KR102170654B1 - Microchannel reactor with controllability in reaction heat and control method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 피셔-트롭쉬 합성 반응용 마이크로채널 반응기에 관한 것으로서, 냉각층에서의 냉매의 흐름은 촉매층에서의 직각 방향으로 흐르며, 냉매의 유량은 냉각층의 부위에 따라 달리함으로서 촉매층에서의 온도제어를 보다 용이하게 하는 방법을 제공한다. 상기 열교환 마이크로채널 반응기를 사용하는 경우 반응열에 의한 고점 온도(hot spot)를 제어함으로서 피셔-트롭쉬 반응에서 CO 전환율과, C5+ 탄화수소의 선택도를 증가시키는 효과 있다.The present invention relates to a microchannel reactor for a Fischer-Tropsch synthesis reaction, wherein a flow of a refrigerant in a cooling layer flows in a direction perpendicular to the catalyst layer, and the flow rate of the refrigerant varies depending on the portion of the cooling layer, thereby controlling temperature in the catalyst layer. It provides a way to make it easier. In the case of using the heat exchange microchannel reactor, there is an effect of increasing the CO conversion rate and selectivity of C5+ hydrocarbons in the Fischer-Tropsch reaction by controlling the hot spot due to the reaction heat.

Description

반응열 제어가 용이한 마이크로채널 반응기 및 반응열 제어 방법 {Microchannel reactor with controllability in reaction heat and control method thereof}TECHNICAL FIELD [Microchannel reactor with controllability in reaction heat and control method thereof]

본 발명은 마이크로채널 반응기에서 발열반응의 반응열을 효과적으로 제어하는 방법에 관한 것이다. 마이크로채널 반응기에서 수행될 수 있는 대표적인 고온의 강한 발열반응으로, 피셔-트롭쉬 합성반응이 있다.The present invention relates to a method for effectively controlling the heat of reaction of an exothermic reaction in a microchannel reactor. As a representative high-temperature, strong exothermic reaction that can be carried out in a microchannel reactor, there is a Fischer-Tropsch synthesis reaction.

피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch, F-T) 반응은 합성가스(synthesis gas, CO + H2)로부터 합성유를 제조하는 반응이다. 합성가스는 주로 석탄의 가스화 또는 천연가스의 리포밍에 의해 제조된다. The Fischer-Tropsch (FT) reaction is a reaction for producing synthetic oil from synthesis gas (CO + H 2 ). Syngas is mainly produced by gasification of coal or reforming of natural gas.

CO + 2H2 → -[CH2] n- + H2O ΔH298 = ~-160 kJ/molCO + 2H 2 → -[CH 2 ] n- + H 2 O ΔH 298 = ~-160 kJ/mol

상기 식과 같이 피셔-트롭쉬 반응은 강한 발열반응으로서, 반응열 제어가 중요하다. 반응열 제어가 안될 경우 반응기 온도가 급격히 상승하여 반응공정의 안전에 심각한 문제를 발생할 뿐 아니라 원치 않는 생성물을 얻게 된다.As shown in the above formula, the Fischer-Tropsch reaction is a strong exothermic reaction, and the heat of reaction control is important. If the heat of reaction is not controlled, the temperature of the reactor rises rapidly, causing serious problems in the safety of the reaction process and obtaining unwanted products.

피셔-트롭쉬 반응용 촉매는 크게 코발트와 철계 촉매로 대별된다. 코발트 계열의 촉매는 촉매 수명이 길고 선형 사슬을 갖는 파라핀 형태의 탄화수소를 얻는 데 유리하며 이산화탄소를 적게 생성시키는 장점이 있다. 하지만 합성가스 조성에 민감하여 CO 대비 수소의 비율이 높으면 메탄의 선택도가 높아져 C5+ (탄소수 5 이상의 탄화수소) 선택도가 상대적으로 상대적으로 줄어든다. 또한 C5+ 선택도가 반응 온도에도 민감하여 반응온도 200~240도씨 이상 올라가면 C5+ 선택도가 급격히 감소하므로 반응온도 제어가 필수적이다. 코발트 계열의 촉매는 고가이므로 소량을 지지체 표면에 잘 분산시켜서 사용해야 한다. 지지체로는 알루미나, 실리카, 티타니아 등이 사용되며 조촉매로 Ru, Pt, Re 등의 귀금속을 사용하여 성능을 향상시킨다.Catalysts for Fischer-Tropsch reaction are largely classified into cobalt and iron catalysts. The cobalt-based catalyst is advantageous for obtaining a paraffinic hydrocarbon having a long catalyst life and a linear chain, and has the advantage of generating less carbon dioxide. However, if the ratio of hydrogen to CO is high because it is sensitive to the composition of the syngas, the selectivity of methane increases, and the selectivity of C5+ (hydrocarbons with 5 or more carbon atoms) is relatively reduced. In addition, C5+ selectivity is sensitive to the reaction temperature, so if the reaction temperature rises above 200 to 240 degrees Celsius, the C5+ selectivity decreases rapidly, so controlling the reaction temperature is essential. Since cobalt-based catalysts are expensive, a small amount must be well dispersed on the surface of the support before use. Alumina, silica, titania, etc. are used as the support, and noble metals such as Ru, Pt, and Re are used as cocatalysts to improve performance.

철 계열의 촉매는 초기에 주로 사용되었으며, 코발트 계열에 비하여 촉매가 저렴하나 촉매 수명이 짧고, 고온에서 메탄 선택도가 낮으며, 탄화수소 중 올레핀 선택도가 높고 옥시게네이트(oxygenate, 알코올, 알데히드, 케톤 등 산소원자 포함 분자) 등의 부산물을 생성한다. Iron-based catalysts were mainly used in the early stages, and catalysts are cheaper than cobalt-based catalysts, but their lifespan is short, methane selectivity is low at high temperatures, olefin selectivity among hydrocarbons is high, and oxygenates (alcohols, aldehydes, etc.) It produces by-products such as molecules containing oxygen atoms such as ketones).

현재까지 고려되고 있는 피셔-트롭쉬 반응용 반응기의 형태는 다관식 고정층 반응기(tubular fixed bed reactor), 유동층 반응기(fluidized bed reactor), 슬러리상 반응기(slurry phase reactor), 열교환기가 갖춰진 마이크로 채널 반응기(microchannel reactor) 혹은 다중 채널 반응기(multi-channel reactor) 등으로 나뉘며, 유동층 반응기에는 순환 유동층 반응기(circulating fluidized bed reactor)와 고정 유동층 반응기(Fixed fluidized bed reactor)가 대표적이다. 반응기 형태에 따라 반응 특성과 생성물의 분포가 달라지므로 목표로 하는 최종생성물에 따라 적절히 선택해야 한다. 기존의 10,000 BPD 이상의 상용화된 공정에서는 주로 유동층 반응기(SASOL사)와 다관식 고정층 반응기(Shell사)를 사용해 왔다. 하지만, 이러한 반응기 형태는 비교적 규모가 큰 가스전에 적당한 형태라서 규모가 훨씬 작은 가스전이나 플레어 가스(flare gas)를 사용해야 하는 공정을 위해서라면 좀 더 콤팩트하면서 효율이 높은 반응기가 필요하다. 그리고 최근에는 자원을 찾아 다니며 생산이 가능하고, 수요가 있는 곳에 하역이 가능하도록 설계된 FPSO(floating production, storage and offloading) 공정에 대한 관심이 매우 높아지면서 규모는 작으면서 고효율의 공정에 대한 연구가 전세계적으로 진행되고 있다. 이러한 GTL FPSO는 공간이 제한된 선상에 GTL 공장을 짓는 것이라서 생산량 대비 반응기의 부피가 작을수록 유리하므로 상기 언급된 반응기 중에 마이크로 채널 반응기 혹은 다중 채널 반응기 형태가 가장 유망한 반응기 형태로 고려되고 있다. The types of reactors for the Fischer-Tropsch reaction that are currently considered are a tubular fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, a slurry phase reactor, and a microchannel reactor equipped with a heat exchanger ( It is divided into a microchannel reactor or a multi-channel reactor, and representative fluidized bed reactors include a circulating fluidized bed reactor and a fixed fluidized bed reactor. Since reaction characteristics and product distribution vary depending on the reactor type, it must be appropriately selected according to the target end product. In the existing commercialized processes of 10,000 BPD or more, a fluidized bed reactor (SASOL) and a multi-tubular fixed bed reactor (Shell) have been used. However, since this type of reactor is suitable for a relatively large gas field, a more compact and highly efficient reactor is required for a much smaller gas field or a process that requires the use of flare gas. And recently, it is designed to be able to produce while searching for resources, and to unload where there is demand. As interest in FPSO (floating production, storage and offloading) processes is very high, research on small scale and high-efficiency processes is being conducted worldwide. This GTL FPSO is to build a GTL plant on a line with limited space, so the smaller the volume of the reactor compared to the production volume is, the more advantageous the micro-channel reactor or the multi-channel reactor type among the above-mentioned reactors is considered as the most promising reactor type.

