KR102118318B1 - Integrated multi-stage reactor for methanation of carbon oxides - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 반응시켜 메탄화하기 위한 반응기에 있어서, 내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부, 상기 본체부의 내부의 하단에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 1 챔버, 상기 본체부의 하단에 구비되고, 제 1 챔버의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 구비된 공급부, 상기 공급부 및 제 1 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 공급부로부터 공급된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 상기 제 1 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 1 가스분배기, 상기 제 1 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 1 열교환장치, 상기 제 1 열교환장치의 상단에 배치되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 2 챔버, 상기 제 1 열교환장치와 상기 제 2 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 2 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 2 가스분배기, 상기 제 2 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 2 열교환장치, 상기 제 2 열교환장치의 상단에 배치되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 3 챔버, 상기 제 2 열교환장치와 상기 제 3 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 3 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 3 가스분배기, 상기 제 3 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 3 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 3 열교환장치, 상기 본체부의 상단에 구비되어 상기 제 3 열교환장치의 상부에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부를 포함한다.The present invention relates to an integral multi-stage reactor for the methanation of carbon oxide, and more specifically, in a reactor for methanation by reacting carbon monoxide or carbon dioxide with hydrogen, the body formed in a hollow tubular shape so that gas flows therein The first chamber is disposed at the bottom of the inside of the main body, and is provided at a lower end of the first chamber, and is provided at the bottom of the main body, so that a high temperature catalytic conversion reaction occurs with a mixed gas composed of carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen. A first gas distributor which is disposed between a supply unit provided to supply a mixed gas, the supply unit and the lower end of the first chamber, and is provided to uniformly distribute carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen supplied from the supply unit to the first chamber, The first heat exchanger is connected to the upper portion of the first chamber, and is provided to lower the temperature of the mixed gas flowed from the first chamber through heat exchange through a refrigerant. A second gas provided with a catalyst comprising a carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the first chamber to cause a catalytic conversion reaction with the catalyst is disposed between the first heat exchanger and the bottom of the second chamber, and A second gas distributor provided to uniformly distribute the carbon, water, carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the first chamber to the second chamber, connected to the top of the second chamber, and mixed from the second chamber A second heat exchanger provided to lower the temperature of the gas by performing heat exchange through a refrigerant, disposed on top of the second heat exchanger, and a mixed gas composed of carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the second chamber and the catalyst A third chamber provided to cause a catalytic conversion reaction together, disposed between the second heat exchanger and the lower end of the third chamber, removes carbon, water, carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the second chamber. A third gas distributor provided to distribute evenly to the three chambers, the phase of the third chamber A third heat exchanger that is connected to a portion and is provided to lower the temperature of the mixed gas flowed from the third chamber by performing heat exchange through a refrigerant, is provided on the top of the main body, and is disposed on the top of the third heat exchanger. , And a discharge portion through which methane and water generated by the reaction of carbon monoxide or carbon dioxide with hydrogen and a catalyst are discharged.
Description
본 발명은 산화탄소의 메탄화를 위한 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 같은 산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄을 생산하는 반응기를 다단으로 형성시킴으로써 일체화하여 열교환 효율을 향상시킨 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a reactor for the methanation of carbon oxide, and more specifically, to improve the heat exchange efficiency by integrally forming a reactor that produces methane by reacting carbon oxides such as carbon monoxide or carbon dioxide with hydrogen in multiple stages. It relates to an integral multistage reactor for the methanation of carbon.
메탄은 산업 현장, 취사 및 연료, 운송 분야에서 매우 중요한 에너지 자원으로 활용되고 있다. 전세계적으로 메탄을 기반한 인프라가 널리 분포하고 있으며, 이는 현대 산업에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다.Methane is used as a very important energy resource in industrial sites, catering and fuel, and transportation. Methane-based infrastructure is widely distributed worldwide, and it has a very important position in the modern industry.
현재 사용되는 메탄의 대부분은 화석연료에 기반한 천연가스로부터 얻어지고 있다. 화석연료의 유한성과 기후 변화 등의 문제에 대응하기 위해서 단순히 자원을 소비하는 차원에서 지속가능한 메탄 공급 방법에 대한 논의가 활발하다. 특히, 메탄을 연소할 때 발생하는 일산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 산화탄소로부터 메탄을 생산하기 위한 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.Most of the methane currently used comes from natural gas based on fossil fuels. In order to respond to problems such as finite nature of fossil fuels and climate change, discussions on how to supply methane in a sustainable manner are actively conducted. In particular, many studies have been conducted on a method for producing methane from carbon monoxide containing carbon monoxide or carbon dioxide generated when methane is burned.
메탄 생산은 혼합 탱크 반응기 등에서 진행되는 70℃ 이하의 저온반응과 촉매를 이용한 고정층 반응기에서 진행되는 250℃ 이상의 반응으로 나눌 수 있다. 저온반응은 반응 수율이 낮고 반응속도가 낮아, 촉매를 이용한 고정층 반응기에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 촉매를 이용한 메탄화 반응은 일산화탄소를 이용한 반응과 이산화탄소를 이용한 반응으로 나눌 수 있으며, 각각의 반응식은 하기와 같다.Methane production can be divided into a low temperature reaction of 70° C. or lower in a mixed tank reactor and a reaction of 250° C. or higher in a fixed bed reactor using a catalyst. Low-temperature reactions have low reaction yields and low reaction rates, and research on fixed-bed reactors using catalysts is mainly conducted. The methanation reaction using a catalyst can be divided into a reaction using carbon monoxide and a reaction using carbon dioxide, and each reaction formula is as follows.
