KR102580160B1 - Method and apparauts for preparing syntheitc nautral gas - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일산화탄소를 이용한 합성천연가스를 제조하는 제조방법 및 제조 설비에 관한 것으로서, 일산화탄소와 수소를 함유하는 반응물을 제1 메탄합성 반응기에 공급하여 메탄을 합성하는 제1 메탄합성 반응단계, 제1 메탄합성 반응기에서 유출되는 유출물을 냉각하여 냉각단계 및 냉각된 유출물을 분리막 접촉기를 통과시켜 상기 유출물로부터 물 및 CO2를 제거하고, 유출물을 회수하는 이산화탄소 함유 물 제거 단계를 포함하는 합성천연가스 제조방법, 및 일산화탄소 및 수소를 함유하는 반응물 스트림이 반응하여 메탄을 합성하는 메탄 합성용 촉매 반응기, 상기 메탄 합성용 촉매 반응기의 유출물을 냉각하는 냉각기 및 다공성 분리막으로 분리된 쉘 사이드 및 튜브 사이드를 포함하고, 상기 튜브 사이드로 상기 냉각된 유출물이 유입되고, 쉘 사이드로 물이 유입되며, 냉각된 유출물 중의 물 및 이산화탄소가 다공성 분리막을 통과하여 쉘 사이드의 물에 용해되어 제거되는 것인 분리막 접촉기를 포함하는, 합성 천연가스 제조 설비를 제공한다.The present invention relates to a production method and production equipment for producing synthetic natural gas using carbon monoxide, and includes a first methane synthesis reaction step in which methane is synthesized by supplying reactants containing carbon monoxide and hydrogen to a first methane synthesis reactor, a first methane synthesis reaction step, A synthesis comprising a cooling step of cooling the effluent flowing out of the methane synthesis reactor, passing the cooled effluent through a separation membrane contactor to remove water and CO 2 from the effluent, and recovering the effluent containing carbon dioxide. A method for producing natural gas, and a catalytic reactor for methane synthesis in which a reactant stream containing carbon monoxide and hydrogen reacts to synthesize methane, a cooler for cooling the effluent of the catalytic reactor for methane synthesis, and a shell side and tube separated by a porous membrane It includes a side, the cooled effluent flows into the tube side, water flows into the shell side, and water and carbon dioxide in the cooled effluent pass through the porous separation membrane and are removed by dissolving in water on the shell side. A synthetic natural gas production facility comprising a phosphorus membrane contactor is provided.

Description

합성천연가스 제조공정 및 제조설비{METHOD AND APPARAUTS FOR PREPARING SYNTHEITC NAUTRAL GAS}Synthetic natural gas manufacturing process and manufacturing equipment {METHOD AND APPARAUTS FOR PREPARING SYNTHEITC NAUTRAL GAS}

본 발명은 일산화탄소를 이용한 합성천연가스를 제조하는 제조방법 및 제조 설비에 관한 것이다.The present invention relates to a production method and production equipment for producing synthetic natural gas using carbon monoxide.

합성천연가스(synthetic natural gas, SNG)는 일산화탄소와 수소의 메탄합성 반응을 통해 합성할 수 있으며, 상기 메탄합성 반응은 다음 식 (1)로 나타낼 수 있다. Synthetic natural gas (SNG) can be synthesized through the methane synthesis reaction of carbon monoxide and hydrogen, and the methane synthesis reaction can be expressed in the following equation (1).

CO의 메탄합성 반응: 3H2 + CO → CH4 + H2O, ΔHrxn = -206 kJ/mol (1)Methane synthesis reaction of CO: 3H 2 + CO → CH 4 + H 2 O, ΔH rxn = -206 kJ/mol (1)

식 (1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 일산화탄소에 의한 메탄합성 반응에 의한 합성천연가스를 제조함에 있어서, 메탄이 1분자 생성될 때 H2O가 1분자 생성된다. 한편, 메탄합성 반응은 발열 반응(ΔHrxn= -206 kJ/mol)으로 반응열에 의해 촉매층의 온도가 올라가므로 평형전환율의 제한이 있다. As can be seen from equation (1), when producing synthetic natural gas by methane synthesis reaction with carbon monoxide, when one molecule of methane is produced, one molecule of H 2 O is produced. Meanwhile, the methane synthesis reaction is an exothermic reaction (ΔH rxn = -206 kJ/mol), and the temperature of the catalyst layer increases due to the heat of reaction, so there is a limit to the equilibrium conversion rate.

따라서 일산화탄소의 메탄 합성에 의한 SNG 합성 공정에 있어서는 보통 여러 개 반응기로 구성하여, 1차 반응기에서 반응하여 생성된 생성물의 온도를 낮추고, 생성된 물을 제거한 뒤, 2차 반응기로 주입하여 잔여 일산화탄소를 모두 반응시키고 있다. Therefore, the SNG synthesis process by methane synthesis of carbon monoxide usually consists of several reactors. The temperature of the product produced by reaction in the first reactor is lowered, the produced water is removed, and the remaining carbon monoxide is injected into the second reactor. Everyone is reacting.

이와 같은 SNG 합성 공정의 모식도를 도 1에 개략적으로 나타내었다. SNG 합성 공정은 통상 여러 개의 반응기로 구성되어 있는데, 도 1에는 일 예로서 2개 반응기를 사용하는 공정을 나타낸 것이다. A schematic diagram of this SNG synthesis process is schematically shown in Figure 1. The SNG synthesis process usually consists of several reactors, and Figure 1 shows a process using two reactors as an example.

도 1에 따르면, 메탄합성용 촉매 반응기메탄합성 반응기(2, 6), 냉각기(3, 7) 및 분리기(4, 8)를 포함한다. 일산화탄소 및 수소를 포함하는 반응물을 메탄합성용 촉매 반응기메탄합성 반응기(2)에 주입함으로써 메탄합성 반응이 수행된다. 이후, 냉각기(3)에서 메탄합성 반응기메탄합성용 촉매 반응기에서 나온 유출물을 냉각하여 온도를 낮춘 후, 상기 냉각된 유출물은 분리기(4)를 통과하며, 상기 분리기(4)에서 물이 기액 분리된다. According to Figure 1, the catalyst reactor for methane synthesis includes a methane synthesis reactor (2, 6), a cooler (3, 7), and a separator (4, 8). A methane synthesis reaction is performed by injecting reactants containing carbon monoxide and hydrogen into the methane synthesis reactor (2), a catalyst reactor for methane synthesis. Thereafter, in the cooler (3), the effluent from the methane synthesis reactor and the catalyst reactor for methane synthesis are cooled to lower the temperature, and then the cooled effluent passes through the separator (4), where water is converted into gas-liquid. separated.

다음으로, 물이 제거된 유출물을 이용하여 1차의 메탄합성 반응과 동일한 과정으로, 2차의 메탄합성 반응기 메탄 합성용 촉매 반응기(6)에서의 메탄합성 반응, 냉각기(7)에 의한 냉각 및 분리기(8)에 의한 물 제거 과정을 거쳐 목적하는 합성천연가스가 생성된다.Next, using the effluent from which water has been removed, a methane synthesis reaction is performed in the second methane synthesis reactor, a catalyst reactor for methane synthesis (6), in the same process as the first methane synthesis reaction, followed by cooling by the cooler (7). And through a water removal process by the separator 8, the desired synthetic natural gas is generated.

상기 식 (1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 일산화탄소의 수소화반응에 의해 물이 생성됨으로써 각 반응기에서는 부반응으로 식 (2)와 같은 수성가스전환 반응도 발생된다.As can be seen from the above equation (1), water is produced by the hydrogenation reaction of carbon monoxide, and a water gas conversion reaction such as equation (2) is also generated as a side reaction in each reactor.

수성가스전환 반응: CO + H2O → CO2 + H2 (2)Water gas shift reaction: CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)

이러한 수성가스전환 반응에 의해 메탄의 탄소 원료인 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되는데, 이러한 수성가스전환반응은 일산화탄소에 의한 메탄 합성 수율을 감소시킬 수 있다. Through this water-gas shift reaction, carbon monoxide, a carbon source of methane, is converted to carbon dioxide, and this water-gas shift reaction can reduce the yield of methane synthesis by carbon monoxide.

또한, 부반응으로 생성된 이산화탄소는 식 (3)으로 나타낸 바와 같이, 일부가 메탄으로 전환될 수 있다. Additionally, a portion of the carbon dioxide produced in the side reaction may be converted to methane, as shown in equation (3).

CO2 메탄화 반응: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2OCO 2 methanation reaction: 4H 2 + CO 2 → CH 4 + 2H 2 O

그러나, 이러한 이산화탄소에 의한 메탄합성 반응은 보다 많은 수소를 필요로 하며, 부생성물로서 물을 더 발생시키게 된다. 나아가, 최종 생성물에 CO2가 잔류하게 될 수 있으며, 이로 인해 메탄 순도가 떨어지는 문제가 발생한다. However, this methane synthesis reaction using carbon dioxide requires more hydrogen and generates more water as a by-product. Furthermore, CO 2 may remain in the final product, which causes the problem of reduced methane purity.

