KR101846376B1 - 열교환 면적이 증가된 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기 - Google Patents

열교환 면적이 증가된 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기에 관한 것으로, 내측관 및 외측관으로 이루어진 이중원통형 구조로 설치되고, 상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 유로를 구비하되, 상기 유로는 원료 유로 및 열원가스 유로가 순차적으로 반복하여 적층되어 형성되되, 상기 원료 유로에 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 수소를 생성시키는 개질반응부 및 상기 내측관으로 공급된 고온의 가스를 상기 열원가스 유로에 유입시켜 상기 개질반응부에 반응열을 전달하는 열원공급부를 포함한다.
본 발명에 따른 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기는 원료 유로 및 열원가스 유로가 순차적으로 반복하여 적층되어, 원료 가스와 열원 가스의 열교환 면적이 증가되어 촉매 반응 효율이 우수한 장점을 가진다.

Description

열교환 면적이 증가된 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기{Catalyst reactor for hydrocarbon steam reforming with increasing heat exchanging surface}
본 발명은 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기에 관한 것으로서, 상세하게는 원료 유로 및 열원가스 유로가 순차적으로 반복하여 적층되어, 원료 가스와 열원 가스의 열교환 면적이 증가되어 촉매 반응 효율이 우수한 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기에 관한 것이다.
탄화수소 수증기 개질은 수소생산방법 중 가장 염가의 방법으로 여겨지고 있으며, 이 방법으로 세계 총 수소생산의 거의 절반이 생산되고 있다. 이러한 탄화수소 수증기 개질방법은 메탄을 주성분으로 하는 탄화수소를 수증기와 함께 촉매 존재하에서 반응시켜 수소를 얻는 것으로서, 이때 진행되는 반응은 주반응인 개질반응과 부반응인 수성가스 전이반응 2가지이며 반응식은 아래와 같다.
반응식 1
CH4 + H2O → CO + 3H2 <20> ΔH = +497kcal/mol
CO + H2O → CO2 + H2 ΔH = -10kcal/mol
상기 반응식 1에서 보는 바와 같이 수소는 메탄과 물 모두에서 분리되어 생산되기 때문에 높은 수소 생산수율이 가능하다. 그러나, 상기 개질반응은 강한 흡열반응이며 고온 및 저압 조건에 의하여 정반응의 진행이 유리하므로, 대부분 수증기와 메탄을 700∼1,100℃의 촉매반응기에서 0∼40bar의 압력하에서 공간속도 3,000∼50,000hr-1정도로 공급하면서 반응시켜 수소를 얻고 있다. 반면에 전이반응은 온화한 발열반응으로서 저온이 유리하며 압력은 거의 영향을 미치지 않는다.
상기한 바와 같이 수증기 개질반응은 많은 반응열을 공급해야 하는 흡열반응이므로 촉매에 반응열이 효율적으로 공급되면 단위 촉매당 반응활성이 늘어나 반응기의 크기를 줄일 수 있음은 물론 수율을 높일 수 있게 된다. 촉매의 이용효율 제고 측면에서는 입자크기를 작게 하면 활성이 높아지게 되지만 압력손실이 높아지게 되므로 이를 고려하여 통상 직경이 2∼10mm 정도의 크기인 펠릿형 촉매를 사용하고 있다. 아울러 촉매는 통상의 내열성 담체(α-알루미나 혹은 칼슘-알루미네이트)에 5∼12중량% 정도의 니켈이나 코발트, 백금족 원소 또는 이들의 혼합물이 담지된 형태를 사용한다. 즉, 펠릿형 촉매는 니켈이나 코발트, 백금족 원소 또는 이들의 혼합물 등의 활성금속이 함유된 용액에 내열성 담체를 침적한 후 건조하면 용이하게 제조될 수 있으며, 필요에 따라서는 건조 후 열처리 과정을 수행하기도 한다.
펠릿형 촉매를 이용하는 일반적인 수증기 개질에 사용되는 공정은 관형반응기에 펠릿 형태의 촉매를 충전한 다음 관 외부로 연료의 연소에 의해 발생되는 고온의 배기가스를 공급하여 관내부의 펠릿이 반응에 필요한 열을 공급받도록 한 구조를 갖는다. 즉, 탄화수소 수증기 개질에 사용되는 반응기는 탄화수소와 수증기가 공급되어 내부에 충전된 촉매와의 접촉에 의해 탄화수소 수증기 개질반응이 일어나는 반응부와, 상기 반응부에 고온의 반응열을 전달하는 연도부로 이루어진다.
이러한 반응기에 충전되는 펠릿형 촉매는 제조단가가 매우 낮은 이점은 있으나, 연도부를 통과하는 배기가스에서 반응열로 공급되는 비율이 매우 적다는 문제점을 가지고 있다.
