KR101898736B1 - 메탄 합성을 위한 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 CO와 수소를 포함하는 반응 가스로부터 메탄을 합성하는 메탄 합성 반응기에 관한 것으로서, CO와 수소를 포함하는 반응가스가 반응하여 생성된 메탄 함유 가스를 배출하는 가스 배출부가 상부에 구비된 반응기 본체; 및 상기 반응가스가 상부에서 하부로 공급되는 가스 공급관을 포함하는 메탄 합성 반응기로서, 상기 가스 공급관은 상기 반응기 본체의 내벽과 이격되어 상기 반응기 본체 내부에 삽입되되, 상기 가스 공급관 하부 말단이 개방되어 상기 반응기 본체와 연결되며, 상기 반응기 본체는 상기 반응기 본체 내벽과 가스 공급관 사이의 이격된 공간을 통해 반응가스가 반응기 본체 하부에서 상부로 이동하되, 상기 공간에 상기 반응가스의 반응에 의해 메탄 함유 가스를 생성하는 촉매가 충진된 촉매층을 구비하며, 상기 반응기 본체 내벽과 가스 공급관 사이의 이격된 공간에 냉매가 유동하는 복수의 내부 냉각관을 구비하는 메탄 합성 반응기를 제공한다.

Description

메탄 합성을 위한 반응기{Reactor for the Synthesis of Methane}
본 발명은 석탄 혹은 바이오매스 등의 가스화를 통하여 얻어지거나 혹은 석유화학산업 등의 부생가스에서 발생하는 합성 가스(CO+H2의 혼합 가스)를 반응 가스로 이용하여 메탄을 합성하는 합성천연가스(Synthetic Natural Gas) 제조에 사용되는 반응기에 관한 것이다.
최근 유가 상승에 따라 천연가스의 가격도 함께 상승하고 있다. 이에 저렴한 석탄으로부터 청정연료를 제조하는 석탄 가스화 기술에 대한 관심이 점차 증대되고 있다. 이에 석탄 가스화 기술이 발달하면서 석탄의 가스화에 의해 발생된 합성 가스에 대한 경제성있는 활용방안으로 합성 천연가스 생산이 주목받고 있으며, 이러한 석탄 가스화에 의한 합성천연가스의 생산은 최근 미국, 중국 등지에서 활발하게 상업화가 추진되고 있다.
상기 합성 가스를 반응 가스로 이용하여 메탄이 주성분인 합성천연가스를 만드는 주요 반응 및 반응열은 다음 반응식 1 및 2와 같다.
CO + 3H2 → CH4 + H2O (반응열: 206kJ/mol) (반응식 1)
CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O (반응열: 165kJ/mol) (반응식 2)
위와 같은 반응식의 메탄 합성반응은 열역학적으로 압력이 올라가면 유리하나, 반응 온도가 상승할수록 메탄의 수율은 떨어지게 된다.
상기와 같이 메탄 합성 공정에 있어서는 강한 발열을 수반하게 되어, 메탄 수율이 저하할 수 있다. 또한, 상기 메탄 합성 반응 공정에서는 주로 Ni계 촉매가 사용되는데, 일반적으로 Ni계 촉매는 700℃ 이상에 노출되는 경우, 소결 현상에 의해 촉매의 수명이 현저하게 줄어들게 된다. 따라서, 상기와 같이 강한 발열이 수반되는 메탄 합성 공정에 있어서 반응열을 효과적으로 추출 및 제어하는 것이 합성공정 설계에 있어서 매우 중요하다.
이와 같은 반응열을 제어하기 위해, 일반적으로 수행되는 상업적 메탄 합성 공정에서는 다수의 단열반응기를 사용하면서, 일부 반응기에서 반응하여 나온 반응 생성물을 반응기 전단으로 재순환시켜 새로이 유입되는 유입가스와 혼합하여 해당 반응기로 공급함으로써, 반응기 유입가스의 CO, H2 농도를 낮추어 반응열을 제어하는 방식을 사용하고 있다.