FT 반응기는 주로 디젤, 윤활기유, 왁스 등을 생산하는데 적합하며 저온 F-T공정이 주로 운전되고 있다. 저온 F-T 공정에서는 60% 이상이 디젤보다 고비점인 탄화수소가 생성되므로 수소화 분해(hydrocracking) 등의 후속 공정을 거쳐 디젤을 추가로 제조하고, 디왁싱(dewaxing) 공정을 거쳐서 왁스 성분은 고품질의 윤활기유로 전환하여 사용한다. The FT reactor is mainly suitable for producing diesel, lubricating base oil, wax, etc., and the low temperature F-T process is mainly operated. In the low-temperature FT process, more than 60% of hydrocarbons with a higher boiling point than diesel are produced, so diesel is additionally manufactured through subsequent processes such as hydrocracking, and the wax component is converted into a high-quality lubricant base oil through a dewaxing process. Switch to use.

저온 F-T 반응에 대표적인 다관식 고정층 반응기와 슬러리상 반응기는 여러 가지 장점이 있지만, 마이크로 혹은 다중 채널 반응기에 비하여 부피와 무게에 대한 부담이 크다. 다관식 고정층 반응기는 스케일업(scale-up)에 대한 부담이 적고, 촉매의 기계적 손실이 적은 장점이 있지만, 생산량 대비 부피가 제일 큰 반응기이므로 공정에서 차지하는 부피가 매우 크고 장치비 및 건설비가 많이 든다. 그리고 촉매층 내부에 열 및 물질전달 효율이 상대적으로 낮아 반응을 제어하는데 어려움이 크다. 슬러리상 반응기는 장치비 및 건설비가 저렴하고 열 및 물질전달 효율이 좋긴 하지만, 복잡한 반응기 내부의 동력학을 해석해야만 스케일업할 수 있으므로 설계에 어려움이 있고, 마찰이나 충돌에 의한 촉매의 기계적 손실이 있다. The typical multi-tubular fixed bed reactor and slurry-phase reactor for low-temperature F-T reactions have several advantages, but they have a large burden on volume and weight compared to micro or multi-channel reactors. The multi-tubular fixed bed reactor has the advantage of low scale-up and low mechanical loss of the catalyst, but the volume occupied by the process is very large and the equipment cost and construction cost are high because the reactor has the largest volume compared to the production volume. In addition, it is difficult to control the reaction due to relatively low heat and mass transfer efficiency inside the catalyst layer. The slurry reactor is inexpensive in equipment and construction costs and has good heat and mass transfer efficiency, but it is difficult to design because it can be scaled up only by analyzing the dynamics inside the complex reactor, and there is a mechanical loss of the catalyst due to friction or collision.

다중 채널 반응기(이하 마이크로채널 반응기를 포함하여 지칭함)는 고 공간속도에서의 반응이 가능하도록 열전달 효율이 극대화된 반응기로서 생산량 대비 부피가 적어(기존 반응공정의 1/5~1/2 수준) 상대적으로 장치비 및 건설비가 적게 들고, 넘버-업(number-up)에 의한 개념으로 생산량을 늘일 수 있으므로 스케일업이 용이하고, 촉매의 마찰이나 충돌에 의한 기계적 손실이 미미하다. 또한 장치의 이동시 발생할 수 있는 반응거동의 변화나 촉매의 흔들림에 의한 손실도 미미하다. 하지만, 벽 반응기(wall reactor)처럼 반응기 벽에 워시 코트(wash coat)한 경우 촉매의 비활성화로 인해 수명이 다했을 때 촉매 교체가 아주 어렵거나 거의 불가능한 단점이 있다. 촉매 입자를 충전하는 타입에서는 촉매 교체는 비교적 용이하나 열전달 효율이 반응기 벽에 워시 코트한(wash-coated)한 반응기에 비해 떨어지는 단점이 있다.Multi-channel reactors (hereinafter referred to as microchannel reactors) are reactors with maximized heat transfer efficiency to enable reaction at high space velocity, and have a relatively small volume compared to production (1/5 to 1/2 of the existing reaction process). As a result, equipment and construction costs are low, and production can be increased with the concept of number-up, so scale-up is easy, and mechanical loss due to friction or collision of the catalyst is minimal. In addition, the loss due to shaking of the catalyst or the change in reaction behavior that may occur during the movement of the device is insignificant. However, in the case of a wash coat on the wall of the reactor like a wall reactor, there is a disadvantage that it is very difficult or almost impossible to replace the catalyst at the end of its life due to deactivation of the catalyst. In the type of charging catalyst particles, catalyst replacement is relatively easy, but there is a disadvantage in that the heat transfer efficiency is inferior to that of a reactor in which the reactor wall is washed-coated.

F-T 반응과 같이 고온의 강한 발열반응은 반응열 제어가 용이하지 않아 목적하는 생성물의 수율을 높이는 것에 제약받는 경우가 많다. 본 발명은 촉매반응층과 냉각층이 교대로 적층된 마이크로채널 반응기에서 강한 발열반응의 반응열을 제어함에 있어, 스케일-업이 용이한 냉각방식인 반응물 대비 냉매가 직각흐름(cross flow) 방향을 갖는 구조에서 반응열 조절이 용이하도록 설계된 마이크로채널 반응기를 제공하고자 한다. Strong exothermic reactions at high temperatures, such as F-T reactions, are often restricted in increasing the yield of the desired product because it is not easy to control the heat of reaction. In the present invention, in controlling the reaction heat of a strong exothermic reaction in a microchannel reactor in which the catalytic reaction layer and the cooling layer are alternately stacked, the refrigerant has a cross flow direction compared to the reactant, which is a cooling method that is easy to scale-up. It is intended to provide a microchannel reactor designed to facilitate reaction heat control in the structure.