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O(g) -206kJ/mol (at 298K)CO + 3H 2 ↔ CH 4 + H 2 O(g) -206kJ/mol (at 298K)
CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O(g) -164kJ/mol (at 298K)CO 2 + 4H 2 ↔ CH 4 + 2H 2 O(g) -164kJ/mol (at 298K)
상기 반응은 모두 발열반응으로서 공통적으로 물이 생성된다. 촉매를 이용하여 상기 반응을 진행할 경우 400℃ 내지 500℃의 고온에서 진행되는 경우가 많고 반응이 빠르게 진행되나, 생성되는 반응열에 의해서 전환율이 떨어지는 문제가 있다.All of the above reactions are exothermic reactions, and water is commonly produced. When the reaction is carried out using a catalyst, it is often carried out at a high temperature of 400°C to 500°C, and the reaction proceeds rapidly, but there is a problem that the conversion rate is lowered due to the generated reaction heat.
또한, 복수의 반응기의 경우 반응기의 과열을 방지하기 위해 복수의 열교환기와 가스 재순환부품을 포함하는 복잡한 장비가 필요하고, 이에 따라 반응기의 부피가 필요 이상 커지는 문제가 발생되었다.In addition, in the case of a plurality of reactors, complicated equipment including a plurality of heat exchangers and gas recirculation parts is required to prevent overheating of the reactor, and accordingly, a problem in that the volume of the reactor becomes larger than necessary occurs.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 일산화탄소 또는 이산화탄소와 같은 산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄을 생산하는 반응기를 다단으로 형성시킴으로써 일체화하여 메탄화과정에서 발생되는 반응열을 효과적으로 제거하고, 이에 따른 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to integrate carbon monoxide or carbon dioxide such as carbon dioxide by reacting with hydrogen to form a reactor to produce methane in multiple stages to effectively remove reaction heat generated during the methanation process, thereby improving heat exchange efficiency. It is to provide an integrated multi-stage reactor for the methanation of carbon oxides.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned can be clearly understood by those skilled in the art from the following description. There will be.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기는 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 반응시켜 메탄화하기 위한 반응기에 있어서, 내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부, 상기 본체부의 내부의 하단에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 1 챔버, 상기 본체부의 하단에 구비되고, 제 1 챔버의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 구비된 공급부, 상기 공급부 및 제 1 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 공급부로부터 공급된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 상기 제 1 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 1 가스분배기, 상기 제 1 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 1 열교환장치, 상기 제 1 열교환장치의 상단에 배치되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 2 챔버, 상기 제 1 열교환장치와 상기 제 2 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 2 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 2 가스분배기, 상기 제 2 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 2 열교환장치, 상기 제 2 열교환장치의 상단에 배치되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 3 챔버, 상기 제 2 열교환장치와 상기 제 3 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 3 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 3 가스분배기, 상기 제 3 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 3 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 3 열교환장치, 상기 본체부의 상단에 구비되어 상기 제 3 열교환장치의 상부에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부를 제공한다.In order to achieve the above technical problem, the integral multi-stage reactor for the methanation of carbon oxide according to the present invention is a reactor for methanation by reacting carbon monoxide or carbon dioxide with hydrogen, in a hollow tubular form so that gas flows therein The formed body portion, the first chamber is disposed at the bottom of the interior of the body portion, and is provided with a mixed gas composed of carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen to a high temperature catalytic conversion reaction, provided at the bottom of the body portion, the first chamber A first gas disposed between the supply unit provided to supply the mixed gas to the bottom, the supply unit and the bottom of the first chamber, and provided to uniformly distribute carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen supplied from the supply unit to the first chamber A distributor, a first heat exchanger connected to the upper portion of the first chamber, and provided to lower the temperature of the mixed gas flowing from the first chamber by performing heat exchange through a refrigerant, disposed on the top of the first heat exchanger , A second chamber provided to cause a catalytic conversion reaction with a catalyst is a carbon monoxide or a mixed gas composed of carbon dioxide and hydrogen flowing from the first chamber, disposed between the first heat exchanger and the lower end of the second chamber , A second gas distributor provided to uniformly distribute carbon, water, carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the first chamber to the second chamber, connected to an upper portion of the second chamber, and flowing from the second chamber A second heat exchanger, which is arranged to lower the temperature of the mixed gas by performing heat exchange through a refrigerant, is disposed on top of the second heat exchanger, and a mixed gas composed of carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the second chamber A third chamber provided to cause a catalytic conversion reaction together with a catalyst, disposed between the second heat exchanger and the lower end of the third chamber, the carbon, water, carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the second chamber A third gas distributor provided to uniformly distribute the third chamber, the third The third heat exchanger is connected to the upper part of the third chamber, and is provided to lower the temperature of the mixed gas flowed from the third chamber by performing heat exchange through the refrigerant. It is disposed in the carbon monoxide or carbon dioxide and methane and water generated by the reaction of hydrogen and the catalyst to provide a discharge portion.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 1 열교환장치는 상기 제 1 챔버로부터 유동된 혼합가스 및 촉매의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 냉매가 유입되는 제 1 유입구가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제 1 배출구가 구비된 가 구비된 것도 가능하다.In an embodiment of the present invention, the first heat exchanger is arranged in a coiled long tube to lower the temperature of the mixed gas and catalyst flowed from the first chamber, and the refrigerant flows into one end so that the refrigerant flows therein. It is also possible that the first inlet is provided, the heat exchange is performed at the other end and the first outlet is provided so that the refrigerant is discharged.