KR101872939B1 - 합성가스(sng) 반응을 위한 촉매 개발용 반응기 - Google Patents

Abstract

인간의 생존을 위해 저급의 화석연료를 태워서 열을 얻음으로 인하여 발생하는 미세먼지, 지구온난화, 등 지구환경에 미치는 악영향을 조금이라도 줄이기 위하여 저급의 화석연료 와 바이오매스로부터 고급의 합성가스를 얻으려면 반응하는 온도와 압력을 낮게 유지하면서 반응을 촉진하는 촉매를 제조하여야 한다.
제조된 촉매의 재질 과 형태에 따라 적정한 반응온도와 압력을 실험으로 찾아내는 반응기와 반응기를 중심으로 온도와 압력의 설정 값을 변경 제어하여 제조된 촉매의 내구성을 유지 하고 가장효율적인 반응을 유지 하는 온도와 압력조건을 찾아내는 촉매개발 장비로 반응의 현상을 직접 눈으로 확인 하면서 온도와 압력을 자동으로 설정 변경하는 장치의 구성 수단과 방법을 실현하는 장치에 관한 것이다.

Description

합성가스(SNG) 반응을 위한 촉매 개발용 반응기{Catalysis develop facility of Synthesis Natural Gas Reaction}

태워서 연소열을 얻으므로 미세 먼지, 지구온난화, 오존층을 파괴하는 저급하고 저렴한 연료들을 변환하여 가장 이상적인 가스연료로 전환 하는 공정에 있어 가장 핵심이 되는 기술은 반응을 촉진하는 촉매를 개발하는 것이다.

촉매를 개발함에 있어 원료가스가 촉매에 접촉할 때 발열반응을 하는 경우와 흡열반응을 하는 두 가지 경우가 있다.

각 경우에 따라 반응온도를 제어함과 동시에 반응압력을 제어하여 개발하려는 촉매가 반응하는 가장 적당한 온도와 압력 값을 찾고 그리고 촉매의 성능을 저하하는 원인을 찾아내어 경제성이 있는 이상적인 촉매를 개발하는 수단을 찾아내고 찾아낸 수단을 실현 하는 장치에 관한 것이다.

종래에는 도2에서와 같이 반응기내부의 촉매온도를 반응이 발생하는 온도로 유지하고 여기에 일산화탄소와 수소를 혼합하여 반응기로 유입하고 촉매와 접촉하는 순간 촉매가 보유한 열에 의하여 발열 반응이 발생하게 하였다.

그러므로 순간적인 반응에 의하여 발생하는 열을 촉매가 바로 흡수하여 적당한 온도로 낮아지게 하려면 촉매와 촉매를 데운 열전달매체까지 그 온도를 낮아지게 하여야 하므로 이에 상당한 시간이 소요되어야 한다. 이때 반응으로 인해 발열한 열은 고온으로 올라가고 이 고온으로 인하여 일산화탄소 와 수소가 결합하여 얻고자 하는 탄화수소가 생성되지 않고 탄소 와 수증기가 생성된다. 생성된 탄소분자는 촉매 표면에 부착된다.

그래서 숯검정이 발생하는 것은 상기와 같은 현상을 잘 나타내 주고 있다.

촉매 표면에 부착된 탄소는 휘발하지 못한다. 왜냐하면 탄소가 휘발하려면 그 온도는 수천도가 되어야 하기 때문이다. 촉매 표면에 부착된 탄소가 증가함에 따라 촉매가 하는 역할의 능력이 점점 감소한다.

종래에는 이런 것에 대한 생각을 미쳐하지 못하고 도1에서와 같이 반응기의 중앙부위에 반응가스가 흐르는 관로(101)를 두고 이 관로의 중앙에 촉매(102)를 두고 관로 외주 면을 따라 형성된 공간(103)에 열전달매체가 흐르게 하였다. 그리고 도2에서와 같이 반응기(100)의 내부로 유입되는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)를 예열하지 않고 스테이틱믹스(201)을 통해 골고루 회석되게만 하여 반응관로(101)로 직접 유입되어 관로 외주면의 열전달매체로부터 열을 받아 반응이 발생하기에 적합한 온도로 가열된 촉매와 접하면서 촉매로부터 반응온도를 얻어 반응이 발생한다. 그르므로 반응에 의해 발열한 열을 촉매가 흡수 하지 못하므로 아주 높은 온도가 발생한다. 이 고온의 온도에 의하여 탄소가 분리되고 분리된 탄소는 촉매 표면에 부착된다.