종래 일산화탄소를 사용하는 메탄합성 반응 기술은 기액 분리를 통해 1차 메탄합성 반응의 반응생성물로부터 주로 물만 분리한 후에 예열하여 2차 반응기로 주입하였다. 이때 메탄합성공정은 고압 분위기이기 때문에, 이산화탄소가 일부 물에 녹을 수 있지만 반응물 및 반응생성물의 흐름이 계속되어, 평형상태에서 물에 녹을 수 있는 용해도만큼 이산화탄소가 녹지 않아, 충분한 양의 이산화탄소가 제거되지 못한다. In the conventional methane synthesis reaction technology using carbon monoxide, mainly water is separated from the reaction product of the first methane synthesis reaction through gas-liquid separation, and then it is preheated and injected into the second reactor. At this time, because the methane synthesis process is in a high-pressure atmosphere, some carbon dioxide may be dissolved in water, but the flow of reactants and reaction products continues, and the carbon dioxide does not dissolve as much as it can dissolve in water at equilibrium, so a sufficient amount of carbon dioxide is not removed. can not do it.

이에, 본 발명의 일 구현예는 일산화탄소에 의한 메탄합성 반응시 발생하는 물 및 상기 물과 일산화탄소의 부반응인 수성가스전환 반응에 의해 생성된 이산화탄소를 동시에 저감할 수 있는 방법 및 설비를 제공하고자 한다.Accordingly, an embodiment of the present invention seeks to provide a method and equipment that can simultaneously reduce water generated during methane synthesis reaction by carbon monoxide and carbon dioxide generated by water gas shift reaction, which is a side reaction between the water and carbon monoxide.

본 발명은 일 견지로서, 일산화탄소를 이용한 합성천연가스를 제조하는 제조방법에 관한 것으로서, 일산화탄소와 수소를 함유하는 반응물을 제1 메탄합성 반응기에 공급하여 메탄을 합성하는 제1 메탄합성 반응단계, 제1 메탄합성 반응기에서 유출되는 유출물을 냉각하여 냉각단계 및 냉각된 유출물을 분리막 접촉기를 통과시켜 상기 유출물로부터 물 및 CO2를 제거하고, 유출물을 회수하는 이산화탄소 함유 물 제거 단계를 포함하는 합성천연가스 제조방법을 제공한다.From one perspective, the present invention relates to a production method for producing synthetic natural gas using carbon monoxide, which includes a first methane synthesis reaction step of supplying reactants containing carbon monoxide and hydrogen to a first methane synthesis reactor to synthesize methane, 1 A cooling step of cooling the effluent flowing out of the methane synthesis reactor, passing the cooled effluent through a separation membrane contactor to remove water and CO 2 from the effluent, and recovering the effluent containing carbon dioxide. Provides a method for producing synthetic natural gas.

상기 분리막 접촉기는 다공성 분리막으로 분리된 쉘 사이드 및 튜브 사이드를 포함하고, 상기 튜브 사이드로 상기 냉각된 유출물이 유입되고, 쉘 사이드로 물이 유입되며, 냉각된 유출물 중의 물 및 이산화탄소가 분리막을 통과하여 쉘 사이드의 물에 용해되어 제거될 수 있다.The membrane contactor includes a shell side and a tube side separated by a porous membrane, the cooled effluent flows into the tube side, water flows into the shell side, and water and carbon dioxide in the cooled effluent contact the separation membrane. It can pass through and be removed by dissolving in water on the shell side.

상기 제거된 이산화탄소 함유 물을 감압하여 물에 용해된 CO2의 적어도 일부를 탈기하여 이산화탄소를 회수하는 단계를 더 포함한다.It further includes recovering carbon dioxide by depressurizing the removed carbon dioxide-containing water and degassing at least a portion of the CO 2 dissolved in the water.

상기 유출물은 미반응 일산화탄소 및 수소를 함유하며, 상기 유출물을 제2 메탄합성 반응기에 공급하여 메탄을 합성하는 제2 메탄합성 반응단계를 더 포함한다.The effluent contains unreacted carbon monoxide and hydrogen, and further includes a second methane synthesis reaction step of supplying the effluent to a second methane synthesis reactor to synthesize methane.

상기 제2 메탄합성 반응기에서 유출되는 제2 유출물을 냉각하는 제2 냉각단계 및 냉각된 제2 유출물을 다공성 분리막으로 분리된 쉘 사이드 및 튜브 사이드를 포함하는 분리막 접촉기의 튜브 사이드로 유입하고, 쉘 사이드로 물을 유입하며, 냉각된 유출물 중의 물 및 이산화탄소를 다공성 분리막을 통과시켜 쉘 사이드의 물에 용해하여 유출물 중의 물 및 이산화탄소를 제거하고, 제2 유출물을 회수하는 이산화탄소 함유 물 제거 단계를 더 포함할 수 있다.A second cooling step of cooling the second effluent flowing out of the second methane synthesis reactor and introducing the cooled second effluent into the tube side of the membrane contactor including the shell side and tube side separated by a porous membrane, Water is introduced into the shell side, water and carbon dioxide in the cooled effluent are passed through a porous separation membrane and dissolved in water on the shell side to remove water and carbon dioxide in the effluent, and water containing carbon dioxide is recovered to recover the second effluent. Additional steps may be included.

상기 유출물로부터 제거된 이산화탄소 함유 물 및 제2 유출물로부터 제거된 이산화탄소 함유 물 중 적어도 하나 또는 이들을 혼합한 혼합 이산산화탄소 함유 물을 감압하고 이산화탄소 함유 물에 용해된 이산화탄소의 적어도 일부를 탈기하여 이산화탄소를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.At least one of the carbon dioxide-containing water removed from the effluent and the carbon dioxide-containing water removed from the second effluent, or a mixture thereof, is depressurized and at least a portion of the carbon dioxide dissolved in the carbon dioxide-containing water is degassed to obtain carbon dioxide. It may further include a step of recovering.

회수된 이산화탄소를 제2 메탄합성 반응기에 공급할 수 있다.The recovered carbon dioxide can be supplied to the second methane synthesis reactor.

회수된 이산화탄소를 가압하여 제2 메탄합성 반응기에 공급할 수 있다.The recovered carbon dioxide can be pressurized and supplied to the second methane synthesis reactor.

상기 분리막 접촉기 또는 제2 분리막 접촉기는 상압 내지 50bar의 압력으로 운전할 수 있다.The membrane contactor or the second membrane contactor can be operated at a pressure ranging from normal pressure to 50 bar.

상기 분리막 접촉기 또는 제2 분리막 접촉기는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 일종의 고분자 또는 이들 중 2 이상의 고분자의 복합물로 된 것일 수 있다.The separator contactor or the second separator contactor may be made of a type of polymer selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polymethyl methacrylate, or a composite of two or more of these polymers.

상기 반응물을 예열하여 제1 메탄합성 반응기에 공급하는 것이 바람직하다. It is preferable to preheat the reactant and supply it to the first methane synthesis reactor.

상기 유출물을 예열하여 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 것이 바람직하다.It is preferable to preheat the effluent and supply it to the second methane synthesis reactor.

본 발명은 다른 견지로서, 합성천연가스 제조설비를 제공하며, 일산화탄소 및 수소를 함유하는 반응물 스트림이 반응하여 메탄을 합성하는 메탄 합성용 촉매 반응기, 상기 메탄 합성용 촉매 반응기의 유출물을 냉각하는 냉각기 및 다공성 분리막으로 분리된 쉘 사이드 및 튜브 사이드를 포함하고, 상기 튜브 사이드로 상기 냉각된 유출물이 유입되고, 쉘 사이드로 물이 유입되며, 냉각된 유출물 중의 물 및 이산화탄소가 다공성 분리막을 통과하여 쉘 사이드의 물에 용해되어 제거되는 것인 분리막 접촉기를 포함하는, 합성천연가스 제조 설비를 제공한다.In another aspect, the present invention provides a synthetic natural gas production facility, which includes a catalytic reactor for methane synthesis in which a reactant stream containing carbon monoxide and hydrogen reacts to synthesize methane, and a cooler for cooling the effluent of the catalytic reactor for methane synthesis. and a shell side and a tube side separated by a porous separation membrane, wherein the cooled effluent flows into the tube side, water flows into the shell side, and water and carbon dioxide in the cooled effluent pass through the porous separation membrane. Provided is a synthetic natural gas production facility including a separation membrane contactor that is removed by dissolving in water on the shell side.

상기 튜브사이드를 통과한 유출물이 공급되고, 유출물 중의 미반응 일산화탄소 및 수소를 반응시켜 메탄을 합성하는 제2 메탄합성 반응기를 더 포함할 수 있다.The effluent passing through the tube side is supplied, and may further include a second methane synthesis reactor for synthesizing methane by reacting unreacted carbon monoxide and hydrogen in the effluent.

상기 유출물을 예열하여 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 예열기를 더 포함할 수 있다.It may further include a preheater for preheating the effluent and supplying it to a second methane synthesis reactor.

상기 제2 메탄 합성용 촉매 반응기에서 유출되는 제2 유출물을 냉각하는 제2 냉각기 및 다공성 분리막으로 분리된 쉘 사이드 및 튜브 사이드를 포함하고, 상기 튜브 사이드로 상기 냉각된 제2 유출물이 유입되고, 쉘 사이드로 물이 유입되며, 냉각된 제2 유출물 중의 물 및 이산화탄소가 다공성 분리막을 통과하여 쉘 사이드의 물에 용해되어 제거되는 제2 분리막 접촉기를 포함할 수 있다.It includes a shell side and a tube side separated by a second cooler and a porous separator for cooling the second effluent discharged from the second catalytic reactor for methane synthesis, and the cooled second effluent flows into the tube side. , water flows into the shell side, and the water and carbon dioxide in the cooled second effluent pass through the porous membrane and are dissolved in the water on the shell side and removed.

