110, 120)은 도시된 바와 같이 외곽이 사다리꼴 형상일 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니고 촉매반응기의 사용목적과 필요한 열교환 효율에 적합한 다양한 외곽형상을 가질 수 있다. 제1,2호일(110, 120)이 사다리꼴 형상일 때 양 빗변은 제1,2매니폴드부(112, 122)의 가장 긴 변이 되고 상술한 바와 같이 만곡형성될 수 있다. 그리고 제1,2호일(110, 120)의 긴 변이 제1,2주전열면부(111, 121)의 긴 변과 인접하고 제1,2호일(110, 120)의 짧은 변이 제1,2주전열면부(111, 121)의 짧은 변과 인접할 수 있다.

상술한 구성의 제1,2호일(110, 120)은 스테인리스 강, 철, 니켈계 합금 등과 같은 금속재질로 이루어진다. 또한 제1,2호일(110, 120)은 열전달이 용이하고 힘을 주면 휘어질 정도의 두께를 갖는다. 제1호일(110)은 요철이 횡 방향으로 반복형성된 금속시트를 양 측변이 만곡된 사다리꼴 형상으로 절단한 후 제1주전열면부(111)를 제외한 나머지를 프레스로 평평하게 압착하여 형성된다. 제2호일(120)도 제1호일(110)과 동일한 방식으로 절단 및 압착하여 형성한다.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기를 구성하는 촉매삽입물의 평면도이고, 도 8 내지 도 12는 촉매삽입물의 변형실시예를 도시한 도면이다. 도 3 내지 도 12를 참조하여 촉매삽입물에 대해 상세하게 설명한다.

촉매삽입물(130)은 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 반응통로(20)를 이루는 제1호일(110)과 제2호일(120) 사이에 구비되며 반응물(2)이 촉매반응할 수 있도록 촉매코팅된 판을 포함한다. 촉매삽입물(130)은 제1,2호일(110, 120)과 동일한 판형상일 수도 있고 도시된 바와 다르게 적어도 제1,2주전열면부(111, 121)의 면적과 동일한 형상일 수도 있다. 그리고 촉매삽입물(130)은 도 7에 도시된 바와 같이 표면에 격자로 형성된 다수의 요홈(131)이 에칭형성된 금속판일 수 있다. 요홈(131)은 도시된 바와 다르게 원형, 파형으로 형성될 수도 있으며 그밖에 반응물(2)이 유동하면서 와류를 용이하게 형성할 수 있는 어떤 형상도 가능하다. 촉매삽입물(130)의 판 두께는 대략 1mm 내지 2mm 범위에서 결정된다. 이러한 촉매삽입물(130)의 양 측변에는 걸쇠(132)가 더 구비될 수 있다. 걸쇠(132)는 촉매삽입물(130)이 교체가능하도록 하며 촉매삽입물(130)을 촉매반응기(100)에 고정시키기 위해 구비된다. 걸쇠(132)는 도시된 바와 같이 구멍이 형성된 반원형상의 판이 촉매삽입물(130)의 양 측변에 각각 대칭적으로 구비될 수 있다.

도 8은 제1변형실시예에 따른 촉매삽입물의 단면도이다. 제1변형실시예에 따른 촉매삽입물(130a)은 도 8에 도시된 바와 같이 요철이 형성된 금속판을 포함한다. 촉매삽입물(130a)에 형성된 요철은 촉매삽입물(130a)의 평면상에 직선 또는 파형으로 연장될 수 있으며 기타 반응물(2)이 촉매와 접촉하는 면적이 넓도록 다양한 형상으로 형성될 수 있다. 이러한 요철이 형성된 금속판은 평면이 제1,2호일(110, 120)의 평면형상과 동일할 수 있고 촉매코팅된다. 그리고 촉매삽입물(130a)은 양 측변에 상술한 바와 같은 걸쇠(132)가 더 구비될 수 있다.

도 9는 제2변형실시예에 따른 촉매삽입물의 평면도이다. 제2변형실시예에 따른 촉매삽입물(130b)은 평면이 그물형상인 금속판을 포함한다. 촉매삽입물(130b)의 그물형상에는 촉매코팅이 되어있어 반응물(2)과의 접촉면적이 넓다. 그물의 조밀도나 형상은 반응물(2)의 촉매반응이 용이하고 원하는 반응속도를 얻을 수 있도록 다양하게 변경 가능하다. 이러한 그물모양의 금속판은 평면이 제1,2호일(110, 120)의 평면형상과 동일할 수 있다. 그리고 촉매삽입물(130b)은 양 측변에 상술한 바와 같은 걸쇠(132)가 더 구비될 수 있다.

