KR102316737B1 - 균일한 온도 제어가 가능한 수성 가스 전환 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원통형의 반응기 케이스, 상기 케이스 중심부에 위치하고 유체가 이동가능한 중심튜브, 상기 케이스 상부에 연결되어 내부로 유체가 공급되도록 하는 유체공급부, 상기 유체공급부를 통해 공급된 유체의 촉매 반응을 위해 복수개로 분할된 구획으로 형성 되어있으며, 하나의 구획은 상단, 중단, 하단으로 형성되어, 유체가 이동할 수 있도록 상단 및 하단만 개방되어 있고, 중단 및 하단 일측에 촉매를 포함하는 형태인 제1촉매층, 상기 제1촉매층에 포함되며 유체공급부를 통해 공급된 유체가 상기 제1촉매층의 상단으로 이동시키는 제1분배부, 상기 제1촉매층에 포함되며 제1분배부에 의해 분배된 유체가 제1촉매층의 촉매를 통해 촉매반응 후 하단을 통해 다른 구획의 유체와 상기 중심튜브에서 합류되도록 이동시키는 제1합류부, 상기 케이스 하부에 연결되어 제1합류부를 통해 중심튜브로 이동된 외부로 배출되도록 하는 유체배출부, 상기 유체공급부 일측에 위치하여 냉각수를 배출하는 냉각수배출부 및 상기 유체배출부 일측에 위치하여 냉각수를 공급하는 냉각수공급부를 포함하는 수성 가스 전환 반응기에 관한 것이다.

Description

균일한 온도 제어가 가능한 수성 가스 전환 반응기{Water gas shift reactor capable of uniform temperature control}

본 발명은 균일한 온도 제어가 가능한 수성 가스 전환 반응기에 관한 것으로, 더 상세하게는 발열반응이 이루어지는 촉매층을 분할하여 국부적인 과열반응을 최소화하고, 촉매층의 온도를 측정하여 공급되는 냉각수의 유량을 자동조절하는 시스템으로 국부적으로 발생할 수 있는 급격한 온도 변화를 방지하도록 구성된 반응기에 관한 것이다.

21세기 주요 에너지원은 천연가스, 전기, 초청정 연료유와 더불어 수소가 대세로서 재생가능에너지원 전기와 CO2의 고부가가치 가스화/연료화가 부각되고 있고 청정하면서 사용이 용이한 가스/액체연료유 사용 확대가 예상되며 특히 수소 에너지원을 저렴하게 확보하여야 할 필요성이 크지만 아직 경제성 미확보로 기술개발과 실증이 요구되고 있다.

특히, 수소의 생산방향 측면에서 화석연료인 중유, 천연가스를 개질하거나 제철소 또는 정유화학 공정중에서 발생하는 부생수소를 에너지원으로 하는 그레이(Gray) 수소 기술, 미활용에너지원인 저급석탄, 석유코크스, 바이오매스, 폐기물등을 이용하여 합성가스를 생산하고 이를 개질하여 수소를 생산하는 블루(Blue) 수소 기술 및 재생가능한 에너지원을 이용하여 물이 전기분해를 통해 수소를 생산하는 그린(Green) 수소 기술로 통상적으로 분류할 수 있다.

이에 실증화 단계가 아닌 그린 수소 기술로 진입하기 전에 시장에서 요구하는 수소생산을 위한 블루수소 기술의 개발은 필요할 것으로 판단되며, 수소생산 플랜트 및 합성가스 플랜트 시장의 지속 성장이 예상되고 장기적으로는 수소 플랜트, 단기적으로는 청정합성가스 플랜트가 해외수출 플랜트 시장에서 핵심분야로 판단되며 국내의 경우 자체 합성가스 시장도 크고 수소도시, 수소연료전지자동차 등 수소시장이 급속 성장할 것으로 예상되고 있으므로 실증, 사업화, 해외수출, 국부창출의 플랜트 기술투자 정책에 적합한 분야로 판단된다.

