KR101718502B1 - 로타리 킬른형 유동층 반응기 - Google Patents

로타리 킬른형 유동층 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 원통형의 형상을 가지고, 수평 방향의 회전축을 따라서 회전 가능하게 설치되는, 반응기 본체; 및, 상기 반응기 본체의 일 단부에서 상기 반응기 본체에 대하여 상대 회전 가능하게 설치된 분산 파이프로서, 반응기 본체 내부에 형성된 반응 공간의 저부를 따라 연장되며 다수의 기체 구멍들이 형성된, 분산 파이프;를 구비한, 로타리 킬른형 유동층 반응기가 제공된다.

Description

로타리 킬른형 유동층 반응기{Rotary Kiln Type-Fluidizing Bed Reactor}
본 발명은 로타리 킬른형 유동층 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응 공간 내부로의 원료 기체 도입을 위한 분산 파이프 장치를 구비한 로타리 킬른형 유동층 반응기에 관한 것이다.
유동층 반응기는 다양한 다중상(multiphase) 화학 반응을 수행하도록 이용될 수 있는 반응기 장치이다. 유동층 반응기에서는 유체(기체 또는 액체)가 미립자 상태의 고체 물질과 반응하게 되는데, 통상적으로 상기 고체 물질은 작은 구(sphere)의 형상을 가지는 촉매이고, 유체는 고체 물질을 부유시키기에 충분한 속도로 유동함으로써 고체 물질이 유체와 유사하게 거동하게 된다.
한편, 탄소나노튜브(Carbon nanotubes; CNT)는 서로 이웃하는 3 개의 탄소 원자가 육각형의 벌집 구조로 결합되어 탄소 평면을 형성하고, 상기 탄소 평면이 원통형으로 말려서 튜브의 형상을 가지는 소재이다. 탄소나노튜브는 구조에 따라서, 즉, 튜브의 지름에 따라서 도체가 되거나 또는 반도체가 되는 특성이 있으며, 다양한 기술 분야에서 광범위하게 응용될 수 있어서 신소재로 각광을 받는다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 슈퍼 커패서티(super capacity)와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 기체 센서등에 적용될 수 있다.
탄소나노튜브는 예를 들어 아크 방전법, 레이저 증발법, 화학 기상 성장법을 통하여 제조될 수 있다. 상기 열거된 제조 방법중 화학 기상 성장법에서는 통상적으로 고온의 유동층 반응기 안에서 금속 촉매 입자와 탄화수소 계열의 원료 기체를 분산 및 반응됨으로써 탄소나노튜브가 생성된다. 즉, 금속 촉매는 원료 기체에 의해 유동층 반응기 안에서 부유(浮游)하면서 원료 기체와 반응하여 탄소나노튜브를 성장시킨다.
도 1 에는 탄소나노튜브의 제조에 이용될 수 있는 통상적인 유동층 반응기의 구성이 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 유동층 반응기가 탄소나노튜브의 제조에만 한정된 것은 아니다.
도면을 참조하면, 유동층 반응기(1)는 반응기 본체(10)를 구비하며, 반응기 본체(10)의 하부는 테이퍼 영역(10a)으로 형성되어 있다. 반응기 본체(10)를 고온으로 가열하기 위해, 가열기(19)가 반응기 본체(10)의 외부에 구비되는 것이 바람직스럽다.
유동층 반응기(1)의 저부에 원료 기체 공급부(12)가 구비된다. 원료 기체는 예를 들어 탄소나노튜브를 제조하기 위한 탄화 수소 계열의 기체일 수 있다. 원료 기체는 원료 기체 공급부(12)에 연결된 원료 기체 공급관(21)을 통해 반응기 본체(10)의 내부로 공급된다. 원료 기체는 반응기 본체(10)의 내부로 공급되기 전에 예열기(17)에서 예열될 수 있다. 반응기 본체(10)의 내부에 형성된 반응 공간의 하측에 분산판(13)이 배치됨으로써, 분산판(13)을 통하여 반응기 본체(10)내의 반응 공간으로 원료 기체가 분산된다.
반응기 본체(10)의 상부에는 신장부(11)가 구비된다. 신장부(expander, 11)에는 예를 들어 반응기 본체(10)로부터의 촉매와 반응 생성물(예를 들어, 탄소나노튜브)이 외부로 배출되는 것을 막기 위한 분리기(미도시)등이 구비될 수 있다. 신장부(11)에는 여과기(18)가 연결되며, 상기 여과기(18)에서 여과된 성분 기체는 이송관(23)을 통해 이송된다. 한편, 신장부(11)에는 재순환 배관(22)이 연결되어, 신장부(11)에서 배출된 혼합 기체의 일부를 재순환 배관(22)을 통해 원료 기체 공급관(21)으로 재순환시킨다.