이런 현상을 외부에서 관찰 할 수 없고 다만 촉매 중앙에 온도 센스(T)를 두어 내부온도를 감지하고 이온도를 바꾸어 가면서 촉매의 반응정도를 확인 하려 하였다.

그러므로 반응에 의하여 촉매가 변하는 과정을 관찰 할 수 없었다.

그래서 반응기 내부 온도를 여러 차례 설정하고 가스를 보내 반응을 발생하게 하고 그때마다 반응기를 분해하여 촉매의 변화 상태를 관찰하였다.

이에 따라 많은 시간과 재원을 낭비하면서도 반응온도에 의하여 촉매가 어떻게 열화 되어가는 과정을 정확하게 알 수가 없을 뿐만 아니라 촉매에 의하여 반응하는 가장 적당한 온도와 압력을 찾아 낼 수도 없었다. 그래서 개발한 촉매를 정확하게 평가 할 수 없다. 그래서 경제성이 있는 이상적인 촉매를 개발 할 수가 없었다.

상기와 같은 종래의 과제를 해결하는 수단으로 도4에서와 같이 원료 가스인 일산화탄소(CO) 와 수소(H2)가 혼합되기 전 각각의 가스가 반응에 적합한 온도로 예열하여 가열되지 않는 촉매와 접촉하고 이때 반응에 적합한 온도를 얻게 하는 것은 원로가스인 일상화탄소와 수소를 반응기에 유입하기 전에 예열한 온도를 혼합하여 촉매와 접촉 시 반응이 발생할 수 있는 온도로 가열한다. 그리고 반응이 발생 하고 이로 인해 발생한 반응열을 촉매가 바로 흡수 할 수 있게 하므로 종래에서와 같이 고온의 온도가 발생 할 수가 없게하여 원하는 탄화수소와 수증기만 생성되게 할 수 있다.

또한 유입되는 가스의 예열온도, 반응기 중앙의 열전달매체온도, 반응기 내부 압력의 변화에 따라 탄소가 발생하는지 여부를 눈으로 직접 확인하기 위하여 도1에서와 같이 반응온도를 제어하는 열이 흐르는 관로를 종래에는 반응기외주면을 따라 흐르게 하였는데 이를 도3에서와 같이 바꾸어 가운데 정중앙에 열전달 매체가 흐르는 관로(308)를 두고 관로(308)외주면 상부에는 서로 다른 원료 가스가 혼합되는 공간, 하부에는 촉매를 두는 공간이 형성되게 바깥에 수정유리관(306)을 두고 수정유리관마구리(314)를 수정유리관 양쪽을 막아 기밀을 유지한다.

혼합된 가스가 촉매에 접촉하여 반응할 때 탄소가 생성되는가를 투명한 수정유리관을 통하여 외부에서 눈으로 직접 관찰할 수 있게 한다.

반응에 의하여 생성되는 연료가스(SNG)를 태울 때 얻어지는 열량과 가스를 합성하여 생산 하는데 소비되는 열량을 비교하여 경제성이 있어야 한다.

그런데 가스를 합성하여 생산하는데 소비되는 열은 촉매에 따라 달라진다. 그래서 가장 적은 열을 소비하여 합성가스를 생산 하기위해서는 이에 맞는 가장 이상적인 촉매를 개발하여야 하고 이런 촉매를 개발하려면 본 발명의 장치가 필수적으로 있어야한다.

그래서 지구가 한여름에 태양으로부터 받는 열을 저장하고 원자력 발전으로 인하여 수요를 초과 하는 전력에너지를 저장하는 수단, 태워서 열을 얻으면 미세먼지, 지구온난화, 오존층 파괴 등 지구 환경을 훼손하는 저급한 연료를 고급의 연료가스를 전환할 때 생산비를 줄이는 가장 핵심적인 촉매를 개발할 수 있는 길을 열수 있는 효과 가 있다.