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 2 열교환장치는 상기 제 2 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 상기 제 1 배출구로부터 냉매가 유입되는 제 2 유입구가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제 2 배출구가 구비된 것도 가능하다.In an embodiment of the present invention, the second heat exchanger is disposed in a coiled long tube to lower the temperature of the mixed gas flowed from the second chamber, and from the first outlet at one end so that refrigerant flows therein. It is also possible that a second inlet through which a refrigerant is introduced is provided, and a second outlet is provided so that heat exchange is performed at the other end and the refrigerant is discharged.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 3 열교환장치는 상기 제 3 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 상기 제 2 배출구로부터 냉매가 유입되는 제 3 유입구가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제 3 배출구가 구비된 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the third heat exchanger is arranged in a coiled long tube to lower the temperature of the mixed gas flowed from the third chamber, and from the second outlet at one end so that refrigerant flows therein. A third inlet through which the refrigerant is introduced may be provided, and a third outlet may be provided so that heat exchange is performed at the other end and the refrigerant is discharged.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 1 챔버는 400℃ 내지 500℃의 온도에서 혼합가스 및 촉매가 전환반응이 일어나고, 상기 제 1 열교환장치에서 혼합가스가 일차적으로 냉각되는 것도 가능하다.In an embodiment of the present invention, the first chamber is a mixture gas and a catalyst conversion reaction occurs at a temperature of 400 ℃ to 500 ℃, it is also possible that the mixed gas is primarily cooled in the first heat exchanger.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 2 챔버는 상기 제 1 열교환장치에 의해 냉각된 혼합가스 및 촉매가 350℃ 내지 400℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 2 열교환장치에서 혼합가스가 이차적으로 냉각되는 것도 가능하다.In an embodiment of the present invention, in the second chamber, the mixed gas cooled by the first heat exchanger and the catalyst undergo a conversion reaction at a temperature of 350°C to 400°C, and the mixed gas is secondary in the second heat exchanger It is also possible to cool.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 3 챔버는 상기 제 2 열교환장치에 의해 냉각된 혼합가스가 250℃ 내지 350℃의 온도에서 촉매와 함께 전환반응이 일어나고, 상기 제 3 열교환장치에서 혼합가스가 삼차적으로 냉각되는 것도 가능하다.In an embodiment of the present invention, in the third chamber, the mixed gas cooled by the second heat exchange device undergoes a conversion reaction with a catalyst at a temperature of 250° C. to 350° C., and the mixed gas in the third heat exchange device It is also possible to cool thirdly.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 1 챔버, 제 2 챔버 및 제 3 챔버를 통과한 혼합가스는 상기 제 1열교환장치, 제 2 열교환장치 및 제 3 열교환장치로 인해 순차적으로 냉각되어 점차 온도가 낮아지는 것도 가능하다.In an embodiment of the present invention, the mixed gas passing through the first chamber, the second chamber, and the third chamber is sequentially cooled by the first heat exchanger, the second heat exchanger, and the third heat exchanger to gradually increase the temperature. It is also possible to lower.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 냉매는 제 3열교환장치를 시작으로 제 2 열교환장치와 제 1 열교환장치의 순으로 유동되어 상기 제 3 챔버, 제 2 챔버 및 제 1 챔버에 의해 순차적으로 가열되어 점차 온도가 상승되는 것도 가능하다.In an embodiment of the present invention, the refrigerant flows sequentially from the second heat exchanger and the first heat exchanger, starting with the third heat exchanger, and is sequentially heated by the third chamber, the second chamber, and the first chamber. It is also possible that the temperature gradually increases.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 수소는 신재생에너지를 통해 생산된 잉여 전기로 수전해를 통해 산소와 수소를 분리하여 공급하는 것도 가능하다.In an embodiment of the present invention, the hydrogen may be supplied by separating and supplying oxygen and hydrogen through water electrolysis with surplus electricity produced through renewable energy.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 일산화탄소 또는 이산화탄소는 온실가스를 통해 배출된 일산화탄소 또는 이산화탄소를 포집하여 공급하는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the carbon monoxide or carbon dioxide may be to collect and supply carbon monoxide or carbon dioxide discharged through greenhouse gas.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제 1 열교환장치는 상기 제 1 챔버를 냉각시켜 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소의 반응을 통해 생성된 물을 가열시켜 스팀을 생산하는 것일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the first heat exchanger may cool the first chamber to produce steam by heating the water produced through the reaction of carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen.
본 발명의 실시예에 있어서, 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기는 이산화탄소와 수소의 반응을 통해 생성된 메탄을 생산하도록 메탄화 공정에 적용된 일체형 다단 반응기가 적용된 메탄화 공정일 수 있다.In an embodiment of the present invention, the integral multi-stage reactor for the methanation of carbon oxide may be a methanation process to which the integral multi-stage reactor applied to the methanation process is applied to produce methane produced through the reaction of carbon dioxide and hydrogen.
본 발명의 실시예에 따르면, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 같은 산화탄소를 수소와 반응시켜 메탄을 생산하는 반응기를 다단으로 형성시킴으로써 일체화하여 메탄화과정에서 발생되는 반응열을 효과적으로 제거하고, 이에 따른 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.According to an embodiment of the present invention, carbon dioxide, such as carbon monoxide or carbon dioxide, is reacted with hydrogen to form a reactor that produces methane in multiple stages, thereby effectively removing reaction heat generated during the methanation process, thereby improving heat exchange efficiency. There is an effect that can be made.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be deduced from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기가 적용된 메탄화 공정의 구상도이다.1 is a cross-sectional view of an integrated multi-stage reactor for the methanation of carbon oxide according to an embodiment of the present invention.
