KR102214135B1

KR102214135B1 - 촉매 반응기

Info

Publication number: KR102214135B1
Application number: KR1020190024766A
Authority: KR
Inventors: 윤여일; 윤성희; 박정호; 장종탁; 최정호; 정진영; 조원희
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2021-02-09
Also published as: KR20200106349A

Abstract

본 발명은 촉매 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기 회전 구성을 통해 촉매수단에 원심력을 제공하여 개질반응시 야기되는 촉매에 탄소가 침적되는 현상을 방지하고, 내화 벽돌 구성을 통해 고온에 필요한 에너지 비용을 감축할 수 있을 뿐만아니라, 메탄의 스팀 개질 반응 및 CO2 개질 반응을 접목한 혼합 개질 반응이 가능토록 하여 합성가스 생산에 대한 효율성을 높인 촉매 반응기에 관한 것이다.
이를 위해, 양측에 각각 유입구 및 배출구가 형성되며, 경사지게 마련된 동체; 상기 동체를 회전시키는 동력을 발생하는 구동수단; 상기 동체의 내부에 배치되며, 유입가스가 통과되는 다각형의 관로가 형성되되 관로 내측면에는 촉매가 코팅된 촉매수단; 상기 촉매수단을 동체에 결합시키는 결합수단:을 포함하며, 상기 촉매수단은 모노리스 촉매로 구성되며, 동체의 길이 방향으로 동체의 내부에 복수로 제공되되 상호간에 이격 배치되고, 상기 구동수단은 동체의 길이방향으로 동체의 중간부를 기준으로 배출구측에 설치되며, 구동수단을 승강시키면서 동체의 경사진 기울기를 조절할 수 있도록 한 승강수단이 더 설치되며, 상기 동체의 내주면에는 내화 벽돌이 설치되며, 상기 모노리스 촉매는 원통형으로 구성되며, 상기 결합수단은, 상기 모노리스 촉매의 외주면으로부터 돌출 형성되되 모노리스 촉매의 외주면 방향 및 길이 방향으로 복수로 형성되며, 체결공이 형성된 제1체결돌기; 상기 동체의 내주면으로부터 돌출 형성되되 상기 제1체결돌기간 간격에 대응되도록 복수로 형성되며, 체결공이 형성된 제2체결돌기; 상기 제1체결돌기의 체결공 및 제2체결돌기의 체결공을 통과하여 체결됨으로써, 동체에 모노리스 촉매를 결합시키는 체결볼트 및 너트를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 반응기를 제공한다.

Description

촉매 반응기{A catalyst reactor}

본 발명은 촉매 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 혼합 개질 반응을 통해 합성가스 생산에 대한 효율성을 높인 촉매 반응기에 관한 것이다.

촉매(觸媒, catalyst)란 반응과정에서 소모되지 않으면서 반응속도를 빠르게 하거나 변화시키는 물질을 말한다.

촉매는 소량만 있어도 반응 속도에 영향을 미칠 수 있으며, 반응속도를 빠르게 해주는 촉매를 정촉매라 하며, 반응속도를 느리게 해 주는 촉매를 부촉매 또는 억제제라고 한다.

촉매는 펠릿으로 제공되어 반응기 내부에 충전층으로 제공되거나, 반응기 내부에 코팅층으로 제공될 수 있다.

이러한 촉매 및 촉매 반응기는 다양한 분야에서 아용되고 있으며, 이산화탄소를 포집하여 온실가스를 감축하고 대량의 합성가스(Syngas) 및 수소 생산 등의 실질적 이윤 창출을 위한 설비시설에 사용된다.

이산화탄소는 지구온난화를 유발하는 6대 온실가스 중 가장 많은 발생량을 차지하는 가스로써, 대량 배출 시설이 고정되어 있는 산성 가스이다.

주로 화석 연료의 연소를 통해 이산화탄소가 발생하므로 에너지를 생산하거나 대량 소비하는 산업공정에서 주로 발생한다.