도 10은 제3변형실시예에 따른 촉매삽입물의 평면도이다. 제3변형실시예에 따른 촉매삽입물(130c)은 다공성 소재로 이루어진 금속판을 포함한다. 다만, 촉매삽입물(130c)에 형성된 다수의 구멍(133)은 도시된 바와 같이 규칙적으로 배열될 수도 있고 도시된 바와 다르게 불규칙하게 배열될 수도 있다. 이러한 다공성 소재의 금속판은 평면이 제1,2호일(110, 120)의 평면형상과 동일할 수 있으며 촉매코팅된다. 그리고 촉매삽입물(130c)은 양 측변에 상술한 바와 같은 걸쇠(132)가 더 구비될 수 있다.

도 11은 제4변형실시예에 따른 촉매삽입물의 단면도이다. 제4변형실시예에 따른 촉매삽입물(130d)은 대략 걸쇠(132), 중심판(134) 및 복수의 브러시(135)를 포함하여 구성된다. 중심판(134)은 촉매삽입물(130d)의 형태를 이루는 판으로 제1,2호일(110, 120)의 형상과 동일할 수 있다. 이러한 중심판(134)에 촉매코팅된 브러시(135)가 복수개 구비된다. 브러시(135)는 반응물(2)이 유동하면서 촉매반응이 용이한 밀도로 구비되는 것이 바람직하다. 브러시(135)는 중심판(134)의 양면에 각각 형성되는 것이 바람직하며 중심판(134)이 적어도 제1,2전열면부(111, 121)와 대향하는 부분에 형성된다. 그리고 촉매삽입물(130d)은 양 측변에 상술한 바와 같은 걸쇠(132)가 더 구비될 수 있다.

도 12는 제5변형실시예에 따른 촉매삽입물의 단면도이다. 제5변형실시예에 따른 촉매삽입물(130e)은 용수철 형상으로 짜여진 금속패드를 포함한다. 촉매삽입물(130e)을 용수철 형상으로 구성하면 탄성을 갖게 되어 제1주전열면부(111), 제2주전열면부(121)와 각각 접하는 부분이 서로 밀착된다. 따라서, 제1주전열면부(111)와 제2주전열면부(121)을 통한 열전달 및 대류에 의한 열전달이 원활하므로 반응속도가 더 빨라지게 된다. 촉매삽입물(130e)은 용수철 형상으로 제1,2호일(110, 120)의 평면형상과 동일하게 연장될 수 있다. 촉매삽입물(130e)은 이러한 금속패드가 촉매코팅되고 양 측변에 상술한 바와 같은 걸쇠(132)가 더 구비되어 형성될 수 있다.

분배판(140)은 적어도 열매체 분배판(141)을 포함한다. 열매체 분배판(141)은 도 4에 도시된 바와 같이 열매체(1)의 균일한 유동분배를 위해 열매체(1)의 유출입부를 구성하는 제1매니폴드부(112)와 제2매니폴드부(122) 사이에 구비되는 금속판이다. 열매체 분배판(141)은 요철이 형성된 대략의 삼각형 금속판이며 가장 긴 변은 만곡되고 제1,2주전열면부(111, 121)와 인접한 변은 제1,2주전열면부(111, 121)의 측변처럼 빗변으로 형성된다. 열매체 분배판(141)에 형성된 요철은 제1,2호일(110, 120)의 만곡된 일측변을 따라 곡선형으로 연장되며 서로 평행하게 반복형성된다. 이러한 열매체 분배판(141)은 평면형상이 제1,2매니폴드부(112, 122)와 동일하거나 조금 작게 형성될 수 있다. 즉, 열매체 분배판(141)의 가로폭은 제1,2매니폴드부(112, 122)의 가로폭과 동일하거나 좀 더 짧다. 열매체 분배판(141)의 세로폭은 제1,2매니폴드부(112, 122)의 세로폭보다 짧은 것이 바람직하다.