2 is a schematic diagram of a methanation process to which an integral multi-stage reactor for the methanation of carbon oxide according to an embodiment of the present invention is applied.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and thus is not limited to the embodiments described herein. In addition, in order to clearly describe the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and like reference numerals are assigned to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is "connected (connected, contacted, coupled)" with another part, it is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in between. "It also includes the case where it is. Also, when a part “includes” a certain component, this means that other components may be further provided instead of excluding other components, unless otherwise stated.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used herein are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this specification, terms such as “include” or “have” are intended to indicate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification exists, and that one or more other features are present. It should be understood that the existence or addition possibilities of fields or numbers, steps, operations, components, parts or combinations thereof are not excluded in advance.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기의 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기가 적용된 메탄화 공정의 구상도이다.1 is a cross-sectional view of an integral multi-stage reactor for methanation of carbon oxide according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a methanation to which an integral multi-stage reactor for methanation of carbon oxide according to an embodiment of the present invention is applied It is a process diagram.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기(100)는 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 반응시켜 메탄화하기 위한 반응기에 있어서, 내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부(110), 상기 본체부(110)의 내부의 하단에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 1 챔버(121), 상기 본체부(110)의 하단에 구비되고, 제 1 챔버(121)의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 구비된 공급부(131), 상기 공급부(131) 및 제 1 챔버(121)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 공급부(131)로부터 공급된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 상기 제 1 챔버(121)에 균일하게 분배하도록 구비된 제 1 가스분배기(141), 상기 제 1 챔버(121)의 상부와 연결되고, 상기 제 1 챔버(121)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 1 열교환장치(151), 상기 제 1 열교환장치(151)의 상단에 배치되고, 상기 제 1 챔버(121)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 2 챔버(122), 상기 제 1 열교환장치(151)와 상기 제 2 챔버(122)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 1 챔버(121)로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 2 챔버(122)에 균일하게 분배하도록 구비된 제 2 가스분배기(142), 상기 제 2 챔버(122)의 상부와 연결되고, 상기 제 2 챔버(122)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 2 열교환장치(161), 상기 제 2 열교환장치(161)의 상단에 배치되고, 상기 제 2 챔버(122)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 3 챔버(123), 상기 제 2 열교환장치(161)와 상기 제 3 챔버(123)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 2 챔버(122)로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 3 챔버(123)에 균일하게 분배하도록 구비된 제 3 가스분배기(143), 상기 제 3 챔버(123)의 상부와 연결되고, 상기 제 3 챔버(123)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 3 열교환장치(171), 상기 본체부(110)의 상단에 구비되어 상기 제 3 열교환장치(171)의 상부에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부(132)를 제공한다.1 to 2, the integral
본 발명의 실시예에 있어서, 내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부(110)를 포함한다.In an embodiment of the present invention, it includes a
보다 상세하게는, 상기 본체부(110)는 내부에 일산화탄소 또는 이산화탄소 등과 같은 산화탄소와 수소가 유동되도록 중공의 긴 관형상으로 형성된다. 따라서, 산화탄소와 수소가 상기 본체부(110)의 내부에 유동되며 반응하여 메탄이 생성된다.More specifically, the
또한, 상기 본체부(110)의 내부의 하단에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 제 1 챔버(121)가 구비된다.In addition, the
보다 상세하게는, 상기 제 1 챔버(121)는 상기 본체부(110)의 내부의 하단에 배치되고, 외부로부터 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 공급받아 고온의 촉매 전환 반응을 통해 메탄이 생산된다.More specifically, the
이때, 촉매 전환 반응은 고온에서 전환 반응이 일어나고, 이때 내부 흐름은 고속유동층(fast fluidized bed) 영역이고, 상기 촉매는 일반적으로 니켈계 촉매가 사용되나, 상기 산화탄소와 수소의 반응을 촉진시켜 메탄을 생산할 수 있다면 크게 제한되지 않는다.At this time, the catalytic conversion reaction occurs at a high temperature, where the internal flow is a fast fluidized bed region, and the catalyst is generally a nickel-based catalyst, but promotes the reaction of the carbon oxide and hydrogen to methane. If you can produce it is not greatly limited.
또한, 본체부(110)의 하단에 구비되고, 제 1 챔버(121)의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 공급부(131)가 구비된다.In addition, it is provided at the bottom of the
보다 상세하게는, 상기 공급부(131)는 상기 본체부(110)의 하단에 구비되어 외부로부터 공급된 산화탄소 및 수소로 구성된 혼합가스를 상기 제 1 챔버(121)로 공급한다. 따라서, 상기 공급부(131)는 관과 같은 수단에 의해 상기 본체부(110)와 연결되어 상기 제 1 챔버(121)로 공급할 수 있다.More specifically, the
또한, 공급부(131) 및 제 1 챔버(121)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 공급부(131)로부터 공급된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 상기 제 1 챔버(121)에 균일하게 분배하도록 제 1 가스분배기(141)가 구비된다.In addition, it is disposed between the lower end of the
보다 상세하게는, 상기 제 1 가스분배기(141)는 상기 본체부(110)의 내부에서 상기 공급부(131) 및 제 1 챔버(121)의 하단의 사이에 배치되어 상기 공급부(131)로부터 공급된 혼합가스를 상기 제 1 챔버(121)에 균일하게 분배하도록 구비된다. 따라서, 상기 제 1 가스분배기(141)는 상기 혼합가스를 균일하게 분배하여 촉매 전환 반응이 효과적으로 이루어지도록 한다.More specifically, the
또한, 제 1 챔버(121)의 상부와 연결되고, 상기 제 1 챔버(121)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 제 1 열교환장치(151)가 구비된다.In addition, it is connected to the upper portion of the
보다 상세하게는, 상기 제 1 열교환장치(151)는 혼합가스를 냉각시키도록 상기 본체부(110)의 내부에서 상기 제 1 챔버(121)의 상부와 연결되어 상기 제 1 챔버(121)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환됨으로써 냉각시키게 된다.More specifically, the
이때, 상기 냉매는 상기 혼합가스를 냉각시킬 수 있다면 크게 제한되지 않으나 바람직하게는 물을 사용하는 것이다. 따라서, 상기 메탄화공정을 통해 생산된 메탄과 물 중 물을 냉매로 다시 투입하는 것도 가능하다.At this time, the refrigerant is not greatly limited as long as it can cool the mixed gas, but is preferably water. Therefore, it is also possible to re-inject water from the methane and water produced through the methanation process as a refrigerant.