2012년 국제에너지기구의 기후 변화에 대한 적극적 대응 시나리오에 의하면 2050년까지 인류 생존을 위해 반드시 감축해야 하는 이산화탄소의 약 22%를 CCS(Carbon Capture and Sequestration) 기술을 이용해 저감할 것으로 예측하고 있다.

CCS 기술은 이산화탄소를 포집압축, 수송, 저장하는 3단계로 이루어져있는데, 포집 부분에 가장 많은 비용이 소모되어 기술 개발이 집중되고 있다.

이산화탄소를 포집하기 위한 여러 기술들이 1900년대부터 개발되어 있으며, 도 1을 참조하여 촉매 반응기를 이용한 종래의 이산화탄소 포집 및 활용기술에 대하여 살펴보도록 한다.

이산화탄소가 많이 배출되는 시멘트 생산시설을 예로 하여 설명하기로 한다.

시멘트 생산시설로부터 이산화탄소(CO2) 및 스팀(H2O)이 배출되고, 이산화탄소는 포집된 후 압축액화 공정을 통해 액체이산화탄소로 생산된 후 스마트팜 등의 이산화탄소 사용 산업에 사용된다.

이때, 압축액화 공정중에 발생한 이산화탄소는 촉매 반응기로 유입되고, 시멘트 생산시설로부터 배출되었던 스팀도 촉매반응기로 유입된다.

이후, 이산화탄소와 스팀의 촉매 반응이 이루어지면, 촉매 반응기로부터 합성가스(Syngas)가 생성되고, 상기 합성가스는 분리공정(PSA:Pressure Swing Adsorption)을 통해 수소를 생성한다.

이때, 수소 생산을 위한 촉매 반응기의 촉매공정으로, 메탄 스팀 개질이 있다.

메탄 스팀 개질은 합성가스의 H2:CO 비가 0.25로 상대적으로 낮기 때문에 온실가스 발생량이 가장 적은 장점이 있지만, 반응온도 및 압력이 높기 때문에 촉매 반응기의 조건이 상기 온도 및 압력의 조건을 충족해야 하며, 촉매 반응기가 펠렛 촉매가 충전된 고정층 반응기를 사용하기 때문에 흡열반응에 의해 촉매층 중심부에 열섬이 발생하고 이로 인해 반응기 축 방향을 따라 촉매가 비활성화되는 문제가 있다.

또한, 합성가스 생산을 위한 촉매 반응기의 촉매공정으로, 이산화탄소를 활용한 CO2 개질 반응(dry reforming)이 있다.

CO2 개질반응은 온실가스를 활용한다는 점에서 큰 장점이 있지만, 메탄스팀개질 반응보다 에너지 소비량이 더 높고 탄소 침적 발생량이 많은 단점이 있다.

이와 같이 촉매층의 내,외부에서 성장한 침적 탄소는 반응기의 압력을 높여 반응성을 급격히 낮추고, 촉매 수명을 단축시키는 문제가 있다.