한국 공개특허공보 제2020-0000749호에서는 가스공급부로부터 연장 형성되고, 상기 합성가스에 포함된 일산화탄소를 고온에서 수소로 전환시키는 고온촉매를 포함하여 상기 합성가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 중간가스를 생성하도록 형성되는 제1반응부; 및 상기 제1반응부로부터 연장 형성되고, 상기 중간가스가 유입되도록 형성되고, 상기 중간가스에 포함된 일산화탄소를 저온에서 수소로 전환시키는 저온촉매를 포함하여 상기 중간가스보다 일산화탄소의 농도가 낮아진 상기 배출가스를 생성하도록 형성되는 제2반응부를 포함하고, 상기 제1반응부 및 상기 제2반응부는 상기 가스반응부에 일체형으로 형성되고, 상기 제1반응부는 중압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제1열교환부를 구비하고, 상기 제2반응부는 저압 보일러 공급수가 공급되도록 형성되는 제2열교환부를 구비한 수성가스전환 반응기 기술이 개시되어 있고, 한국등록특허공보 제10-2142355호에서는 이산화탄소 개질 반응용 촉매층이 상기 반응가스 유입구로부터 배출구 방향을 향해 다층으로 배치되어 있는 구조를 갖는 촉매 반응부;를 포함하는 CDR(Carbon Dioxide Reaction) 반응기에 있어서, 상기 촉매 반응부는, 세라믹 재질의 모노리스 촉매로 형성되며, 단일 반응기에서 메탄 기준 반응가스의 최종 전환율이 90% 이상이면서도, 반응기내에서의 상기 반응가스의 온도가 750℃ 이하로 떨어지지 않도록, 상기 이산화탄소 개질 반응용 촉매층이 소정의 간격으로 이격되어 다층으로 배치되며, 각각의 촉매층과 촉매층 사이에는 상기 소정의 간격과 동일한 길이를 갖는 빈 공간을 두어 촉매층을 통과하면서 흡열반응으로 인해 온도가 감소된 반응가스가 상기 가열수단에 의해 재가열 되도록 하는 온도 회복 구간을 설치하고, 상기 이산화탄소 개질 반응용 촉매층의 두께가 인접한 촉매층의 두께와 동일한 영역이 있을 경우, 해당 영역에서는 상기 온도 회복 구간의 길이가 상기 반응가스 유입구에서 배출구 방향을 향해 감소하도록 하고, 상기 온도 회복 구간의 길이가 인접하는 온도 회복 구간의 길이와 동일한 영역이 있을 경우에는 해당 영역에서는 상기 이산화탄소 개질 반응용 촉매층의 두께가 상기 반응가스 유입구에서 배출구 방향을 향해 증가하도록 하는 것을 특징으로 하는, 코팅으로 인한 촉매의 비활성화 방지를 위한 다층의 촉매층 배열을 갖는 CDR 반응기를 개시하고 있으나, 하나의 촉매층을 분할하여 국부적인 과열반응을 최소화 하는 기술은 개시된 바 없다.

특히, 수성가스 반응기에 관하여 촉매층의 온도를 측정하여 공급되는 냉각수의 유량을 자동조절하는 시스템으로 국부적으로 발생할 수 있는 급격한 온도 변화를 방지하도록 구성된 반응기는 개시된 바 없다.

대한민국 공개특허공보 제2020-0000749호 대한민국 등록특허공보 제10-2142355호

상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 주된 목적은 합성 가스 전환 반응기 내부에서 국부적인 과열과 촉매의 소결 및 열화를 방지하고자 하며, 촉매층의 온도 조절이 용이한 장치를 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명은 원통형의 반응기 케이스, 상기 케이스 중심부에 위치하고 유체가 이동가능한 중심튜브, 상기 케이스 상부에 연결되어 내부로 유체가 공급되도록 하는 유체공급부, 상기 유체공급부를 통해 공급된 유체의 촉매 반응을 위해 복수개로 분할된 구획으로 형성 되어있으며, 하나의 구획은 상단, 중단, 하단으로 형성되어, 유체가 이동할 수 있도록 상단 및 하단만 개방되어 있고, 중단 및 하단 일측에 촉매를 포함하는 형태인 제1촉매층, 상기 제1촉매층에 포함되며 유체공급부를 통해 공급된 유체가 상기 제1촉매층의 상단으로 이동시키는 제1분배부, 상기 제1촉매층에 포함되며 제1분배부에 의해 분배된 유체가 제1촉매층의 촉매를 통해 촉매반응 후 하단을 통해 다른 구획의 유체와 상기 중심튜브에서 합류되도록 이동시키는 제1합류부, 상기 케이스 하부에 연결되어 제1합류부를 통해 중심튜브로 이동된 외부로 배출되도록 하는 유체배출부, 상기 유체공급부 일측에 위치하여 냉각수를 배출하는 냉각수배출부 및 상기 유체배출부 일측에 위치하여 냉각수를 공급하는 냉각수공급부를 포함하는 수성 가스 전환 반응기를 제공한다.