또한, 상기 제 1 열교환장치(151)의 상단에 배치되고, 상기 제 1 챔버(121)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 제 2 챔버(122)가 구비된다.In addition, the
보다 상세하게는, 상기 제 2 챔버(122)는 상기 본체부(110)의 내부에서 상기 제 1 열교환장치(151)의 상단에 배치되고, 상기 제 1 열교환장치(151)를 통해 냉각된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응을 통해 메탄이 생산된다.In more detail, the
즉, 상기 제 2 챔버(122)는 상기 제 1 챔버(121)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 상기 제 1 열교환장치(151)를 통해 냉각되고, 이와 함께 촉매를 통해 촉매 전환 반응이 일어나게 된다.That is, in the
또한, 제 1 열교환장치(151)와 상기 제 2 챔버(122)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 1 챔버(121)로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 2 챔버(122)에 균일하게 분배하도록 제 2 가스분배기(142)가 구비된다.In addition, carbon, water, carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowing from the
보다 상세하게는, 상기 제 2 가스분배기(142)는 상기 본체부(110)의 내부에서 상기 제 1 열교환장치(151)와 제 2 챔버(122)의 하단의 사이에 배치되어 상기 제 1 열교환장치(151)로부터 유동된 혼합가스를 상기 제 2 챔버(122)에 균일하게 분배하도록 구비된다. 따라서, 상기 제 2 가스분배기(142)는 상기 혼합가스를 균일하게 분배하여 촉매 전환 반응이 효과적으로 이루어지도록 한다.More specifically, the
또한, 제 2 챔버(122)의 상부와 연결되고, 상기 제 2 챔버(122)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 제 2 열교환장치(161)가 구비된다.In addition, a
보다 상세하게는, 상기 제 2 열교환장치(161)는 혼합가스의 온도를 냉각시키도록 상기 본체부(110)의 내부에서 상기 제 2 챔버(122)의 상부와 연결되어 상기 제 2 챔버(122)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환됨으로써 냉각시키게 된다.More specifically, the
또한, 상기 제 2 열교환장치(161)의 상단에 배치되고, 상기 제 2 챔버(122)로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 제 3 챔버(123)가 구비된다.In addition, the
상기 제 3 챔버(123)는 상기 본체부(110)의 내부에서 상기 제 2 열교환장치(161)의 상단에 배치되고, 상기 제 2 열교환장치(161)를 통해 냉각된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응을 통해 메탄이 생산된다.The
또한, 제 2 열교환장치(161)와 상기 제 3 챔버(123)의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 2 챔버(122)로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 3 챔버(123)에 균일하게 분배하도록 제 3 가스분배기(143)가 구비된다.In addition, the third chamber is disposed between the
보다 상세하게는, 상기 제 3 가스분배기(143)는 상기 본체부(110)의 내부에서 상기 제 2 열교환장치(161)와 제 3 챔버(123)의 하단의 사이에 배치되어 상기 제 2 열교환장치(161)로부터 유동된 혼합가스를 상기 제 3 챔버(123)에 균일하게 분배하도록 구비된다. 따라서, 상기 제 3 가스분배기(143)는 상기 혼합가스를 균일하게 분배하여 촉매 전환 반응이 효과적으로 이루어지도록 한다.More specifically, the
또한, 제 3 챔버(123)의 상부와 연결되고, 상기 제 3 챔버(123)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 제 3 열교환장치(171)가 구비된다.In addition, a
보다 상세하게는, 상기 제 3 열교환장치(171)는 혼합가스의 온도를 냉각시키도록 상기 본체부(110)의 내부에서 상기 제 3 챔버(123)의 상부와 연결되어 상기 제 3 챔버(123)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환됨으로써 냉각시키게 된다.More specifically, the
또한, 본체부(110)의 상단에 구비되어 상기 제 3 열교환장치(171)의 상부에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부(132)가 구비된다.In addition, it is provided on the top of the
보다 상세하게는, 상기 본체부(110)의 하단에 구비된 공급부(131)를 통해 유입된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 제 1 챔버(121), 제 2 챔버(122) 및 제 3 챔버(123)를 지나 촉매와 반응되어 메탄과 물이 생성되고, 상기 본체부(110)의 상단에 형성된 배출부(132)를 통해서 배출된다.More specifically, the mixed gas composed of carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen introduced through the
이때, 상기 배출부(132)는 상기 본체부(110)의 상단과 관과 같은 수단에 의해 연결되어 메탄 및 물을 배출한다.At this time, the
또한, 제 3 열교환장치(171)는 상기 제 3 챔버(123)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 냉매가 유입되는 제 3 유입구(172)가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제 3 배출구(173)가 구비될 수 있다.In addition, the
보다 상세하게는, 상기 제 3 열교환장치(171)는 코일형상의 긴관으로 형성되어 내부에 냉매가 유동되고, 상기 냉매에 의해서 상기 제 3 열교환장치(171)는 상기 제 3 챔버(123)로부터 상기 배출부(132)로 유동되는 혼합가스를 열교환에 의해서 냉각시키게 된다.In more detail, the
따라서, 상기 제 3 열교환장치(171) 일측 끝단에는 외부로부터 냉매가 유입되는 제 3 유입구(172)가 구비되고, 상기 제 3 유입구(172)를 통해 유입된 냉매가 코일형상으로 형성된 관을 지남으로써, 상기 제 3 열교환장치(171)의 외부를 지나가는 혼합가스를 냉각시키고, 열교환이 수행된 후 타측 끝단의 제 3 배출구(173)를 통해 배출된다.Therefore, a