대한민국 등록번호 제10-1846376호

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반응기 내부 재질을 내화 벽돌로 구성하여 고온 부반응 발생을 방지하여 메탄 스팀 개질 반응시 발생하는 문제를 극복하고, 반응기 회전 구성을 통해 촉매로부터 침적된 탄소를 물리적으로 분리시킬 수 있도록 함으로써 CO2 개질 반응 문제를 극복한 혼합 개질 반응이 가능토록 하여 촉매 수명 연장은 물론 촉매의 개질 반응 효율성을 극대화한 촉매 반응기를 제공하고자 한 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위하여, 양측에 각각 유입구 및 배출구가 형성되며, 경사지게 마련된 동체; 상기 동체를 회전시키는 동력을 발생하는 구동수단; 상기 동체의 내부에 배치되며, 유입가스가 통과되는 다각형의 관로가 형성되되 관로 내측면에는 촉매가 코팅된 촉매수단; 상기 촉매수단을 동체에 결합시키는 결합수단:을 포함하며, 상기 촉매수단은 모노리스 촉매로 구성되며, 동체의 길이 방향으로 동체의 내부에 복수로 제공되되 상호간에 이격 배치되고, 상기 구동수단은 동체의 길이방향으로 동체의 중간부를 기준으로 배출구측에 설치되며, 구동수단을 승강시키면서 동체의 경사진 기울기를 조절할 수 있도록 한 승강수단이 더 설치되며, 상기 동체의 내주면에는 내화 벽돌이 설치되며, 상기 모노리스 촉매는 원통형으로 구성되며, 상기 결합수단은, 상기 모노리스 촉매의 외주면으로부터 돌출 형성되되 모노리스 촉매의 외주면 방향 및 길이 방향으로 복수로 형성되며, 체결공이 형성된 제1체결돌기; 상기 동체의 내주면으로부터 돌출 형성되되 상기 제1체결돌기간 간격에 대응되도록 복수로 형성되며, 체결공이 형성된 제2체결돌기; 상기 제1체결돌기의 체결공 및 제2체결돌기의 체결공을 통과하여 체결됨으로써, 동체에 모노리스 촉매를 결합시키는 체결볼트 및 너트를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 반응기를 제공한다.

삭제

또한, 상기 구동수단은, 동체의 외주면을 따라 설치된 종동기어;상기 종동기어에 맞물려 결합된 구동기어;상기 구동기어에 동력을 발생시키는 모터:를 포함하는 것이 바람직하다.

삭제

본 발명에 따른 촉매 반응기는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 촉매수단이 설치된 반응기 동체를 회전 가능하게 구성함으로써, 촉매수단을 통해 개질반응이 이루어지는 동안 발생한 탄소가 촉매에 침적되는 것을 최소화시킬 수 있다.

즉, 개질반응 중 발생한 탄소가 촉매에 침적되더라도, 동체 회전에 따른 원심력에 의해 촉매로부터 탄소가 용이하게 분리됨으로써, 촉매로의 탄소 침적을 최소화시킬 수 있는 것이다.

이에 따라, 유입가스와 촉매간 접촉 면적이 줄어드는 것을 방지할 수 있으므로, 개질반응 효율성을 높일 수 있으며, 합성가스 및 수소가스 생산 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 탄소 침적에 따른 압력 강하 증가를 극복할 수 있으므로, 고유량 반응가스를 처리할 수 있어 스케일업(scale-up)이 용이한 효과가 있다.

둘째, 동체의 내주면에 내화 벽돌을 구성함으로써, 개질반응시 소요되는 고온에 필요한 에너지 비용을 감축시킬 수 있는 효과가 있다.

셋째, 촉매수단으로 모노리스 타입의 촉매를 제공함으로써, 유입가스와의 접촉면적을 극대화시킬 수 있으므로 개질반응을 활성화하여 합성가스 및 수소가스 생산 효율성을 높일 수 있다.

또한, 단위 체적 대비 높은 표면적을 가짐으로써, 열이 모노리스의 모서리에서 중심부로 열이 용이하게 전달될 수 있으므로 코팅된 촉매의 온도가 균일해지고, 반응 가스 간의 물질전달이 증가하여 탄소 침적이 억제될 수 있는 효과가 있다.

넷째, 동체를 경사지게 구성함으로써, 원심력에 의해 촉매로부터 분리된 탄소가 중력에 의해 낙하되고, 낙하된 탄소는 동체의 경사면을 따라 용이하게 배출될 수 있는 효과가 있다.

다섯째, 모노리스 촉매는 동체의 길이 방향으로 분할 구성됨으로써, 촉매로부터 분리된 탄소가 동체 바닥면으로 원활하게 낙하될 수 있다.

이에 따라, 탄소 배출이 용이하게 이루어질 수 있는 효과가 있다.