종래 상업적으로 사용되고 있는 메탄 합성 공정의 일 예를 도 1에 나타내었다. 도 1의 메탄 합성 공정에 따르면, 1차 단열반응기(11)에서 배출되는 일부 가스를 재순환 압축기(24)를 사용하여 1차 반응기(11) 유입부로 재순환하여 1차 반응기(11)에서 반응열을 제어하고, 2차, 3차 단열반응기(12, 13)를 차례로 통과시킴으로써 메탄의 수율을 향상시키고자 하였다. 이때, 재순환된 가스를 이용하여 1차 반응기(11)에서 온도를 700℃ 이하로 유지하게 되면, 1차 반응기(11) 후단에서는 약 50% 정도의 메탄 조성을 얻을 수 있는데, 최소한 3단 혹은 4단의 단열반응기(12, 13)를 사용해야 90% 이상의 메탄 조성을 얻을 수 있다.
한편, 한국공개특허 제2010-0042266호에는 반응 가스를 1차 반응기와 2차 반응기로 나누어 보내고, 1차 단열반응기에서 나오는 생성물 일부를 재순환하여 다시 1차 반응기로 혼합하여 보내는 방식으로 반응열을 제어하는 기술이 개시되어 있으며, 4개의 단열반응기를 사용하여 90% 이상의 메탄 조성의 생성물을 얻고 있다.
그러나, 이러한 단열반응기 조합기술은 고온, 고압의 가스를 재순환시켜야 하므로, 이를 위한 설비 비용이 많이 요구되며, 다수개의 단열반응기를 사용해야 원하는 메탄 수율을 얻을 수 있다는 단점이 있다.
이러한 단열반응기 조합의 단점을 극복하기 위하여 미국특허 제4294932호에는 일반적인 발열반응에 많이 사용되는 증기 냉각장치를 이용한 쉘(shell) 내에 촉매가 충진된 다수 개의 튜브를 구비하는 등온반응기를 이용하여 반응열을 회수하여, 메탄의 수율을 올릴 수 있는 반응기 시스템이 개시되어 있으나, 상업적인 규모의 메탄 합성공정에 적용하기 위해서는 수천 개 이상의 튜브가 필요하기 때문에 상업화 적용이 어렵다는 단점이 있다.
본 발명은 종래에 제안된 복수의 단열반응기 또는 쉘-튜브 형태의 등온반응기에 비하여 효과적으로 반응열을 추출함으로써, 1개의 반응기만을 사용하여도 80% 이상의 메탄 조성을 얻을 수 있는 반응기를 제공하고자 한다.
본 발명은 메탄 합성 반응기에 관한 것으로서, 본 발명의 메탄 합성 반응기는 CO와 수소를 포함하는 반응가스가 반응하여 생성된 메탄 함유 가스를 배출하는 가스 배출부가 상부에 구비된 반응기 본체; 및 상기 반응가스가 상부에서 하부로 공급되는 가스 공급관을 포함하는 메탄 합성 반응기로서, 상기 가스 공급관은 상기 반응기 본체의 내벽과 이격되어 상기 반응기 본체 내부에 삽입되되, 상기 가스 공급관 하부 말단이 개방되어 상기 반응기 본체와 연결되며, 상기 반응기 본체는 상기 반응기 본체 내벽과 가스 공급관 사이의 이격된 공간을 통해 반응가스가 반응기 본체 하부에서 상부로 이동하되, 상기 공간에 상기 반응가스의 반응에 의해 메탄 함유 가스를 생성하는 촉매가 충진된 촉매층을 구비하며, 상기 반응기 본체 내벽과 가스 공급관 사이의 이격된 공간에 냉매가 유동하는 복수의 내부 냉각관을 구비한다.
상기 내부 냉각관은 촉매층을 관통하도록 구비되는 것이 바람직하며, 이때, 상기 내부 냉각관을 유동하는 냉매는 물을 사용할 수 있으며, 상기 냉매는 250 내지 300℃의 온도를 갖는 포화수인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 메탄 합성 반응기는 반응기 본체 벽면 외부에 냉매가 유동하는 외부 냉각튜브를 더 구비할 수 있다. 이때, 상기 외부 냉각튜브는 반응기 본체의 벽면 외부를 포위하여 형성될 수 있다.
또한, 상기 외부 냉각튜브는 냉매 공급부 및 냉매 배출부를 구비할 수 있으며, 이때, 상기 외부 냉각튜브를 통해 공급되는 냉매는 250 내지 300℃의 온도를 갖는 포화수인 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 내부 냉각관에 촉매 층의 반응열을 효과적으로 추출할 수 수 있어, 본 발명에 따른 반응기 1개만 사용하더라도 메탄을 약 80% 이상 함유하는 조성의 메탄 함유 가스를 얻을 수 있으며, 따라서, 90% 이상의 메탄 수율을 얻기 위해 요구되는 반응기의 수를 최소화시킬 수 있다.