상기 쉘 사이드로부터 배출되는 이산화탄소 함유 물을 감압하여 물에 용해된 이산화탄소의 적어도 일부를 탈기함으로써 이산화탄소를 회수하는 감압 탈기장치를 더 포함할 수 있다.It may further include a reduced pressure degassing device that recovers carbon dioxide by depressurizing carbon dioxide-containing water discharged from the shell side and degassing at least a portion of the carbon dioxide dissolved in the water.

분리막 접촉기의 쉘 사이드를 통해 배출되는 이산화탄소 함유 물과 제2 분리막 접촉기의 쉘 사이드를 통해 배출되는 이산화탄소 함유 물을 혼합하는 배관을 더 포함하고, 혼합된 이산화탄소 함유 물을 감압 탈기장치로 이송할 수 있다.It further includes a pipe for mixing carbon dioxide-containing water discharged through the shell side of the membrane contactor with carbon dioxide-containing water discharged through the shell side of the second membrane contactor, and the mixed carbon dioxide-containing water can be transferred to the reduced pressure degassing device. .

상기 감압 탈기장치에서 회수된 이산화탄소를 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 이산화탄소 공급관을 구비할 수 있다.A carbon dioxide supply pipe may be provided to supply carbon dioxide recovered from the reduced pressure degassing device to the second methane synthesis reactor.

상기 이산화탄소 공급관은 제2 메탄합성 반응기에 공급되는 이산화탄소를 가압하는 가압장치를 구비할 수 있다.The carbon dioxide supply pipe may be equipped with a pressurizing device to pressurize the carbon dioxide supplied to the second methane synthesis reactor.

본 발명의 일 구현예에 따르면, 분리막 접촉기를 사용함으로써 물과 함께 다량의 이산화탄소를 함께 제거할 수 있어 메탄의 수율을 향상시킬 수 있고, 또한 최종 얻어지는 합성천연가스의 순도를 향상시킬 수 있다. According to one embodiment of the present invention, by using a membrane contactor, a large amount of carbon dioxide can be removed along with water, thereby improving the yield of methane and also improving the purity of the finally obtained synthetic natural gas.

또한, 제거된 이산화탄소는 별도로 회수할 수 있으며, 이를 이용하여 추가적인 메탄화 반응을 도모할 수 있어 합성천연가스의 순도를 향상시킬 수 있다. 나아가, 회수된 이산화탄소를 다른 케미칼 합성 공정에서 원료로 사용할 수 있으며, 또는 용액의 pH를 조절하는 안정제 등으로 사용할 수 있다. In addition, the removed carbon dioxide can be separately recovered and used to promote additional methanation reaction, thereby improving the purity of synthetic natural gas. Furthermore, the recovered carbon dioxide can be used as a raw material in other chemical synthesis processes, or as a stabilizer to adjust the pH of a solution.

도 1은 종래 합성천연가스의 제조 공정을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 합성천연가스의 제조 공정을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 분리막 접촉기를 이용한 물 및 이산화탄소를 제거하는 일 예를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 따른 합성천연가스의 제조공정을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 제1 메탄합성 반응기 후단에 이산화탄소를 분리 회수하여 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 일 예를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 일 구현예에 따른 합성천연가스의 제조공정을 개략적으로 나타내는 도면으로서, 각 메탄합성 반응기 후단에서 분리 회수된 이산화탄소를 분리 회수하여 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 다른 일 예를 나타낸다.
도 5는 실시예 4의 메탄합성 반응기의 온도 변화에 따른 메탄의 생성 반응 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 실시예 5에 있어서 분리막 접촉기의 압력 및 유량에 따른 이산화탄소 제거율 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 실시예 3에 있어서 분리막 접촉기의 압력 및 유량에 따른 H2 제거율 결과를 나타내는 그래프이다.
Figure 1 is a diagram schematically showing a conventional synthetic natural gas manufacturing process.
Figure 2 is a diagram schematically showing a process for producing synthetic natural gas according to an embodiment of the present invention, and shows an example of removing water and carbon dioxide using a membrane contactor.
Figure 3 is a diagram schematically showing a process for producing synthetic natural gas according to an embodiment of the present invention, showing an example in which carbon dioxide is separated and recovered at the rear of the first methane synthesis reactor and supplied to the second methane synthesis reactor.
Figure 4 is a diagram schematically showing the manufacturing process of synthetic natural gas according to an embodiment of the present invention, showing another example in which carbon dioxide separated and recovered at the rear of each methane synthesis reactor is separated and recovered and supplied to the second methane synthesis reactor. indicates.
Figure 5 is a graph showing the results of the methane production reaction according to temperature changes in the methane synthesis reactor of Example 4.
Figure 6 is a graph showing the results of carbon dioxide removal rate according to the pressure and flow rate of the membrane contactor in Example 5.
Figure 7 is a graph showing the H 2 removal rate results according to the pressure and flow rate of the membrane contactor in Example 3.

본 발명은 일산화탄소를 이용한 합성천연가스를 제조하는 제조방법 및 제조 설비를 제공한다. The present invention provides a manufacturing method and manufacturing equipment for producing synthetic natural gas using carbon monoxide.

이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면을 본 발명의 일 구현예를 나타내는 예시적인 도면으로서, 이에 의해 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. The attached drawings are exemplary drawings showing one embodiment of the present invention, and are not intended to limit the present invention thereby.

본 발명의 합성천연가스 제조방법은 일산화탄소와 수소를 메탄화반응시켜 합성천연가스를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 도 2에 본 발명에 따른 일 구현예를 개략적으로 나타낸다. The synthetic natural gas production method of the present invention relates to a method of producing synthetic natural gas by methanating carbon monoxide and hydrogen. Figure 2 schematically shows an embodiment of the present invention.

도 2에 따르면, 본 발명의 합성천연가스 제조방법은 예열기에 의한 반응물의 예열 단계, 메탄합성 반응단계, 반응 유출물 냉각단계 및 이산화탄소 및 물 제거 단계를 포함하는 메탄합성 반응 과정을 포함한다. According to Figure 2, the method for producing synthetic natural gas of the present invention includes a methane synthesis reaction process including a preheating step of reactants by a preheater, a methane synthesis reaction step, a reaction effluent cooling step, and a carbon dioxide and water removal step.

그러나, 상기 예열 단계는 필요에 따라 수행할 수 있는 것으로서, 반드시 포함하여야 하는 것은 아니다. 또한, 첨부된 도면에는 두 단계의 메탄합성 반응과정을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 예시적으로 나타낸 것으로서, 1단계의 메탄합성 반응과정으로 합성천연가스를 제조할 수 있음은 물론, 3 이상의 메탄합성 반응 과정에 의해 수행될 수 있으며, 단순히 '메탄합성 반응' 및 '메탄합성 반응기'는 달리 한정하지 않는 한 '제1 메탄합성 반응' 및 '제1 메탄합성 반응기'를 나타낸다.However, the preheating step can be performed as needed and does not necessarily have to be included. In addition, the attached drawing is shown as including a two-step methane synthesis reaction process, but it is shown as an example, and not only can synthetic natural gas be produced through a one-step methane synthesis reaction process, but also three or more methane synthesis reaction processes. It can be performed by a reaction process, and simply 'methane synthesis reaction' and 'methane synthesis reactor' refer to 'first methane synthesis reaction' and 'first methane synthesis reactor' unless otherwise specified.

본 발명의 합성천연가스의 제조를 위한 메탄합성 반응에 있어서는 반응물로서 일산화탄소 및 수소를 포함하는 반응물을 메탄합성 반응기에 공급함으로써 메탄합성 반응을 수행할 수 있다. In the methane synthesis reaction for producing synthetic natural gas of the present invention, the methane synthesis reaction can be performed by supplying reactants containing carbon monoxide and hydrogen to a methane synthesis reactor.

상기 메탄합성 반응기에 공급되는 반응물로는 일산화탄소 및 수소를 포함하는 것이라면 특별히 한정하지 않는다. 일산화탄소 및 수소의 공급원으로는 주로 리포밍(개질) 반응을 통해 제조할 수 있으며, 예를 들어, 메탄올, 메탄, 에틸렌글리콜, 글리세롤 등을 개질 반응한 반응생성물을 들 수 있다.The reactants supplied to the methane synthesis reactor are not particularly limited as long as they contain carbon monoxide and hydrogen. Sources of carbon monoxide and hydrogen can mainly be produced through reforming reactions, and examples include reaction products obtained by reforming methanol, methane, ethylene glycol, and glycerol.

일산화탄소를 이용한 메탄합성 반응은 다음 식 (1)로 나타낼 수 있다.The methane synthesis reaction using carbon monoxide can be expressed as the following equation (1).

일산화탄소의 메탄합성 반응: 3H2+CO → CH4+H2O, ΔHrxn=-206 kJ/mol (1)Methane synthesis reaction of carbon monoxide: 3H 2 +CO → CH 4 +H 2 O, ΔH rxn =-206 kJ/mol (1)

상기 반응물 스트림은 부피비로 일산화탄소 1에 대하여 수소를 1 내지 5, 예를 들어, 일산화탄소:수소의 부피비가 1:2.5 내지 4의 범위를 갖는 것이 보다 바람직하다.The reactant stream contains 1 to 5 hydrogen per 1 carbon monoxide by volume, for example, more preferably, the volume ratio of carbon monoxide:hydrogen ranges from 1:2.5 to 4.