본 발명의 촉매층을 분할하여 국부적인 과열반응을 최소화하는 효과가 있다.

또한, 촉매층의 온도를 측정하여 공급되는 냉각수의 유량을 자동조절하여 국부적으로 발생할 수 있는 급격한 온도 변화를 방지하는 효과가 있다.

또한, 촉매의 유지보수가 용이한 효과가 있다.

또한, 미세입자의 여과, 탈수, 이송 및 저장을 하나의 장치에서 해결 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명인 수소 가스 전환 반응기의 외부모습을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명인 수소 가스 전환 반응기의 내부모습을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예로 반응기 내부에서 유체가 이동하는 모습을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일실시예로 반응기 내부에서 냉각수가 이동하는 모습을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일실시예로 모듈 형태로 구성된 반응기의 모습을 나타낸 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상의 내용과 범위를 쉽게 설명하기 위한 예시일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적 범위가 한정되거나 변경되는 것은 아니다. 또한 이러한 예시에 기초하여 본 발명의 기술적 사상의 범위 안에서 다양한 변형과 변경이 가능함은 당업자에게는 당연할 것이다.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명인 수소 가스 전환 반응기의 외부모습을 도시한 것이고, 도 2는 본 발명인 수소 가스 전환 반응기의 내부모습을 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일실시예로 반응기 내부에서 유체가 이동하는 모습을 나타낸 것이고, 도 4는 본 발명의 일실시예로 반응기 내부에서 냉각수가 이동하는 모습을 나타낸 것이고, 도 5는 본 발명의 일실시예로 모듈 형태로 구성된 반응기의 모습을 나타낸 것이다.

본 발명은 원통형의 반응기 케이스, 상기 케이스 중심부에 위치하고 유체가 이동가능한 중심튜브, 상기 케이스 상부에 연결되어 내부로 유체가 공급되도록 하는 유체공급부, 상기 유체공급부를 통해 공급된 유체의 촉매 반응을 위해 복수개로 분할된 구획으로 형성 되어있으며, 하나의 구획은 상단, 중단, 하단으로 형성되어, 유체가 이동할 수 있도록 상단 및 하단만 개방되어 있고, 중단 및 하단 일측에 촉매를 포함하는 형태인 제1촉매층, 상기 제1촉매층에 포함되며 유체공급부를 통해 공급된 유체가 상기 제1촉매층의 상단으로 이동시키는 제1분배부, 상기 제1촉매층에 포함되며 제1분배부에 의해 분배된 유체가 제1촉매층의 촉매를 통해 촉매반응 후 하단을 통해 다른 구획의 유체와 상기 중심튜브에서 합류되도록 이동시키는 제1합류부, 상기 케이스 하부에 연결되어 제1합류부를 통해 중심튜브로 이동된 외부로 배출되도록 하는 유체배출부, 상기 유체공급부 일측에 위치하여 냉각수를 배출하는 냉각수배출부 및 상기 유체배출부 일측에 위치하여 냉각수를 공급하는 냉각수공급부를 포함하는 수성 가스 전환 반응기를 제공한다.

또한, 상기 수성 가스 전환 반응기는 제1촉매층과 동일한 형태이며 제1촉매층 하부에 위치하는 제2촉매층, 제1촉매층과 동일한 형태이며 제2촉매층 하부에 위치하는 제3촉매층, 제1촉매층과 동일한 형태이며, 제3촉매층 하부에 위치하는 제4촉매층, 상기 제2촉매층에 포함되며 제1합류부를 통해 이동된 유체를 상기 제2촉매층으로 분배하는 제2분배부, 상기 제2촉매층에 포함되며 제2분배부를 통해 상기 제2촉매층의 촉매반응 후 상기 중심튜브로 합류되도록 이동시키는 제2합류부,

상기 제3촉매층에 포함되며 제2합류부를 통해 이동된 유체를 상기 3촉매층으로 분배하는 제3분배부, 상기 제3촉매층에 포함되며 제3분배부를 통해 상기 제3촉매층의 촉매반응 후 상기 중심튜브로 합류되도록 이동시키는 제3합류부, 상기 제4촉매층에 포함되며 제3합류부를 통해 이동된 유체를 상기 제4촉매층으로 분배하는 제4분배부 및 상기 제4촉매층에 포함되며 제4분배부를 통해 상기 제4촉매층의 촉매반응 후 상기 중심튜브로 합류되도록 이동시키는 제4합류부를 포함하여 상기 제1촉매층, 제1분배부 및 제1합류부와 동일하게 유체의 촉매반응이 다단으로 이루어질 수 있다.

