KR101402241B1 - 이산화탄소 개질 기상화학반응의 농도를 실시간 검출하는 시스템을 이용하는 방법 - Google Patents

이산화탄소 개질 기상화학반응의 농도를 실시간 검출하는 시스템을 이용하는 방법 Download PDF

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장태선
송상훈
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한국화학연구원
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Abstract

본 발명은 이산화탄소 개질 기상화학반응의 모니터링 방법에 관한 것으로, 사중극자 질량분석기를 이용하여 반응의 적절 진행 여부를 실시간으로 판단하는 방법에 관한 것이다.

Description

이산화탄소 개질 기상화학반응의 농도를 실시간 검출하는 시스템을 이용하는 방법{Method for using in-situ measuring system for analyzing a concentration of gas phase carbon dioxide reforming reaction}
본 발명은 이산화탄소와 메탄으로부터 수소와 일산화탄소를 제조하는 반응의 각 성분의 농도를 실시간으로 모니터링 방법에 관한 것으로, 사중극자 질량분석기를 이용하여 반응의 적절 진행여부를 실시간으로 판단하는 방법에 관한 것이다.
또한 본 발명은, 생성물의 조성과 농도를 빠르게 분석하여 초기단계 상태(state of initial periods)에서의 반응 속도(the rate of reaction)를 결정하고 후속 공정의 예측으로 상용공정의 운전중 발생할 수 있는 문제를 사전방지하는 기술에 관한 것이다.
산업활동 및 산림자원의 파손을 비롯한 인간활동에 의해 대기 중으로 배출된 이산화탄소 등의 온실가스가 적외선을 흡수함으로써 온실효과(Greenhouse Effect)를 일으킨 결과 지구가 온난화되는 전지구적인 환경문제가 대두되고 있다. 기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC)의 제4차 보고서(2007. 11월)에 의하면 20세기의 100년동안 지구의 평균기온은 약 0.74도 상승했으며 지구 해수면은 3.1mm/y 상승하였으며 북극해빙 범위는 1978년 이후 27%/y의 속도로 감소하고 있다. 이에 대기 중 이산화탄소를 이용하여 탄소자원으로 다시 이용하는 기술에 대한 요구가 점점 커지고 있다.
이산화탄소는 열역학적으로 매우 안전한 물질이지만 촉매화학적 또는 생물학적 반응 등을 통하여 환원을 거쳐 유용한 화학시장제품의 원료로 사용될 수 있다
예를 들면 연간 10억톤의 우레아가 이산화탄소를 이용하여 제조되고 있으며, 이는 화학비료, 우레아 수지, 우레아-멜라민 수지, 또는 동물사료 첨가제로서 이용되고 있다. 또 다른 유기화합물로서 알킬렌 카보네이트 (용매), b-옥시나프틸산 (염료의 재료), 살리실산 및 이들의 유도체(의약품 또는 식품의 보존제 등)도 역시 이산화탄소로부터 소량 생산되고 있다. 이산화탄소로부터 이러한 유기화합물들은 전세계적으로 연간 2억톤 이하로 제조되는 것으로 추산된다.
이산화탄소의 수소화 반응을 통해 얻어지는 포름산 및 메틸 알코올의 합성은 이산화탄소의 활용에 대한 기술로서 널리 연구되고 있다. 또한 이산화탄소의 수소화 반응을 통하여 포름산 에스터와 포름아마이드 역시 각각 알코올류와 아민류의 제조과정에서 함께 제조되고 있다. 이러한 반응들은 균일촉매와 불균일 촉매 하에서 모두 진행될 수 있다.
포름산 에스터와 같은 카본산 에스터는 다양한 산업적 및 화학적 제조과정에서 유용한 중간체로서 각광받고 있으며, 또한 폴리카보네이트류, 이소시아네이트류, 알킬기 도입 물질, 용매, 및 연료 첨가제의 반응 재료로서 이용되고 있다.