지지수단(150)은 제1호일(110)과 제2호일(120)을 연결하고 지지한다. 지지수단(150)은 도시된 바와 같이 금속막대 형상일 수 있다. 지지수단(150)은 제1호일(110)과 제2호일(120)의 긴 변끼리 연결하는 제1지지막대(150a) 및 제1호일(110)과 제2호일(120)의 짧은 변끼리 연결하는 제2지지막대(150b)를 포함한다. 제1지지막대(150a)는 제1,2주전열면부(111,121)의 긴 변과 동일한 길이를 갖는다. 그리고 제1지지막대(150a)의 두께는 제1주전열면부(111)와 제2주전열면부(121)가 맞닿아 형성된 열교환통로(10)의 높이(L)보다 큰 것이 바람직하다. 제2지지막대(150b)는 적어도 제1,2주전열면부(111, 121)의 짧은 변과 동일한 길이를 갖고 제,2주전열면부(111,121)의 짧은 변과 인접한 제1,2호일(110, 120)의 변과 길이가 동일할 수 있다. 그리고 제2지지막대(150b)의 두께는 제1지지막대(150a)의 두께와 동일한 것이 바람직하다.

고정봉(160)은 촉매삽입물(130)에 형성된 걸쇠(132)를 연결하여 고정한다. 고정봉(160)은 걸쇠(132)에 형성된 구멍의 직경보다 작거나 적어도 같은 직경의 원통형일수 있으며 그 밖에 복수의 걸쇠(132)를 연결고정할 수 있는 어떤 형태라도 가능하다. 이러한 고정봉(160)은 금속재질로 이루어질 수 있다.

도 3 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기의 각 구성요소간 연결관계를 자세하게 설명한다.

먼저 제1호일(110)과 제2호일(120)이 서로 포개지지 않고 촉매반응 통로(20)를 형성하도록 제1주전열면부(111)와 제2주전열면부(121)를 배치하고 촉매삽입물(130)의 더미를 삽입한다. 그리고 제1호일(110)과 제2호일(120)의 대응하는 긴 변 및 짧은 변을 각각 용접하여 반응통로(20)를 형성한다. 이렇게 형성된 제1호일(110), 제2호일(120) 및 촉매삽입물(130)의 더미 결합체를 제1호일(110)과 제2호일(120)이 서로 교번하도록 복수개 배치하고 마주하는 제1주전열면부(111)와 제2주전열면부(121)가 열교환통로(10)를 이루도록 접하게 한다. 그리고 도 4에 도시된 바와 같이 대향하는 제1매니폴드부(112)와 제2매니폴드부(122) 사이에 열매체 분배판(141)을 각각 삽입한다. 이렇게 열매체 분배판(141)을 촉매삽입물(130)의 더미가 삽입되지 않은 제1호일(110) 및 제2호일(120) 사이마다 삽입한다. 그리고 제1호일(110)과 제2호일(120)의 대응하는 긴 변 사이에 제1지지막대(150a)를 각각 삽입하여 용접하고, 제1호일(110)과 제2호일(120)의 대응하는 짧은 변 사이에 제2지지막대(150b)를 각각 삽입하여 용접한다. 그 후 촉매삽입물(130)의 더미를 제거하고 촉매코팅된 촉매삽입물(130)을 각각 삽입한다. 그리고 고정봉(160)을 복수의 걸쇠(132)를 관통하도록 걸쇠(132)에 형성된 구멍에 삽입한다. 걸쇠(132)가 촉매삽입물(130)의 좌측과 우측에 각각 하나씩 구비될 경우 고정봉(160)도 좌측과 우측에 각각 하나씩 구비된다. 이렇게 구성된 본 발명의 제1실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기는 도 3에 도시된 바와 같이 박스타입의 촉매반응기가 된다. 다만, 본 발명에 따른 촉매반응기가 사용되는 목적 및 수용공간의 형상, 필요한 열교환 효율 등에 따라 박스타입에 한정되지 않고 다양한 형태로 제작가능하다.

도 13은 본 발명의 제2실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기를 구성하는 반응물 분배판의 사시도이다. 본 발명의 제2실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기는 상술한 구성의 제1실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기에 반응물 분배판(142)이 더 포함된다.

본 발명의 제2실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기는 대략 제1,2호일(110, 120), 촉매삽입물(130), 분배판(140) 및 지지수단(150)을 포함하여 구성되며, 제1,2호일(110, 120), 촉매삽입물(130) 및 지지수단(150)은 상술한 바와 같다.