또한, 상기 냉각수공급부를 통해 공급되는 냉각수는 제1분배부를 통해 제1촉매층으로 분배될 수 있다.

또한, 상기 제1내지 제4촉매층에서 복수개의 구획은 바람직하게 12개의 구획으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 케이스 일측에는 제1촉매층의 온도를 감지하는 온도센서를 포함할 수 있다.

또한, 상기 온도센서는 복수개가 구비될 수 있으며, 복수의 센서를 통해 제1촉매층 내지 제4촉매층에 적어도 어느 한곳에 선택적으로 센서가 연결될 수 있다.

또한, 상기 온도센서는 탐침, 선이 연결된 탐침 등 온도를 측정하는 센서 어느 것이라도 이용할 수 있다.

또한, 상기 유체공급부를 포함하는 일측면은 제1촉매층 상부와 결합 가능한 모듈 형태의 상부캡 일 수 있으며, 상기 유체배출부를 포함하는 일측면은 제1촉매층 하부와 결합 가능한 모듈 형태인 하부캡 일 수 있다.

또한, 상기 상부캡은 일면에 해체용 고리를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제2촉매층 내지 제4촉매층이 각각 상부 및 하부에 결합 가능한 모듈 형태일 수 있다.

또한, 상기 제2촉매층 내지 제4촉매층이 각각의 모듈형태이면서 제1촉매층, 유체공급부 및 유체배출부가 모듈형태인 경우, 각각의 모듈이 선택적으로 결합되어 하나의 장치를 이룰 수 있다.

또한, 상기 제1촉매층 내지 제4촉매층, 유체공급부 및 유체배출부가 결합을 위해 암수 형태로 탈착이 가능하며, 암수나사산의 형태를 포함하여 회전 결합될 수 있고, 외부의 나사조임을 통해 결합될 수 있으나, 모듈의 결합을 위해 일반적으로 결합에 이용할 수 있는 것이라면 어느 것이라도 이용할 수 있다.

또한, 상기 모듈의 결합을 위해 나사 또는 조임 등 고정을 위한 수단을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1촉매층 내지 제4촉매층의 선택적으로 결합되는 경우, 각각의 촉매층에서 복수개로 분할되는 구획이 개별적으로 상이하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 제1촉매층 내지 제4촉매층은, 제1촉매층과 제3촉매층의 구획 위치가 동일할 수 있고, 제2촉매층과 제4촉매층의 구획위치가 동일하게 형성되어, 유체 및 냉각수의 이동이 단계적으로 진행될 수 있다.

또한, 상기 상부에서 유입되는 유체는 하부방향으로, 하부에서 유입되는 냉각수는 상부방향으로 배출되기 위해 이동될 때, 서로 옆에 위치한 구획으로 이동되어, 상기 촉매층의 열을 냉각수로 낮출수 있는 구조로 형성될 수 있다.

또한, 제1촉매층의 일측에는 냉각수의 유량 조절을 위한 유량조절댐퍼를 포함할 수 있다.

또한, 상기 제1촉매층 내지 제4촉매층의 상면 및 하면 중 어느 하나에 메쉬 형태의 체를 포함할 수 있다.

또한, 상기 메쉬형태는 원형, 삼각형, 사각형, 오각형, 육각형 및 3개이상의 내각을 갖는 다각형 중 어느 하나 이상의 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 유량조절댐퍼는 상기 제2촉매층 내지 제4촉매층에 포함될 수 있다.