본 발명의 제1양태는 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 반응층과 냉매가 흐르는 냉각층이 교대로 적층된 판형 열교환 마이크로채널 반응기로서, 냉각층에서 냉매의 흐름은 반응층에서 반응물의 흐름에 대해 직각 방향이면서 열교환을 통해 반응층으로부터 냉각층으로 열전달이 일어나며, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기를 제공한다.The first aspect of the present invention is a plate-type heat exchange microchannel reactor in which a reaction layer in which an exothermic reaction occurs through a catalyst while a reactant flows and a cooling layer through which a refrigerant flows are alternately stacked, and the flow of the refrigerant in the cooling layer is the flow of the reactant in the reaction layer. Heat transfer occurs from the reaction layer to the cooling layer through heat exchange while being in a direction at right angles to, and the cooling layer is divided into two or more partitions parallel to the flow of the refrigerant, and the refrigerant is formed in a partition including a hot spot formed in the reaction layer. It provides a heat exchange microchannel reactor characterized in that the flow rate, flow rate, or both are controlled to be greater than that of other compartments that do not contain hot spots.

본 발명의 제2양태는 제1양태의 열교환 마이크로채널 반응기에서 피셔-트롭쉬 반응을 통해 합성가스를 전환시키는 단계를 포함하는 합성유 제조 방법을 제공한다.A second aspect of the present invention provides a method for producing synthetic oil comprising converting syngas through a Fischer-Tropsch reaction in the heat exchange microchannel reactor of the first aspect.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

통상 마이크로채널 반응기는 플레이트(plate)가 적층된 구조로서, 촉매 반응층이 있는 층은 상-하에 냉각층을 가지고 있으며 촉매 반응층은 수 밀리미터 정도의 두께를 가지고 있다. 마이크로채널 반응기는 기존의 전통적인 튜브 형태의 고정상 촉매 반응기에 비해 열전달 면적이 10~100배 이상 크기 때문에 열교환 성능이 뛰어나 강한 발열반응이나 흡열반응의 반응기로서 주목 받아오고 있다. In general, a microchannel reactor has a structure in which plates are stacked, and the layer with the catalytic reaction layer has a cooling layer above and below it, and the catalytic reaction layer has a thickness of about several millimeters. Microchannel reactors have been attracting attention as reactors for strong exothermic reactions or endothermic reactions because they have excellent heat exchange performance because the heat transfer area is 10 to 100 times larger than that of conventional tube-type fixed bed catalytic reactors.

촉매 반응층 내의 반응물의 흐름 방향에 따라 냉매의 흐름은 동일 방향(co-current), 반대방향(counter-corrent) 및 직각 방향(cross-current)의 흐름으로 나눌 수 있다. 이는 반응물의 유량, 발열량, 반응기 크기 등에 의해 결정될 수 있다. Depending on the flow direction of the reactants in the catalytic reaction layer, the flow of the refrigerant can be divided into co-current, counter-corrent, and cross-current flows. This may be determined by the flow rate of the reactant, the calorific value, the size of the reactor, and the like.

일반적으로 직각 방향의 냉매의 흐름 방식은 냉매 유로가 단순하며 유로 길이가 짧아 대형 반응기에 경제적으로 적용할 수 있는 이점이 있다. 또한, 반응물 대비 냉매가 직각흐름(cross flow) 방향을 갖는 구조는 스케일-업이 용이하다. 일반적으로 발열반응에서 직각 방향으로 냉매가 흐르게 되면 냉매가 빠져 나오는 하류 부분에 해당하는 촉매 반응층에서 온도가 상승하는 경향이 있다(도 2, 도 4 및 도 6). 이는 냉매가 출구쪽으로 갈수록 열이 축적되어 온도가 상승하기 때문이다. In general, the flow method of the refrigerant in a right-angle direction has the advantage of being economically applicable to a large reactor because the refrigerant flow path is simple and the flow path length is short. In addition, the structure in which the refrigerant has a cross flow direction compared to the reactant is easy to scale-up. In general, when the refrigerant flows in a perpendicular direction in the exothermic reaction, the temperature tends to increase in the catalytic reaction layer corresponding to the downstream portion from which the refrigerant exits (FIGS. 2, 4 and 6 ). This is because heat accumulates as the refrigerant goes toward the outlet and the temperature rises.

고정층 관형촉매반응기에서 발열반응일 때에 과열로 인하여 고점(hot spot)을 형성한다. 본 명세서에서 고점(hot spot)은 촉매를 구비한 반응층에서의 최고 온도를 지칭한다.In the case of exothermic reaction in the fixed bed tubular catalytic reactor, hot spots are formed due to overheating. In the present specification, a hot spot refers to the highest temperature in a reaction bed equipped with a catalyst.

발열반응에서 반응기내 촉매 반응층의 온도는 또한 반응물의 유속에 영향을 받아 고점 온도 위치가 달라진다. 예를 들면 반응물의 유속이 매우 느릴 경우 촉매층 상단에서 반응이 대부분 일어나고 반응기 후단으로 나가는 가스량이 적어 반응기 상단에서 고점(hot spot)이 발생하며(도 2 및 도 4), 반대로 반응물의 유속이 아주 높을 경우 반응기 상단의 반응열은 반응가스에 의해 후단으로 밀려 온도 상승이 제한되나 후단에서는 반응열이 축적돼 고점 온도 부위가 발생한다(도 6). In the exothermic reaction, the temperature of the catalytic reaction bed in the reactor is also affected by the flow rate of the reactant, so that the location of the high point temperature is changed. For example, when the flow rate of the reactant is very slow, most of the reaction occurs at the top of the catalyst layer and the amount of gas that goes out to the rear end of the reactor is small, so a hot spot occurs at the top of the reactor (Fig. 2 and Fig. 4). Conversely, the flow rate of the reactant is very high. In this case, the reaction heat at the top of the reactor is pushed to the rear stage by the reaction gas, limiting the temperature increase, but the reaction heat accumulates at the rear stage, resulting in a high temperature region (Fig. 6).

따라서 직각 방향의 냉매의 흐름 방식에서는 냉매 출구 부위에서 발생하는 고온 발생을 제어하는 것이 필요하다.Therefore, it is necessary to control the generation of high temperatures at the outlet of the refrigerant in the flow method of the refrigerant in a right angle direction.

본 발명은 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 반응층과 냉매가 흐르는 냉각층이 교대로 적층되고 냉각층에서 냉매의 흐름이 반응층에서 반응물의 흐름에 대해 직각 방향인 판형 열교환 마이크로채널 반응기에서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 것이 특징이다. 이를 통해, 본 발명은 반응열 제어가 용이하지 않은 고온의 강한 발열반응에서 목적하는 생성물의 수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라(표 1), 고점 발생으로 인한 촉매의 수명 단축을 지연시킬 수 있다. In the present invention, a reaction layer in which an exothermic reaction occurs through a catalyst as a reactant flows and a cooling layer through which a refrigerant flows are alternately stacked, and the flow of refrigerant in the cooling layer is in a plate-type heat exchange microchannel reactor in a direction perpendicular to the flow of the reactant in the reaction layer. , The cooling layer is divided into two or more divisions parallel to the refrigerant flow, but the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the division including the hot spot formed in the reaction layer are not included in the hot spot. It features a larger adjustment than the compartment. Through this, the present invention can not only increase the yield of a target product in a strong exothermic reaction at a high temperature where it is not easy to control the heat of reaction (Table 1), but also can delay the shortening of the life of the catalyst due to the occurrence of high points.