카밤산 에스터(우레탄)(NR2COOR0)은 CO2/아민 시스템을 포함하는 반응을 통하여 얻어지며, 화학 산업에서 매우 중요한 화합물이다. 또한 그 유도체는 의약품, 제초제, 항균제, 살충제의 전구체가 되며 이소시아나이드의 전구체가 되는, 다시 말해 고기능성 플라스틱류, 폴리우레탄류, 엘라스토머, 및 접착제의 중간체가 된다. 이소시아네이트(RNCO)는 이러한 카바메이트의 분해를 통해 얻을 수 있다.
이와 같이 이산화탄소로부터 제조될 수 있는 다양한 화합물들은 해당 시장의 화학제품으로 활용될 수 있으나, 다음과 같이 화학제품의 기반제품(commodity products)으로도 많은 관심과 노력이 경주되고 있다. 대기 중 이산화탄소를 활용하는 또 다른 방법은 도 1에 나타나 있다. 지금까지 대기 중 CO2를 줄이고 이를 활용하기 위한 가장 전망 있는 기술 중의 하나이며 수많은 C1화학산업제품의 원료가 될 수 있는 합성가스(syngas)를 제조하기 위해 메탄의 촉매적 CO2 개질반응이 대두되고 있으며, 이는 H2/CO비가 unity(= 1)인 합성가스를 제조할 수 있고 이는 메탄올 또는 다른 피셔-트롭쉬 반응에 적합하기 때문에, 스팀 개질 및 부분적 산화반응을 통한 합성가스 제조방법에 비하여 유용하다.
이러한 메탄의 촉매적 CO2 개질반응은 CO2개질반응이라고 불리우는데 열역학적으로 높은 온도에서 반응이 진행되며 메탄의 크래킹 및 두 분자의 일산화탄소로부터 생성되는 부다 반응(Boudard reaction)에 의하여 탄소침적이 걸림돌이 되어 산업적 공정을 위한 연구와 기술개발이 계속되고 있다.
출원 제10-1997-0079194호에서는, 질량분석기를 내장한 RGA-QMS(Residual Gas Analyzer - Quadrupole Mass Spectrometer)을 사용하여 인시튜 모니터링 가능한 플라즈마 식각장치를 개시하고 있고, 출원 제10-2002-0032970호는 생성물 검출에 기초하여 실시간 증착 공정을 제어하는 시스템 및 방법을 개시하며, 출원 제10-2004-0032985호는 기체 크로마토그래피-질량분석기에 기초한 머리카락 중의 내인성 코티손을 검출하는 방법을 개시하고 있다.
한편, 출원 제10-2009-0103053호는 대기 중 휘발성 유기 화합물을 극미량까지 실시간으로 정성, 정량 분석 할 수 있도록 고안된 휴대형 가스크로마토그래프- (GCMS)로서, 사중극자(Quadropole) 질량 분석기를 포함하는 MS부 질량분석기 (Mass Spectrometer); 및 상기 GC부와 MS부를 연결하는 GCMS 인터페이스; 가 일체로 구성되는 실시간 휘발성 유기 화합물 모니터링을 위한 휴대형 GCMS를 개시하고 있다.
한편, 메탄의 촉매적 CO2 개질반응에 대한 속도론적 연구에 있어서, 반응초기의 농도 변화 현상을 파악하여 필요한 속도결과 데이터를 기초로 초기 상태에 진행되는 반응물과 생성물의 농도를 측정하기에는 GC의 체류시간은 너무 길어서 보다 빠르고 신뢰성과 재현성이 있는 측정방법이 필요한 실정이다. 가스크로마토그래피(GC)를 사용하는 방법에서는 각 성분이 이온화되어 각각의 극성에 따라 수분~수십분의 체류시간에 나타나는 피크의 면적으로 농도를 알 수 있다, 그러나 반응 초기의 농도구배를 수초~수십초 단위에서 파악함으로서 후속공정에서의 탄소침적이 심해지거나 부산물의 생성이 증가되는 현상 등에 의한 조업 중단 사고 등을 미리 방지할 수 있다. 본 기술에서는 이를 위하여 GC를 대신하여 질량 분석기를 이용한 in situ 분석기술을 개발하기 위하여 농도결과의 신뢰성 및 재현성 등을 확보하는 연구를 거쳐 특허를 출원하게 되었고, 수많은 반복실험을 거쳐 대안 측정장치로 활용하게 되었다. 본 발명은 이산화탄소와 메탄으로부터 수소와 일산화탄소를 개질하는 반응을 모니터링 하는 방법에 있어서 실시간(in situ) 방법이 가장 이상적인바, 이러한 실시간 모니터링은 인터벌 타임(interval time)이 10분 이상 혹은 1시간 이상인 경우에도 실시간 모니터링이라 정의하고 있는 기술도 있으나 실질적으로 개질반응에 있어서 인터벌 타임이 1분 이상을 넘어가게 되면 반응이 완료되기 전에 코크라고 정의하는 탄소침적이 심화되어 촉매의 성능이 급속도로 저하되고 이로 인해 결과적으로 조업이 중단되는 결과를 초래하게 된다. 이러한 현상을 대규모 공정단위로 고려하였을 때 초래되는 경제적 손실 역시 대규모일 것이다. 따라서 이러한 종래의 문제점을 해결하는 기술이 시급한 실정이다.