상기 일산화탄소 및 수소를 포함하는 반응물을 예열한 후에 메탄합성 반응기에 공급하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 반응물의 예열은 100 내지 300℃로 수행할 수 있다. 반응기에 주입하기 전에 반응물의 온도가 너무 낮으면 반응이 진행될 수 있는 활성화 에너지를 가지지 못하기 때문에 반응이 일어나지 않을 수 있으며, 주입온도가 너무 높으면 발열반응 특성상 평형 전환율이 감소할 수 있어 반응 정도가 낮아질 수 있다. It is preferable to preheat the reactants containing carbon monoxide and hydrogen before supplying them to the methane synthesis reactor. At this time, preheating of the reactant may be performed at 100 to 300°C. If the temperature of the reactant before injection into the reactor is too low, the reaction may not occur because it does not have the activation energy for the reaction to proceed. If the injection temperature is too high, the equilibrium conversion rate may decrease due to the exothermic nature of the reaction, which may lower the degree of reaction. You can.

따라서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 반응물을 미리 예열기(11)를 통과시켜 예열한 후에 메탄합성 반응기(12)에 공급할 수 있다. 상기 반응물을 상기와 같은 온도 범위로 예열할 수 있는 것이라면, 반응물의 예열 수단은 특별히 한정하지 않으며, 다양하게 사용할 수 있으며, 예를 들어, 전기히터, 보일러, 스팀 등과 같은 예열수단을 통해 예열할 수 있다.Therefore, as shown in FIG. 2, the reactant can be preheated by passing through the preheater 11 and then supplied to the methane synthesis reactor 12. As long as the reactant can be preheated to the above temperature range, the means for preheating the reactant is not particularly limited and can be used in various ways. For example, it can be preheated through a preheating means such as an electric heater, boiler, steam, etc. there is.

일산화탄소와 수소의 메탄합성 반응은 통상적으로 200 내지 800℃의 온도범위, 바람직하게는 200 내지 600℃의 온도범위에서 수행될 수 있는바, 상기 반응물을 메탄합성 반응기(12)에 주입하기 전에 메탄합성 반응이 일어날 수 있는 상기와 같은 온도 범위로 예열하는 것이 바람직하다. The methane synthesis reaction of carbon monoxide and hydrogen can usually be carried out in a temperature range of 200 to 800°C, preferably in the temperature range of 200 to 600°C. Before injecting the reactant into the methane synthesis reactor 12, methane synthesis It is desirable to preheat to the above temperature range where the reaction can occur.

상기 예열된 반응물을 메탄합성 반응기(12)에 투입하여 메탄합성 반응을 수행한다. 상기 메탄합성 반응은 촉매의 존재 하에서 수행되는 것으로서, 상기 촉매는 메탄합성에 통상적으로 사용되는 촉매를 사용할 수 있다. 상기 촉매로는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들어, 알루미나 지지체에 촉매로서 니켈 및 조촉매로서 마그네슘, 바륨, 망간 등이 담지된 촉매를 사용할 수 있다. The preheated reactant is put into the methane synthesis reactor 12 to perform a methane synthesis reaction. The methane synthesis reaction is carried out in the presence of a catalyst, and the catalyst may be a catalyst commonly used in methane synthesis. The catalyst is not particularly limited, but for example, a catalyst in which nickel as a catalyst and magnesium, barium, manganese, etc. as cocatalysts are supported on an alumina support can be used.

상기 메탄합성 반응기에서의 메탄합성 반응은 200 내지 800℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. 상기 메탄합성 반응의 온도가 200℃ 미만인 경우에는 반응이 진행될 수 있는 활성화에너지를 가지지 못하기 때문에 반응이 발생되지 않고, 800℃를 초과하는 경우에는 메탄합성반응이 발열반응인 특성상 평형 전환율이 감소될 수 있어 반응 정도가 낮아질 수 있다. 바람직하게는 200 내지 600℃의 온도범위에서 수행될 수 있다. The methane synthesis reaction in the methane synthesis reactor may be performed in a temperature range of 200 to 800°C. If the temperature of the methane synthesis reaction is less than 200°C, the reaction does not occur because the reaction does not have the activation energy to proceed, and if it exceeds 800°C, the equilibrium conversion rate may decrease due to the exothermic nature of the methane synthesis reaction. This may lower the degree of reaction. Preferably, it may be performed in a temperature range of 200 to 600°C.

한편, 메탄합성 반응은 상압 내지 100bar의 넓은 범위에서 수행될 수 있다. 일반적으로 메탄합성 반응은 분자수가 줄어드는 반응으로 압력이 높을수록 유리하며, 통상적으로 상압보다는 고압에서 메탄합성반응 운전을 수행한다. 그러나, 고압에서 수행하는 경우에는 컴프레서 등의 장치 사용이 요구되어, 많은 양의 에너지의 사용이 요구되는바, 바람직하게는 5 내지 30bar의 압력범위에서 수행할 수 있다. Meanwhile, the methane synthesis reaction can be performed in a wide range from normal pressure to 100 bar. In general, the methane synthesis reaction is a reaction in which the number of molecules is reduced, so the higher the pressure, the more advantageous it is, and the methane synthesis reaction is usually performed at high pressure rather than normal pressure. However, when performed at high pressure, the use of devices such as a compressor is required, which requires the use of a large amount of energy, and it is preferably performed in a pressure range of 5 to 30 bar.

이와 같은 조건 하에서 상기한 식 (1)과 같은 반응식에 의해 일산화탄소와 수소가 반응하여 메탄이 합성된다. Under these conditions, carbon monoxide and hydrogen react to synthesize methane according to the reaction equation (1) above.

상기 메탄합성 반응기(12)로부터 유출되는 반응 유출물로부터 메탄을 포함하는 합성천연가스를 얻을 수 있다.Synthetic natural gas containing methane can be obtained from the reaction effluent flowing out of the methane synthesis reactor 12.

한편, 상기 식 (1)로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 메탄합성 반응이 일어남으로써 메탄이 합성되고, 부생성물로 물이 생성되며, 또, 상기와 같은 메탄합성 반응은 발열 반응으로서, 반응열이 생성된다. 이와 같은 반응열에 의해 촉매층의 온도가 상승하므로 평형전환율의 제한이 있게 되며, 이로 인해, 미반응 일산화탄소 및 수소가 반응물과 함께 반응 유출물에 존재할 수 있다. On the other hand, as can be seen from the above equation (1), when the methane synthesis reaction occurs, methane is synthesized and water is produced as a by-product, and the methane synthesis reaction as described above is an exothermic reaction, and reaction heat is generated. do. As the temperature of the catalyst layer rises due to the heat of reaction, the equilibrium conversion rate is limited. As a result, unreacted carbon monoxide and hydrogen may exist in the reaction effluent along with the reactants.

따라서, 상기 반응 유출물을 냉각하여 반응 유출물에 존재하는 물과 이산화탄소를 분리 목적 및 2차 반응기 주입을 통해 더 많은 메탄을 합성하기 위해 온도를 낮추는 것이다.Therefore, by cooling the reaction effluent, the temperature is lowered to separate water and carbon dioxide present in the reaction effluent and to synthesize more methane through injection into the secondary reactor.

이를 위해, 메탄합성 반응기의 후단에 유출되는 반응 유출물의 온도를 냉각하기 위한 냉각기(13)를 구비한다. 상기 유출물의 냉각을 위한 냉각수단으로는, 특별히 한정하지 않으나, 열교환기 등의 냉각기(13)일 수 있다. 상기 열교환기는 이에 한정하는 것은 아니지만, 공기 또는 냉각수를 통해 냉각시키는 것일 수 있으며, 전기쿨러를 통해 냉각시킬 수도 있다.For this purpose, a cooler 13 is provided to cool the temperature of the reaction effluent flowing out of the rear end of the methane synthesis reactor. The cooling means for cooling the effluent is not particularly limited, but may be a cooler 13 such as a heat exchanger. The heat exchanger is not limited to this, but may be cooled through air or cooling water, and may also be cooled through an electric cooler.

상기 반응 유출물의 냉각 온도는 특별히 한정하지 않으나, 물을 제거하기 위하여 유출물을 100℃ 이하의 온도로 냉각시키는 것이 바람직하다. 구체적으로는 0 내지 100℃, 보다 바람직하게는 5 내지 65℃의 범위로 냉각시킬 수 있다.The cooling temperature of the reaction effluent is not particularly limited, but it is preferable to cool the effluent to a temperature of 100° C. or lower in order to remove water. Specifically, it can be cooled to a range of 0 to 100°C, more preferably 5 to 65°C.

한편, 상기 반응 유출물에 존재하는 미반응 일산화탄소 및 수소를 이용하여 추가적으로 메탄합성 반응을 수행하는 것이 바람직하다. 그러나, 잔존하는 미반응 일산화탄소는 메탄합성 반응에 의해 생성된 물과 상기 메탄합성 반응 중에 반응하여 이산화탄소를 생성시키는, 식 (2)와 같은 수성가스 전환반응이 일어날 수 있다. Meanwhile, it is preferable to additionally perform a methane synthesis reaction using unreacted carbon monoxide and hydrogen present in the reaction effluent. However, the remaining unreacted carbon monoxide may react with water produced by the methane synthesis reaction to produce carbon dioxide, resulting in a water gas conversion reaction as shown in equation (2).