또한, 촉매층의 최고온도를 보다 효과적으로 낮출 수 있어 촉매의 수명을 늘릴 수 있다.
따라서, 본 발명의 메탄 합성 반응기를 사용함으로써 대용량화에 유리할 뿐만 아니라, 애뉼러 형태의 반응기를 사용함으로써, 쉘-튜브 형태의 등온 반응기에 비하여 효과적으로 반응열을 추출할 수 있고, 약 40~50개의 튜브를 사용하는 쉘-튜브 등온반응기를 1개의 애뉼러형 반응기로 대체할 수 있다.
도 1은 종래 사용되고 있는 단열반응기가 조합된 메탄 합성 공정을 개략적으로 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 애뉼러형 반응기의 종단면 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 본 발명에 따른 애뉼러형 반응기를 A-A' 방향의 횡단면 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 4는 본 발명의 비교예에 사용된 메탄 합성 반응기의 종단면 구조를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 형태들을 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시형태는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시 형태로 한정되는 것은 아니다. 또한, 본 발명의 실시형태는 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 나아가, 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 2는 본 발명의 애뉼러형 메탄 합성 반응기의 종단면 구조를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2의 메탄 합성 반응기에 대한 A-A' 방향의 횡단면 구조를 개략적으로 나타낸 도면으로서, 상기 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 애뉼러형 메탄 합성 반응기(50)는 반응기 본체(52)와 상기 반응기 본체(52)의 내부에 가스 공급관(51)이 삽입되어, 단면 형상이 이중관 구조를 갖는다. 상기 가스 공급관(51)을 통해 메탄 합성을 위한 반응물을 포함하는 반응 가스가 공급된다.
상기 반응 가스로는 메탄을 합성할 수 있는 반응물을 포함하는 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 통상 메탄 합성 반응은 반응식 1 및 2에 나타낸 바와 같이 CO와 수소의 반응에 의해 얻어진다.
CO + 3H2 → CH4 + H2O (반응열: 206kJ/mol) (반응식 1)
CO2 + 4H2 →CH4 + 2H2O (반응열: 165kJ/mol) (반응식 2)
따라서, CO와 수소를 포함하는 혼합 가스를 사용할 수 있으며, 이러한 혼합 가스로는 석탄 혹은 바이오매스 등의 가스화를 통하여 합성되거나 혹은 석유화학 산업 등의 부생가스에서 발생하는 합성 가스(CO+H2의 혼합 가스)를 이용할 수 있다.
상기 가스 공급관은 상기 반응기 본체의 내벽과 이격되어 상기 반응기 본체 내부에 삽입되되, 상기 가스 공급관 하부 말단이 개방되어 상기 반응기 본체와 연결된다. 따라서, 상기 가스 공급관(51) 상부를 통해 CO와 수소를 포함하는 반응 가스가 공급되고, 상기 가스 공급관(51)을 따라 상부에서 하부로 유동된 반응가스는 상기 가스 공급관(51)과 반응기 본체(52) 내벽에 의해 형성되는 가스 유동 경로를 하부에서 상부로 유동하게 된다.
본 발명에 의해 제공되는 메탄 합성 반응기(50)는 상기한 바와 같이 반응기 본체(52) 내에 상기 가스 공급관(51)이 삽입된 이중관 구조를 갖는 것으로서, 상기 가스 공급관을 통해 공급된 반응가스는 반응기 본체의 하부 벽면에 부딪혀 유동경로가 변경되어 상기 가스 공급관(51)과 반응기 본체(52) 내벽 사이에 형성된 공간을 통해 하부에서 상부로 이동한다.
상기 가스 공급관(51)과 반응기 본체(52) 내벽 사이의 공간에는 반응가스가 반응하여 메탄을 합성하는 촉매가 충진된 촉매층(53)이 구비된다. 상기 반응기 본체의 하부에서 상부로 이동하는 반응가스는 상기 촉매와 접촉하면서 반응하여 메탄을 합성하게 된다. 상기 촉매는 니켈계 촉매가 주로 사용되나, 본 발명에서는 특별히 한정하지 않는다.