반응기 본체(10)의 상부 일측에는 배관(24)을 통하여 분리기(14)가 연결되어 있다. 상기 분리기(14)는 반응기 본체(10)로부터 배출된 혼합 기체로부터 생성물을 분리하기 위한 것으로서, 예를 들어 탄소나노튜브와 혼합 기체를 분리하기 위한 것이다. 분리기(14)의 일측에는 탄소나노튜브와 같은 생성물을 회수하기 위한 회수기(15)가 연결되며, 분리기(14)는 배관(15)을 통해 반응기 본체(10)의 하부 일측에 연결된다. 한편, 촉매 공급기(16)는 배관(25)에 연결됨으로써 촉매가 배관(25)을 통해 반응기 본체(10)의 내부로 공급될 수 있다. 도면에 도시되지 않았으나, 배관(25)에는 송풍기(blower)가 구비됨으로써, 분리기(14)에서 분리되어 배관(26)을 통해 유동하는 혼합 기체와 촉매 공급기(16)에서 공급되는 촉매를 반응기 본체(10) 안으로 압송시킬 수 있다.
위에 설명된 바와 같은 유동층 반응기는 열 및 물질 전달 효율이 우수하고 대량 생산에 유리하지만 기체의 유속이 최소 유동화 속도 이상이 되어야 하고, 입자가 비산되는 터미널 속도 이하로 제한되어야 하는 단점이 있다. 기체의 유속이 최소 유동화 속도 이상이 되면 불필요한 기체 낭비가 발생될 수 있다. 또한 기체가 유동하는 동안 반응 생성물 입자들 사이의 충돌에 의해 입자들의 마모 및 변형이 발생하는 문제점이 있다.
도 2 에는 종래 기술에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기의 개략적인 단면도가 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 로타리 킬른형 유동층 반응기는 전체적으로 원통형이고 수평 방향의 회전축을 중심으로 회전 가능하게 설치된 반응기 본체(31)와, 상기 반응기 본체(31)를 둘러싸는 가열부(39)를 구비한다. 가열부(39)로부터 발생된 열은 반응기 본체(31) 내부의 반응 공간(30)으로 전달된다. 반응기 본체(31)를 회전 가능하게 지지하기 위하여 하나 이상의 지지 롤러(35)가 베이스 프레임(미도시)상에 회전 가능하게 설치되고, 상기 지지 롤러(35)는 반응기 본체(31)의 외주면에 장착된 가이드(32)와 맞물린다. 또한 반응기 본체(31)를 회전시키기 위하여 반응기 본체(31)의 외주면에 외주면 기어(33)가 구비되고, 상기 외주면 기어(33)와 맞물린 구동 기어(34)가 베이스 프레임(미도시)에 회전 가능하게 설치된다. 구동 모터(M)는 기어 트레인을 통하여 구동 기어(34)를 회전시킬 수 있고, 그에 따라서 구동력이 외주면 기어(33)를 회전하게 함으로써 반응기 본체(31)가 회전할 수 있다.
반응기 본체(31)의 양쪽 단부 각각에는 유입관(37) 및 유출관(38)이 베어링(36)을 통해 설치된다. 유입관(37)을 촉매 및 원료 기체가 반응 공간(30)으로 유입될 수 있고, 반응기 본체(31) 내부에서의 반응에 의한 반응 생성물(30a)은 유출관(38)을 통하여 반응기 본체(31)의 외부로 배출될 수 있다.