분배판(140)은 열매체 분배판(141) 및 반응물 분배판(142)을 포함한다. 열매체 분배판(141)은 상술한 바와 같다. 반응물 분배판(142)은 반응물(2)의 균일한 유동분배를 위하여 제1매니폴드부(112)와 제2매니폴드부(122) 사이에 구비되는 금속판이다. 반응물 분배판(142)은 도 13에 도시된 바와 같이 요철이 형성된 대략의 삼각형의 금속판이며 외곽형상은 상술한 열매체 분배판(141)과 동일할 수 있다. 그리고 반응물 분배판(142)은 직선형의 요철이 횡방향으로 연장되며 종방향으로 반복형성된다.

상술한 반응물 분배판(142)은 제1실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기의 촉매삽입물(130)이 삽입되는 제1호일(110)과 제2호일(120) 사이에 더 구비되며 구체적으로 제1매니폴드부(112)와 제2매니폴드부(122) 사이에 각각 삽입된다.

도 14는 본 발명의 제3실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기의 사시도이다. 본 발명의 제3실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기와 구성요소가 동일하다. 다만, 제1실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기와 달리 원통타입으로 제작되며, 고정봉(160')이 상술한 바와 달리 원형의 고리형상이 된다.

구체적으로 촉매삽입물(130)을 삽입한 제1호일(110)과 제2호일(120)의 긴변 및 짧은 변을 각각 용접한다. 그리고 용접된 조립체와 조립체 사이에 열매체 분배판(141)을 삽입하고 제1지지막대(150a)와 제2지지막대(150b)를 사용하여 상술한 바와 같이 각 접합부를 용접한다. 이때 제1호일(110)과 제2호일(120)의 긴 변이 원통의 외경을 형성하도록 조립체를 만곡시켜 도 14에 도시된 바와 같이 적층하여 각각 용접한다. 또한 박스타입의 제1실시예와 달리 고정봉(160')에 걸쇠(132)를 먼저 끼운 후 인접한 조립체의 지지수단(150)끼리 용접하는 것이 바람직하다.

도 15는 본 발명의 제1실시예에 따른 열전달 면적이 증가한 촉매반응기의 작동상태도이다. 도 5 및 도 15를 참조하여 열전달 면적이 증가한 촉매반응기(100)에서 촉매반응이 일어나는 과정을 상세하게 설명한다.

먼저 열매체(1)는 열매체 분배판(141)이 삽입된 우측의 제1매니폴드부(112)와 제2매니폴드부(122) 사이에 유입된다. 동시에 촉매반응을 일으키고자 하는 대상 반응물(2)이 촉매삽입물(130)이 삽입된 좌측의 제1매니폴드부(112)와 제2매니폴드부(122) 사이에 유입된다. 유입된 열매체(1)는 열교환 통로(10)를 유동하며 전도 및 대류의 방식으로 촉매삽입물(130) 및 반응물(2)과 열교환을 한다. 유입된 반응물(2)은 반응통로(20)를 유동하며 촉매삽입물(130)에 의해 촉매반응을 하고 촉매반응은 열교환을 통해 활성화된다. 이때 반응물(2)은 촉매삽입물(130)의 요홈(131)에 의해 유동시 와류가 형성되므로 대류에 의한 열교환이 활발하고, 제1주전열면부(111) 및 제2주전열면부(121)의 요철에 의해 열이 전달되는 면적이 넓어 열전달 효율이 향상된다. 촉매반응 후의 반응물(2')은 우측의 제1매니폴드부(112)와 제2매니폴드부(122) 사이로 유출되며, 열교환 후의 열매체(1')는 좌측의 제1매니폴드부(112)와 제2매니폴드부(122) 사이로 유출된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로, 상술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허등록청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허등록청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1 : 열매체 1' : 열교환 후의 열매체
2 : 반응물 2' : 촉매반응 후의 반응물
3 : 열매체 통로 4 : 반응물 통로
10 : 열교환 통로 20 : 촉매반응 통로
50 : 고온 열교환기 51a, 51b : 열매체 입,출구
52a, 52b : 반응물 입,출구 53 : 반응통로
54 : 열교환 호일 55 : 촉매삽입판
100, 100' : 열전달 면적이 증가된 촉매반응기
110, 120 : 제1,2호일 111, 121 : 제1,2주전열면부
112, 122 : 제1,2매니폴드부
130, 130a, 130b, 130c, 130d, 130e : 촉매삽입물
131 : 요홈 132 : 걸쇠
133 : 구멍 134 : 중심판
135 : 브러시 140 : 분배판
141 : 열매체 분배판 142 : 반응물 분배판
150 : 지지수단 150a, 150b : 제1,2지지막대
160, 160' : 고정봉