또한, 제 2 열교환장치(161)는 상기 제 2 챔버(122)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 상기 제 3 배출구(173)로부터 냉매가 유입되는 제 2 유입구(162)가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제 2 배출구(163)가 구비될 수 있다.In addition, the
보다 상세하게는, 상기 제 2 열교환장치(161)는 코일형상의 긴관으로 형성되어 내부에 냉매가 유동되고, 상기 냉매에 의해서 상기 제 2 열교환장치(161)는 상기 제 2 챔버(122)로부터 상기 제 3 챔버(123)로 유동되는 혼합가스를 열교환에 의해서 냉각시키게 된다.In more detail, the second
따라서, 상기 제 2 열교환장치(161) 일측 끝단에는 상기 제 3 배출구(173)와 연결되어 제 3 배출구(173)로부터 냉매가 유입되는 제 2 유입구(162)가 구비되고, 상기 제 2 유입구(162)를 통해 유입된 냉매가 코일형상으로 형성된 관을 지남으로써, 상기 제 2 열교환장치(161)의 외부를 지나가는 혼합가스를 냉각시키고, 열교환이 수행된 후 타측 끝단에 구비된 제 2 배출구(163)를 통해 냉매가 배출된다.Therefore, a
또한, 제 1 열교환장치(151)는 상기 제 1 챔버(121)로부터 유동된 혼합가스의 온도를 낮추도록 코일형상의 긴관으로 배치되고, 내부에 냉매가 유동되도록 일측 끝단에 상기 제 2 배출구(163)로부터 냉매가 유입되는 제 1 유입구(152)가 구비되고, 타측 끝단에 열교환이 수행되고 냉매가 배출되도록 제 1 배출구(153)가 구비될 수 있다.In addition, the
보다 상세하게는, 상기 제 1 열교환장치(151)는 코일형상의 긴관으로 형성되어 내부에 냉매가 유동되고, 상기 냉매에 의해서 상기 제 1 열교환장치(151)는 상기 제 1 챔버(121)로부터 상기 제 2 챔버(122)로 유동되는 혼합가스를 열교환에 의해서 냉각시키게 된다.In more detail, the
따라서, 상기 제 1 열교환장치(151) 일측 끝단에는 상기 제 2 배출구(163)와 연결되어 제 2 배출구(163)로부터 냉매가 유입되는 제 1 유입구(152)가 구비되고, 상기 제 1 유입구(152)를 통해 유입된 냉매가 코일형상으로 형성된 관을 지남으로써, 상기 제 1 열교환장치(151)의 외부를 지나가는 혼합가스를 냉각시키고, 열교환이 수행된 후 타측 끝단에 구비된 제 1 배출구(153)를 통해 냉매가 배출된다.Therefore, a
또한, 제 1 챔버(121)는 400℃ 내지 500℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 1 열교환장치(151)에서 혼합가스가 일차적으로 냉각될 수 있다.In addition, a conversion reaction occurs at a temperature of 400°C to 500°C in the
보다 상세하게는, 상기 제 1 챔버(121)는 공급부(131)를 통해 유입된 혼합가스 및 촉매가 반응속도를 높이기 위해 400℃ 내지 500℃의 고온에서 촉매전환반응이 일어나고, 가열된 혼합가스가 상기 제 1 열교환장치(151)에 의해서 일차적으로 냉각된다. 따라서, 상기 제 1 챔버(121)는 고온에서 촉매전환반응이 실행되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.In more detail, the
또한, 상기 제 2 챔버(122)는 상기 제 1 열교환장치(151)에 의해 냉각된 혼합가스 및 촉매가 350℃ 내지 400℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 2 열교환장치(161)에서 혼합가스 및 촉매가 이차적으로 냉각될 수 있다.Further, in the
보다 상세하게는, 상기 제 2 챔버(122)는 상기 제 1 챔버(121)를 통해 유입된 혼합가스 및 촉매가 350℃ 내지 400℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 1 챔버(121)보다 낮은 온도에서 전환반응이 일어남으로써, 반응속도보다 높은 평형 전환율을 달성할 수 있으며, 가열된 혼합가스가 상기 제 2 열교환장치(161)에 의해서 이차적으로 냉각되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.More specifically, in the
또한, 제 3 챔버(123)는 상기 제 2 열교환장치(161)에 의해 냉각된 혼합가스 및 촉매가 250℃ 내지 350℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 3 열교환장치(171)에서 혼합가스가 삼차적으로 냉각될 수 있다.In addition, in the
보다 상세하게는, 상기 제 3 챔버(123)는 상기 제 2 챔버(122)를 통해 유입된 혼합가스 및 촉매가 250℃ 내지 350℃의 온도에서 전환반응이 일어나고, 상기 제 2 챔버(122)보다 낮은 온도에서 전환반응이 일어남으로써, 반응속도보다 높은 평형 전환율을 달성할 수 있으며, 가열된 혼합가스가 상기 제 3 열교환장치(171)에 의해서 삼차적으로 냉각되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.More specifically, in the
또한, 제 1 챔버(121), 제 2 챔버(122) 및 제 3 챔버(123)를 통과한 혼합가스는 상기 제 1 열교환장치(151), 제 2 열교환장치(161) 및 제 3 열교환장치(171)로 인해 순차적으로 냉각되어 점차 온도가 낮아질 수 있다.In addition, the mixed gas passing through the
보다 상세하게는, 상기 제 1 챔버(121), 제 2 챔버(122) 및 제 3 챔버(123)는 상기 본체부(110)의 내부에 순차적으로 배치되고, 상기 제 1 챔버(121)와 제 2 챔버(122)의 사이에는 제 1 열교환장치(151)가 배치되고, 제 2 챔버(122)의 제 3 챔버(123) 사이에는 제 2 열교환장치(161)가 배치되며, 상기 제 3 챔버(123)의 상부에는 제 3 열교환장치(171)가 배치되고, 혼합가스가 상기 제 1 챔버(121), 제 2 챔버(122) 및 제 3 챔버(123)를 순차적으로 통과하며 촉매와 함께 촉매전환반응이 수행됨으로써, 상기 제 1 열교환장치(151), 제 2 열교환장치(161) 및 제 3 열교환장치(171)를 통해 상기 혼합가스가 순차적으로 냉각된다.More specifically, the
따라서, 초기의 고온의 조건에서 촉매전환반응을 수행하여 높은 반응속도를 갖고 순차적으로 낮은온도에서 촉매전환반응을 수행하여 높은 평형 전환율을 갖게 되어 효율적으로 메탄을 생산할 수 있다.Therefore, it is possible to efficiently produce methane by performing a catalytic conversion reaction at an initial high temperature condition and having a high reaction rate and sequentially carrying out a catalytic conversion reaction at a low temperature to have a high equilibrium conversion rate.