도 2 에 도시된 바와 같은 종래 기술의 로타리 킬른형 유동층 반응기는 반응기 본체를 저속으로 회전시킴으로써 유속의 제한이 적고, 반응 생성물 입자들 사이의 충돌이 비교적 적어서 품질이 우수한 반응 생성물을 합성할 수 있다. 그러나 반응기 본체(31)가 계속 회전할지라도, 반응 생성물 입자들이 중력에 의해 반응기 본체의 바닥면에만 깔려 있으므로 원료 기체와 반응 생성물 사이의 접촉 효율이 저하된다는 문제점이 있다. 따라서 원료 기체가 반응 생성물과 접촉하지 못하고 낭비되는 경향이 있으며, 반응 생성물 입자들의 움직임이 느리기 때문에 입자들의 뭉쳐짐이 발생하는 경향이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 개선된 로타리 킬른형 유동층 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반응 생성물과 원료 기체의 접촉 효율을 향상시킬 수 있는 로타리 킬른형 유동층 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 반응 생성물의 뭉침 현상이 방지될 수 있는 로타리 킬른형 유동층 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 원통형의 형상을 가지고, 수평 방향의 회전축을 따라서 회전 가능하게 설치되며, 반응 공간을 포함하는, 반응기 본체; 및, 상기 반응기 본체의 일 단부에서 상기 반응기 본체의 회전 방향과 동일한 방향 또는 상기 반응기 본체의 회전 방향과 반대 방향으로 회전 가능하게 설치된 분산 파이프로서, 상기 분산 파이프에는 다수의 기체 구멍들이 형성된, 분산 파이프;를 구비한, 로타리 킬른형 유동층 반응기가 제공된다.
또한 본 발명에 따르면, 원통형의 형상을 가지고, 수평 방향에 대하여 미리 결정된 각도로 경사진 회전축을 따라서 회전 가능하게 설치되며, 반응 공간을 포함하는 반응기 본체; 및, 상기 반응기 본체의 일 단부에서 상기 반응기 본체의 회전 방향과 동일한 방향 또는 상기 반응기 본체의 회전 방향과 반대 방향으로 회전 가능하게 설치된 분산 파이프로서, 상기 분산 파이프에는 다수의 기체 구멍들이 형성된, 분산 파이프;를 구비한, 분산 파이프;를 구비한, 로타리 킬른형 유동층 반응기가 제공된다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 반응기 본체에는 개폐 가능한 덮개가 더 구비됨으로써, 상기 반응 공간에 대한 접근이 이루어질 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 분산 파이프의 적어도 일부 길이를 따라서 상기 분산 파이프의 내부를 통해 상기 분산 파이프와 동일 중심으로 연장되는 촉매 파이프를 더 구비하고, 상기 촉매 파이프는 상기 분산 파이프와 함께 회전 가능하다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 분산 파이프를 유지하도록 반응기 본체의 일 단부에 회전 가능하게 설치된 파이프 유지부를 더 구비하고, 상기 파이프 유지부는 상기 반응기 본체 외부에 설치된 구동 모터에 의해 회전 구동된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 분산 파이프는 상기 반응 공간내에서 생성된 반응 생성물의 양에 따라서 정지 상태로 유지되거나, 또는 상기 반응기 본체의 회전 방향과 동일한 회전 방향 또는 반대 회전 방향으로 회전된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 분산 파이프는 직선형으로 연장된 파이프 직선부 및, 상기 파이프 직선부로부터 분기(分岐)되어 만곡되게 연장된 파이프 가지부를 구비한다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 파이프 직선부와 상기 파이프 가지부에 의해 지지되는 메쉬(mesh)를 더 구비하며, 상기 반응 공간내에서 생성된 반응 생성물의 덩어리는 상기 메쉬의 그물눈을 통과함으로써 세분(細分)된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 로타리 킬른형 유동층 반응기를 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법이 제공된다.
본 발명에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기는 분산 파이프를 통하여 원료 기체가 반응 생성물에 공급되므로 원료 기체와 반응 생성물 입자들 사이의 접촉 효율이 향상될 수 있다. 또한 분산 파이프는 반응기 본체의 회전시에 반응 생성물을 뒤섞는 역할을 하므로, 반응 생성물의 뭉침 현상이 분산 파이프 자체에 의하여 방지될 수 있다. 본 발명에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기는 개폐 가능한 덮개를 가지므로 반응 공간 내부로의 접근이 가능하고, 따라서 배취 방식으로도 반응이 수행될 수 있다.
도 1 은 통상적인 유동층 반응기의 개략적인 구성도이다.
도 2 는 종래 기술에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 5 는 본 발명에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기에 구비되는 분산 파이프의 개략적인 사시도이다.
도 6 은 본 발명에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기의 또 다른 실시예에 대한 개략적인 단면도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 3 은 본 발명에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기의 일 실시예에 대한 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기는 전체적으로 원통형이고 수평 방향의 회전축을 따라서 회전 가능하게 설치되는 반응기 본체(41) 및, 상기 반응기 본체(41)의 일 단부에서 상기 반응기 본체(41)에 대하여 상대 회전 가능하게 설치되고, 반응기 본체(41) 내부에 형성된 반응 공간(40)의 저부를 따라 연장되며 다수의 기체 구멍(45a)들이 형성된 분산 파이프(45)를 구비한다. 반응기 본체(41)의 반응 공간(40)에 열을 전달할 수 있도록 가열부(49)가 구비되며, 상기 가열부(49)는 반응기 본체(41)의 전체를 감싸도록 구성된다.