도 1은 시멘트 생산시설로부터 발생한 이산화탄소를 포집하여 새로운 에너지원으로 재활용하기 위한 일반적인 공정을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 반응기를 나타낸 측면도
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 반응기의 내측면을 개략적으로 나타낸 단면도
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 반응기의 촉매수단을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 반응기의 내측면 요부를 부분 단면하여 나타낸 사시도
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 반응기의 동체에 촉매수단이 결합되는 상태 전,후를 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 반응기의 촉매수단에 탄소가 침적된 상태와 침적된 탄소가 원심력에 의해 분리되는 상태를 나타낸 요부 도면
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 반응기의 촉매수단을 통해 유입가스가 빠져나가고, 촉매에 침적된 탄소는 원심력에 의해 분리되는 것을 나타낸 도면.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 첨부된 도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 촉매 반응기에 대하여 설명하도록 한다.

촉매 반응기는 촉매를 이용한 개질 반응시 발생하는 탄소 등의 물질이 촉매에 침적되는 것을 방지하고, 반응기 내측면에 내화 벽돌을 구성하여 반응기 소재에 따른 고온 부반응이 발생하지 않도록 하였다.

이에 따라, 촉매의 개질 반응 효율성이 극대화되고, 고온에 필요한 에너지 비용을 감축시킬 수 있다.

본 명세서에서는 이해를 돕기 위하여, 종래의 메틸스팀개질 반응과 CO2 개질반응 공정을 접목한 혼합개질 반응을 통해 합성가스(Syngas) 및 수소가스(H2)가 생성되는 것을 예로하여 설명하기로 한다.

물론, 이 외에도 본 발명의 촉매 반응기는 다양한 촉매를 이용한 개질반응을 수행할 수 있음은 당연하다.

촉매 반응기는 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 동체(100)와, 구동수단(200)과, 촉매수단(300)과, 결합수단(400)을 포함한다.

동체(100)는 촉매 반응기의 외관을 구성하고, 유입가스의 개질반응을 위한 촉매수단(300)이 배치되는 공간을 제공한다.

상기 동체(100)는 중공(中空)의 원통형으로 이루어짐이 바람직하며, 일측에는 유입가스가 유입되는 유입공(100a)이 형성되고 타측에는 개질반응을 통해 생성된 합성가스 및 수소가 배출되는 배출공(100b)이 형성된다.

상기 동체(100)의 내주면에는 도 3에 도시된 바와 같이 내화 벽돌(100c)이 설치됨이 바람직하다.

이는 동체(100) 소재에 따른 고온 부반응이 발생하지 않도록 하기 위함이다.

상기 동체(100)는 경사지게 설치됨이 바람직하다.

이는, 동체(100) 회전에 의해 촉매로부터 분리된 탄소가 용이하게 배출될 수 있도록 하기 위함이다.

이때, 동체(100)의 기울기 방향은 유입공(100a)측으로부터 배출공(100b)측으로 상향 경자시게 설치됨이 바람직하다.

즉, 유입가스는 기체이므로 상방으로 배출되도록 하고, 분리된 탄소는 고체이므로 중력에 의해 촉매로부터 동체(100) 바닥면으로 낙하된 후 동체의 기울기 방향으로 용이하게 배출될 수 있도록 한 것이다.

다음으로, 구동수단(200)은 상기 동체(100)를 회전시키는 동력을 발생한다.

구동수단(200)은 도 2에 도시된 바와 같이 종동기어(210)와, 구동기어(220)와, 모터(230)와, 가이드수단(240)과, 승강수단(250)을 포함한다.

종동기어(210)는 구동기어(220)의 구동력을 동체(100)에 전달하는 매개수단으로써, 동체(100)의 둘레면을 따라 설치된다.

상기 종동기어(210)는 동체(100)의 외주면에 대응되는 링 형태로 구성되며, 랙기어로 제공됨이 바람직하다.

구동기어(220)는 상기 종동기어(210)를 회전시키며, 종동기어(210)의 일측에서 상기 종동기어(210)와 맞물려 결합된다.

상기 구동기어(220)는 피니언기어로 제공됨이 바람직하다.

모터(230)는 상기 구동기어(220)를 회전시키는 동력을 발생한다.