수성가스전환 반응: CO + H2O → CO2 + H2 (2)Water gas shift reaction: CO + H 2 O → CO 2 + H 2 (2)

이와 같은 수성가스 전환반응이 일어나면, 메탄의 탄소 원료인 일산화탄소가 이산화탄소로 전환되어 메탄 수율이 감소할 수 있다. 일부 이산화탄소는 아래의 식 3과 같이, 수소와 반응하여 메탄을 합성하는 이산화탄소의 메탄화 반응이 일어나 메탄으로 전환될 수 있지만, 많은 수소가 필요하고, 물이 더 생기게 된다. When this water gas conversion reaction occurs, carbon monoxide, a carbon source of methane, is converted to carbon dioxide, which may reduce methane yield. Some carbon dioxide can be converted to methane through a methanation reaction of carbon dioxide that reacts with hydrogen to synthesize methane, as shown in Equation 3 below, but a lot of hydrogen is required and more water is produced.

이산화탄소의 메탄합성 반응: 4H2 + CO2 → CH4 + 2H2O (3)Methane synthesis reaction from carbon dioxide: 4H 2 + CO 2 → CH 4 + 2H 2 O (3)

나아가, 최종 생성물에 이산화탄소가 잔류하게 되면 메탄 순도가 떨어지는 문제가 발생한다. Furthermore, if carbon dioxide remains in the final product, methane purity decreases.

따라서, 상기 반응 유출물로부터 물과 이산화탄소를 제거하는 것이 바람직하다. 본 발명의 일 구현예에 있어서, 분리막 접촉기(14)를 사용하여 유출물 중의 상기 물과 이산화탄소를 제거한다. 상기 분리막 접촉기(14)는 통상적으로 사용되는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용할 수 있는 것으로서, 특별히 한정하지 않으나, 다공성 분리막을 경계로 내부에 기체, 즉, 반응 유출물이 유동하는 튜브사이드 및 외부에 액체, 구체적으로 물이 공급되어 유동하는 쉘사이드로 구성될 수 있다. Therefore, it is desirable to remove water and carbon dioxide from the reaction effluent. In one embodiment of the present invention, the water and carbon dioxide in the effluent are removed using a membrane contactor (14). The separation membrane contactor 14 is one that can be suitably used in the present invention as long as it is commonly used. There is no particular limitation, but there is a boundary between the porous membrane and the gas inside, that is, the tube side through which the reaction effluent flows, and the liquid outside. , Specifically, it may be composed of a shell side through which water is supplied and flows.

이때, 상기 분리막 접촉기(14)의 다공성 분리막은 PP, PE, PMMA 등의 고분자 및 이들 고분자의 복합물로 형성될 수 있다. At this time, the porous separator of the separator contactor 14 may be formed of polymers such as PP, PE, PMMA, and composites of these polymers.

상기 쉘사이드의 액체는 다공성 분리막을 통해 튜브사이드로 이동할 수 없으나, 튜브사이드의 기체는 다공성 분리막을 통해 쉘사이드로 통과할 수 있으며, 이로 인해 튜브사이드를 통해 유동하는 반응 유출물 중의 물과 이산화탄소가 액체 사이드를 유동하는 액체와 접촉함으로써 액체에 용해되어 제거될 수 있다. The liquid on the shell side cannot move to the tube side through the porous separator, but the gas on the tube side can pass through the porous separator to the shell side, which causes water and carbon dioxide in the reaction effluent flowing through the tube side. By contacting the liquid side with a flowing liquid, it can be dissolved in the liquid and removed.

나아가, 상기 분리막 접촉기(14)는 상압 내지 50bar의 압력 범위로 운전할 수 있다. 바람직하게는, 분리막 접촉기(14)를 통해 유동하는 반응 유출물은 반응기 내의 압력과 동일한 압력을 운전하는 것이 바람직하며, 이에 의해 반응 유출물로부터 물 및 이산화탄소를 용이하게 제거할 수 있다. Furthermore, the membrane contactor 14 can be operated in a pressure range of normal pressure to 50 bar. Preferably, the reaction effluent flowing through the membrane contactor 14 is operated at the same pressure as the pressure inside the reactor, whereby water and carbon dioxide can be easily removed from the reaction effluent.

한편, 반응 생성물인 메탄은 물에 대한 용해도가 낮아 쉘사이드로 유동하는 액체에 거의 용해되지 않는다. 그러나, 수소는 물에 대한 용해도가 이산화탄소에 비하여 매우 낮지만, 압력이 높을수록 수소가 일부 물에 용해될 수 있다. 따라서, 수소가 물에 용해되는 것을 방지하기 위해, 분리막 접촉기(14)를 흐르는 기체의 유속을 높이는 것이 바람직하다. 즉, 기체의 유속이 빠를수록, 압력이 낮을수록 수소의 회수율을 높일 수 있다. 이를 위해, 분리막 접촉기(14)를 통과하는 반응 유출물은 반응기 내 압력 5 내지 50bar에서 0.03 내지 1m/s인 것이 바람직하다. 선속도가 높을수록 수소의 손실 없이 회수할 수 있으나, 이산화탄소의 제거가 용이하지 않으므로, 상기 범위로 반응 유출물을 유동시키는 것이 바람직하다. 상기 조건에서 90% 이상의 수소를 회수할 수 있다. Meanwhile, methane, the reaction product, has low solubility in water and is almost insoluble in the liquid flowing to the shellside. However, the solubility of hydrogen in water is very low compared to carbon dioxide, but as the pressure increases, some of the hydrogen may dissolve in water. Therefore, in order to prevent hydrogen from dissolving in water, it is desirable to increase the flow rate of the gas flowing through the membrane contactor 14. In other words, the faster the gas flow rate and the lower the pressure, the higher the hydrogen recovery rate can be. For this purpose, the reaction effluent passing through the membrane contactor 14 is preferably 0.03 to 1 m/s at a pressure of 5 to 50 bar in the reactor. The higher the linear speed, the more hydrogen can be recovered without loss, but since the removal of carbon dioxide is not easy, it is preferable to flow the reaction effluent within the above range. Under the above conditions, more than 90% of hydrogen can be recovered.

이에 의해 반응 유출물로부터 이산화탄소 및 물을 선택적으로 제거하면서 반응물의 손실을 억제할 수 있으며, 상기 분리막 접촉기(14)의 튜브사이드를 통해 배출되는 반응 유출물로부터 생성물인 메탄을 회수할 수 있으며, 필요에 따라서는 반응 유출물 내에 잔존하는 일산화탄소 및 수소를 추가로 반응시켜 메탄을 합성할 수 있다. As a result, it is possible to suppress the loss of reactants while selectively removing carbon dioxide and water from the reaction effluent, and to recover methane as a product from the reaction effluent discharged through the tube side of the membrane contactor 14. Depending on the method, methane may be synthesized by further reacting the carbon monoxide and hydrogen remaining in the reaction effluent.

상기 반응 유출물로부터 제거된 물 및 이산화탄소는 분리막 접촉기(14)의 쉘 사이드를 흐르는 액체에 용해되어 배출된다. 상기 분리막 접촉기(14)로부터 배출되는 이산화탄소 함유 물은, 도 2에 나타낸 바와 같이, 감압 탈기장치(19)로 이송하여, 압력을 낮추어 물에 용해된 이산화탄소를 탈기하는 분리하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 감압 탈기장치(19)는 감압밸브(20)의 개폐에 의해 압력을 낮추어 이산화탄소를 물로부터 분리할 수 있다. 이에 의해 이산화탄소와 물을 분리하고, 분리된 이산화탄소는 별도 저장하여 다른 케미칼 합성 공정의 원료로 이용하거나 용액의 pH를 조절하는 안정제 등으로 활용할 수 있다. 나아가, 상기 회수된 이산화탄소는 공정 내에서 메탄합성 반응에 반응물로서 이용될 수도 있다.The water and carbon dioxide removed from the reaction effluent are dissolved in the liquid flowing through the shell side of the membrane contactor 14 and discharged. As shown in FIG. 2, the carbon dioxide-containing water discharged from the membrane contactor 14 is transferred to a reduced pressure degassing device 19, and the pressure is lowered to degas the carbon dioxide dissolved in the water. It may include a separation step. . The pressure reduction device 19 can separate carbon dioxide from water by lowering the pressure by opening and closing the pressure reduction valve 20. As a result, carbon dioxide and water are separated, and the separated carbon dioxide can be stored separately and used as a raw material for other chemical synthesis processes or as a stabilizer to adjust the pH of the solution. Furthermore, the recovered carbon dioxide may be used as a reactant in the methane synthesis reaction within the process.

이하, 상기 제1 메탄합성 반응 과정에서 생성된 반응 유출물을 사용하는 제2 메탄합성 반응 과정에 대하여 설명한다. 제2 메탄합성 반응 과정은 제1 메탄합성 반응 과정과 중복되는 단계 내지 설비를 포함하는바, 이들에 대한 구체적인 설명은 생략한다. 나아가, 제1 메탄합성 반응 과정과 제2 메탄합성 반응 과정에 대하여는 그 구별을 위해 '제1' 및 '제2'의 표현을 사용한다.Hereinafter, a second methane synthesis reaction process using the reaction effluent generated in the first methane synthesis reaction process will be described. The second methane synthesis reaction process includes steps and equipment that overlap with the first methane synthesis reaction process, and detailed descriptions thereof will be omitted. Furthermore, the expressions 'first' and 'second' are used to distinguish between the first methane synthesis reaction process and the second methane synthesis reaction process.