반응기 본체(41)는 수평 방향의 회전축을 따라서 회전 가능한데, 이러한 반응기 본체(41)의 회전은 도 2 를 참조하여 설명된 방식으로 이루어질 수 있다. 즉, 도 3 에 상세하게 도시되지 않았지만, 도 2 에 도시된 지지 롤러(35) 및 가이드(32)와, 구동 기어(34) 및 반응기 본체(41)의 외주면에 설치될 수 있는 외주면 기어(33)를 이용하여 구동 모터(M)의 구동력으로 반응기 본체(41)를 회전시킬 수 있다. 이러한 로타리 킬른형 유동층 반응기의 회전 구동은 당해 기술 분야에서 공지된 것이므로 더 이상 상세하게 설명하지 않기로 한다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 분산 파이프(45)는 반응기 본체(41)의 일 단부에서 반응기 본체(41) 내부의 반응 공간(40)으로 도입된다. 분산 파이프(45)는 반응기 본체(41)의 일 단부에 구비된 베어링(46)을 통해 설치됨으로써, 분산 파이프(45)가 반응기 본체(41)에 대하여 상대적으로 회전할 수 있다. 결과적으로, 반응기 본체(41)가 회전하더라도 분산 파이프(45)는 반응기 본체(41) 내부의 반응 공간(40)에서 일정한 위치에 정지 상태로 유지될 수 있다.
분산 파이프(45)에는 다수의 기체 구멍(45a)들이 형성된다. 반응기 본체(41)의 외부에 구비된 원료 기체 저장부(미도시)로부터 분산 파이프(45)를 통하여 원료 기체가 반응기 본체(41)의 내부로 유동할 수 있으며, 상기 다수의 기체 구멍(45a)들을 통하여 원료 기체가 반응 공간(40)으로 배출될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 분산 파이프(45)는 직선형의 형상을 가지고, 반응기 본체(41)의 반응 공간(40) 저면을 따라서 연장되도록 구성된다. 분산 파이프(45)의 일 단부는 반응기 본체(41)의 외부로 연장된 원료 기체 유입부(43)로서, 상기 원료 기체 유입부(43)는 배관을 통하여 원료 기체 저장부(미도시)로 연결된다. 위에서 설명된 바와 같이 분산 파이프(45)는 반응기 본체(41)가 회전하더라도 반응 공간(40) 안에서 일정한 위치에 정지 상태로 유지된다. 도면에 도시된 바와 같이 분산 파이프(45)를 반응기 본체(41)의 일 단부에 근접하여 절곡시킴으로써 분산 파이프(45)의 대부분의 길이가 반응 공간(40)의 저부를 따라서 연장될 수 있다.
분산 파이프(45)가 반응 공간(40)의 저부를 따라서 연장됨으로써 반응 생성물(40a) 입자에 대한 원료 기체의 접촉이 원활하게 이루어질 수 있다. 반응기 본체(41)가 회전할 때 반응 생성물(40a)은 중력에 의해 반응 공간(40)의 저부에 모여 있는 상태가 되므로, 반응 공간(40)의 저부를 따라 연장되는 분산 파이프(45)는 실질적으로 반응 생성물(40a)에 의해 덮혀 있는 상태가 된다. 따라서 기체 구멍(45a)을 통해 배출되는 원료 기체는 반응 생성물(40a)과 보다 더 효율적으로 접촉할 수 있다.
반응 생성물(40a)은 반응기 본체(41)가 회전하는 동안 반응기 본체(41)의 내측 표면을 따라서 미끄러지는 작용 및 분산 파이프(45)에 의한 휘저음 작용등에 의하여 뒤섞이는 현상을 겪게 되므로, 기체 구멍(45a)을 통해 배출되는 원료 기체와 반응 생성물(40a)과의 접촉은 더욱 향상될 수 있다. 더욱이 반응기 본체(41)의 상대적으로 느린 회전 속도에 의해서 발생될 수 있는 반응 생성물의 뭉침 현상도 분산 파이프(45)에 의하여 방지될 수 있다.