본 발명은, 유입 기체의 양을 조절하는 질량 흐름 제어부, 유입 기체 혼합부, 압력 지시부, 및 촉매베드와 용로를 포함한 개질 반응기를 포함하는 시스템을 이용하여 이산화탄소와 메탄으로부터 수소와 일산화탄소를 개질하는 반응의 모니터링 방법에 있어서,
1) 질량흐름 제어부 및 유입기체 혼합부를 이용하여 이산화탄소와 메탄을 반응시키는 단계;
2) 이산화탄소, 메탄을 포함하는 반응물 및 일산화탄소를 포함하는 생성물의 농도를 사중극자 질량 분석기를 이용하여 실시간으로 측정하는 단계;
3) 상기 측정된 농도로부터 하기 수식을 이용하여 반응물 또는 생성물의 유속을 정량분석하는 단계; 및
4) 상기 분석 데이터로부터 개질 반응의 적절 진행 여부를 예측하는 단계를 포함하는 반응 모니터링 방법을 제공한다.
수식
A의 유속(ml/min) = (A의 농도/내부표준 물질의 농도) x 내부표준 물질의 유속
A는 이산화탄소, 메탄 또는 일산화탄소:
또한 본 발명은 상기, 단계2)의 실시간 측정은 1회당 분석 소요시간이 3초 이내인 것인 방법을 제공한다.
또한 본 발명은, 상기 단계 4)는,
이산화탄소, 메탄을 포함하는 반응물 및 일산화탄소를 포함하는 생성물의 농도로부터 탄소 밸런스 값을 계산하는 단계와;
상기 탄소 밸런스 값으로 부터 코크의 생성 여부를 판단하는 단계와;
상기 코크의 생성이 일정 수준 이상일 경우 개질 반응이 적절하게 진행되지 않는다고 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 예측단계는,
정상상태 전의 농도로부터 정상상태 이후의 적절성을 예측하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.
가스 크로마토그래피는 1회의 분석 때마다 비교적 긴 용리 시간을 필요로 하기 때문에 안정화 단계 전의 시간 동안 반응 프로파일을 분석하는 데에 어려움이 있다. 본 발명의 사중극자 질량분석기(qMS)를 이용하는 경우, 1회의 분석 시간이 2초를 넘지 않기 때문에 정상 상태를 개시하는 생성물-반응물 프로파일을 분석하는 것이 가능해진다.
도1은 이산화탄소의 다양한 산업적 활용을 모식화한 것이다.
도2는 본 발명의 실시간 검출 시스템을 모식화한 것이다.
도3은 표2의 결과를 그래프로 나타낸 것이다.
도4는 본 발명의 질량분석기로 검출된 각 성분의 농도가 정상상태에 이르기까지의 개질반응 농도분포 즉 프로파일을 나타낸 그래프이다.