상기 제1 메탄합성 반응 과정 중의 제1 분리막 접촉기(14)를 통과한 제1 반응 유출물은 반응 생성물인 메탄과 함께 미반응된 일산화탄소 및 수소를 이용하여 추가로 메탄을 합성하기 위해 제2 메탄합성 반응기(16)에 도입될 수 있다. 상기 제1 반응 유출물은 제1 메탄합성 반응기(12)에서 유출된 후 제1 냉각기(13)에서 냉각된 상태이므로, 제2 메탄합성 반응기(16)에 도입하기 전에 제1 메탄합성 반응 단계에서와 동일하게 제2 예열기(15)에서 예열하는 과정을 포함할 수 있다.The first reaction effluent passing through the first membrane contactor 14 during the first methane synthesis reaction process is subjected to second methane synthesis to further synthesize methane using unreacted carbon monoxide and hydrogen along with methane, which is a reaction product. may be introduced into reactor 16. Since the first reaction effluent is cooled in the first cooler (13) after being discharged from the first methane synthesis reactor (12), it is performed in the first methane synthesis reaction step before being introduced into the second methane synthesis reactor (16). In the same way as, it may include a preheating process in the second preheater 15.

상기 제2 예열기(15)에서 예열된 제1 반응 유출물이 제2 메탄합성 반응의 반응물로서 제2 메탄합성 반응기(16)에 도입되며, 이에 의해 일산화탄소와 수소가 상기 식 (1)과 같은 반응식에 의해 반응하여 메탄을 합성할 수 있다. The first reaction effluent preheated in the second preheater 15 is introduced into the second methane synthesis reactor 16 as a reactant of the second methane synthesis reaction, whereby carbon monoxide and hydrogen are converted into reaction formula (1). Methane can be synthesized by reaction.

제2 메탄합성 반응기(16)의 반응 조건은 상기한 제1 메탄합성 반응기(12)의 반응조건과 동일한 것으로서, 구체적인 설명은 생략한다.The reaction conditions of the second methane synthesis reactor 16 are the same as those of the first methane synthesis reactor 12, and detailed descriptions are omitted.

상기 제2 메탄합성 반응기(16)에는, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 메탄합성 반응 공정에서 회수된 이산화탄소를 메탄 합성의 반응물로서 함께 공급할 수 있다. 상기 공급된 이산화탄소는 식 3과 같은 반응식에 의해 메탄을 합성할 수 있다. 이에 의해 메탄을 추가로 합성할 수 있으며, 반응 생성물의 메탄 순도를 향상시킬 수 있다.As shown in FIG. 3, carbon dioxide recovered in the first methane synthesis reaction process can be supplied to the second methane synthesis reactor 16 as a reactant for methane synthesis. The supplied carbon dioxide can synthesize methane according to the reaction formula shown in Equation 3. As a result, methane can be additionally synthesized and the methane purity of the reaction product can be improved.

상기 이산화탄소를 제2 메탄합성 반응기(16)에 공급함에 있어서는 반응기 내의 압력을 저하시키지 않도록 하기 위해 상기 제2 메탄합성 반응기(16) 내에 공급되는 제1 반응 유출물이 공급되는 압력과 동등한 압력으로 가압하여 공급하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 도 3에 나타낸 바와 같이, 상기 이산화탄소가 공급되는 공급배관에는 가압장치(21)를 구비할 수 있다. 상기 가압장치(21)는 특별히 한정하지 않으며, 유체의 압력을 높일 수 있는 것이라면 본 발명에서도 적합하게 사용될 수 있다.When supplying the carbon dioxide to the second methane synthesis reactor 16, the first reaction effluent supplied into the second methane synthesis reactor 16 is pressurized to a pressure equivalent to the pressure in order to avoid lowering the pressure within the reactor. It is desirable to supply it. For this purpose, as shown in FIG. 3, a pressurizing device 21 may be provided in the supply pipe through which the carbon dioxide is supplied. The pressurizing device 21 is not particularly limited, and any device that can increase the pressure of the fluid can be suitably used in the present invention.

이와 같은 제2 메탄합성 반응기(16)에서의 메탄합성 반응 후에 유출되는 제2 반응 유출물은 제1 반응 유출물과 마찬가지로 물 및 이산화탄소를 포함하는바, 제1 메탄합성 반응 단계에서와 동일하게 제2 반응 유출물을 제2 냉각기(17)에 의해 냉각한 후, 제2 분리막 접촉기(18)를 통과시켜 물 및 이산화탄소를 제2 반응 유출물로부터 제거하여 반응 생성물을 회수할 수 있다. The second reaction effluent flowing out after the methane synthesis reaction in the second methane synthesis reactor 16 contains water and carbon dioxide like the first reaction effluent, and the same as in the first methane synthesis reaction step. 2 After the reaction effluent is cooled by the second cooler 17, it passes through the second membrane contactor 18 to remove water and carbon dioxide from the second reaction effluent to recover the reaction product.

한편, 상기 분리막 접촉기(18)에 의해 제2 반응 유출물로부터 제거된 이산화탄소가 용해된 물이 액상으로 감압 탈기장치에 공급되며, 상기 감압 탈기장치에서 감압하여 이산화탄소를 물로부터 분리하여 회수할 수 있다. 이때, 상기 감압 탈기장치는 제1 메탄합성 반응단계의 감압 탈기장치(19)와 별도의 감압 탈기장치를 사용할 수 있음은 물론, 도 4에 나타낸 바와 같이, 제2 분리막 접촉기(18)의 쉘 사이드를 통해 배출되는 이산화탄소를 함유하는 물을 배관을 통해 제1 메탄합성 반응단계의 분리막 접촉기(14)의 쉘 사이드를 통해 배출되는 이산화탄소를 함유하는 물과 혼합한 후 혼합된 이산화탄소를 함유하는 물을 감압 탈기장치(19)에 공급하여 동시에 이산화탄소를 분리할 수 있다.Meanwhile, water in which carbon dioxide is dissolved, removed from the second reaction effluent by the membrane contactor 18, is supplied in liquid form to a reduced pressure degassing device, and carbon dioxide can be separated from water and recovered by reducing the pressure in the reduced pressure degassing device. . At this time, the reduced pressure degassing device can be used as a separate pressure degassing device from the reduced pressure degassing device 19 in the first methane synthesis reaction stage, and as shown in FIG. 4, the shell side of the second membrane contactor 18 After mixing water containing carbon dioxide discharged through the pipe with water containing carbon dioxide discharged through the shell side of the membrane contactor 14 of the first methane synthesis reaction stage, the mixed water containing carbon dioxide is depressurized. Carbon dioxide can be separated at the same time by supplying it to the degassing device 19.

종래에는, 단순 기액 분리기(4, 8)에 의해 반응 유출물로부터 물만을 제거하였으나, 상기 설명한 바와 같은 본 발명에 따르면, 분리막 접촉기(14, 18)를 사용함으로써 물과 함께 이산화탄소를 동시에 제거할 수 있으며, 나아가, 이산화탄소를 물로부터 추가로 분리할 수 있어, 고농도 이산화탄소를 회수할 수 있다. 여기서 회수된 이산화탄소는 다른 공정에서 사용할 수 있음은 물론, 메탄합성 공정 내에서 메탄 합성의 반응물로서 사용할 수 있어, 메탄의 생산량을 증대시킬 수 있고, 또한 고순도의 메탄을 제조할 수 있다.Conventionally, only water was removed from the reaction effluent by simple gas-liquid separators (4, 8), but according to the present invention as described above, carbon dioxide and water can be removed simultaneously by using membrane contactors (14, 18). Furthermore, carbon dioxide can be further separated from water, and high concentration carbon dioxide can be recovered. The carbon dioxide recovered here can be used in other processes as well as as a reactant for methane synthesis within the methane synthesis process, thereby increasing the production of methane and producing high purity methane.

실시예Example

이하, 본 발명을 실시예를 들어 보다 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 본 발명의 구체적인 일 예에 해당하는 것으로서, 이에 의해 본 발명을 한정하고자 하는 것이 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following example corresponds to a specific example of the present invention and is not intended to limit the present invention thereby.

실시예 1Example 1

CO 및 CO2의 메탄합성반응을 통한 메탄합성 반응효율을 확인하고자, 40중량%Ni/Al2O3인 촉매를 포함하는 메탄합성반응기에 반응가스로서 200℃로 예열된 CO 및 H2를 CO 1,000 mL/min 및 H2 3,000 mL/min의 공급량으로 연속 공급하여 메탄합성반응을 수행하였다. In order to confirm the reaction efficiency of methane synthesis through the methane synthesis reaction of CO and CO 2 , CO and H 2 preheated to 200°C as reaction gases were used as reaction gases in a methane synthesis reactor containing a catalyst of 40% by weight Ni/Al 2 O 3 . Methane synthesis reaction was performed by continuously supplying H 2 at a supply rate of 1,000 mL/min and 3,000 mL/min.

메탄합성 반응기의 온도를 250 내지 650℃로 변화시키면서, 온도에 따른 CO 전환율 및 CH4 선택도를 확인하고, 그 결과를 도 5에 나타내었다. While changing the temperature of the methane synthesis reactor from 250 to 650°C, the CO conversion rate and CH 4 selectivity according to temperature were confirmed, and the results are shown in FIG. 5.

도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, CH4 합성 반응은 발열반응으로 반응온도가 증가할수록 평형전환율이 감소하는 경향을 나타내었으며, 이로 인해 CO 및 CO2의 전환율이 감소하였다.As can be seen from Figure 5, the CH 4 synthesis reaction is an exothermic reaction, and the equilibrium conversion rate tended to decrease as the reaction temperature increased, resulting in a decrease in the conversion rates of CO and CO 2 .