한편, 촉매 유입관(42)이 더 구비될 수 있다. 촉매 유입관(42)도 분산 파이프(45)와 마찬가지로 베어링(46)을 통해 설치될 수 있으며, 따라서 반응기 본체(41)가 회전할지라도 반응 공간(40)내에서 일정한 정지 상태를 유지할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 반응기 본체(41)의 일측에는 개폐 가능한 덮개(41a)가 구비된다. 상기 덮개(41a)는 예를 들어 반응기 본체(41)의 외주면 일부를 제거하고 설치된 것일 수 있다. 상기 덮개(41a)를 개방함으로써 반응기 본체(41)의 반응 공간(40)에 접근할 수 있다. 따라서 만약 반응 공간(40)에서의 반응이 배치(batch) 방식으로 수행될 경우에, 상기 덮개(41a)를 개방함으로써 반응 생성물을 회수할 수 있다.
한편, 반응기 본체(41)의 다른 단부에는 유출관(47)이 베어링(46)을 통하여 설치될 수 있으며, 따라서 반응기 본체(41)가 회전하더라도 유출관(47)은 일정한 정지 상태를 유지할 수 있다. 상기 유출관(47)은 반응기 본체(41) 외부의 다른 배관(미도시)에 연결되며, 상기 유출관(47)을 통하여 반응 생성물(40a)이 회수될 수 있다. 특히 연속식 공정에서는 반응 생성물(40a)이 유출관(47)을 통하여 지속적으로 회수될 수 있다.
도 4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기를 도시한다. 도 4 에 도시된 로타리 킬른형 유동층 반응기는 도 3 을 참조하여 설명된 로타리 킬른형 유동층 반응기와 실질적으로 유사하며, 예를 들어 전체적으로 원통형이고 수평 방향에 대하여 미리 결정된 각도로 기울어진 회전축을 따라서 회전 가능하게 설치되는 반응기 본체(51) 및, 상기 반응기 본체(51)의 일 단부에서 상기 반응기 본체(51)에 대하여 상대 회전 가능하게 설치되고, 반응기 본체(51) 내부에 형성된 반응 공간(50)의 저부를 따라 연장되며 다수의 기체 구멍(55a)들이 형성된 분산 파이프(55)를 구비한다. 또한 베어링(56), 촉매 파이프(52), 분산 파이프(55)로부터 연장된 유입부(53), 덮개(51a)가 구비되어 있다.
도면에 도시된 예에서 반응기 본체(51)는 수평 방향에 대하여 α 의 각도로 기울어져 있으며, 따라서 원통형인 반응기 본체(51)의 회전축도 수평 방향에 대하여 α 의 각도로 기울어진다. 이와 같이 반응기 본체(51)가 수평 방향에 대하여 경사지면, 반응기 본체의 다른 단부에 설치된 유출관(57)을 통하여 반응 생성물을 더욱 용이하게 회수할 수 있다.
도 5 는 본 발명에 따른 분산 파이프의 일 실시예에 대한 개략적인 사시도이다.
도면을 참조하면, 분산 파이프(61)는 베어링(46, 도 3)에 의해 유지되는 파이프 도입부(61a)와, 상기 파이프 도입부(61a)로부터 절곡되어 직선형으로 연장된 파이프 직선부(61b)와, 상기 파이프 직선부(61b)에 대하여 분기된 파이프 가지부(61c)를 구비한다. 상기 파이프 가지부(61c)는 평면에서 보았을 때 상기 파이프 직선부(61b)에 대하여 직각의 방향으로 연장되며, 만곡되는 것이 바람직스럽다. 상기 파이프 직선부(61b) 및 상기 파이프 가지부(61c)에는 다수의 기체 구멍(미도시)들이 형성됨으로써, 기체 구멍을 통하여 기체가 배출될 수 있다. 파이프 가지부(61c)는 상기 분산 파이프(61)가 설치되는 반응기 본체의 원주면에 대응하도록 만곡되는 것이 바람직스럽다. 즉, 만곡된 파이프 가지부(61c)의 곡률은 상기 분산 파이프(61)가 설치되는 반응기 본체(미도시)의 원주면 곡률과 실질적으로 같도록 구성되는 것이 바람직스럽다.
도 5 에 도시된 분산 파이프(61)에서는 기체 구멍들이 파이프 직선부(61b) 뿐만 아니라 파이프 가지부(61c)에 형성되므로, 반응 공간의 여러 지점에서 원료 기체를 배출할 수 있다. 따라서 원료 기체와 반응 생성물 입자들의 접촉 효율이 더 향상될 수 있다.