본 발명의 일구체예로, (i) 냉매 주입시 각 지점에서의 유량 및/또는 유속 조건들을 동일하게 한 경우 촉매 반응층에 발생되는 고점을, 예컨대 실험 및/또는 전산모사(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 통해, 예측하여, (ii) 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획, 바람직하게는 10개 이하로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획과 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획을 각각 포함하도록 냉각층 구획을 나누고, (iii) 상기 고점 예측 시 사용한 총 냉매의 유량을 유지한 상태에서 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량 및/또는 유속을 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절할 수 있다. In one embodiment of the present invention, (i) when the flow rate and/or flow rate conditions at each point are the same when the refrigerant is injected, the high point generated in the catalytic reaction layer is determined, for example, by experiment and/or computational fluid dynamics (Computational Fluid Dynamics, CFD), predicting, (ii) the cooling layer is divided into two or more partitions parallel to the refrigerant flow, preferably 10 or less, but the partition and the reaction layer including hot spots formed in the reaction layer The cooling layer partitions are divided to include each partition including hot spots formed in (iii) the hot spots formed in the reaction layer while maintaining the flow rate of the total refrigerant used in the prediction of the high point. In the containing section, the flow rate and/or the flow rate of the refrigerant can be adjusted to be greater than that of other sections that do not contain a hot spot.

예컨대, 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획은 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도가 제일 낮거나, 냉매 흐름 하류에서 최저 온도를 갖는 촉매 반응층을 포함하는 것일 수 있다(반응물 흐름 방향을 기준으로 도 2의 3번째 구획, 도 4 의 3번째 구획 및 도 6 의 1번째 구획).For example, another compartment that does not include a hot spot may include a catalytic reaction layer having the lowest average temperature of the reaction bed temperature corresponding to the corresponding compartment or the lowest temperature downstream of the refrigerant flow (reactant Based on the flow direction, the third section of Fig. 2, the third section of Fig. 4, and the first section of Fig. 6).

촉매 반응층 내 발열량 제어가 가능하도록, 인접하여 열교환하는 냉각층 2개 사이에 위치한 반응층 내 촉매베드(catalytic bed)의 두께는 1 내지 5mm 범위 내에서, 냉각층의 두께는 0.5 내지 3mm내에서 조절될 수 있다. In order to control the amount of heat generated in the catalytic reaction layer, the thickness of the catalytic bed in the reaction layer located between the two adjacent cooling layers for heat exchange is within the range of 1 to 5 mm, and the thickness of the cooling layer is within the range of 0.5 to 3 mm. Can be adjusted.

본 발명의 냉각층은 냉매의 유속 및/또는 유량을 달리하도록, 경우에 따라서는 유입되는 냉매 온도를 달리하도록, 2이상의 구획으로 나눈 것이다. The cooling layer of the present invention is divided into two or more partitions so as to vary the flow rate and/or flow rate of the refrigerant and, in some cases, to vary the temperature of the incoming refrigerant.

본 발명에서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나눌 때, 각 구획의 폭을 균등하게(도 2 내지 도 7) 또는 불균등하게 할 수 있다. In the present invention, when the cooling layer is divided into two or more partitions parallel to the refrigerant flow, the width of each partition can be made equal (FIGS. 2 to 7) or uneven.

본 발명에서, 냉각층 및/또는 반응층은 복수개의 마이크로채널로 구성된 것일 수 있다(도 1). 냉매층을 마이크로채널로 구성하면서 촉매 반응층을 슬랩형태(slab type)의 고정층으로 구성할 수도 있고, 반응층도 마이크로채널로 구성할 수도 있다. 마이크로채널로 구성된 반응층에서는 채널 내부에 촉매를 삽입하여 충전하거나 반응기 내벽에 코팅 등의 방법으로 부착할 수도 있다. In the present invention, the cooling layer and/or the reaction layer may be composed of a plurality of microchannels (FIG. 1). While the refrigerant layer is composed of microchannels, the catalytic reaction layer may be composed of a slab type fixed layer, or the reaction layer may be composed of microchannels. In the reaction layer composed of microchannels, a catalyst may be inserted into the channel to be filled or attached to the inner wall of the reactor by a method such as coating.

냉각층 및/또는 반응층을 복수개의 마이크로채널을 구비하여, 각 마이크로채널에서의 유량 및/또는 유속을 독립적으로 및/또는 종속적으로 조절할 수 있다. 냉각층 및/또는 반응층 내 마이크로채널들은 서로 폭 및/또는 높이를 동일하게 또는 달리하여 유량 및/또는 유속을 조절할 수 있다.The cooling layer and/or the reaction layer may be provided with a plurality of microchannels, so that the flow rate and/or flow rate in each microchannel can be independently and/or dependently adjusted. The microchannels in the cooling layer and/or the reaction layer may have the same or different width and/or height from each other to adjust the flow rate and/or flow rate.

따라서, 냉각층의 각 구획은 하나의 마이크로채널 또는 복수개의 마이크로채널로 구성될 수 있다. 각 구획별로 사용되는 마이크로채널의 체적, 형상 및/또는 개수를 달리하여 각 구획별 냉매 유량을 달리 조절할 수 있다.Therefore, each compartment of the cooling layer may be composed of one microchannel or a plurality of microchannels. By varying the volume, shape, and/or number of microchannels used for each compartment, the refrigerant flow rate for each compartment may be differently adjusted.

본 발명에서 고점은 촉매 반응층에서 발생가능한 원하지 아니하는 온도 이상인 경우도 포함한다. 즉, 촉매 반응층에서 원하지 아니하는 온도 이상으로 발생 지점도 촉매 본 발명에서 반응층에 발생되는 고점의 범주에 속하며, 이 경우에도 이에 대응되는 냉매층 구획의 냉매의 유량 및/또는 유속을 높여 제어할 수 있다.In the present invention, the high point also includes the case where it is higher than the undesirable temperature that can occur in the catalytic reaction layer. That is, the point of occurrence above the undesired temperature in the catalytic reaction layer belongs to the category of the high point generated in the reaction layer in the present invention, and even in this case, control by increasing the flow rate and/or flow rate of the refrigerant in the corresponding refrigerant layer section can do.

예컨대, 본 발명은 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 촉매 반응층에서 고점(hot spot)의 온도 미만이나 원하지 아니하는 고온 발생 지점을 포함하는 구획에서 냉매의 유량 및/또는 유속을, 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도가 제일 낮거나, 냉매 흐름 하류에서 최저 온도를 갖는 촉매 반응층을 포함하는 다른 구획보다 더 크게 조절할 수 있다.For example, in the present invention, the cooling layer is divided into three or more partitions parallel to the refrigerant flow, but the flow rate of the refrigerant and/or in the partition including the undesired high temperature occurrence point or less than the temperature of the hot spot in the catalytic reaction layer The flow rate can be adjusted to be greater than that of other sections including the catalytic reaction layer having the lowest average temperature of the reaction bed temperature corresponding to the corresponding section or the lowest temperature downstream of the refrigerant flow.

본 발명은 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도에 대응하여 평균온도가 낮을수록 해당 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 낮추도록 조절할 수 있다(도 3 및 도 5).In the present invention, the cooling layer is divided into three or more compartments parallel to the refrigerant flow, and the lower the average temperature corresponds to the average temperature of the reaction bed temperature corresponding to the corresponding compartment, the lower the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the compartment. It can be adjusted (Figs. 3 and 5).

또한, 본 발명은 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획의 인접한 다른 2개 구획 중 반응물 흐름 방향으로 상류에 해당하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다가 다른 구획들보다 가장 크게 조절할 수도 있다(반응물 흐름 방향을 기준으로 도 7의 2번째 구획). In addition, the present invention divides the cooling layer into three or more partitions parallel to the refrigerant flow, and the partition corresponding to the upstream in the flow direction of the reactant among the other two adjacent partitions of the partition including a hot spot formed in the reaction layer. The flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in may be adjusted to be the largest than other sections (the second section in FIG. 7 based on the reactant flow direction).