반면, 온도가 400℃ 이하인 경우에는 CO 및 CO2 전환율이 90% 이상이며, CH4 선택도는 100%임을 알 수 있다. 따라서 반응 온도를 400℃ 이하로 유지하여 메탄 합성반응을 수행하는 것이 바람직함을 알 수 있다.On the other hand, when the temperature is 400°C or lower, the CO and CO 2 conversion rates are more than 90%, and the CH 4 selectivity is 100%. Therefore, it can be seen that it is desirable to perform the methane synthesis reaction by maintaining the reaction temperature below 400°C.

실시예 2Example 2

가스 유속에 따른 분리막 접촉기에서의 CO2 제거 및 H2 회수 효율을 확인하기 위해, 조성이 N2 12.8%, H2 43.6%, CO2 43.6%로 구성된 가스를 유량 8.5L/min에서 12.5L/min으로 조절하여 분리막 접촉기의 튜브사이드로 통과시켰다. 이때, 압력은 4bar에서 8bar까지 조절하였다. To check the CO 2 removal and H 2 recovery efficiency in the membrane contactor according to the gas flow rate, a gas with a composition of 12.8% N 2 , 43.6% H 2 , and 43.6% CO 2 was used at a flow rate of 8.5 L/min and 12.5 L/min. It was adjusted to min and passed through the tube side of the membrane contactor. At this time, the pressure was adjusted from 4 bar to 8 bar.

쉘사이드로는 물을 3L/min의 유량으로 고정하여 공급하였다. Water was supplied to the shell side at a fixed flow rate of 3 L/min.

상기 분리막 접촉기에서 배출되는 가스의 조성을 분석하고, 잔류하는 CO2 함량을 측정하여 분리막 접촉기에서의 CO2 제거율을 도 6에 나타내었다. 또한, 잔류하는 H2의 함량을 측정하여 분리막 접촉기에서의 H2 회수율을 도 7에 나타내었다.The composition of the gas discharged from the membrane contactor was analyzed, the remaining CO 2 content was measured, and the CO 2 removal rate from the membrane contactor is shown in FIG. 6. In addition, the content of remaining H 2 was measured and the H 2 recovery rate in the membrane contactor is shown in FIG. 7.

도 6으로부터 알 수 있는 바와 같이, 압력이 증가함에 따라 CO2 용해도가 증가하면서 CO2 제거율이 증가하는 경향을 나타내었다. 가스의 유량이 12.5L/min으로 높을 때도 CO2 제거율이 72%에서 94%까지 증가하여 압력 증가에 따른 CO2 용해도 증가의 경향을 나타내었다. 한편, 가스 유량이 낮은 경우에는 분리막 접촉기와 접촉할 시간이 길어지게 되므로, 압력이 낮더라도 가스의 유량이 8.5L/min의 경우 CO2 제거율이 약 89%까지만 감소하여, CO2 제거 효율이 높은 것을 알 수 있다.As can be seen from Figure 6, as pressure increases, CO 2 solubility increases and CO 2 removal rate tends to increase. Even when the gas flow rate was as high as 12.5 L/min, the CO 2 removal rate increased from 72% to 94%, showing a tendency for CO 2 solubility to increase with pressure increase. On the other hand, when the gas flow rate is low, the contact time with the membrane contactor becomes longer, so even if the pressure is low, the CO 2 removal rate only decreases to about 89% when the gas flow rate is 8.5 L/min, resulting in high CO 2 removal efficiency. You can see that

물에 대한 H2의 용해도가 CO2 대비 매우 낮다. 그러나, 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 압력이 증가할수록 H2가 일부 물에 용해되지만, 기체의 유량이 높을수록 H2의 회수율 감소가 적어지는 경향을 나타내며, 8bar의 낮은 압력으로 분리막 접촉기를 운전할 때도 90% 이상의 H2 회수율을 얻을 수 있었다. The solubility of H2 in water is very low compared to CO2 . However, as can be seen from Figure 7, as the pressure increases, some H 2 dissolves in water, but the higher the gas flow rate, the less the recovery rate of H 2 decreases, and the membrane contactor is operated at a low pressure of 8 bar. Even when driving, an H 2 recovery rate of over 90% could be obtained.

이로부터, 가스 유량이 빠를수록 압력이 낮을수록 H2가 손실되는 비율은 낮아진다.From this, the faster the gas flow rate and the lower the pressure, the lower the rate at which H 2 is lost.

실시예 3Example 3

실시예 1 및 2의 결과를 바탕으로, 반응가스로서 200℃로 예열된 CO 및 H2를 CO 1,000 mL/min 및 H2 3,000 mL/min의 공급량으로, CO 전환율 90%, 메탄 선택도 95%의 성능을 갖는 실시예 1의 촉매를 포함하는 제1 메탄합성 반응기에 연속 공급하여 제1 메탄합성반응을 수행하는 것을 시뮬레이션하였다. 이때, 250 내지 350℃의 온도 및 20bar의 압력으로 설정하였다.Based on the results of Examples 1 and 2, CO and H 2 preheated to 200°C as reaction gases were supplied at a rate of 1,000 mL/min of CO and 3,000 mL/min of H 2 , with a CO conversion rate of 90% and methane selectivity of 95%. It was simulated to carry out the first methane synthesis reaction by continuously supplying the catalyst of Example 1 with the performance of the first methane synthesis reactor. At this time, the temperature was set at 250 to 350°C and the pressure was 20 bar.

상기 제1 메탄합성 반응기로부터 배출되는 제1 유출물의 조성은 CO2 45 mL/min, CH4 855 mL/min 및 H2O 810 mL/min이었고, H2 480 mL/min 및 CO 100 mL/min가 잔존하는 것으로 나타났다. The composition of the first effluent discharged from the first methane synthesis reactor was CO 2 45 mL/min, CH 4 855 mL/min, and H 2 O 810 mL/min, H 2 480 mL/min, and CO 100 mL/min. appeared to remain.

상기 제1 유출물을, 실시예 2의 결과를 바탕으로, 분리막 접촉기를 통과시켜 H2O 및 CO2를 제거하였다. Based on the results of Example 2, the first effluent was passed through a membrane contactor to remove H 2 O and CO 2 .

제1 분리막 접촉기를 통과한 제1 유출물의 조성은, 물은 모두 제거되어 존재하지 않았고, CO2는 90% 제거되어 45 mL/min에서 4.5 mL/min으로 감소하였으며, H2는 90% 회수되어, 480 mL/min에서 432 mL/min으로 감소하였음을 확인하였다. The composition of the first effluent that passed through the first membrane contactor was: all water was removed and did not exist, CO 2 was removed by 90% and decreased from 45 mL/min to 4.5 mL/min, and H 2 was recovered by 90%. , it was confirmed that it decreased from 480 mL/min to 432 mL/min.

상기 제1 분리막 접촉기를 통과한 제1 유출물을 CO 및 CO2의 메탄합성 반응 전환율 및 선택도가 90%, 메탄 선택도가 95%인 제2 메탄합성 반응기에 주입하여 제2 메탄합성 반응을 수행하였다. The first effluent that passed through the first membrane contactor is injected into a second methane synthesis reactor with a methane synthesis reaction conversion rate and selectivity of CO and CO 2 of 90% and a methane selectivity of 95% to perform a second methane synthesis reaction. carried out.

상기 제2 메탄합성 반응기로부터 배출되는 제2 유출물의 조성은 CH4 948 mL/min, CO2 1 mL/min, H2O 97 mL/min, CO 10 mL/min 및 H2 149 mL/min가 존재하는 것으로 확인되었다. The composition of the second effluent discharged from the second methane synthesis reactor is CH 4 948 mL/min, CO 2 1 mL/min, H 2 O 97 mL/min, CO 10 mL/min, and H 2 149 mL/min. confirmed to exist.

상기 제2 유출물을, 실시예 2의 결과를 바탕으로, 분리막 제2 분리막 접촉기를 통과시켜 H2O 및 CO2를 제거하였다. Based on the results of Example 2, the second effluent was passed through a second separator contactor to remove H 2 O and CO 2 .

제2 분리막 접촉기를 통과한 제2 유출물은, 물은 모두 제거되어 존재하지 않았다. In the second effluent that passed through the second membrane contactor, all water was removed and did not exist.

최종 생성물의 조성은 CH4 948 mL/min, CO 10 mL/min 및 H2 134mL/min을 포함하는 것으로 확인되었다. The composition of the final product was confirmed to include CH 4 948 mL/min, CO 10 mL/min, and H 2 134 mL/min.

따라서, 최종 생성물의 CH4 순도는 87%임을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the CH 4 purity of the final product is 87%.

실시예 4Example 4

다음의 과정을 추가로 포함하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다:It was carried out in the same manner as Example 1, except that the following process was additionally included:

실시예 1에서 제1 분리막 접촉기를 통해 제1 유출물로부터 제거한 이산화탄소 및 물을 포함하는 용액(이산화탄소 함유 물)을 회수한 후, 상압으로 감압하여 CO2를 가스상태로 회수하였다. In Example 1, the solution containing carbon dioxide and water (carbon dioxide-containing water) removed from the first effluent through the first membrane contactor was recovered, and then the pressure was reduced to normal pressure to recover CO 2 in a gaseous state.