이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

100: 케이스
200: 중심튜브
300: 유체공급부
400: 제1촉매층
410: 제1분배부
420: 제1합류부
500: 유체배출부
600: 냉각수배출부
700: 냉각수공급부
800: 제2촉매층
810: 제2분배부
820: 제2합류부
900: 제3촉매층
910: 제3분배부
920: 제3합류부
1000: 제4촉매층
1010: 제4분배부
1020: 제4합류부
1100: 온도센서
1200: 유량조절댐퍼

Claims (7)

1. 원통형의 반응기 케이스(100);
   상기 케이스 중심부에 위치하고 유체가 이동가능한 중심튜브(200);
   상기 케이스 상부에 연결되어 내부로 유체가 공급되도록 하는 유체공급부(300);
   상기 유체공급부를 통해 공급된 유체의 촉매 반응을 위해 복수개로 분할된 구획으로 형성 되어있으며, 하나의 구획은 상단, 중단, 하단으로 형성되어, 유체가 이동할 수 있도록 상단 및 하단만 개방되어 있고, 중단 및 하단 일측에 촉매를 포함하는 형태인 제1촉매층(400);
   상기 제1촉매층에 포함되며 유체공급부를 통해 공급된 유체가 상기 제1촉매층의 상단으로 이동시키는 제1분배부(410);
   상기 제1촉매층에 포함되며 제1분배부에 의해 분배된 유체가 제1촉매층의 촉매를 통해 촉매반응 후 하단을 통해 다른 구획의 유체와 상기 중심튜브에서 합류되도록 이동시키는 제1합류부(420);
   상기 케이스 하부에 연결되어 제1합류부를 통해 중심튜브로 이동된 외부로 배출되도록 하는 유체배출부(500);
   상기 유체공급부 일측에 위치하여 냉각수를 배출하는 냉각수배출부(600); 및
   상기 유체배출부 일측에 위치하여 냉각수를 공급하는 냉각수공급부(700)를 포함하는 수성 가스 전환 반응기.
   
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 수성 가스 전환 반응기는
   제1촉매층과 동일한 형태이며 제1촉매층 하부에 위치하는 제2촉매층(800);
   제1촉매층과 동일한 형태이며 제2촉매층 하부에 위치하는 제3촉매층(900);
   제1촉매층과 동일한 형태이며, 제3촉매층 하부에 위치하는 제4촉매층(1000);
   상기 제2촉매층에 포함되며 제1합류부를 통해 이동된 유체를 상기 제2촉매층으로 분배하는 제2분배부(810);
   상기 제2촉매층에 포함되며 제2분배부를 통해 상기 제2촉매층의 촉매반응 후 상기 중심튜브로 합류되도록 이동시키는 제2합류부(820);
   상기 제3촉매층에 포함되며 제2합류부를 통해 이동된 유체를 상기 제3촉매층으로 분배하는 제3분배부(910);
   상기 제3촉매층에 포함되며 제3분배부를 통해 상기 제3촉매층의 촉매반응 후 상기 중심튜브로 합류되도록 이동시키는 제3합류부(920);
   상기 제4촉매층에 포함되며 제3합류부를 통해 이동된 유체를 상기 제4촉매층으로 분배하는 제4분배부(1010); 및
   상기 제4촉매층에 포함되며 제4분배부를 통해 상기 제4촉매층의 촉매반응 후 상기 중심튜브로 합류되도록 이동시키는 제4합류부(1020);를 포함하여 상기 제1촉매층, 제1분배부 및 제1합류부와 동일하게 유체의 촉매반응이 다단으로 이루어지는 수성 가스 전환 반응기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 냉각수공급부를 통해 공급되는 냉각수는 제1분배부를 통해 제1촉매층으로 분배되는 수성 가스 전환 반응기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 케이스 일측에는 제1촉매층의 온도를 감지하는 온도센서(1100)를 포함하는 수성 가스 전환 반응기
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 유체공급부를 포함하는 일측면은 제1촉매층 상부와 결합 가능한 모듈 형태의 상부캡이며, 상기 유체배출부를 포함하는 일측면은 제1촉매층 하부와 결합 가능한 모듈 형태인 하부캡인 수성 가스 전환 반응기.
   
6. 제2항에 있어서,
   상기 제2촉매층 내지 제4촉매층이 각각 상부 및 하부에 결합 가능한 모듈 형태인 수성 가스 전환 반응기.
   
7. 제1항에 있어서,
   제1촉매층의 일측에는 냉각수의 유량 조절을 위한 유량조절댐퍼(1200)를 포함하는 수성 가스 전환 반응기.
   

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