또한, 냉매는 제 3 열교환장치(171)를 시작으로 제 2 열교환장치(161)와 제 1 열교환장치(151)의 순으로 유동되어 상기 제 3 챔버(123), 제 2 챔버(122) 및 제 1 챔버(121)에 의해 순차적으로 가열되어 점차 온도가 상승될 수 있다.In addition, the refrigerant flows in the order of the
보다 상세하게는, 상기 제 3 열교환장치(171), 제 2 열교환장치(161) 및 제 1 열교환장치(151)가 서로 연결되어 냉매가 순차적으로 유동하고, 냉매는 제 3 챔버(123), 제 2 챔버(122) 및 제 1 챔버(121) 순으로 냉각됨에 따라 냉매의 온도가 점차 상승하게 된다.More specifically, the
즉, 상기 혼합가스는 상기 본체를 기준으로 하단으로 공급되어 상단으로 이동될수록 온도가 감소하게 되고, 상기 냉매는 상기 본체부(110)를 기준으로 상단에서 하단으로 이동될수록 온도가 상승하게 된다.That is, the mixed gas is supplied to the bottom relative to the main body and the temperature decreases as it moves to the top, and the temperature increases as the refrigerant moves from the top to the bottom based on the
또한, 수소는 신재생에너지를 통해 생산된 잉여 전기로 수전해를 통해 산소와 수소를 분리하여 공급할 수 있다.In addition, hydrogen can be supplied by separating oxygen and hydrogen through water electrolysis with surplus electricity produced through renewable energy.
보다 상세하게는, 상기 수소는 물을 전기분해하여 산소와 수소를 분리하여 공급하는 것으로, 신재생에너지 또는 발전소를 통해 생산된 잉여전기를 통해 얻을 수 있다.More specifically, the hydrogen is supplied by separating oxygen and hydrogen by electrolysis of water, and can be obtained through renewable energy or surplus electricity produced through a power plant.
하나의 예로, 섬과 같은 독립된 공간에 풍력발전이나 태양광발전을 통해 발생되는 잉여에너지를 통해 물을 전기분해하여 산소와 수소를 분리하고, 생산된 산소는 판매하고, 나머지 수소를 통해 산화탄소를 메탄화하여 에너지로 사용할 수 있다.For example, in an isolated space such as an island, oxygen and hydrogen are separated by electrolysis of water through surplus energy generated through wind or solar power generation, and the produced oxygen is sold, and carbon oxide is supplied through the rest of the hydrogen. It can be methanized and used as energy.
또한, 일산화탄소 또는 이산화탄소는 온실가스를 통해 배출된 일산화탄소 또는 이산화탄소를 포집하여 공급할 수 있다.In addition, carbon monoxide or carbon dioxide can be supplied by collecting carbon monoxide or carbon dioxide emitted through greenhouse gases.
보다 상세하게는, 상기 일산화탄소 또는 이산화탄소 등과 같은 산화탄소를 자동차의 매연이나 화석연료의 사용을 통해 손쉽게 얻을 수 있고, 이러한 산화탄소를 포집하여 메탄화할 수 있다.More specifically, the carbon monoxide, such as carbon monoxide or carbon dioxide, can be easily obtained through the use of automobile fumes or fossil fuels, and carbon dioxide can be collected and methaneized.
또한, 제 1 열교환장치(151)는 상기 제 1 챔버(121)를 냉각시켜 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소의 반응을 통해 생성된 물을 가열시켜 스팀을 생산할 수 있다.In addition, the
보다 상세하게는, 상기 제 1 챔버(121)는 400℃ 내지 500℃의 온도에서 혼합가스 및 촉매가 전환반응이 일어나고, 상기 제 1 열교환장치(151)가 이를 냉각시키게 된다.More specifically, in the
따라서, 상기 제 1 열교환장치(151)의 냉매는 높은 온도를 유지하고 있으므로, 이를 통해 물을 가열시킴으로써 스팀을 얻을 수 있고, 이를 통해 생산된 스팀을 판매하거나 또는 이를 발전시켜 전기를 생산할 수 있다.Therefore, since the refrigerant of the
또한, 일산화탄소 또는 이산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기(100)는 이산화탄소와 수소의 반응을 통해 생성된 메탄을 생산하도록 메탄화 공정에 적용될 수 있다.In addition, the integrated
또한, 본 발명에 따른 일산화탄소 또는 이산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기에서 촉매는 혼합가스와 고정층이 아닌 유동층으로 반응함으로써, 반응과 동시에 열회수 및 촉매 고열(반응열)을 방지할 수 있는데 제 1 가스분배기(141), 제 2 가스분배기(142) 및 제 3 가스분배기(143)를 통한 촉매의 투입에 따른 최소유동화속도 계산식인 는 아래의 계산식을 따른다.In addition, in the integrated multi-stage reactor for the methanation of carbon monoxide or carbon dioxide according to the present invention, the catalyst reacts with the mixed gas and the fluidized bed rather than the fixed bed, thereby preventing heat recovery and high heat of the catalyst (reaction heat) at the same time as the reaction. (141), the
= minimum fluidizing condition, = minimum fluidizing condition,
= screen size = screen size
= gas density = gas density
= coefficient of viscosity = coefficient of viscosity
= bed voidage = bed voidage
= () of same volume = ( ) of same volume
(sheres), 0<<1(all other particle shapes) (sheres), 0< <1(all other particle shapes)
= particle density or catalyst density = particle density or catalyst density
= gravitational acceleration = gravitational acceleration
또한, 상기 제 1 가스분배기(141), 제 2 가스분배기(142) 및 제 3 가스분배기(143)를 통해 투입되는 촉매입자의 크기, 밀도를 제어함으로써, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소의 유량 및 속도를 제어할 수 있다.In addition, by controlling the size and density of the catalyst particles injected through the
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustration only, and a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can understand that it can be easily modified into other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as distributed may be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the following claims, and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted to be included in the scope of the present invention.