이와 같은 구성에 의해, 모터(230)가 구동기어(220)를 회전시키면 종동기어(210)가 회전되면서 동체(100)를 회전시킬 수 있는 것이다.

이때, 상기한 구동수단(200)은 동체(100)의 길이 방향으로 동체(100)의 배출공(100b)측에 설치된다.

이는 동체(100)의 경사각을 조절하기 위함으로써, 동체(100)의 배출공(100b)측을 승강시키면서 동체(100)의 경사각을 조절할 수 있도록 하기 위함이다.

가이드수단(240)은 동체(100)를 양측에서 지지하고 동체(100) 회전시, 동체(100) 회전이 원활하게 이루어지도록 가이드하는 역할을 한다.

가이드수단(240)은 동체(100) 외주면을 따라 설치된 가이드링(241)과, 상기 가이드링(241)을 지지하면서 자유 회전되는 가이드롤러(242)로 구성됨이 바람직하다.

승강수단(250)은 동체(100)의 기울기 경사각을 조절하는 역할을 한다.

전술한 바와 같이, 동체(100)는 배출공(100b)측으로 상향 경사지게 설치되는데, 승강수단(250)은 동체(100)의 배출공(100b)측을 승강시키면서 동체(100)의 경사각을 조절하는 구성인 것이다.

승강수단(250)은 도 2에 도시된 바와 같이 모터(230)를 승강시킬 수 있도록 설치된다.

즉, 모터(230)는 동체(100)의 배출공(100b)측으로 치우치게 설치되어 있는바, 승강수단(250)이 모터(100)를 승강시키는 높이에 따라 동체(100)의 경사각은 가변될 수 있는 것이다.

다음으로, 촉매수단(300)은 동체(100)로 유입되는 유입가스를 반응시켜 합성가스 및 수소가스로 개질시키는 역할을 한다.

촉매수단(300)은 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 모노리스 타입으로 구성됨이 바람직하다.

모노리스 타입의 촉매수단(300)은 유입가스가 통과되는 관로(310)를 복수로 분할 구성하며, 그의 재질은 단일금속 또는 합금으로 제공될 수 있다.

이때, 분할구성된 관로(310)의 측면에는 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 촉매가 코팅된다.

이때, 촉매는 특정한 것으로 한정되는 것은 아니며, 개질반응에 따라 다양한 촉매가 코팅될 수 있다.

이때, 코팅 방법은 벌크 코팅(bulk coating) 또는 와시 코팅(wash coating)으로 제공될 수 있다.

상기와 같이 촉매수단(300)이 모노리스 타입으로 구성됨으로써, 유입가스가 분할된 관로(310)를 통과하는 과정에서, 촉매와의 접촉면적을 극대화할 수 있으므로 개질반응 효율성을 높일 수 있다.

한편, 상기 관로(310)의 형태는 본 명세서에서 사각 형태로 도시하였으나, 사각 형태로 한정되는 것은 아니며 다양한 다각 형태로 제공될 수 있다.

모노리스 촉매(300)는 동체(100)의 내부에 동체(100)의 길이 방향으로 설치되되, 복수로 분할 구성된다.

이때, 분할된 모노리스 촉매(300)는 도 5에 도시된 바와 같이 서로 이격된 상태로 배치된다.

이에 따라, 경사진 동체(100) 내부에서 모노리스 촉매(300)로부터 분리된 탄소물질이 이격된 모노리스 촉매(300) 사이를 통해 낙하되어 동체(100)의 경사면을 따라 원할하게 배출될 수 있다.

다음으로, 결합수단(400)은 동체(100) 내부에 모노리스 촉매(300)를 결합시키는 역할을 한다.

결합수단(400)은 도 4의 (a) 및 도 6a에 도시된 바와 같이 돌기로 구성됨이 바람직하다.

즉, 결합수단(400)은 모노리스 촉매(300)의 외주면으로부터 돌출 형성된 제1체결돌기(410)와 동체(100)의 내주면으로부터 돌출 형성된 제2체결돌기(420)로 구성된 것이다.