이에 따라 도 1a 및 도 1b와 같이, 이중관 구조로 내부에 고온의 반응열을 전달하는 구조가 제시되고 있으나, 반응기에 충전된 펠릿형 촉매는 서로 간의 접촉 면적이 매우 작아 촉매간의 열전달이 원활하게 이루어지지 않을 뿐만 아니라 흡열반응으로 인하여 연료 배기가스가 주입되는 부분에서 멀리 떨어진 곳의 펠릿형 촉매의 온도는 매우 낮아 탄화수소 수소개질 반응에 필요한 충분한 열원을 공급받지 못하여 반응수율이 현저하게 떨어져 수소의 생산성이 저하되는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여 촉매 자체의 열전도도를 향상시켜 열전달 특성을 늘리는 방안으로 금속지지체에 촉매를 코팅하는 방법이 개시된 바 있다. 국내 공개특허 2003-55252호 및 국내 공개특허 제2006-78943호에서는 얇은 금속판으로 벌집형태의 금속모노리스를 만들어 니켈 등의 활성금속을 코팅한 형태의 금속모노리스 촉매를 개시하고 있으며, 이 경우 열전도도가 높아서 모노리스 금속 촉매의 온도가 균일하게 유지되어 우수한 반응수율을 얻을 수 있다는 이점이 있다. 통상 펠릿형 촉매만을 사용한 경우 97% 정도의 메탄전환율을 얻을 수 있으나 금속모노리스 촉매를 사용한 경우 99% 정도의 매우 높은 메탄전환율을 얻을 수 있다. 그러나 금속모노리스 촉매의 경우 제조단가가 높을 뿐만 아니라 제조가 용이하지 못하여 생산성이 떨어진다는 단점을 가지고 있다.
상술한 바와 같이 펠릿형 촉매는 금속모노리스 촉매에 비하여 생산성이 높고 제조단가가 월등하게 낮음에도 불구하고, 반응수율이 떨어지는 문제점을 극복하지 못하여 점차 제조단가가 높으면서도 생산성 낮은 금속모노리스 촉매로 대체되어져 가고 있는 실정이다. 이에 기존의 펠릿형 촉매를 활용하여 제조단가를 낮추면서도 열교환 면적이 증가된 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기에 관한 기술이 필요한 실정이다.
1. 한국공개특허 제10-2008-0060871호
본 발명은 상기와 같은 필요성에 따라 안출된 것으로서, 원료 유로 및 열원가스 유로가 순차적으로 반복하여 적층되어, 원료 가스와 열원 가스의 열교환 면적이 증가되어 촉매 반응 효율이 우수한 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기를 제공하는데 그 목적이 있다
본 발명에 따른 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기는 내측관 및 외측관으로 이루어진 이중원통형 구조로 설치되고, 상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 유로를 구비하되, 상기 유로는 원료 유로 및 열원가스 유로가 순차적으로 반복하여 적층되어 형성되되, 상기 원료 유로에 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 수소를 생성시키는 개질반응부 및 상기 내측관으로 공급된 고온의 가스를 상기 열원가스 유로에 유입시켜 상기 개질반응부에 반응열을 전달하는 열원공급부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 원료 유로의 최상층에 연결되어 형성되어 원료 가스가 투입되는 원료 유입관 및 상기 원료 유로의 최하층에 연결되어 개질 가스가 배출되는 개질가스 배출관을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 열원공급부는 상기 열원가스 유로의 최상층에 상기 내측관과 연결되게 형성되어 고온의 가스가 유입되는 관통공 및 상기 열원가스 유로의 최하층에 연결되어 고온의 가스가 배출되는 열원가스 배출관을 포함하여, 상기 내측관의 하부로 유입된 고온의 가스는 상기 내측관에서 상향 이동하고, 상기 관통공을 통하여 상기 열원가스 유로에 유입된 후, 하향 이동하여 상기 열원가스 배출관을 통하여 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 원료 유로에서 상기 촉매가 충진되지 않는 하나 이상의 온도회복부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 원료 유로 및 열원가스 유로는 수평으로 적층되되, 반복하여 적층된 타단의 상기 원료 유로 및 열원가스 유로와 각각 수직으로 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 원료 유로 및 열원가스 유로는 나선형으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 열원공급부의 가스는 폐쇄식 연소반응에 발생한 고온의 가스를 이용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 원료는 탄화수소 1몰당 수증기 2 내지 5몰의 비율로 혼합하여 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 촉매는 내열성 담체에 니켈이나 코발트, 백금족 원소 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 활성금속을 5∼12중량% 함유하도록 담지하여 제조될 수 있다.