촉매를 구비한 반응층에서 최고점과 최저점의 온도 차이가 10℃ 이내가 되도록, 전술한 본 발명의 다양한 반응열 제어 방법들을 응용하여, 각 냉각층의 구획별로 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 달리 조절할 수 있다.By applying the various heat of reaction control methods of the present invention described above so that the temperature difference between the highest point and the lowest point in the reaction layer equipped with the catalyst is within 10°C, the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant can be differently adjusted for each section of the cooling layer. have.

전술한 본 발명의 다양한 반응열 제어 방법들을 사용하더라도, 발열층의 임의의 지점에서의 온도(T1)는 이에 대응되는 냉각층의 지점에서의 온도(T2)보다 높아 발열층 전반에 걸쳐 열교환을 통해 반응층으로부터 냉각층으로 열전달이 일어날 수 있는 것이 바람직하다.Even if the various heat of reaction control methods of the present invention described above are used, the temperature (T 1 ) at an arbitrary point of the heating layer is higher than the temperature (T 2 ) at the point of the cooling layer corresponding thereto, thereby preventing heat exchange throughout the heating layer. It is preferable that heat transfer can occur from the reaction layer to the cooling layer through.

하기에서는 반응열 제어가 용이하지 않은 고온의 강한 발열반응인 피셔-트롭쉬(F-T) 반응용 열교환 마이크로채널 반응기를 대표적인 예로 하여, 본 발명에 따라 냉각층에서 냉매의 흐름이 반응층에서 반응물의 흐름에 대해 직각 방향이면서, 냉각층을 2이상의 구획으로 나누고 F-T 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 열교환 마이크로채널 반응기를 사용하여 합성가스를 전환시켜 합성유를 제조하는 방법에 대해 설명한다.In the following, a heat exchange microchannel reactor for the Fischer-Tropsch (FT) reaction, which is a high-temperature, strong exothermic reaction that is not easy to control the heat of reaction, is a representative example. The flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the compartment including the hot spot formed in the FT reaction layer by dividing the cooling layer into two or more compartments in a direction perpendicular to the FT reaction layer than other compartments not including the hot spot A method of manufacturing synthetic oil by converting syngas using a heat exchange microchannel reactor with a larger control will be described.

본 발명에 따른 합성유 제조 방법은 Synthetic oil production method according to the present invention

합성가스 반응물이 흐르면서 F-T 촉매를 통해 F-T 발열반응이 일어나는 F-T 반응층과 냉매가 흐르는 냉각층이 교대로 적층되고, 냉각층에서 냉매의 흐름이 반응층에서 반응물의 흐름에 대해 직각 방향이면서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누고 F-T 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 열교환 마이크로채널 반응기에서 피셔-트롭쉬 반응을 통해 합성가스를 전환시키는 단계; 및The FT reaction layer in which the FT exothermic reaction occurs through the FT catalyst while the syngas reactant flows, and the cooling layer through which the refrigerant flows are alternately stacked, and the flow of the refrigerant in the cooling layer is perpendicular to the flow of the reactant in the reaction layer, and the cooling layer Is divided into two or more partitions parallel to the refrigerant flow, and the flow rate, flow velocity, or both of the refrigerant in the partition including the hot spot formed in the FT reaction layer are greater than the other partitions not including the hot spot. Converting the syngas through a Fischer-Tropsch reaction in a controlled heat exchange microchannel reactor; And

선택적으로(optionally) 피셔-트롭쉬 반응의 생성물에 대해 수소화 분해(hydrocracking) 공정 및/또는 디왁싱(dewaxing) 공정을 수행하는 단계를 포함한다. And optionally performing a hydrocracking process and/or a dewaxing process on the product of the Fischer-Tropsch reaction.

대부분 코발트계 F-T 반응 촉매의 최적 반응온도는 200~240℃ 부근으로서, 이 반응온도 근처에서 C5+ 탄화수소 화합물의 선택도와 CO 전환율이 높고, 200℃ 아래에서는 CO 전환율이 낮으며, 240℃ 이상에서는 C5+ 탄화수소 선택도가 크게 떨어진다.The optimum reaction temperature of most cobalt-based FT reaction catalysts is around 200~240℃, and the selectivity and CO conversion of C 5 + hydrocarbon compounds are high near this reaction temperature, and CO conversion is low below 200℃, and above 240℃. C 5 + hydrocarbon selectivity is greatly reduced.

C5+ 선택도가 반응 온도에도 민감하여 반응온도 240도씨 이상 올라가면 C5+ 선택도가 급격히 감소하므로 반응온도 제어가 필수적이다.The C5+ selectivity is sensitive to the reaction temperature, so if the reaction temperature rises above 240°C, the C5+ selectivity rapidly decreases, so controlling the reaction temperature is essential.

코발트계 F-T 반응 촉매의 최적 반응압력은 10 내지 40기압(bar)이며, CO 대비 수소의 몰비가 2.0이며, 공간속도는 1000 내지 20,000cc/(gcat h)일 수 있다.The optimum reaction pressure of the cobalt-based FT reaction catalyst is 10 to 40 atmospheres (bar), the molar ratio of hydrogen to CO is 2.0, and the space velocity may be 1000 to 20,000 cc/(g cat h).

본 발명에 따른 열교환 마이크로채널 반응기에서, F-T 반응층의 온도 조절은 전환되는 합성가스 대비 냉매의 주입량과 냉매 온도로 조절될 수 있다. 냉각수의 주입량이 증가하면 F-T 반응층의 온도는 떨어질 수 있다. In the heat exchange microchannel reactor according to the present invention, the temperature control of the F-T reaction layer may be controlled by the amount of refrigerant injected and the refrigerant temperature relative to the converted syngas. When the injection amount of cooling water increases, the temperature of the F-T reaction layer may decrease.

하지만 냉매의 주입량을 증가시켜 F-T 반응층의 온도를 떨어뜨릴 때, F-T 반응층의 온도가 전반적으로 지나치게 낮아 합성가스의 전환율이 떨어지는 문제가 발생하며, 냉매의 주입량을 줄이면 F-T 반응층의 온도가 전반적으로 지나치게 상승하여 합성가스의 전환율은 증가하나 메탄이 증가하여 C5+ 선택도가 떨어지는 문제가 발생한다. However, when the temperature of the FT reaction layer is decreased by increasing the injection amount of the refrigerant, the overall temperature of the FT reaction layer is too low to reduce the conversion rate of the synthesis gas.If the injection amount of the refrigerant is decreased, the temperature of the FT reaction layer is decreased. The conversion rate of synthesis gas increases due to excessive increase, but the C5+ selectivity decreases due to the increase in methane.

또한 적정량의 냉매를 주입하더라도 촉매층의 두께나 냉각층의 구조, 냉매 주입 방식에 따라 촉매층의 온도 구배가 달라져 생성물의 선택도가 영향을 받게 된다. In addition, even if an appropriate amount of refrigerant is injected, the temperature gradient of the catalyst layer varies depending on the thickness of the catalyst layer, the structure of the cooling layer, and the method of refrigerant injection, so that the selectivity of the product is affected.

F-T 발열반응에서 직각 방향으로 냉매가 흐르게 되면 냉매가 출구쪽으로 갈수록 열이 축적되어 온도가 상승하기 때문에 냉매가 빠져 나오는 부분에 해당하는 촉매층에서 온도가 상승한다. In the F-T exothermic reaction, when the refrigerant flows in a right angle direction, heat accumulates as the refrigerant goes toward the outlet, and the temperature rises. Therefore, the temperature rises in the catalyst layer corresponding to the part where the refrigerant exits.