도1 : 종래의 반응기 구조도
도2 : 종래의 반응장치 개략도
도3 : 본 발명에 의해 창안된 반응기 구조도
도4 : 본 발명에 의해 창안된 반응장치 개략도
도5 : 본 발명에 의해 창안된 반응장치를 보다 효과적으로 관리 제어하는 제어시스템의 개략도

본 발명에 대한 구체적인 내용은 도4에서와 같이 수소와 일산화탄소를 일정온도로 예열하여 반응기 내부로 유입하고 도3에서와 같이 유입된 가스는 반응기 내부에서 혼합되게 반응 공간 내부의 상부에 가스 혼합 공간을 두고

반응기 중앙에 반응으로 인해 발생하는 열을 흡수하여 반응온도를 제어하는 열전달매체(315)가 흐르는 관로(308)을 두고

이 관로(308)의 외주 면이 진원도가 아주 좋고 균일하게 그 표면을 정밀연마 하고 연마된 관로의 외주 면을 따라 반응공간을 형성하기위하여 반응 시 발생하는 압력과 온도에 충분히 견디는 수정유리관(306)이 설치 되게 수정유리관마구리(314)의 내측 면에는 오링 홈(311)자리를 파고 여기에 온도에 견디고 화학적인 반응에 안정된 특수고무로 제작된 오링을 삽입하고 외측면에는 수정유리관이 안착되는 가장자리를 받아주는 테프론으로 제작된 테프론팩킹(312)을 둔다.

그리고 수정유리관(306)을 관로(308) 외부 중앙에 위치하게 하고 그리고 수정유리관과 관로 사이에 적당량의 촉매를 넣고 두 개의 수정유리관마구리(314)를 마주보게 관로에 끼워 넣어 반응공간을 형성하고

관로(308) 양쪽에 고정구(313)를 삽입하고 고정 볼트(309)를 고정 구(313)와 관로(308)가 동심원을 이루게 조여 고정한다.

그리고 수정유리관(306) 양쪽 가장자리에 수정유리관마구리(314)를 안쪽으로 밀어 넣어 수정유리관마구리(314)의 테프론팩킹(312)이 수정유리관(306) 양쪽 가장자리와 밀착이 되게 볼트(310)을 서서히 조이면 수정유리관(306)과 관로(308)가 자동으로 서로 동심원에 위치하면서 기밀 된 반응공간을 형성 하는 반응기가 구성된다.

그리고 도4에서와 같이 반응기(300)를 중앙에 두고 반응기에 유입되는 가스를 두 가지 원료 가스가 상온의 촉매와 접촉하여 반응하기에 가장 적합한 온도로 예열하는 가스가열기 가스가열기에 공급되는 열원을 제어하는 가스온도 조절기를 각각 두고 반응기 중앙에 위치한 관로에 열전달매체를 흐르게 하는 순환 펌프와 순환하는 열전달매체의 온도를 제어하는 열교환기(404) 열교환기 내부에는 항상 일정한 냉각 열을 흡수하는 냉각코일과 전열기를 두고 냉각코일에 냉매를 순환하게 하는 냉동기를 둔다.

반응기 중앙부위를 흐르는 열전달매체의 온도를 감지하여 가스가 촉매와 접촉하여 반응하므로 발생하는 반응열을 흡수하여 반응을 유지하는데 가장 좋은 온도가 되게 열전달매체의 온도를 조절한다.

그리고 촉매의 색상이 변하는 것을 감지하면서 온도와 압력을 제어 하여야 하는데 이때 압력을 제어 하는 수단으로 흐르는 유체의 유량계수가 밸브 변위에 따라 히스테리가 없이 비례적으로 변하는 정밀한 전자 제어 변(401)을 두고 반응기내부에서 밸브(401)를 통해 유출되는 유체의 압력신호(P1)를 받아 이를 전기적 신호로 변환하여 밸브조절기에 입력되고 밸브조절기는 밸브(MV)가 반응기에서 유출되는 유량을 조절하므로 반응기 내부 반응가스 압력을 일정하게 유지 한다.

여기서 유입되는 가스 온도, 반응기 내부를 흘러 반응으로 인하여 발생하는 열량을 흡수하는 열전달매체 온도, 여러 가지 온도와 반응기 내부 압력 신호 등 모든 신호들은 반응에 의한 촉매에 밀접하게 영향을 주는 인자들이다.