이산화탄소와 메탄으로부터 수소와 일산화탄소를 개질하는 반응을 모니터링 하는 방법에 있어서 실시간(in situ) 방법이 가장 이상적인바, 이러한 실시간 모니터링은 인터벌 타임(interval time)이 10분 이상 혹은 1시간 이상인 경우에도 실시간 모니터링이라 정의하고 있는 기술도 있으나 실질적으로 개질반응에 있어서 인터벌 타임이 1분 이상을 넘어가게 되면 반응이 완료되기 전에 코크라고 정의하는 탄소침적이 심화되어 촉매의 성능이 급속도로 저하되고 이로 인해 결과적으로 조업이 중단되는 결과를 초래하게 된다. 이러한 현상을 대규모 공정단위로 고려하였을 때 초래되는 경제적 손실 역시 대규모일 것이다. 따라서 이러한 종래의 문제점을 해결하는 기술이 시급한 실정이다. 따라서 본 발명은 이를 해결하기 위해 이산화탄소와 메탄으로부터 수소와 일산화탄소를 개질하는 반응의 모니터링 방법에 관한 것으로, 사중극자 질량분석기를 이용하여 반응의 적절 진행 여부를 실시간으로 판단하는 방법을 제공하고자 한다.
즉, 본 발명은, 생성물의 조성과 농도를 빠르게 분석하여 초기단계 상태(state of initial periods)에서의 반응 속도(the rate of reaction)를 결정하고 후속 공정의 예측으로 공정운전중의 문제를 사전 방지하는 기술을 제공하고자 한다.
본 발명은, 생성물의 조성을 결정함으로서 반응 속도를 결정하고, 이를 이용하여 초기단계 상태(state of initial periods)에서 단위시간당 반응 속도(the rate of reaction)를 결정하는 것에 관한 것이다. 정상상태 (steady state)에 도달하기 전 반응 진행 프로파일(reaction profile)은 사중극자 질량 분석기(quadruple mass spectrometer (qMS))를 이용하여 얻어지며, 반응 속도를 결정하기 위한 장치는 반응 챔버, 압력 센서 및 온도 센서의 기능을 하는 장치, 사중극자 질량분석기, 및 반응물-생성물 프로파일을 반응 속도 수학식으로 전환하는 로그 전환 회로(logarithmic conversion circuit)를 포함한다.
메탄의 CO2개질반응을 위한 적합한 촉매를 개발하고 반응기를 디자인하기 위해서는, 검정선 과정(calibration process)을 거친 유효하고 신뢰할만한 분석이 선행되어야 한다. 반응기 배출물의 조성을 검출하고 분석하는 가장 일반적인 장치는 기체 크로마토그래피(gas chromatography)이다. 상기 장치를 이용하여 화합물이 충분히 열적으로 안정하고 휘발성을 갖추었다는 전제하에 광범위하고 다양한 종류의 시료를 분석 할 수 있는 것이다.
가스 크로마토그래피에서, 이동상(mobile phase)은 헬륨과 같은 희가스 또는 질소와 같은 불활성 기체를 수송기체로 사용한다. 고정상(stationary phase)은 불활성 고체(inert solid) 지지체 상에 액체 또는 폴리머의 마이크로 층(microscopic layer)이며, 그 내부에 컬럼이라고 칭하는 유리 또는 금속 튜브가 있다.
시료는 희가스 이동상의 흐름에 의해 수송되어 컬럼을 통과하게 된다. 컬럼 자체는 불활성 고체 표면에 흡수된 액체 고정상을 포함하고 있다. 정확한 분석을 위하여, 컬럼의 온도는 10도 단위로 제어될 수 있어야 한다. 가장 바람직한 컬럼의 온도는 시료의 끓는점에 의존한다. 즉, 컬럼의 온도는 엄지손가락 법칙(rule of thumb)에 따라, 2~30분의 용리 시간(elution time)에 따른 시료의 평균 끓는점보다 약간 높아야 한다. 만약 시료가 다양한 범위의 끓는점을 가지는 경우 온도 프로그래밍(temperature programming)을 이용하는 것이 바람직하다. 컬럼의 온도는 각각의 분리 과정에서 지속적으로 또는 단속적으로 상승하게 될 것이다.
좋은 분해능(resolution)을 얻기 위해서는 용리 시간이 더 길어지기 때문에 유도 단계(induction period)의 초기시간 동안 배출물의 조성을 검출하여 분석하는 것은 불가능하다. 반응속도를 결정하기 위해 더 짧은 시간 이내에 검출을 완료할 수 있는 분석 장치가 필요하다.