본 발명의 일 실시예로 상기 온도회복부는 철, 스테인리스 스틸 또는 철-크롬 합금에서 선택된 금속을 이용한 허니컴(honeycomb) 형태의 열교환부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기는 원료 유로 및 열원가스 유로가 순차적으로 반복하여 적층되어, 원료 가스와 열원 가스의 열교환 면적이 증가되어 촉매 반응 효율이 우수한 장점을 가진다.
또한, 반응열의 원활한 공급을 도모하여 금속모노리스 촉매를 사용하는 것에 비하여 가격 대비 수소 생산성의 증대는 물론 반응효율을 극대화할 수 있다.
도 1a는 종래의 다단 촉매반응기의 측단면도이다.
도 1b는 도 1a의 A-A 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응기의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응기의 원료의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응기의 열원가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형의 유로를 가진 촉매반응기를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다. 예시된 도면은 발명의 명확성을 위하여 핵심적인 내용만 확대 도시하고 부수적인 것은 생략하였으므로 도면에 한정하여 해석하여서는 아니 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응기의 사시도이다. 본 발명에 따른 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기(1)는 내측관(12) 및 외측관(11)으로 이루어진 이중원통형 구조(10)로 설치되고, 상기 내측관(12) 및 외측관(11) 사이에 형성된 유로(20)를 구비하되, 상기 유로(20)는 원료 유로(120) 및 열원가스 유로(220)가 순차적으로 반복하여 적층되어 형성되며, 개질반응부(121) 및 열원공급부(200)를 포함할 수 있다.
상기 내측관(12) 및 외측관(11)은 주지된 내열 및 내산화 재료인 석영관이나 스테인리스 스틸이나 철-크롬 합금과 같은 금속이 사용될 수 있다.
상기 개질반응부(121)는 상기 원료 유로(120)에 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 수소를 생성시킨다. 상기 원료 유로(120) 및 열원가스 유로(220)가 순차적으로 반복하여 적층되어 형성되어, 탄화수소 수증기 개질반응에 필요한 충분한 열원이 개질반응부(121)에 원활하게 공급되어 반응효율성이 높아지고 수소 생산성도 증대시킬 수 있게 된다.
상기 원료는 탄화수소 1몰당 수증기 2 내지 5몰의 비율로 혼합하여 제조할 수 있다. 공급되는 탄화수소와 수증기는 촉매와 접촉하면서 탄화수소 수증기 개질반응이 일어나는데, 공지된 범위내에서 탄화수소와 수증기를 혼합하여 공급할 수 있으며, 탄화수소 역시 주지된 바와 같이 메탄을 주성분으로 하는 것을 사용할 수 있다.
예를 들어 상기 개질반응부(121)에는 메탄 1몰당 수증기 2 내지 5몰의 비율로 혼합하여 공급하면서, 0∼40bar의 압력하에서 공간속도 3,000∼50,000hr-1 정도로 공급하면 촉매와 접촉하면서 탄화수소 수증기 개질반응에 의해 수소가 생산된다.
상기 촉매는 내열성 담체에 니켈이나 코발트, 백금족 원소 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 활성금속을 5∼12중량% 함유하도록 담지하여 제조될 수 있다. 예를 들어 내열성 담체는 α-알루미나 칼슘-알루미네이트에서 선택된 것을 사용할 수 있으며, 담지시 활성금속은 5∼12중량% 함유되도록 하면 되고, 직경은 2∼10mm 정도의 크기를 갖도록 하면 된다. 그러나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 담체와 활성금속의 함량 및 직경 변화가 가능하다.