한편, 도면에 도시되지 않았으나, 분산 파이프(61)의 파이프 직선부(61b)와 파이프 가지부(61c) 사이에 메쉬(mesh)를 설치할 수 있다. 상기 메쉬는 예를 들어 강철 그물과 같은 구성을 가질 수 있으며, 강철 그물의 가장자리를 파이프 직선부(61b) 및 파이프 가지부(61c)에 대하여 고정시킨다. 반응기 본체가 회전하는 동안, 반응기 본체 내부에 있는 반응 생성물은 강철 그물의 그물눈을 통해 통과될 수 있다. 반응 생성물이 메쉬의 그물눈을 통과하는 동안, 반응 생성물의 덩어리는 세분(細分)될 수 있으므로, 반응 생성물의 뭉쳐지는 현상이 방지되고, 원료 기체와 반응 생성물의 접촉이 더욱 활발하게 이루어질 수 있다.
도 6 은 본 발명에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기의 또 다른 실시예에 대한 개략적인 단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기는 전체적으로 원통형이고 수평 방향의 회전축을 따라서 회전 가능하게 설치되는 반응기 본체(71), 상기 반응기 본체(71)의 일 단부에서 상기 반응기 본체(71)에 대하여 회전 가능하게 설치되고 다수의 기체 구멍(75a)들이 형성된 분산 파이프(75)를 구비한다. 반응기 본체(71)의 반응 공간에 열을 전달할 수 있도록 가열부(79)가 구비되며, 상기 가열부(79)는 반응기 본체(71)의 전체를 감싸도록 구성된다.
반응기 본체(71)는 수평 방향의 회전축을 따라서 회전 가능한데, 이러한 반응기 본체(71)의 회전은 도 2 를 참조하여 설명된 방식으로 이루어질 수 있다. 즉, 도 6 에 도시되지 않았지만, 도 2 에 도시된 지지 롤러(35) 및 가이드(32)와, 구동 기어(34) 및 반응기 본체(71)의 외주면에 설치될 수 있는 외주면 기어(33)를 이용하여 구동 모터(M)의 구동력으로 반응기 본체(71)를 회전시킬 수 있다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 분산 파이프(75)는 반응기 본체(71)의 일 단부에서 반응기 본체(71) 내부의 반응 공간으로 도입되어 반응기 본체(71)의 회전 방향과 같은 방향 또는 반대 방향으로 회전될 수 있다. 반응기 본체(71)의 일 단부에 구비된 베어링(76)을 통해 파이프 유지부(83)가 회전 가능하게 설치되며, 상기 파이프 유지부(83)는 구동 모터(85)에 의해 회전 구동될 수 있다. 분산 파이프(75)는 상기 파이프 유지부(83)에 대하여 고정된 상태로 설치됨으로써, 파이프 유지부(83)의 회전에 따라서 함께 회전할 수 있다.
파이프 유지부(83)는 반응기 본체(71)의 회전 방향과 동일한 방향으로 또는 반대 방향으로 회전할 수 있다. 파이프 유지부(83)의 회전을 위하여 파이프 유지부(83)의 외주면에는 종동 기어(87)가 설치되고, 상기 종동 기어(87)와 맞물린 구동 기어(86)가 구비된다. 구동 모터(85)는 상기 구동 기어(86)를 회전 구동함으로써 종동(87) 및 파이프 유지부(83)를 회전시킬 수 있다. 도면에는 단순화를 위하여 종동 기어(87), 구동 기어(86) 및 구동 모터(85)의 구성이 개략적으로 도시되어 있으나, 실제에 있어서 변속 기어 트레인이 적용되거나 또는 구동 모터와 기어들이 아닌 다른 구동 및 전동 수단이 파이프 유지부(83)를 회전시키기 위하여 제공될 수 있다.
파이프 유지부(83)를 통해 반응기 본체(71)의 외부로 연장된 분산 파이프(75)의 단부는 파이프 접속 베어링(80)을 통하여 반응 개스 유입부(91)와 접속한다. 파이프 접속 베어링(80)은 반응기 본체(71)의 외부로 연장된 분산 파이프(75)의 회전 단부와, 고정 상태로 유지되는 반응 개스 유입부(91)를 상호 회전 가능하게 접속시킨다. 따라서 분산 파이프(75)가 회전하는 동안에도 반응 개스는 반응 개스 유입부(91)로부터 분산 파이프(75)로 지속적으로 공급될 수 있다.