질량 분석기는 원자 및 분자의 질량과 상대적 농도를 측정하는 장치이다. 이는 동적으로 하전된 입자의 기본적인 자기력을 이용하는 것이다. 상기 장치는 동위원소의 미소한 질량차이를 이용한 검출기이다. 이는 서로 평행하게 배열된 4개의 환형 로드(rod)를 포함하고 있다. 사중극자 질량 분석기(quadrupole mass spectrometer, qMS)의 사중극자는 각각의 질량-하전 비(m/z)에 기초한 시료 이온을 필터링하기 위한 것이다. 이온은 이들의 오슬로 전기장에서의 궤적의 안정성에 기초하여 각각의 로드로 나뉘어 진다.
사중극자는 4개의 평행한 금속 로드(rod)로 구성되어 있다. 각각의 반대편에 배치된 로드 상은 전기적으로 연결되어 있고, 한 쌍의 로드에서 다른 쌍의 로드 사이에는 RF(radio frequency)전압이 걸려 있다. RF전압에는 직류 전압이 중첩되어 있다. 오직 특정 m/z를 가지는 이온만이 검출기에 도달할 수 있으며, 불안정한 궤적을 가지는 다른 이온은 로드에 충돌하게 된다. 이러한 원리를 통하여 특정 m/z를 가지는 이온을 선별하고 계속적으로 전압을 바꿔가며 m/z-값의 범위를 검색하는 구동을 할 수 있는 것이다. 본 발명의 구성인 상기 분석 장치는 가스 크로마토그래피에 비하여, 분석시간이 짧고 계속적으로 검출할 수 있다. 가스 크로마토그래피와 질량 분석기의 성능을 하기 표 1로 비교하였다.
가스 크로마토그래피(GC) 질량분석(qMS)
CO2,CH4,H2,및 CO 분석능력 O O
계속적 검출 X O
분석 시간 길다 짧다
본 발명은 생성물의 조성을 실시간 결정하여 반응속도를 결정하기 위해, 또한 이로부터 초기단계에서 단위시간당 반응 속도를 결정하는 방법을 제공하고자 한다.
본 발명은, 유입 기체의 양을 조절하는 질량 흐름 제어부, 유입 기체 혼합부, 압력 지시부, 및 촉매베드와 용로를 포함한 개질 반응기를 포함하는 시스템에 있어서, 상기 개질 반응기로부터 배출되는 생성물의 농도를 실시간으로 측정하여 반응 프로파일(reaction profile)을 얻는 방법으로서, 상기 생성물의 농도는 사중극자 질량 분석기에 의해 측정되는 것이다.
또한, 생성물의 생성속도는 내부표준물질을 사용하여 얻은 농도결과로부터 정량적 계산을 거쳐 얻을 수 있다.
가스크로마토그래피의 경우, 각 반응물 또는 생성물의 유속은 내부 표준 물질의 유속에 대하여 상대적인 피크 면적을 정량적으로 계산하여 얻어지는 반면, 질량분석기를 이용하는 경우 각 반응물 또는 생성물의 농도 자체를 이용한다는 점에서 차이가 있다.
즉, 질량분석기에서의 상기 반응속도는 측정된 농도와 온도 값으로 계산되는 반응차수와 반응속도상수로부터 얻어진다.
바람직하게는 상기 반응은 메탄의 촉매적 개질반응이다. 본 발명의 시스템을 이용하는 경우 1회당 분석 소요시간은 3초 이내이며 바람직하게는 2초 이내이다.
각각의 화학반응은 정상상태에 도달하기 전에 반응물-생성물 프로파일에 의한 각각의 고유한 반응속도를 가지고 있다. 가스 크로마토그래피는 1회의 분석 때마다 비교적 긴 용리 시간을 필요로 하기 때문에 안정화 단계 전의 시간 동안 반응 프로파일을 분석하는 데에 어려움이 있다. 사중극자 질량분석기(qMS)를 이용하는 경우 정상 상태를 개시하는 생성물-반응물 프로파일을 분석하는 것이 가능해진다. 반응물-생성물 프로파일의 결과는 컴퓨터 시스템 내에서 로그전환되어 반응속도식으로 전환된다.