상기 반응식 1 및 2에 나타낸 바와 같이 메탄 합성 반응은 발열반응으로서, 촉매층(53)이 구비된 메탄 합성 반응기(50)의 온도가 상승하게 되는데, 반응온도가 상승할수록 메탄의 수율이 떨어지며, 압력이 증가할수록 메탄의 수율이 커진다. 또한, 상기 메탄 합성 반응 공정에서는 주로 니켈계 촉매가 사용되는데, 일반적으로 니켈계 촉매는 700℃ 이상에 노출되는 경우, 소결 현상에 의해 촉매의 수명이 현저하게 줄어들게 된다.
따라서, 메탄 합성 공정에 있어서, 이와 같은 반응열의 효과적인 추출 및 제어가 요구된다. 본 발명에서와 같이 이중관 구조의 애뉼러형 메탄 합성 반응기(50)를 사용하는 경우, 촉매층(53)에서의 메탄 합성 중에 발생된 반응열은 상기 가스 공급관(51)을 통해 공급되는 반응 가스를 반응개시 온도로 상승시킬 수 있다. 통상 반응 가스로부터 메탄을 생성함에 있어서, 상기 반응 가스는 250 내지 300℃ 범위의 온도에서 반응이 개시된다. 본 발명에 따르면, 이와 같은 반응 가스의 반응 개시 온도로의 예열을 메탄 합성 반응열을 이용하여 수행할 수 있으며, 따라서, 반응 가스의 예열을 위한 공정을 생략할 수 있어, 예열에 요구되는 공정 비용을 절감할 수 있다. 나아가, 새로이 공급되는 반응 가스가 촉매층의 반응열을 일부 흡수함으로써 반응기의 온도를 낮출 수 있어, 반응효율 향상 및 촉매 수명을 보다 장기화할 수 있다.
본 발명의 메탄 합성 반응기(50)는 반응기 및 촉매층(53)의 반응열 제어를 위해 상기 촉매층(53)이 구비된 반응기 본체(52) 내벽과 가스 공급관(51) 사이의 유동 경로 상에 내부 냉각관(55)을 구비한다. 상기 내부 냉각관(55)을 통해 냉매를 유동시킴으로써 메탄 합성에 의한 반응열을 흡수하여 반응기 및 촉매의 온도를 제어할 수 있다.
상기 내부 냉각관(55)은 촉매층(53)을 관통하는 것이 바람직하다. 상기 내부 냉각관(55)이 촉매층(53)을 관통함으로써 반응 가스가 촉매층(53)과 접촉하여 메탄을 합성할 때 생성되는 반응열을 보다 효과적으로 흡수하여 반응기 온도를 효율적으로 제어할 수 있음은 물론, 촉매층(53)의 온도를 낮출 수 있어, 촉매 수명을 장기화하는데 보다 바람직하다.
상기 내부 냉각관(55)은 복수개 설치되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 도 3에 나타낸 바와 같이, 반응기 본체(52) 내벽과 가스 공급관(51) 사이의 반응 가스 유동경로 상에 복수개 구비될 수 있다. 내부 냉각관(55)의 개수는 특별히 한정하지 않으며, 가스의 유동을 억제하여 메탄 함유 가스의 생산성을 저해하지 않는 범위 내에서 반응열을 효과적으로 제어하기에 필요한 개수로 설치될 수 있다. 예를 들면, 내부 냉각관(55)의 직경에 따라 상이할 수 있으나, 4 내지 20, 4 내지 16, 6 내지 12, 8 내지 12 등 다양하게 선택될 수 있다. 상기 내부 냉각관(55)의 개수가 많을수록 반응열을 흡수하는 효과를 높일 수 있으나, 지나치게 많으면 반응기의 설계가 복잡화될 수 있으며, 반응기의 제조 비용 증대를 초래할 수 있다.
상기 내부 냉각관(55)의 형상은 특별히 한정하지 않으며, 도 2에 나타낸 바와 같이 직선 형상의 관일 수 있음은 물론, 반응열 흡수를 높이기 위해 촉매층(53)과의 접촉면적을 증대시키고자 S자와 같은 지그재그 형태로 굴곡될 수 있는 등, 다양한 형상을 가질 수 있다. 또한, 내부 냉각관(55)의 직경 역시 다양할 수 있다.
또한, 내부 냉각관(55)의 배열은 도 4에 나타낸 바와 같이 규칙적으로 병렬 배열되어 반응기의 횡단면을 보았을 때 형상이 원형상을 이루도록 내부 냉각관(55)이 배열될 수 있음은 물론, 불규칙하게 배열될 수 있고, 2 이상의 내부 냉각관(55)이 병렬 배열되어 복수의 동심원 형상을 형성할 수도 있는 등, 특별히 한정하지 않는다.