이때, 각각의 체결돌기(410,420)에는 체결공(411,421)이 형성된다.

이와 같은 구성에 의해, 제1체결돌기(410)와 제2체결돌기(420)는 서로 맞대어진 후 체결볼트 및 너트를 이용해 체결됨으로써, 동체(100) 내부에 모노리스 촉매(300) 결합이 이루어지는 것이다.

상기 제1체결돌기(410)는 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 모노리스 촉매(300)의 외주면을 따라 복수로 형성되며, 모노리스 촉매(300)의 길이 방향으로도 복수로 형성된다.

제2체결돌기(420) 역시 동체(100)의 내주면 길이 방향으로 복수로 형성되며, 제2체결돌기(420)간 간격은 제1체결돌기(410)간 간격에 대응된다.

결합수단(400)을 통해 동체(100) 내부에 모노리스 촉매(300)가 결합되는 과정에 대하여 도 6a 및 도 6b를 더 참조하여 살펴보도록 한다.

모노리스 촉매(300)를 동체(100) 내부로 삽입시킨다.

이때, 모노리스 촉매(300)의 제1체결돌기(410)가 동체(100)의 제2체결돌기(420)에 간섭되지 않도록, 모노리스 촉매(300)를 일측으로 회전하여 삽입시킨다.

즉, 도 6a에 도시된 바와 같이, 제1체결돌기(410)가 제2체결돌기(420) 사이에 배치되도록 모노리스 촉매(300)를 삽입시키는 것이다.

이후, 동체(100)의 길이 방향 기준으로, 모노리스 촉매(300)의 제1체결돌기(410)가 제2체결돌기(420) 사이에 배치되었을 때, 상기 모노리스 촉매(300)를 회전시킨다.

이에 따라, 모노리스 촉매(300)의 제1체결돌기(410)는 동체(100)의 제2체결돌기(420) 후면에 대응되며, 각 체결돌기(410,420)의 체결공(411,421)은 서로 대응된다.

물론, 제1체결돌기(410)가 제2체결돌기(420)의 전면에 대응되는 위치까지, 모노리스 촉매(300)가 동체(100)에 삽입되어도 무방하다.

다음으로, 체결볼트(B)를 각 체결공에 삽입시킨 후, 체결너트로 조임으로써 제1체결돌기(410)와 제2체결돌기(420)의 결합이 이루어진다.

이에 따라, 동체(100) 내부에 모노리스 촉매(300)의 결합이 완료된다.

이후, 상기한 일련의 과정을 반복하면서 다른 모노리스 촉매(300)를 동체(100) 내부에 삽입하여 결합시킨다.

상기한 바와 같이 모노리스 촉매(300)가 설치된 동체(100)를 포함하는 촉매 반응기가 마련된다.

다음으로, 구동수단(200)을 가동하여 동체(100)를 회전시킨다.

이후, 도 5에 도시된 바와 같이, 개질시키고자 하는 유입가스를 동체(100)의 유입공(100a)을 통해 유입시킨다.

이후, 유입가스는 모노리스 촉매(300)의 관로(310)를 통해 지나가면서 개질 반응을 통해 개질이 이루어지고, 이 과정에서 발생한 탄소는 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이 촉매에 침적된 후 동체(100)의 회전 작용에 의해 발생한 원심력에 의해 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이 촉매로부터 분리된다.

또한, 동체(100) 회전에 의해 동체(100) 내부에는 난류가 발생하고, 그 난류 영향으로 인해 유입가스는 도 8에 도시된 바와 같이 모노리스 촉매(300)의 관로(310)를 지나면서 확산이 극대화 된다.

이에 따라, 유입가스는 확산에 의해 촉매와의 접촉율을 높일 수 있으므로, 반응 전환율을 향상시킬 수 있어 배출공(100b)을 통해 배출되는 생산가스 및 수소가스 생산량을 높일 수 있다.