본 발명은 촉매 반응층의 상-하에 존재하는 냉각층에서 냉매의 흐름은 스케일-업이 용이하도록 반응물의 흐름에 직각방향으로 흐르게 하되, 촉매 반응층 내 발열량 제어가 가능하도록, 냉각층 내에서의 냉매의 유량 및/또는 유속을 다르게 조절하는 것이 특징이다.In the present invention, the flow of the refrigerant in the cooling layer existing above and below the catalytic reaction layer flows in a direction perpendicular to the flow of the reactant to facilitate scale-up, but to control the amount of heat generated in the catalytic reaction layer, in the cooling layer It is characterized by differently adjusting the flow rate and/or flow rate of the refrigerant.

따라서, 본 발명에 따라 직각 방향 냉매 흐름의 마이크로채널 F-T 반응기에서 촉매층 고점 위치에 따라 냉매의 유량 및/또는 유속을 달리하면, 촉매 반응층 내의 온도를 균일하게 제어할 수 있다(표 1).Therefore, according to the present invention, if the flow rate and/or flow rate of the refrigerant is changed according to the position of the high point of the catalyst layer in the microchannel F-T reactor of the refrigerant flow in a right angle direction, the temperature in the catalytic reaction layer can be uniformly controlled (Table 1).

구체적으로, 촉매층 고점 위치에 따라 냉매의 유량 및/또는 유속을 달리하게 하기 위해, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2개 이상의 구획으로 나누고, 2이상의 구획으로 나누어진 냉각층에서, F-T 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절함으로써, F-T 촉매를 구비한 반응층 반응온도를 220℃±20℃ 범위 내에서 조절할 수 있으며, 바람직하게는 F-T 촉매를 구비한 반응층에서의 온도는 최고점과 최저점의 온도 차이가 10℃ 이내가 되도록 조절할 수 있다.Specifically, in order to vary the flow rate and/or flow rate of the refrigerant according to the position of the high point of the catalyst layer, the cooling layer is divided into two or more partitions parallel to the refrigerant flow, and in the cooling layer divided into two or more partitions, the FT reaction layer is By controlling the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the compartment containing the hot spot to be larger than that of the other compartments not including the hot spot, the reaction temperature of the reaction bed with the FT catalyst is 220°C. It can be adjusted within the range of ±20 ℃, preferably the temperature in the reaction bed equipped with the FT catalyst can be adjusted so that the temperature difference between the highest point and the lowest point is within 10 ℃.

표 1에서 알 수 있듯이 촉매층 내에서의 온도가 균일해지면 (실시예 1~3), CO 전환율이 증가하며, 특히 C5+ 선택도가 증가할 수 있다. As can be seen from Table 1, when the temperature in the catalyst layer becomes uniform (Examples 1 to 3), the CO conversion rate increases, and in particular, C5+ selectivity may increase.

합성유의 비제한적인 예로는 디젤, 윤활기유, 왁스 등이 있으며, 수소화 분해(hydrocracking) 등의 후속 공정을 거쳐 디젤을 추가로 제조하고/하거나, 디왁싱(dewaxing) 공정을 거쳐서 왁스 성분은 고품질의 윤활기유로 전환시킬 수 있다. Non-limiting examples of synthetic oils include diesel, lubricating base oil, wax, and the like, and additionally manufacture diesel through a subsequent process such as hydrocracking and/or undergo a dewaxing process so that the wax component is of high quality. It can be converted to lubricating base oil.

본 발명에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.Each description and embodiment disclosed in the present invention can be applied to each other description and embodiment. That is, all combinations of various elements disclosed in the present invention belong to the scope of the present invention. In addition, it cannot be seen that the scope of the present invention is limited by the specific description described below.

본 발명에 따라 촉매층 고점 위치에 따라 냉매의 유량 및/또는 유속을 달리하도록 설계된 열교환 마이크로채널 반응기를 사용하여 발열반응인 F-T 반응의 발열을 효과적으로 제어함으로서 촉매 반응층 내의 온도를 균일하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 보다 높은 C5+ 수율을 얻을 수 있다. According to the present invention, by using a heat exchange microchannel reactor designed to vary the flow rate and/or flow rate of the refrigerant according to the position of the high point of the catalyst layer, it is possible to uniformly control the temperature in the catalytic reaction layer by effectively controlling the heat generation of the FT reaction, which is an exothermic reaction. In addition, higher C5+ yields can be obtained.

도 1는 마이크로채널 반응기 전산모사에 사용된 반응기의 디멘젼(dimension)을 나타낸 것이다.
도 2는 비교예 1에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 3는 실시예 1에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 2에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 2에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 6는 비교예 3에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 3에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
1 shows the dimensions of the reactor used in the microchannel reactor computer simulation.
Figure 2 shows the temperature distribution in the microchannel reactor by the computational simulation performed by Comparative Example 1.
3 shows the temperature distribution in the microchannel reactor by computer simulation performed according to Example 1.
4 shows the temperature distribution in the microchannel reactor by computational simulation performed by Comparative Example 2.
5 shows the temperature distribution in the microchannel reactor by computer simulation performed in Example 2.
6 shows a temperature distribution in a microchannel reactor by computational simulation performed by Comparative Example 3.
7 shows the temperature distribution in the microchannel reactor by computer simulation performed according to Example 3.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

제조예Manufacturing example 1: 피셔- 1: Fisher- 트롭쉬Tropsch 반응용 코발트계 촉매 제조 Preparation of reaction cobalt catalyst

33 mL의 에탄올에 질산코발트 (Co(NO3)2·6H2O) 29.5g을 섞어 녹인 용액을 감마-알루미나 20.0g에 함침하였다. 상기 슬러리를 회전감압증발기(evaporator)에서 용매를 제거한 후, 100℃ 오븐에서 12시간 건조한 후, 400℃의 공기 분위기에서 5시간 동안 소성 처리하여 20wt% Co/Al2O3 촉매를 제조하였다.A solution obtained by mixing 29.5 g of cobalt nitrate (Co(NO 3 ) 2 ·6H 2 O) in 33 mL of ethanol was impregnated with 20.0 g of gamma-alumina. After removing the solvent in a rotary pressure evaporator, the slurry was dried in an oven at 100° C. for 12 hours, and then calcined in an air atmosphere at 400° C. for 5 hours to prepare a 20wt% Co/Al 2 O 3 catalyst.

실험예Experimental example 1 One

제조예 1에서 제조한 F-T 촉매로부터 합성가스에서 F-T 반응에 의해 합성유를 제조하는 kinetic 실험을 수행하였다. 1/2인치 스테인리스 고정층 반응기에 제조예 1에서 제조한 코발트계 촉매 0.1g과 희석제인 실리콘 카바이드(SiC) 1g을 섞어 장입하고, 400 ℃의 수소(5부피% H2/He) 분위기 하에서 5시간 환원 처리하였다. 반응온도 210~240 ℃, 반응압력 5~30 kg/cm2, 공간속도 1000~30000 L/kgcat/hr의 다양한 반응조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 31.5: 63.0: 5.5의 비율로 고정하여 반응기로 주입하였다. 반응조건은 CO 전환율이 30%를 넘지 않은 조건에서 얻은 결과로부터 상기 촉매에 대한 F-T 반응의 kinetics를 구하였다.A kinetic experiment was performed to prepare synthetic oil by FT reaction in syngas from the FT catalyst prepared in Preparation Example 1. In a 1/2-inch stainless steel fixed-bed reactor, 0.1 g of the cobalt-based catalyst prepared in Preparation Example 1 and 1 g of silicon carbide (SiC) as a diluent were mixed and charged, and under a hydrogen (5 vol% H 2 /He) atmosphere at 400° C. for 5 hours It was subjected to reduction treatment. Reaction temperature 210~240 ℃, reaction pressure 5~30 kg/cm 2 , The molar ratio of carbon monoxide: hydrogen: argon (internal standard), which is a reactant, was fixed at a ratio of 31.5: 63.0: 5.5 under various reaction conditions with a space velocity of 1000 to 30000 L/kg cat /hr, and injected into the reactor. As for the reaction conditions, the kinetics of the FT reaction for the catalyst were obtained from the results obtained under the condition that the CO conversion rate did not exceed 30%.