상기 내부 냉각관(55)을 통해 유동하는 냉매는 특별히 한정하지 않으나, 물을 사용할 수 있다. 물을 냉매로 사용함으로써 반응열을 흡수하여 반응기 내의 온도를 제어할 수 있음은 물론, 반응열의 흡수에 의해 물을 증기를 얻을 수 있으며, 이에 의해 얻어진 증기를 보일러 공급수 등으로 활용할 수 있어 경제적이다. 상기 냉매로 사용되는 물은 250 내지 300℃ 범위의 고온의 포화수를 사용하는 것이 바람직하다. 250℃ 미만의 저온의 포화수를 사용하는 경우에는 촉매 온도가 지나치게 낮아져 촉매 활성을 나타내지 못할 수 있으며, 300℃를 초과하는 경우에는 촉매층의 온도를 충분히 냉각시키지 못할 수 있다.
상기 내부 냉각관(55)은 내부의 반응 가스 유동경로와는 구별되는 것으로서, 예를 들어, 도 2에 나타낸 바와 같이 반응기 본체(52) 벽면의 하부와 상부를 통해 외부와 연결하여 냉매의 공급 및 배출을 수행할 수 있다. 냉매의 공급 및 배출 위치는 특별히 한정하지 않으며, 상부에서 공급되어 하부로 배출될 수 있음은 물론, 하부에서 공급되어 상부로 배출될 수도 있다. 물이 반응열을 흡수함으로써 증기로 되므로, 상기 증기의 유동을 고려하면 반응기 하부에 냉매가 공급되는 냉매 공급부가 설치되고, 상부에 증기 배출을 위한 냉매 배출부를 구비하는 것이 보다 바람직하다.
또한, 상기 반응열 제어를 위해 본 발명의 메탄 합성 반응기(50)는 반응기 본체(52)의 외벽 주위에 냉매를 유동시켜 반응기를 냉각시키는 외부 냉각튜브(56)를 구비할 수 있다. 상기 외부 냉각튜브(56)는 적어도 촉매가 충진된 촉매층(53)을 포위하도록 구비되는 것이 촉매의 온도를 낮추는데 보다 효과적이고, 이로 인해 메탄 합성 반응 효율을 높일 수 있어 바람직하다.
상기 외부 냉각튜브(56)는 도 3에 나타낸 바와 같이 반응기 본체(52)를 둘러싸도록 형성되며, 상기 반응기 본체(52) 외벽 사이의 공간을 통해 냉매가 유동함으로써 반응기의 반응열을 흡수할 수 있다.
상기 외부 냉각튜브(56)는 냉매 공급을 위한 냉매 공급부(57) 및 반응기로부터 반응열을 흡수한 냉매를 배출하는 냉매 배출부(58)를 포함한다. 이를 통해 새로운 냉매를 계속적으로 공급할 수 있어, 반응기의 반응열을 효과적으로 회수할 수 있다.
상기 외부 냉각튜브(56)를 통해 유동하는 냉매는 특별히 한정하는 것은 아니지만, 물을 사용할 수 있다. 물을 사용함으로써 반응열의 회수에 의해 증기를 생성할 수 있으며, 생성된 증기를 도 1에 나타낸 바와 같은 적절한 열교환 시스템을 통해 가열하여 보일러 공급수로 공급하거나 발전 등에 사용할 수 있어 바람직하다. 이때, 상기 냉매인 물은 250 내지 300℃ 범위의 온도를 갖는 고온의 포화수를 사용할 수 있다.
보다 바람직하게는 상기 내부 냉각관(55)의 냉매는 외부 냉각튜브(56)의 냉매와 동일하게 포화수를 냉매로서 사용할 수 있으며, 외부 냉각튜브(56)의 냉매를 내부 냉각관(55)으로 공급하여 반응기의 반응열을 제어할 수 있다.
상기 내부 냉각관(55) 및 외부 냉각튜브(56)를 통해 공급된 냉매는 반응기의 반응열을 흡수함으로써 가열되어 증기화되며, 증기는 냉매 배출부(58)를 통해 반응기 외부로 배출된다. 상기 배출된 증기는 보일러 공급수 등으로 활용할 수 있어 경제적이다.