한편, 유입가스가 촉매를 지나면서 개질반응이 이루어지는 동안 발생한 탄소는 원심력에 의해 촉매로부터 분리되고, 그 탄소는 중력에 의해 모노리스 촉매(300) 사이로 낙하된다.

이후, 동체(100) 바닥면으로 낙하된 탄소는 동체(100)의 기울기에 의해 유입공(100a)을 통해 자연적으로 배출된다.

또한, 모노리스 촉매(300)에 의한 개질반응을 통해 합성가스가 생산되고, 그 합성가스는 배출공(100b)을 통해 배출된다.

이때, 배출공(100b)을 통해 배출된 합성가스는 멤브레인(미도시)을 통해 H2와 CO의 비율이 조절될 수 있다.

즉, H2와 CO 비율에 따라 예컨대 아세트 산(Acetic acid), 왁스(Wax), 암모니아(Ammonia) 등의 판매물질로 공급될 수 있는 것이다.

또한, 배출된 합성가스는 PSA 공정을 거쳐 고순도 수소를 생산할 수 있으며, 산처리 및 정제 공정을 거쳐 이차전지, 연료전지, 도료 등의 원료로 제공될 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 촉매 반응기는 모노리스 타입의 촉매를 제공하여 유입가스와의 접촉면적을 극대화하고, 반응기 회전 구성을 통해 촉매수단에 원심력을 제공하여 촉매에 탄소가 침적되는 것을 방지함으로써 유입가스의 개질반응 효율성을 높였다.

또한, 반응기 내부에 내화 벽돌을 구성함으로써, 고온에 필요한 에너지 비용을 감축시킬 수 있으며, 메탄의 스팀 개질 반응과 Co2 개질 반응의 장점을 접목한 혼합개질 반응이 가능토록 하였다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정은 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

100 : 동체 100a : 유입공
100b : 배출공 100c : 내화벽돌
200 : 구동수단 210 : 종동기어
220 : 구동기어 230 : 모터
240 : 가이드수단 241 : 가이드링
242 : 가이드롤러 250 : 승강수단
300 : 촉매수단 310 : 관로
400 : 결합수단 410 : 제1체결돌기
411,421 : 체결공 420 : 제2체결돌기

Claims

양측에 각각 유입구 및 배출구가 형성되며, 경사지게 마련된 동체;
상기 동체를 회전시키는 동력을 발생하는 구동수단;
상기 동체의 내부에 배치되며, 유입가스가 통과되는 다각형의 관로가 형성되되 관로 내측면에는 촉매가 코팅된 촉매수단;
상기 촉매수단을 동체에 결합시키는 결합수단:을 포함하며,
상기 촉매수단은 모노리스 촉매로 구성되며, 동체의 길이 방향으로 동체의 내부에 복수로 제공되되 상호간에 이격 배치되고,
상기 구동수단은 동체의 길이방향으로 동체의 중간부를 기준으로 배출구측에 설치되며, 구동수단을 승강시키면서 동체의 경사진 기울기를 조절할 수 있도록 한 승강수단이 더 설치되며,
상기 동체의 내주면에는 내화 벽돌이 설치되며,
상기 모노리스 촉매는 원통형으로 구성되며,
상기 결합수단은,
상기 모노리스 촉매의 외주면으로부터 돌출 형성되되 모노리스 촉매의 외주면 방향 및 길이 방향으로 복수로 형성되며, 체결공이 형성된 제1체결돌기;
상기 동체의 내주면으로부터 돌출 형성되되 상기 제1체결돌기간 간격에 대응되도록 복수로 형성되며, 체결공이 형성된 제2체결돌기;
상기 제1체결돌기의 체결공 및 제2체결돌기의 체결공을 통과하여 체결됨으로써, 동체에 모노리스 촉매를 결합시키는 체결볼트 및 너트를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 반응기.
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제1항에 있어서,
상기 구동수단은,
동체의 외주면을 따라 설치된 종동기어;
상기 종동기어에 맞물려 결합된 구동기어;
상기 구동기어에 동력을 발생시키는 모터:를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 반응기.
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