실험예Experimental example 2 2

실험예 1에서 구한 F-T 촉매에 대한 kinetics를 바탕으로 마이크로채널 반응기에 대해 전산모사(Computational Fluid Dynamics, CFD)를 수행하였다. 전산모사는 COMSOL Multiphysics 5.3 (COMSOL, Inc)을 이용하였으며, 조건은 다음과 같다. 전산모사에 사용된 마이크로채널 반응기의 자세한 모양은 도 1에 나타내었으며, 냉매의 흐름은 촉매층 반응물 흐름 방향과 수직방향으로 흐르며, 냉매가 흐르는 영역을 크게 3 부분으로 나누어 냉매 유량이 달리하는 조건으로 전산모사가 수행되었다.Computational Fluid Dynamics (CFD) was performed on the microchannel reactor based on the kinetics of the F-T catalyst obtained in Experimental Example 1. The computer simulation was performed using COMSOL Multiphysics 5.3 (COMSOL, Inc), and the conditions are as follows. The detailed shape of the microchannel reactor used in the computational simulation is shown in Fig.1, and the flow of the refrigerant flows in a direction perpendicular to the flow direction of the reactant in the catalyst layer, and the refrigerant flow area is divided into three parts, and the flow rate of the refrigerant is different. The simulation was carried out.

촉매층에 주입되는 반응물의 온도는 233℃이며, 출구의 압력은 22기압이며, 합성가스의 조성은 몰비로 H2 : CO : CO2 : Ar = 57 : 28 : 9 : 6이다. 냉매층에서의 입구온도는 230℃이며, 입구의 압력은 27.7기압이며, 기준선속은 3.789mm/s로 설정하여 전산모사를 수행하였다.The temperature of the reactant injected into the catalyst layer is 233°C, the pressure at the outlet is 22 atm, and the composition of the syngas is H 2 : CO: CO 2 : Ar = 57: 28: 9: 6 in molar ratio. The inlet temperature in the refrigerant layer was 230°C, the inlet pressure was 27.7 atm, and the reference line speed was set to 3.789 mm/s to perform computational simulation.

비교예Comparative example 1 One

실험예 2에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 합성가스의 공간속도는 11, 842cc/(gcat h)이었으며, 냉매층에서의 냉매 유량은 세 영역에서 동일하게 주입되었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 2와 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.The microchannel reactor was simulated as in Experimental Example 2, and the space velocity of the syngas was 11, 842cc/(g cat h), and the refrigerant flow rate in the refrigerant layer was equally injected in three regions. The results of the computational simulation of the reactor are shown in Figure 2 as a temperature distribution in the reactor, and the reaction results are shown in Table 1.

실시예Example 1 One

비교예 1에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 냉매층에서의 총 냉매의 유량은 비교예 1과 동일하게 주입하되, 주입 영역에서 유량은 세 영역에서 달리하여 주입되었다. 냉매층 상부 : 중부 : 하부에 주입된 냉매의 비율은 50% : 33.3% : 16.7%이었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 3과 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.The microchannel reactor was simulated as in Comparative Example 1, and the total flow rate of the refrigerant in the refrigerant layer was injected in the same manner as in Comparative Example 1, but the flow rate in the injection region was injected in three regions. The ratio of the refrigerant injected into the upper part of the refrigerant layer: the middle part: the lower part was 50%: 33.3%: 16.7%. The results of the computational simulation of the reactor are shown in Figure 3 as a temperature distribution in the reactor, and the reaction results are shown in Table 1.

비교예Comparative example 2 2

실험예 2에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 합성가스의 공간속도는 9, 473.6cc/(gcat h)이었으며, 냉매층에서의 냉매 유량은 세 영역에서 동일하게 주입되었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 4와 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.The microchannel reactor was simulated as in Experimental Example 2, the space velocity of the syngas was 9, 473.6cc/(g cat h), and the refrigerant flow rate in the refrigerant layer was injected equally in three regions. The results of the computational simulation of the reactor are shown in Figure 4 as a temperature distribution in the reactor, and the reaction results are shown in Table 1.

실시예Example 2 2

비교예 2에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 냉매층에서의 총 냉매의 유량은 비교예 2과 동일하게 주입하되, 주입 영역에서 유량은 세 영역에서 달리하여 주입되었다. 냉매층 상부 : 중부 : 하부에 주입된 냉매의 비율은 53.3% : 33.3% : 13.3%이었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 5과 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.The microchannel reactor was simulated as in Comparative Example 2, and the total flow rate of the refrigerant in the refrigerant layer was injected in the same manner as in Comparative Example 2, but the flow rate in the injection region was injected in three regions. The ratio of the refrigerant injected into the upper part of the refrigerant layer: the middle part: the lower part was 53.3%: 33.3%: 13.3%. The results of the computational simulation of the reactor are shown in Figure 5 as a temperature distribution in the reactor, and the reaction results are shown in Table 1.

비교예Comparative example 3 3

실험예 2에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 합성가스의 공간속도는 59, 210cc/(gcat h)이었으며, 냉매층에서의 냉매 유량은 세 영역에서 동일하게 주입되었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 6와 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.Computer simulation of the microchannel reactor was performed as in Experimental Example 2, the space velocity of the syngas was 59, 210cc/(g cat h), and the refrigerant flow rate in the refrigerant layer was equally injected in three regions. The results of the computational simulation of the reactor are shown in Figure 6 as a temperature distribution in the reactor, and the reaction results are shown in Table 1.

실시예Example 3 3

비교예 3에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 냉매층에서의 총 냉매의 유량은 비교예 3과 동일하게 주입하되, 주입 영역에서 유량은 세 영역에서 달리하여 주입되었다. 냉매층 상부 : 중부 : 하부에 주입된 냉매의 비율은 25% : 41.7% : 33.3%이었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 7과 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.The microchannel reactor was simulated as in Comparative Example 3, and the total flow rate of the refrigerant in the refrigerant layer was injected in the same manner as in Comparative Example 3, but the flow rate in the injection region was different in three regions. The ratio of the refrigerant injected into the upper part of the refrigerant layer: the middle part: the lower part was 25%: 41.7%: 33.3%. The results of the computational simulation of the reactor are shown in Figure 7 as a temperature distribution in the reactor, and the reaction results are shown in Table 1.