본 발명에 따른 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기(1)는 이중원통형 구조(10) 내부에서 열교환 및 개질반응이 이루어지는 컴팩트한 구조를 가지며, 상기 원료 유로(120) 및 열원가스 유로(220)가 순차적으로 반복하여 적층되어 고온의 가스 열이 각 반응에 효율적으로 전달될 수 있도록 하여 운전시간을 단축시키고 열효율을 극대화시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응기의 원료의 흐름을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응기의 열원가스의 흐름을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따른 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기(1)는 원료 유입관(110) 및 개질가스 배출관(130)을 더 포함할 수 있다. 상기 원료유입관(110)은 상기 원료 유로(120)의 최상층에 연결되어 형성되어 원료 가스가 투입되고, 상기 개질가스 배출관(130)은 상기 원료 유로(120)의 최하층에 연결되어 개질 가스가 배출된다.
상기 열원공급부(200)는 상기 내측관(12)으로 공급된 고온의 가스를 상기 열원가스 유로(220)에 유입시켜 상기 개질반응부(121)에 반응열을 전달한다. 이는 상기 촉매반응기(1)의 내부로 고온의 가스를 공급하는 구조로, 고온 가스의 온도 조절이 가능하며, 열원이 내부에 위치하여 히팅 자켓 대비 열손실이 감소하는 효과를 가질 수 있다.
이때 상기 열원공급부(200)의 가스는 폐쇄식 연소반응에 발생한 고온의 가스를 이용할 수 있다. 상기 개질반응부(121)의 적정 반응온도가 600∼900℃임을 감안하여 배기가스는 주지된 바와 같이 700∼1,100℃의 고온으로 흘려보내 주게 된다.
상기 열원공급부(200)는 관통공(210) 및 열원가스 배출관(230)을 포함할 수 있다. 상기 관통공(210)은 상기 열원가스 유로(220)의 최상층에 상기 내측관(12)과 연결되게 형성되어 고온의 가스가 유입되고, 상기 열원가스 배출관(230)은 상기 열원가스 유로(220)의 최하층에 연결되어 고온의 가스가 배출된다.
이에 따라, 상기 내측관(12)의 하부로 유입된 고온의 가스는 상기 내측관(12)에서 상향 이동하고, 상기 관통공(210)을 통하여 상기 열원가스 유로(220)에 유입된 후, 하향 이동하여 상기 열원가스 배출관(230)을 통하여 배출될 수 있다.
본 발명에 따른 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기(1)는 원료가 흘러가는 원료 유입관(110), 원료 유로(120) 및 개질가스 배출관(130)과 고온의 가스가 흘러가는 관통공(210), 열원가스 유로(220) 및 열원가스 배출관(230)를 구비하여 촉매를 포함한 개질반응부와 고온의 가스가 이동하는 열원공급부의 각 반응물이 혼합되지 않도록 한다.
상기 원료 유로(120)에서 상기 촉매가 충진되지 않는 하나 이상의 온도회복부(122)를 더 포함할 수 있다. 상기 온도회복부(122)는 원료 가스의 반복적인 열회복으로 온도가 균일하게 분포되어 촉매 반응 효율을 높일 수 있다.
상기 온도회복부(122)는 철, 스테인리스 스틸 또는 철-크롬 합금에서 선택된 금속을 이용한 허니컴(honeycomb) 형태의 열교환부를 더 포함할 수 있다. 특히, 철, 스테인리스 스틸 또는 철-크롬 합금에서 선택된 금속을 이용하여 면적의 제곱인치당 200 내지 1,200개의 평행한 미세 기체 유동 채널을 갖도록 제조된 허니컴(honeycomb) 형태인 것을 사용할 수 있다. 열교환부는 촉매가 충진된 개질반응부(121) 사이사이에 위치하여 충분한 열원을 촉매 전달하기 위하여 형성될 수 있다. 내열성 및 내산화성 금속을 사용할 수 있으며, 유입되는 탄화수소와 수증기 및 수소를 포함한 생성물의 이동이 가능하도록 기체유동 통로를 가지고 있는 허니컴(honeycomb) 형태를 갖는 것을 적용할 수 있다.
상기 원료 유로(120) 및 열원가스 유로(220)는 수평으로 적층되되, 반복하여 적층된 타단의 상기 원료 유로(120) 및 열원가스 유로(220)와 각각 수직으로 연결될 수 있다. 특히, 도 3 및 도 4와 같이, 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기(1)는 6단으로 제작될 수 있다.
이때, 원료 유입관(110)으로 유입된 연료는 6단 부분으로 공급되어 시계방향으로 연료가 흐르며 개질반응이 일어나며 계단형인 내부 구조에 의해 6단-4단-2단을 거쳐 개질가스 배출관(130) 순으로 진행될 수 있다.