이에 본 발명을 하기의 실시예로 더욱 상세히 설명하며, 본 발명의 범위가 그에 한정되는 것은 아니다.
qMS의 표준 운전 조건
본 발명에서는 건식 개질 반응의 배출 농도를 결정하기 위하여 다중 이온 검출 프로그램된 사중 질량 분석기를 이용하였다.
분석을 실시하기 전, 상기 장치는 순수 헬륨으로 세정해야 한다.
헬륨으로는 모든 잔류 가스들을 세정해 낼 수 없기 때문에, 각 성분 기체의 백그라운드 값(0의 설정)을 계산해야 한다.
본 발명에서는 각각의 수소, 헬륨, 메탄, 일산화탄소 및 이산화탄소의 질량수를 2,4,15,18 및 44로 정하였다.
기체간 질량수가 중첩되는 것이 없는지 확인해야 한다.
칼릴브레이션(calibration) 이후, 유속의 값은 내부표준 유속의 평균값으로부터 계산될 수 있다.
실시예 1
코크 형성의 초기 검출
코크 침적은 CH4 및 CO2의 유입 및 CO의 생성간의 탄소 밸런스 값을 계산함으로서 얻을 수 있다. qMS는 각 구성 성분의 신뢰성 있는 유량을 결정할 수 있기 때문에 상기 탄소 밸런스 값은 쉽게 얻을 수 있다. 생성 CO가 전환된 반응물의 값만큼 높지 않은 경우 코크가 생성되며, 잔류한 코크는 촉매의 표면에 존재하게 된다.
만약, 탄소 밸런스 값이 0 또는 음수인 경우, 촉매 표면에 코크가 형성되지 않고 있다고 설명할 수 있다. 한편, 탄소 밸런스 값이 양수인 경우, 코크의 침적이 이루어지고 있다고 설명할 수 있다.
도 3 및 표 2는 상이한 조건에서 제조한 각각의 촉매를 이용한 상이한 온도의 개질반응에서 코크의 생성 여부를 나타낸 것이다. 실험 데이터의 신뢰도를 보충하기 위한 실험이다. 표2에 따르면 탄소밸런스가 양수인 경우 코크의 침적이 발생하고 탄소 밸런스가 음수인 경우 코크 침적이 발생하지 않음을 알 수 있다. CO와 다른 구성 성분간의 측정 시간상의 차이점 때문에 초기 밸런스 값은 무시할 수도 있다. 일반적으로 qMS에서 CO의 반응이 더디며, 이 분석 장치를 이용함으로서 코크의 생성 여부를 미리 예측할 수 있기 때문에 코크로 인한 반응기 막힘 현상을 예방 할 수 있다.
상기 실시예에서, 우리는 코크 생성량을 비교하기 위해 CRZS 10 이라 정의한 특별 처리된 촉매와 CRZS1.3이라 정의한 일반적인 CRZS촉매를 사용하였다. 상대적으로 더 낮은 반응 온도는 더 많은 코크를 생성하게 하였다. 24시간 반응 이후, CRZS 10는 34%의 코크가 생성되는 것을, CRZS1.3(700℃)는 18%, CRZS1.3(700℃)는 0.49%의 코크가 생성되는 것을 알 수 있다.
탄소 밸런스 값 = [(전환된 CO2 + 전환된 CH4) - 생성된 CO]
촉매 (반응온도,) 유속 (ml/min) 탄소 밸런스 코크 생성량
H2 CO He CH4 CO2
CRZS 10 (700) 28.57 17.75 7.00 1.47 2.40 4.98 많다
CRZS 1.3 (700) 18.15 16.32 7.00 4.72 3.24 2.32 중간
CRZS 1.3 (850) 26.47 23.12 0.07 2.82 2.73 -2.06 없음
실시예 2
이산화탄소 개질반응에 있어서, 구성 성분의 배출량을 결정하기 위하여 가스크로마토그래피 및 사중극자 질량분석기를 이용하였다. 가스크로마토그래피는 2시간, 사중극자 질량분석기는 10분이 소요되었다. 반응은 8500C, 상압에서 Co-Ru-Zr-SiO2 촉매 (CRZS 1.3)를 사용하였다. 실험 결과는 하기 표3과 같다.