Claims (18)

1. 적어도 일부분에 요철이 반복형성된 복수의 제1호일(110);
   적어도 일부분에 요철이 반복형성되고, 상기 제1호일(110)과 교번하고 서로 맞닿게 배열되어 상기 제1호일(110)의 일측면에 열매체(1)가 유동하는 열교환 통로(10)를 형성하고 상기 제1호일(110)의 타측면에 반응물(2)이 대향유동하는 반응통로(20)를 형성하는 복수의 제2호일(120);
   상기 반응물(2)이 촉매반응을 하도록 상기 반응통로(20)내에 삽입되는 촉매삽입물(130); 및
   상기 제1호일(110)과 상기 제2호일(120)을 고정하고 지지하도록 상기 제1호일(110)의 적어도 일측변과 상기 제2호일(120)의 적어도 일측변에 접하여 구비되는 복수의 지지수단(150);
   을 포함하고,
   상기 반응통로(20)에는 상기 촉매삽입물(130)을 삽입하기 위한 공간이 구비되어, 상기 반응통로(20)에서 상기 촉매삽입물(130)의 교체가 가능하도록 구성되며,
   상기 촉매삽입물(130)의 교체를 용이하게 하고, 상기 촉매삽입물(130)을 고정하기 위해 상기 촉매삽입물(130)의 적어도 일측에 구비되는 걸쇠(132);
   를 더 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1호일(110)은 요철이 반복형성된 제1주전열면부(111); 및 상기 제1주전열면부(111)의 적어도 일측에 구비되어 상기 열매체(1) 또는 상기 반응물(2)이 유출입하는 제1매니폴드부(112);를 포함하고,
   상기 제2호일(120)은 요철이 반복형성된 제2주전열면부(121); 및 상기 제2주전열면부(121)의 적어도 일측에 구비되어 상기 열매체(1) 또는 상기 반응물(2)이 유출입하는 제2매니폴드부(122);를 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 제1,2주전열면부(111, 121)의 요철은 상기 제1,2주전열면부(111, 121)의 평면상에서 파형으로 연장되는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 제1,2주전열면부(111,121)는 사다리꼴 형상인 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
5. 제 2항에 있어서,
   상기 제1,2주전열면부(111, 121)는 상기 제1,2호일(110, 120)의 중앙에 위치하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
6. 제 2항에 있어서,
   상기 열매체(1) 또는 상기 반응물(2)의 균일한 유동분배를 위해 상기 제1매니폴드부(112) 및 상기 제2매니폴드부(122) 사이에 구비되는 분배판(140);을 더 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
7. 제 6항에 있어서,
   상기 분배판(140)은
   상기 열매체(1)의 균일한 유동분배를 위해 상기 제1매니폴드부(112) 및 상기 제2매니폴드부(122) 사이에 구비되는 열매체 분배판(141); 및
   상기 반응물(2)의 균일한 유동분배를 위해 상기 제1매니폴드부(112) 및 상기 제2매니폴드부(122) 사이에 구비되는 반응물 분배판(142); 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 촉매삽입물(130)은 적어도 일면에 요홈(131)이 형성되고 촉매코팅된 판을 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 요홈(131)은 평면형상이 원형, 선형, 파형 및 격자형 중 적어도 하나인 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
10. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매삽입물(130)은 요철이 형성되고 촉매코팅된 판을 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매삽입물(130)은 촉매코팅된 복수의 브러시를 적어도 일측면에 구비한 판을 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
12. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매삽입물(130)은 적어도 일부분이 스프링 형상으로 이루어지고 촉매코팅된 판을 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
13. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매삽입물(130)은 다공성 소재로 이루어지고 촉매코팅된 판을 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
14. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매삽입물(130)은 평면이 그물형상이고 촉매코팅된 판을 포함하는 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
15. 삭제
16. 삭제
17. 제 1항에 있어서,
    상기 제1호일(110) 및 상기 제2호일(120)의 일측변이 원통면의 원주를 이루도록 상기 제1호일(110), 상기 제2호일(120) 및 상기 촉매삽입물(130)이 만곡된 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.
18. 제 1항에 있어서,
    상기 제1호일(110), 상기 제2호일(120) 및 상기 촉매삽입물(130)이 평평하게 유지되어 박스타입으로 형성된 것을 특징으로 한 열전달 면적이 증가된 촉매반응기.

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