또한, 상기 내측관(12)의 하부로 유입된 고온의 가스는 상기 내측관(12)에서 상향 이동하고, 상기 관통공(210)을 통하여 5단 부분의 상기 열원가스 유로(220)에 유입된 후, 5단-3단-1단을 거쳐 하향 이동하여 상기 열원가스 배출관(230)을 통하여 배출될 수 있다.
이에 따라 고온의 가스는 상기 개질반응부(121) 및 상기 온도회복부(122)가 접한 내측관(12)을 통하여 지속적으로 열교환 하여 열원을 공급받을 수 있으며, 원료 유로(120) 및 열원가스 유로(220)가 순차적으로 반복하여 적층되어, 원료 가스와 열원 가스의 열교환 면적이 증가되어 촉매반응이 진행되는 동안 고온상태를 유지하여 개질 반응의 효율을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 나선형의 유로를 가진 촉매반응기를 나타낸 도면이다. 도 5와 같이, 상기 원료 유로(120) 및 열원가스 유로(220)는 나선형으로 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 촉매반응기(1)의 효과를 확인하기 위하여 다음과 같이 제조실시예를 제시하고 있으나, 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것이므로, 본 발병이 이에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다.
<제조실시예>
두께가 1mm이고, 내경이 23mm인 스테인리스 스틸로 된 내측관(12)과, 두께가 3mm이고, 내경이 39mm인 스테인리스 스틸로 된 외측관(11)으로 이루어지는 이중원통형 구조(10)에서 내측관(12)과 외측관(11)사이에 원료 유로(120)와 열원가스 유로(220)를 순차적으로 반복하여 적층하되, 2단(원료 유로 1단, 열원가스 유로 1단), 4단(원료 유로 2단, 열원가스 유로 2단) 및 6단(원료 유로 3단, 열원가스 유로 3단)의 촉매반응기(1)를 제조하였다. 촉매(알루미나에 니켈이 5중량%가 되도록 담지한 직경 2.5 X 0.5mm 크기의 촉매)는 상기 원료 유로(120)에 수평으로 형성된 구간에 충진하였다.
이후 분당 1.8L의 메탄과 분당 18L의 공기를 혼합된 기체를 버너로 공급하여 연소시키면서 그 배기가스를 내측관(12)의 하부로 공급하였다. 이와 함께 원료 유입관(110)에는 메탄과 수증기를 1:3의 몰비로 혼합하여 9,000hr-1의 공간속도로 공급하였다.
<제조비교예>
제조실시예와 동일한 방법으로 촉매반응기(1)를 제조하되, 내측관(12)과 외측관(11)사이에 열원가스 유로(220)를 구비하지 않고 원료 유로(120)만을 사용하여 제조 하였다.
이후 이후 제조실시예와 동일하게 분당 1.8L의 메탄과 분당 18L의 공기를 혼합된 기체를 버너로 공급하여 연소시키면서 그 배기가스를 내측관(12)의 하부로 공급하였다. 이와 함께 원료 유입관(110)에는 메탄과 수증기를 1:3의 몰비로 혼합하여 9,000hr-1의 공간속도로 공급하였다.
<실험예>
제조실시예에서 제조한 촉매반응기(1) 각각의 개질가스 배출관(130)에서 메탄 양을 측정하여 원료 유입관(110)의 메탄 양 대비로 메탄 전환율을 산출하고, 수소 수율을 확인하였다. 그 결과는 하기 표 1에 나타내었다.
비고 Conv. of NG[%] H2 yield[H2 mol/C-mol]
실시예 3 6단 99.93 3.53
실시예 2 4단 96.88 3.41
실시예 1 2단 86.88 3.08
비교예 1단 74.11 2.63
상기 표 1에서 보는 바와 같이 원료 유로와 열원가스 유로를 6단으로 순차적으로 반복하여 적층한 본 발명에 따른 촉매반응기의 메탄 전환율을 99.93%로 원료 유로만으로 형성한 제조비교예의 촉매반응기에 비하여 매우 높은 반응효율을 보여주고 있다. 이러한 메탄 전환율은 종래 모노리스금속 촉매를 사용한 경우에 얻어지는 99%에 비하여 동등한 결과를 나타내는 것이다. 따라서 본 발명은 저가의 펠릿형 촉매를 사용하면서도 현저하게 상승된 반응효율을 기대할 수 있으며, 특히 가격이 저렴한 펠릿형 촉매를 사용하면서도 우수한 수소수율을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기는 원료 유로 및 열원가스 유로가 순차적으로 반복하여 적층되어, 원료 가스와 열원 가스의 열교환 면적이 증가되어 촉매 반응 효율이 우수한 장점을 가진다.
이상에서는 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
1: 촉매반응기 10: 이중원통형 구조
11: 외측관 12: 내측관
20: 유로 110: 원료 유입관
120: 원료 유로 121: 개질반응부
122: 온도회복부 130: 개질가스 배출관
200: 열원공급부 210: 관통공
220: 열원가스 유로 230: 열원가스 배출관