온도와 압력을 순서를 따라 정밀하게 자동으로 조금씩 변화 하면서 조절하고 촉매의 변화를 직접 눈으로 살펴야 합니다.

이때 반응을 증가하는 것은 반응온도 와 압력을 올리는 것이고 반응을 감소하게 하는 것은 반응온도와 압력을 내리는 것입니다.

그래서 도5에서와 같이 반응을 증가하게 하는 스위치(501), 반응을 감소하게 하는 스위치(502), 두 스위치(501, 502)에 의하여 온도의 증가 와 감소가 0.1℃ 간격으로 변하게 하는 경우와 1℃식 변하게 하는 경우 두 경우를 선택하는 스위치(503), 즉 3개의 스위치를 둔다.

스위치(503)을 Off한 상태에서 스위치(501)을 누러면 반응기로 유입되는 가스의 예열온도가 서서히 0.1℃ 증가하고 이어서 반응기 내부를 흐르는 열매체의 온도가 0.1℃ 증가 하여 그대로 유지 하고.

스위치(503)를 OFF한 상태에서 스위치(502)를 누르면 반응기로 유입되는 가스의 예열온도가 0.1℃감소하고 이어서 반응기 내부를 흐르는 열매체의 온도가 0.1℃ 감소하여 그대로 유지한다.

스위치(503)를 ON한 상태에서 스위치(501)을 누르면 반응기로 유입되는 가스의 예열온도가 서서히 1℃ 증가하고 이어서 반응기 내부를 흐르는 열매체의 온도가 1℃ 증가 하여 유지 하고

스위치(503)를 ON한 상태에서 스위치(502)를 누르면 반응기로 유입되는 가스의 예열온도가 1℃감소하고 이어서 반응기 내부를 흐르는 열매체의 온도가 1℃ 감소하여 그대로 유지한다.

그래서 반응기의 온도 변화에 따라 촉매를 통해 반응하여 생성되는 가스의 종류 와 양에 따라 내부 압력을 일정하게 유지하면 전자식제어변의 변위는 이에 따라 일정 값을 유지한다.

이때 공급되는 원료 가스의 양을 일정하게 유지하는 가스 량, 반응기로 유입되는 가스의 온도, 반응기 내부의 온도와 압력, 전자제어변의 변위를 기록하고 기록된 자료를 분석하므로 촉매가 가장 이상적인 촉매작용을 하는 온도와 압력조건을 찾아 낼 수 있고.

또한 촉매가 반응가스에 의하여 어떻게 변해가는 가를 직접 눈으로 확인하므로 촉매가 침탄(Carburization)되지 않는 조건에서 가장효율적인 반응을 하는 온도와 압력을 찾아 낼 수가 있다.

100 : 종래의 반응기
101 : 반응기관로 102 : 촉매
103 : 열전달매체
200 : 종래의 반응기 온도제어 시스템
201 : 스테이틱믹샤 (Static Mixer)
300 : 발명에 의한 반응기
301 : CO 가스 유입 구 302 : H2 가스 유입 구
303 : 반응가스 유출 구 304 : 열전달매체 유입 구
305 : 열전달매체 유출 구 306 : 수정유리관
307 : 촉매 308 : 열전달매체 관로
309 : 고정 구 고정 볼트 310 : 수정유리관 마구리 밀착 볼트
311 : 오링 312 : 테프론 팩킹
313 : 고정 구 314 : 수정유리관마구리
315 : 열전달매체
401 : 전자제어식 비례 제어 변 402 : 압력 센스
403 : 밸브조절기
500 : 전자제어 시스템
501 : 반응증가스위치 502 : 반응감소스위치
503 : 0,1℃ , 1℃ 선택스위치

Claims (3)

1. 삭제
2. 열전달매체가 흐르는 관로를 중앙에 두고,
   상기 관로 바깥쪽으로 관로와 동심을 이루는 투명한 수정유리관을 두고,
   상기 관로와 수정유리관 사이에 기밀하게 형성된 반응공간에 촉매를 두고, 상기 반응공간으로 촉매와의 반응을 위한 가스를 유입하여
   상기 반응공간에서 반응으로 발생한 열에 의하여 촉매의 열화 현상을 직접 눈으로 관찰할 수 있는 것을 특징으로 하는 합성가스(SNG) 반응을 위한 촉매 개발용 반응기.
   
3. 삭제

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