한편, 촉매 파이프(84)는, 도면에서 점선으로 표시된 바와 같이, 적어도 파이프 유지부(83)를 통과하는 동안 분산 파이프(75)와 동일 중심으로 분산 파이프(75) 내부에서 연장된다. 즉, 분산 파이프(74)의 적어도 일부 구간에서 분산 파이프(74)의 내부 공간을 통하여 촉매 파이프(84)가 연장된다. 촉매 파이프(84)의 일 단부는 분산 파이프(75)가 절곡되는 부분에서 분산 파이프(75)의 외측으로 연장됨으로써, 반응기 본체(71)의 내부 공간으로 노출된다. 반응기 본체(71)의 외부로 연장된 촉매 파이프(84)의 다른 단부는 파이프 접속 베어링(80)에서 촉매 유입부(92)와 접속된다. 따라서 촉매 파이프(84)가 파이프 유지부(83) 및 분산 파이프(75)와 함께 회전하는 동안에도 촉매는 촉매 유입부(92)로부터 촉매 파이프(84)를 통해 반응기 본체(71) 내부로 지속적으로 공급될 수 있다.
분산 파이프(75)에는 다수의 기체 구멍(75a)들이 형성된다. 반응기 본체(71)의 외부에 구비된 원료 기체 저장부(미도시)로부터 분산 파이프(75)를 통하여 원료 기체가 반응기 본체(71)의 내부로 유동할 수 있으며, 상기 다수의 기체 구멍(75a)들을 통하여 원료 기체가 반응 공간으로 배출될 수 있다.
도면에 도시된 바와 같이, 분산 파이프(75)는 직선형으로서, 반응기 본체(71)의 내표면에 근접하여 연장되도록 구성된다. 분산 파이프(75) 및 촉매 파이프(84)는 파이프 유지부(83)와 함께 회전되므로, 반응 생성물 입자에 대한 원료 기체의 접촉이 더욱 원활하게 이루어질 수 있으며, 동시에 반응 생성물을 뒤섞고 휘젖는 작용이 강화될 수 있다.
반응 생성물은 반응기 본체(71) 및 분산 파이프(75)가 동일한 방향 또는 반대 방향으로 회전하는 동안 반응기 본체(71)의 내측 표면을 따라서 미끄러지는 작용 및 분산 파이프(75)에 의한 휘저음 작용등에 의하여 뒤섞이는 현상을 겪게 되므로, 기체 구멍(75a)을 통해 배출되는 원료 기체와 반응 생성물과의 접촉은 더욱 향상될 수 있다. 더욱이 반응기 본체(71)의 상대적으로 느린 회전 속도에 의해서 발생될 수 있는 반응 생성물의 뭉침 현상도 분산 파이프(75)에 의하여 방지될 수 있다.
반응기 본체(71)의 일측에는 개폐 가능한 덮개(71a)가 구비된다. 상기 덮개(71a)는 예를 들어 반응기 본체(71)의 외주면 일부를 제거하고 설치된 것일 수 있다. 상기 덮개(41a)를 개방함으로써 반응기 본체(41)의 반응 공간(40)에 접근할 수 있다. 한편, 반응기 본체(71)의 다른 단부에는 유출관(77)이 베어링(76)을 통하여 설치될 수 있으며, 따라서 반응기 본체(71)가 회전하더라도 유출관(77)은 일정한 정지 상태를 유지할 수 있다. 상기 유출관(77)은 반응기 본체(71) 외부의 다른 배관(미도시)에 연결되며, 상기 유출관(77)을 통하여 반응 생성물이 회수될 수 있다.
위에서 설명된 바와 같이, 도 6 에 도시된 실시예에서 분산 파이프(75) 및 촉매 파이프(84)는 반응기 본체(71)의 회전과 같은 방향으로 또는 반대 방향으로 회전할 수 있다. 이와 같은 분산 파이프(75) 및 촉매 파이프(84)의 회전은 반응의 정도에 따라서 적절하게 조절될 수 있다.
예를 들어, 반응기 본체(71) 안에 반응 생성물의 양이 적을 경우에는 분산 파이프(75)의 회전이 이루어지지 않더라도, 반응기 본체(71)의 느린 회전만으로 충분한 반응이 이루어질 수 있다. 그러나 반응 생성물의 양이 증가하면 반응기 본체(71)의 회전 속도를 증가시키는 것이 한계가 있을 뿐만 아니라, 무겁고 부피가 큰 반응기 본체(71)를 회전시키는 에너지의 소비가 과다하므로, 상대적으로 가벼운 분산 파이프(75)를 회전시키는 것이 유리하다. 즉, 분산 파이프(75)를 회전시킴으로써 원료 기체와 반응 생성물의 접촉을 증가시키고, 또한 반응 생성물을 뒤섞는 작용을 강화시킬 수 있다.