100: 일산화탄소 또는 이산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기
110: 본체부
121: 제 1 챔버
122: 제 2 챔버
123: 제 3 챔버
131: 공급부
132: 배출부
141: 제 1 가스분배기
142: 제 2 가스분배기
143: 제 3 가스분배기
151: 제 1 열교환장치
152: 제 1 유입구
153: 제 1 배출구
161: 제 2 열교환장치
162: 제 2 유입구
163: 제 2 배출구
171: 제 3 열교환장치
172: 제 3 유입구
173: 제 3 배출구100: integral multi-stage reactor for the methanation of carbon monoxide or carbon dioxide
110: main body
121: first chamber
122: second chamber
123: third chamber
131: supply
132: outlet
141: first gas distributor
142: second gas distributor
143: third gas distributor
151: first heat exchanger
152: first inlet
153: first outlet
161: second heat exchanger
162: second inlet
163: second outlet
171: third heat exchanger
172: third inlet
173: third outlet
Claims (13)
내부에 기체가 유동되도록 중공의 관형상으로 형성된 본체부;
상기 본체부의 내부의 하단에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스와 고온의 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 1 챔버;
상기 본체부의 하단에 구비되고, 제 1 챔버의 하단으로 혼합가스를 공급하도록 구비된 공급부;
상기 공급부 및 제 1 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 공급부로부터 공급된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소를 상기 제 1 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 1 가스분배기;
상기 제 1 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 1 열교환장치;
상기 제 1 열교환장치의 상단에 배치되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 2 챔버;
상기 제 1 열교환장치와 상기 제 2 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 1 챔버로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 2 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 2 가스분배기;
상기 제 2 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 2 열교환장치;
상기 제 2 열교환장치의 상단에 배치되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소로 구성된 혼합가스가 촉매와 함께 촉매 전환 반응이 일어나도록 구비된 제 3 챔버;
상기 제 2 열교환장치와 상기 제 3 챔버의 하단의 사이에 배치되고, 상기 제 2 챔버로부터 유동된 탄소, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 상기 제 3 챔버에 균일하게 분배하도록 구비된 제 3 가스분배기;
상기 제 3 챔버의 상부와 연결되고, 상기 제 3 챔버로부터 유동된 혼합가스의 온도를 냉매를 통해 열교환을 수행하여 낮추도록 구비된 제 3 열교환장치;
상기 본체부의 상단에 구비되어 상기 제 3 열교환장치의 상부에 배치되고, 일산화탄소 또는 이산화탄소와 수소와 촉매의 반응으로 생성된 메탄 및 물이 배출되는 배출부;
를 포함하는 일산화탄소 또는 이산화탄소의 메탄화를 위한 일체형 다단 반응기.In the reactor for reacting carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen to methane,
A body portion formed in a hollow tubular shape so that gas flows therein;
A first chamber disposed at the bottom of the inside of the main body and provided with a high temperature catalytic conversion reaction with carbon monoxide or a mixed gas composed of carbon dioxide and hydrogen;
A supply unit provided at a lower end of the main body and provided to supply a mixed gas to a lower end of the first chamber;
A first gas distributor disposed between the supply section and the lower end of the first chamber and provided to uniformly distribute carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen supplied from the supply section to the first chamber;
A first heat exchanger connected to an upper portion of the first chamber and provided to lower the temperature of the mixed gas flowing from the first chamber by performing heat exchange through a refrigerant;
A second chamber disposed on an upper end of the first heat exchanger, and having a mixed gas composed of carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the first chamber to perform a catalytic conversion reaction with a catalyst;
A second gas distributor disposed between the first heat exchanger and the lower end of the second chamber and provided to uniformly distribute carbon, water, carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the first chamber to the second chamber. ;
A second heat exchanger connected to the upper portion of the second chamber and provided to lower the temperature of the mixed gas flowing from the second chamber by performing heat exchange through a refrigerant;
A third chamber disposed on the upper end of the second heat exchanger and provided with a catalyst composed of carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the second chamber to undergo a catalytic conversion reaction with the catalyst;
A third gas distributor disposed between the second heat exchanger and the bottom of the third chamber and provided to uniformly distribute carbon, water, carbon monoxide or carbon dioxide and hydrogen flowed from the second chamber to the third chamber. ;
A third heat exchanger connected to an upper portion of the third chamber and provided to lower the temperature of the mixed gas flowing from the third chamber by performing heat exchange through a refrigerant;
It is provided on the upper portion of the body portion is disposed on the upper portion of the third heat exchanger, carbon monoxide or carbon dioxide and methane and water generated by the reaction of hydrogen and the discharge portion discharged;
Integral multi-stage reactor for the methanation of carbon monoxide or carbon dioxide comprising a.
According to claim 1, The integral multi-stage reactor for the methanation of carbon monoxide or carbon dioxide is applied to the methanation process, characterized in that applied to the methanation process to produce methane produced through the reaction of carbon dioxide and hydrogen.
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