Claims (10)

  1. 내측관 및 외측관으로 이루어진 이중원통형 구조로 설치되고, 상기 내측관 및 외측관 사이에 형성된 유로를 구비하되, 상기 유로는 원료 유로 및 열원가스 유로가 순차적으로 반복하여 적층되어 형성된 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기로서,
    상기 원료 유로에 촉매가 충진되어 개질반응에 의해 탄화수소계 원료 및 수증기로 부터 수소를 생성시키는 개질반응부; 및
    상기 내측관으로 공급된 고온의 가스를 상기 열원가스 유로에 유입시켜 상기 개질반응부에 반응열을 전달하는 열원공급부를 포함하고,
    상기 원료 유로에서 상기 촉매가 충진되지 않는 하나 이상의 온도회복부를 더 포함하며,
    상기 원료 유로 및 열원가스 유로는 수평으로 적층되되, 반복하여 적층된 타단의 상기 원료 유로 및 열원가스 유로와 각각 수직으로 연결되는 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 원료 유로의 최상층에 연결되어 형성되어 원료 가스가 투입되는 원료 유입관; 및
    상기 원료 유로의 최하층에 연결되어 개질 가스가 배출되는 개질가스 배출관을 더 포함하는 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열원공급부는,
    상기 열원가스 유로의 최상층에 상기 내측관과 연결되게 형성되어 고온의 가스가 유입되는 관통공; 및
    상기 열원가스 유로의 최하층에 연결되어 고온의 가스가 배출되는 열원가스 배출관을 포함하여,
    상기 내측관의 하부로 유입된 고온의 가스는 상기 내측관에서 상향 이동하고, 상기 관통공을 통하여 상기 열원가스 유로에 유입된 후, 하향 이동하여 상기 열원가스 배출관을 통하여 배출되는 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 원료 유로 및 열원가스 유로는 나선형으로 배치되는 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 열원공급부의 가스는 폐쇄식 연소반응에 발생한 고온의 가스를 이용하는 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 원료는 탄화수소 1몰당 수증기 2 내지 5몰의 비율로 혼합하여 제조하는 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 촉매는 내열성 담체에 니켈이나 코발트, 백금족 원소 또는 이들의 혼합물에서 선택되는 활성금속을 5∼12중량% 함유하도록 담지하여 제조된 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 온도회복부는 철, 스테인리스 스틸 또는 철-크롬 합금에서 선택된 금속을 이용한 허니컴(honeycomb) 형태의 열교환부를 더 포함하는 탄화수소 수증기 개질용 촉매반응기.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200106349A (ko) 2019-03-04 2020-09-14 한국에너지기술연구원 촉매 반응기
KR20200108726A (ko) * 2019-03-11 2020-09-21 한국에너지기술연구원 다목적 모듈형 콤팩트 개질기

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102412880B1 (ko) * 2019-12-26 2022-06-24 (주)신넥앤테크 판형 구조의 연료 개질장치

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100512226B1 (ko) * 2002-11-21 2005-09-05 산요덴키가부시키가이샤 연료 전지용 수소 발생 장치

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7503430B2 (en) 2006-09-07 2009-03-17 Usg Interiors, Inc. Reduced dust acoustic panel

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100512226B1 (ko) * 2002-11-21 2005-09-05 산요덴키가부시키가이샤 연료 전지용 수소 발생 장치

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200106349A (ko) 2019-03-04 2020-09-14 한국에너지기술연구원 촉매 반응기
KR20200108726A (ko) * 2019-03-11 2020-09-21 한국에너지기술연구원 다목적 모듈형 콤팩트 개질기
KR102198569B1 (ko) * 2019-03-11 2021-01-12 한국에너지기술연구원 다목적 모듈형 콤팩트 개질기

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