반응물 공간속도 (cc/(gcat h)

Reactant space velocity (cc/(gcat h)

냉매 유량 분포

Refrigerant flow distribution

최고점 온도 (℃)

Peak temperature (℃)
CO 전환율 (%)CO conversion rate (%)
선택도 (%)

Selectivity (%)
상부(%)Top(%) 중부(%)Central (%) 하부(%)bottom(%) CH4CH4 C2-C4C2-C4 C5+C5+ 실시예 1Example 1 11,84211,842 5050 33.333.3 16.716.7 233.99233.99 58.46358.463 8.33538.3353 11.37211.372 80.29380.293 실시예 2Example 2 9,473.69,473.6 53.353.3 33.333.3 13.313.3 233.04233.04 67.5267.52 8.26858.2685 11.18211.182 80.54980.549 실시예 3Example 3 59,21059,210 2525 41.741.7 33.333.3 235.06235.06 16.44716.447 8.40348.4034 11.724611.7246 79.87279.872 비교예 1Comparative Example 1 11,84211,842 33.333.3 33.333.3 33.333.3 234.62234.62 58.39258.392 8.35588.3558 11.43211.432 80.21280.212 비교예 2Comparative Example 2 9,473.69,473.6 33.333.3 33.333.3 33.333.3 234.45234.45 67.51467.514 8.30628.3062 11.29311.293 80.40180.401 비교예 3Comparative Example 3 59,21059,210 33.333.3 33.333.3 33.333.3 235.22235.22 16.40516.405 8.41638.4163 11.77111.771 79.81279.812

비교예 1 내지 3에서 수행한 결과에서 나타내듯이 냉매의 흐름이 촉매층 반응물 흐름 방향과 수직방향으로 흐르며, 냉매의 유량이 동일하게 되면 촉매층에서 고온영역이 나타난다. 한편, 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 수행한 바와 같이 반응기내 냉매의 유량이 영역별로 달리하여 적용하면 촉매층에서 고온영역이 완화됨을 알 수 있다. 즉, 발열이 심한 영역에서는 냉매의 유량을 증가시켜 고점 온도 부분을 완화시키고 저온 영역에서는 유량을 감소시켜 촉매층 내에서의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 된다.As shown in the results performed in Comparative Examples 1 to 3, the flow of the refrigerant flows in a direction perpendicular to the flow direction of the reactant in the catalyst layer, and when the flow rate of the refrigerant is the same, a high temperature region appears in the catalyst layer. On the other hand, as performed in Examples 1 to 3 of the present invention, it can be seen that when the flow rate of the refrigerant in the reactor is applied differently for each region, the high temperature region in the catalyst layer is relieved. That is, in the region where the heat generation is severe, the flow rate of the refrigerant is increased to alleviate the high-point temperature portion, and in the low-temperature region, the flow rate is decreased, so that the temperature in the catalyst layer can be uniformly maintained.

표 1에서 알 수 있듯이 촉매층 내에서의 온도가 균일해지면 (실시예 1~3), CO 전환율이 증가하며, 특히 C5+ 선택도가 증가함을 알 수 있다. As can be seen from Table 1, when the temperature in the catalyst layer becomes uniform (Examples 1 to 3), it can be seen that the CO conversion rate increases, and in particular, the C5+ selectivity increases.

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will be able to understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not limiting. The scope of the present invention should be construed that all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims to be described later rather than the above detailed description and equivalent concepts are included in the scope of the present invention.

Claims (11)

반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 반응층과 냉매가 흐르는 냉각층이 교대로 적층된 판형 열교환 마이크로채널 반응기에 대하여,
상기 반응층을 따라 일 방향으로 반응물 흐름을 제공하고,
상기 반응물 흐름에 대하여 직각 방향인 냉매의 흐름을 제공하여, 열교환을 통해 상기 반응층으로부터 냉각층으로 열전달을 수행하고,
냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하고,
상기 냉각층을 상기 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도에 대응하여 평균온도가 낮을수록 해당 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 낮추도록 조절하고,
상기 촉매를 구비한 상기 반응층에서의 온도는 최고점과 최저점의 온도 차이가 10℃ 이내가 되도록 상기 냉각층의 각 구획별로 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 달리 조절하는, 열교환 마이크로채널 반응기 작동 방법.
For a plate-type heat exchange microchannel reactor in which an exothermic reaction occurs through a catalyst while a reactant flows and a cooling layer through which a refrigerant flows are alternately stacked,
Providing a reactant flow in one direction along the reaction bed,
Provides a flow of a refrigerant in a direction perpendicular to the flow of the reactant to perform heat transfer from the reaction layer to the cooling layer through heat exchange,
The cooling layer is divided into two or more divisions parallel to the flow of refrigerant, but in the division including the hot spot formed in the reaction layer, the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant are not included in the hot spot. To be larger than that,
The cooling layer is divided into three or more partitions parallel to the refrigerant flow, and the lower the average temperature corresponds to the average temperature of the reaction bed temperature corresponding to the corresponding partition, the lower the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the corresponding partition. and,
A method of operating a heat exchange microchannel reactor in which the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant are differently adjusted for each section of the cooling layer so that the temperature in the reaction bed equipped with the catalyst is within 10° C. between the highest point and the lowest point.
제1항에 있어서, 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획은 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도가 제일 낮거나, 냉매 흐름 하류에서 최저 온도를 갖는 촉매 반응층을 포함하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기 작동 방법.The method of claim 1, wherein the other compartment not including a hot spot includes a catalytic reaction bed having the lowest average temperature of the reaction bed temperature corresponding to the compartment or the lowest temperature downstream of the refrigerant flow. Features heat exchange microchannel reactor operating method 제1항에 있어서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누되 각 구획의 폭이 균등 또는 불균등한 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기 작동 방법.The method of operating a heat exchange microchannel reactor according to claim 1, wherein the cooling layer is divided into two or more compartments parallel to the refrigerant flow, and the widths of each compartment are equal or uneven. 제1항에 있어서, 상기 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 추가로 촉매 반응층에서 고점(hot spot)의 온도 미만이나 원하지 아니하는 고온 발생 지점을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를, 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도가 제일 낮거나, 냉매 흐름 하류에서 최저 온도를 갖는 촉매 반응층을 포함하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기 작동 방법.The method of claim 1, wherein the cooling layer is divided into three or more partitions parallel to the flow of the refrigerant, and additionally, the refrigerant is less than a temperature of a hot spot in the catalytic reaction layer or an undesired high temperature generation point. Heat exchange microchannel characterized in that the flow rate, flow rate, or both are controlled to be larger than other compartments including the catalytic reaction bed having the lowest average temperature or the lowest temperature downstream of the refrigerant flow. How the reactor works. 삭제delete 제1항에 있어서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획의 인접한 다른 2개 구획 중 반응물 흐름 방향으로 상류에 해당하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다가 다른 구획들보다 가장 크게 조절하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기 작동 방법.The method of claim 1, wherein the cooling layer is divided into three or more partitions parallel to the refrigerant flow, and corresponds to an upstream of the reactant flow direction among other two adjacent partitions of the partition including a hot spot formed in the reaction layer. A method of operating a heat exchange microchannel reactor characterized in that the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the compartment are adjusted to be greater than that of other compartments. 삭제delete 제1항에 있어서, 냉각층, 반응층 또는 둘다는 마이크로채널로 구성된 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기 작동 방법.The method of operating a heat exchange microchannel reactor according to claim 1, wherein the cooling bed, the reaction bed or both are composed of microchannels. 제1항에 있어서, 발열반응은 피셔-트롭쉬 반응인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 반응용 열교환 마이크로채널 반응기 작동 방법.The method of claim 1, wherein the exothermic reaction is a Fischer-Tropsch reaction. 제1항의 열교환 마이크로채널 반응기 작동 방법에 피셔-트롭쉬 반응을 통해 합성가스를 전환시키는 단계를 더 포함하는 합성유 제조 방법.The synthetic oil production method further comprising the step of converting the syngas through the Fischer-Tropsch reaction in the heat exchange microchannel reactor operation method of claim 1. 제10항에 있어서, 피셔-트롭쉬 반응의 생성물에 대해 수소화 분해(hydrocracking) 공정, 디왁싱(dewaxing) 공정 또는 둘다를 수행하는 단계를 더 포함하는 합성유 제조 방법.The method of claim 10, further comprising performing a hydrocracking process, a dewaxing process, or both on the product of the Fischer-Tropsch reaction.
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