한편, 촉매층(53)을 통과하는 CO 및 수소를 함유하는 반응 가스는 촉매와 접촉하여 메탄 합성 반응에 의해 메탄 함유 가스를 생성한다. 상기와 같은 본 발명에 의해 제공되는 메탄 합성 반응기(50)를 사용함으로써 메탄 합성 중에 발생되는 반응열을 효과적으로 추출 및 제거할 수 있어, 메탄 합성 수율을 높일 수 있다. 즉, 본 발명의 메탄 합성 반응기(50)를 사용함으로써 하나의 반응기에 의해서도 80% 이상의 메탄 조성을 갖는 메탄 함유 가스를 얻을 수 있다.
나아가, 필요에 따라 후단에 하나의 단열 반응기만을 추가하고, 상기 본 발명에 의해 제공되는 메탄 합성 반응기(50)로부터 배출되는 메탄 함유 가스를 상기 추가된 단열 반응기에 공급함으로써 보다 높은 비율의 메탄 조성을 갖는 메탄 함유 가스를 얻을 수 있다. 이에 의해 90% 이상의 메탄 조성을 갖는 메탄 함유 가스를 얻을 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 본 발명에서 제공되는 애뉼러 형태의 메탄 합성 반응기(50)를 사용함으로써 메탄 합성 중의 반응열을 효과적으로 추출 및 제거할 수 있어 메탄 합성 수율을 높일 수 있어, 80% 이상의 메탄 조성을 갖는 메탄 함유 가스를 얻을 수 있으며, 하나의 단열 반응기의 추가로 인해 90% 이상의 메탄 조성을 갖는 메탄 함유 가스를 얻을 수 있다.
또한, 메탄 합성 반응이 일어나는 촉매층(53)의 최고 온도를 낮출 수 있어, 촉매의 수명을 보다 장기화할 수 있다.
나아가, 메탄 합성 반응기(50)의 규모를 증대하여 상용화하는데 보다 적합하다.
실시예
이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 효과를 확인하기 위한 일 예로서, 이하의 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니다.
실시예 1
가스 공급관(51)의 내경이 50mm이고, 반응기 본체(52) 내벽과 가스 공급관(51) 외벽 사이의 간극이 32mm인 애뉼러형 메탄 합성 반응기(50)에 Al2O3에 Ni이 20중량% 담지된 Ni계 촉매를 1200mm 높이로 충진하였다.
한편, 상기 반응기 본체(52) 내벽과 가스 공급관(51) 외벽 사이에 외경 20mm인 내부 냉각관(55)을 6개 구비하고, 상기 반응기 본체(52)의 외벽을 둘러싸도록 외부 냉각튜브(56)를 설치하였다.
이에 따른 메탄 합성 반응기(50)는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같다.
상기 메탄 합성 반응기(50)의 가스 공급관(51)을 통해 반응 가스로서 H2:CO의 부피비가 3:1인 반응 가스를 20bar의 압력에서 250℃로 예열한 후, 50Nm3/hr의 유량으로 상기 메탄 합성 반응기(50)에 공급하였다.
이때, 상기 내부 냉각관(55) 및 외부 냉각튜브(56)에는 약 260℃의 포화수를 냉매로 공급하여 냉각하여 냉각을 수행하였다.
촉매층(53)에 대하여 300mm 간격으로 촉매층(53) 높이별 온도를 측정하였는바, 촉매층(53)의 최고 온도는 540℃임을 확인하였다. 이와 같은 측정 결과로부터, 본 발명의 메탄 합성 반응기(50)를 사용함으로써 반응열을 효과적으로 제어할 수 있으며, 촉매의 최고 온도를 700℃ 이하로 제어할 수 있어, 촉매의 수명을 보다 장기화할 수 있음을 알 수 있었다.
또한, 가스 배출부(54)를 통해 메탄 합성 반응기(50)로부터 배출되는 생성가스를 분석하여 메탄 함량을 측정하였다. 측정 결과, 생성 가스 중에 포함된 메탄의 함량은 81.5부피%임을 확인하였다. 이로부터, 본 발명에 따른 메탄 합성 반응기(50)를 사용함으로써 반응열을 효율적으로 추출 및 제거할 수 있어, 하나의 반응기에 의하더라도 80% 이상의 높은 수율로 메탄을 합성할 수 있음을 알 수 있다.