한편, 도면에 도시되어 있지 않으나, 도 6 에 도시된 유동층 반응기는 반응기 본체가 수평면에 대하여 경사지게 설치될 수 있다. 이는 도 4 를 참조하여 설명된 바에 따라서 용이하게 이해될 수 있다.
본 발명에 따른 로타리 킬른형 유동층 반응기는 탄소나노튜브 합성에 효과적으로 이용될 수 있다.
40. 반응 공간 41. 반응기 본체
42. 촉매 유입관 43. 원료 기체 유입부
45. 분산 파이프 45a. 기체 구멍
46. 베어링 49. 가열부

Claims (9)

  1. 원통형의 형상을 가지고, 수평 방향의 회전축을 따라서 회전 가능하게 설치되며, 반응 공간을 포함하는, 반응기 본체; 및,
    상기 반응기 본체의 일 단부에서 상기 반응기 본체의 회전 방향과 동일한 방향 또는 상기 반응기 본체의 회전 방향과 반대 방향으로 회전 가능하게 설치된 분산 파이프로서, 상기 분산 파이프에는 다수의 기체 구멍들이 형성된, 분산 파이프;를 구비하되,
    상기 분산 파이프는 직선형으로 연장된 파이프 직선부 및, 상기 파이프 직선부로부터 분기(分岐)되어 만곡되게 연장된 파이프 가지부를 구비하고,
    상기 파이프 직선부와 상기 파이프 가지부에 의해 지지되는 메쉬(mesh)를 더 구비하며, 상기 반응 공간 내에서 생성된 반응 생성물의 덩어리는 상기 메쉬의 그물눈을 통과함으로써 세분(細分)되는 것인, 로타리 킬른형 유동층 반응기.
  2. 원통형의 형상을 가지고, 수평 방향에 대하여 미리 결정된 각도로 경사진 회전축을 따라서 회전 가능하게 설치되며, 반응 공간을 포함하는 반응기 본체; 및,
    상기 반응기 본체의 일 단부에서 상기 반응기 본체의 회전 방향과 동일한 방향 또는 상기 반응기 본체의 회전 방향과 반대 방향으로 회전 가능하게 설치된 분산 파이프로서, 상기 분산 파이프에는 다수의 기체 구멍들이 형성된, 분산 파이프;를 구비하되,
    상기 분산 파이프는 직선형으로 연장된 파이프 직선부 및, 상기 파이프 직선부로부터 분기(分岐)되어 만곡되게 연장된 파이프 가지부를 구비하고,
    상기 파이프 직선부와 상기 파이프 가지부에 의해 지지되는 메쉬(mesh)를 더 구비하며, 상기 반응 공간 내에서 생성된 반응 생성물의 덩어리는 상기 메쉬의 그물눈을 통과함으로써 세분(細分)되는 것인, 로타리 킬른형 유동층 반응기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반응기 본체에는 개폐 가능한 덮개가 더 구비됨으로써, 상기 반응 공간에 대한 접근이 이루어질 수 있는 것을 특징으로 하는, 로타리 킬른형 유동층 반응기.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분산 파이프의 적어도 일부 길이를 따라서 상기 분산 파이프의 내부를 통해 상기 분산 파이프와 동일 중심으로 연장되는 촉매 파이프를 더 구비하고,
    상기 촉매 파이프는 상기 분산 파이프와 함께 회전 가능한 것을 특징으로 하는, 로타리 킬른형 유동층 반응기.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분산 파이프를 유지하도록 반응기 본체의 일 단부에 회전 가능하게 설치된 파이프 유지부를 더 구비하고, 상기 파이프 유지부는 상기 반응기 본체 외부에 설치된 구동 모터에 의해 회전 구동되는 것을 특징으로 하는, 로타리 킬른형 유동층 반응기.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 분산 파이프는 상기 반응 공간내에서 생성된 반응 생성물의 양에 따라서 정지 상태로 유지되거나, 또는 상기 반응기 본체의 회전 방향과 동일한 회전 방향 또는 반대 회전 방향으로 회전되는 것을 특징으로 하는, 로타리 킬른형 유동층 반응기.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제 1 항 또는 제 2 항의 로타리 킬른형 유동층 반응기를 이용하여 탄소나노튜브를 합성하는 방법.
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