온도 (0C) 유속 (ml/min)
H2 CO CH4 CO2
GC qMS GC qMS GC qMS GC qMS
850 22.36 26.3 23.8 23.39 2.65 2.82 1.9 2.23
800 18.33 19.12 20.97 16.42 4.77 4.47 2.64 3.12
750 13.95 13.71 17.24 13.52 6.13 6.55 3.8 4.95
700 11.06 10.21 14.69 10.97 7.4 7.78 5.09 6.53
650 7.08 6.32 10.89 4.88 9.16 9.33 7.28 8.31
기체의 유속은 가스크로마토그래피나 질량분석기를 이용한 경우에서 모두 유사한 결과를 나타내었으며, 이는 질량분석기가 가스크로마토그래피를 대체할 수 있는 것을 물론, 더욱 짧은 시간만이 소요된다는 것을 알 수 있다.
(1) 유입 기체(Feed gas)
(2) 질량 흐름 제어부(Mass flow controller)
(3) 기체 혼합부(Gas mixer)
(4) 압력 지시부(Pressure indicator)
(5) 촉매 베드(Catalyst bed)
(6) 용로(Furnace)
(7) 분리부(Splitter)
(8) 배출 기체(Vent gas)
(9) 멀티-포지션 밸브(Multi-position valve)
(10) 가스 크로마토그래피(Gas Chromatography)
(11) 사중극자 질량 분석기(Qodropole mass Spectroscopy)
(12) 컴퓨터(Computer)

Claims (4)

  1. 유입 기체의 양을 조절하는 질량 흐름 제어부, 유입 기체 혼합부, 압력 지시부, 및 촉매베드와 용로를 포함한 개질 반응기를 포함하는 시스템을 이용하여 이산화탄소와 메탄으로부터 수소와 일산화탄소를 개질하는 반응의 모니터링 방법에 있어서,
    1) 질량흐름 제어부 및 유입기체 혼합부를 이용하여 이산화탄소와 메탄을 반응시키는 단계;
    2) 이산화탄소, 메탄을 포함하는 반응물 및 일산화탄소를 포함하는 생성물의 농도를 사중극자 질량 분석기를 이용하여 실시간으로 측정하는 단계;
    3) 상기 측정된 농도로부터 하기 수식을 이용하여 반응물 또는 생성물의 유속을 정량분석하는 단계; 및
    4) 상기 정량분석된 데이터로부터 개질 반응이 코크가 침적되지 않고 계속적으로 진행될 수 있는지 여부를 예측하는 단계를 포함하고,
    상기 단계 4)는,
    이산화탄소, 메탄을 포함하는 반응물 및 일산화탄소를 포함하는 생성물의 농도로부터 탄소밸런스 값을 계산하는 단계와;
    상기 탄소밸런스 값으로 부터 코크의 생성여부를 판단하는 단계와;
    상기 코크의 생성이 일정 수준 이상일 경우 개질 반응이 코크 침적으로 인해 계속적으로 진행될 수 없다고 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응 모니터링 방법.
    수식
    A의 유속(ml/min) = (A의 농도/내부표준 물질의 농도) x 내부표준 물질의 유속
    A는 이산화탄소, 메탄 또는 일산화탄소:
  2. 제1항에 있어서, 단계 2)의 실시간 측정은 1회당 분석 소요시간이 3초 이내인 것인 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 4)의 탄소밸런스 값은 하기 수식으로부터 얻는 것인 방법.
    탄소 밸런스 값 = [(전환된 CO2농도 + 전환된 CH4농도) - 생성된 CO농도]:
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단계 4)는,
    정상상태 전의 농도로부터 정상상태 이후의 개질반응이 코크가 침적되지 않고 계속적으로 진행될 수 있는지 여부를 예측하는 것을 특징으로 하는 방법.


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