비교예 1
도 4에 나타낸 바와 같은 구조를 가지며, 내경이 60mm인 가스 공급관(51) 및 상기 가스 공급관(51)과 반응기 본체(52) 내벽에 의해 형성된 간극이 25mm인 가스 유동 경로 상에 촉매가 충진된 촉매층(53)을 포함하며, 상기 반응기 본체(52)의 외벽을 둘러싸도록 외부 냉각튜브(56)가 설치된 애뉼러형 메탄 합성 반응기(50)를 사용하여 메탄 합성 반응을 수행하였다.
이때, 가스 공급관(51)을 통해 상기 실시예 1과 동일한 조건의 반응 가스를 공급하고, 외부 냉각튜브(56)에 약 260℃의 포화수를 공급하여 냉각하였다.
실시예 1과 동일하게 촉매층(53)에 대하여 300mm 간격으로 촉매층(53) 높이별 온도를 측정하였는바, 최고 온도는 670℃임을 확인하였다. 즉, 가스 공급관(51)과 반응기 본체(52) 내벽 사이의 간극이 실시예 1보다 작음에도 불구하고 촉매층(53) 최고 온도가 더 높은 것을 알 수 있다.
또한, 가스 배출부(54)를 통해 메탄 합성 반응기(50)로부터 배출되는 생성가스를 분석하여 메탄 함량을 측정하였다. 측정 결과, 생성 가스 중에 포함된 메탄의 함량은 74부피%임을 확인하였다.
상기와 같은 실시예 1 및 비교예 1의 결과로부터, 본 발명의 메탄 합성 반응기(50)를 사용함으로써 내부 냉각관(55)에 의해 촉매층(53)의 최고 온도를 700℃ 이하의 현저히 낮은 온도로 제어할 수 있어, 촉매의 수명을 보다 장기화할 수 있음을 알 수 있으며, 또한, 내부 냉각관(55)에 의해 촉매층(53)의 반응열을 보다 효율적으로 추출 및 제거할 수 있어, 하나의 반응기에 의하더라도 80% 이상의 높은 수율로 메탄을 합성할 수 있음을 알 수 있다.
10: 반응 가스 11, 12, 13: 메탄화 반응기(Methanator)
15: 응축기 20: 공정 응축수(Process Condensate)
21: 고압 보일러(HP Boiler) 22: 열교환기(Heat Exchanger
23: 공급물 예열기(Feed Preheater)
24: 재순환 압축기(Recycle Compresser)
30: 보일러 공급수(Boiler Feed Water, BFW)
31: BFW 예열기(BFW Preheater)
32: 증기 드럼(Steam Drum) 33: 슈퍼 히터(Super Heater)
40: 초가열 증기(Super Heated Steam)
51: 가스 공급관 52: 반응기 본체
53: 촉매층 54: 가스 배출부
55: 내부 냉각관 56: 외부 냉각튜브
57: 냉매 공급부 58: 냉매 배출부
100: SNG

Claims (6)

  1. CO와 수소를 포함하는 반응가스가 반응하여 생성된 메탄 함유 가스를 배출하는 가스 배출부가 상부에 구비된 반응기 본체; 및 상기 반응가스가 상부에서 하부로 공급되는 가스 공급관을 포함하는 메탄 합성 반응기로서,
    상기 가스 공급관은 상기 반응기 본체의 내벽과 이격되어 상기 반응기 본체 내부에 삽입되되, 상기 가스 공급관 하부 말단이 개방되어 상기 반응기 본체와 연결되며,
    상기 반응기 본체는 상기 반응기 본체 내벽과 가스 공급관 사이의 이격된 공간을 통해 반응가스가 반응기 본체 하부에서 상부로 이동하되, 상기 공간에 상기 반응가스의 반응에 의해 메탄 함유 가스를 생성하는 촉매가 충진된 촉매층을 구비하며,
    상기 반응기 본체 내벽과 가스 공급관 사이의 이격된 공간에 냉매가 유동하는 복수의 내부 냉각관을 구비하되, 상기 내부 냉각관은 촉매층을 관통하는 것인 는 메탄 합성 반응기.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 냉매는 250 내지 300℃의 온도를 갖는 포화수인 메탄 합성 반응기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 반응기 본체는 반응기 본체의 벽면 외부를 포위하여 냉매가 유동하는 외부 냉각튜브를 구비하는 메탄 합성 반응기.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 외부 냉각튜브는 냉매 공급부 및 냉매 배출부를 구비하는 메탄 합성 반응기.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 냉매는 250 내지 300℃의 온도를 갖는 포화수인 메탄 합성 반응기.
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