상기 회수한 CO2를 20bar의 압력으로 가압한 후, 상기 제1 분리막 접촉기를 통과한 제1 유출물과 함께 제2 메탄합성 반응기에 주입하여 제2 메탄합성 반응을 수행하였다.The recovered CO 2 was pressurized to a pressure of 20 bar and then injected into the second methane synthesis reactor along with the first effluent that passed through the first separation membrane contactor to perform a second methane synthesis reaction.

상기 제2 메탄합성 반응기로부터 배출되는 제2 유출물의 조성은 CH4 981 mL/min, CO 12 mL/min, CO2 5 mL/min, H2 15 mL/min, H2O 164 mL/min인 것으로 확인되었다.The composition of the second effluent discharged from the second methane synthesis reactor is CH 4 981 mL/min, CO 12 mL/min, CO 2 5 mL/min, H 2 15 mL/min, H 2 O 164 mL/min. It was confirmed that

상기 제2 유출물을, 실시예 2의 결과를 바탕으로, 제2 분리막 접촉기를 통과시켜 H2O 및 CO2를 제거하였다. Based on the results of Example 2, the second effluent was passed through a second membrane contactor to remove H 2 O and CO 2 .

제2 분리막 접촉기를 통과한 제2 유출물은 물은 모두 제거되어 존재하지 않았다. In the second effluent that passed through the second membrane contactor, all water was removed and did not exist.

최종 생성물의 조성은 CH4 981 mL/min, CO 12 mL/min 및 H2 14 mL/min을 포함하는 것으로 확인되었다. The composition of the final product was confirmed to include CH 4 981 mL/min, CO 12 mL/min and H 2 14 mL/min.

따라서, 최종 생성물의 CH4 순도는 97%임을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the CH 4 purity of the final product is 97%.

실시예 5Example 5

다음의 과정을 추가로 포함하는 것을 제외하고는 실시예 2와 동일한 방법으로 실시하였다:It was carried out in the same manner as Example 2, except that the following process was additionally included:

실시예 2에서 제1 분리막 접촉기를 통해 제1 유출물로부터 제거한 이산화탄소 및 물을 포함하는 용액(제1 이산화탄소 함유 물)을 회수하였다.In Example 2, a solution containing carbon dioxide and water (first carbon dioxide-containing water) removed from the first effluent through the first membrane contactor was recovered.

한편, 실시예 2의 제2 분리막 접촉기를 통해 제2 유출물로부터 제거한 이산화탄소 및 물을 포함하는 용액(제2 이산화탄소 함유 물)을 회수하였다.Meanwhile, a solution containing carbon dioxide and water (second carbon dioxide-containing water) removed from the second effluent through the second membrane contactor of Example 2 was recovered.

상기 제1 이산화탄소 함유 물 및 제2 이산화탄소 함유 물을 혼합한 후, 상압으로 감압하여 CO2를 가스상태로 회수하였다. After mixing the first carbon dioxide-containing water and the second carbon dioxide-containing water, the pressure was reduced to normal pressure to recover CO 2 in a gaseous state.

상기 회수한 CO2를 20bar의 압력으로 가압한 후 상기 제1 분리막 접촉기를 통과한 제1 유출물과 함께 제2 메탄합성 반응기에 주입하여 제2 메탄합성 반응을 수행하였다.The recovered CO 2 was pressurized to a pressure of 20 bar and then injected into the second methane synthesis reactor along with the first effluent that passed through the first separation membrane contactor to perform a second methane synthesis reaction.

상기 제2 메탄합성 반응기로부터 배출되는 제2 유출물의 조성은 CH4 985 mL/min, CO 12 mL/min, CO2 5 mL/min, H2 1 mL/min, H2O 171 mL/min가 존재하였다.The composition of the second effluent discharged from the second methane synthesis reactor is CH 4 985 mL/min, CO 12 mL/min, CO 2 5 mL/min, H 2 1 mL/min, H 2 O 171 mL/min. It existed.

상기 제2 유출물을 제2 분리막 접촉기를 통과시켜 H2O 및 CO2를 제거하였다. The second effluent was passed through a second membrane contactor to remove H 2 O and CO 2 .

제2 분리막 접촉기를 통과한 제2 유출물은 물이 모두 제거되어 존재하지 않았다. The second effluent that passed through the second membrane contactor did not exist because all of the water was removed.

최종 생성물의 조성은 CH4 985 mL/min, CO 12 mL/min 및 H2 1 mL/min을 포함하는 것으로 확인되었다. The composition of the final product was confirmed to include CH 4 985 mL/min, CO 12 mL/min and H 2 1 mL/min.

따라서, 최종 생성물의 CH4 순도는 99%임을 알 수 있다.Therefore, it can be seen that the CH 4 purity of the final product is 99%.

비교예 1Comparative Example 1

실시예 3에서 분리막 접촉기 대신 기액 분리기를 사용하여 제1 유출물로부터 물을 제거한 후 기액 분리기를 통과한 제1 유출물의 조성을 분석한 결과, 물은 모두 제거되었으나, CO2는 제1 메탄합성 반응에서 생성된 물에 일부 용해되었을 뿐, 상당량이 잔존하는 것으로 확인되었다. In Example 3, water was removed from the first effluent using a gas-liquid separator instead of a membrane contactor, and the composition of the first effluent that passed through the gas-liquid separator was analyzed. As a result, all water was removed, but CO 2 was removed from the first methane synthesis reaction. It was confirmed that only a portion was dissolved in the produced water, but a significant amount remained.

상기 기액 분리기를 통과한 제1 유출물을 실시예 3과 동일한 방법으로 CO 및 CO2의 메탄합성 반응기에 주입하여 메탄합성 반응을 수행하고, 제2 메탄합성 반응기로부터 유출되는 제2 유출물의 조성을 분석하였다.The first effluent that passed through the gas-liquid separator was injected into a methane synthesis reactor of CO and CO 2 in the same manner as in Example 3 to perform a methane synthesis reaction, and the composition of the second effluent flowing out from the second methane synthesis reactor was analyzed. did.

제2 유출물은 CH4 959 mL/min, CO 11 mL/min, H2 152 mL/min으로, CH4 순도는 85%가 된다.The second effluent is CH 4 959 mL/min, CO 11 mL/min, H 2 152 mL/min, and CH 4 purity is 85%.

1, 5, 11, 15: 예열기
2, 6, 12, 16: 메탄합성 반응기
3, 7, 13, 17: 냉각기
4, 8: 기액 분리기
14, 18: 분리막 접촉기
19: 감압 탈기장치
20: 감압밸브
21: 가압장치
1, 5, 11, 15: Preheater
2, 6, 12, 16: Methane synthesis reactor
3, 7, 13, 17: Cooler
4, 8: Gas-liquid separator
14, 18: Separator contactor
19: Reduced pressure deaerator
20: Pressure reducing valve
21: Pressurizing device

Claims (15)

일산화탄소와 수소를 함유하는 반응물을 제1 메탄합성 반응기에 공급하여 메탄을 합성하는 제1 메탄합성 반응단계;
상기 제1 메탄합성 반응기에서 유출되는 제1 유출물을 냉각하는 냉각단계;
냉각된 제1 유출물을 제1 분리막 접촉기를 통과시켜 상기 제1 유출물로부터 물 및 CO2를 제거하고, 미반응 일산화탄소 및 수소를 함유하는 제1 유출물을 회수하는 이산화탄소 함유 물 제거 단계;
상기 제거된 이산화탄소 함유 물을 감압하여 물에 용해된 CO2의 적어도 일부를 탈기하여 이산화탄소를 회수하는 단계;
상기 회수된 이산화탄소와 상기 제1 유출물을 제2 메탄합성 반응기에 공급하여 메탄을 합성하는 제2 메탄합성 반응단계;
상기 제2 메탄합성 반응기에서 유출되는 제2 유출물을 냉각하는 제2 냉각단계;
다공성 분리막으로 분리된 쉘 사이드 및 튜브 사이드를 포함하는 제2 분리막 접촉기의 튜브 사이드로 냉각된 제2 유출물을 유입하고, 쉘 사이드로 물을 유입하며, 냉각된 제2 유출물 중의 물 및 이산화탄소를 다공성 분리막을 통과시켜 쉘 사이드의 물에 용해하여 제2 유출물 중의 물 및 이산화탄소를 제거하고, 제2 유출물을 회수하는 이산화탄소 함유 물 제거 단계;
상기 제2 유출물로부터 제거된 이산화탄소 함유 물을 감압하고 이산화탄소 함유 물에 용해된 이산화탄소의 적어도 일부를 탈기하여 이산화탄소를 회수하는 단계; 및
상기 회수된 이산화탄소를 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 단계를 포함하는 합성천연가스 제조방법.
A first methane synthesis reaction step of synthesizing methane by supplying reactants containing carbon monoxide and hydrogen to a first methane synthesis reactor;
A cooling step of cooling the first effluent flowing out of the first methane synthesis reactor;
A carbon dioxide-containing water removal step of passing the cooled first effluent through a first membrane contactor to remove water and CO 2 from the first effluent and recovering the first effluent containing unreacted carbon monoxide and hydrogen;
Recovering carbon dioxide by depressurizing the removed carbon dioxide-containing water and degassing at least a portion of the CO 2 dissolved in the water;
A second methane synthesis reaction step of synthesizing methane by supplying the recovered carbon dioxide and the first effluent to a second methane synthesis reactor;
A second cooling step of cooling the second effluent flowing out of the second methane synthesis reactor;
The cooled second effluent is introduced into the tube side of the second membrane contactor, which includes a shell side and a tube side separated by a porous membrane, water is introduced into the shell side, and water and carbon dioxide in the cooled second effluent are introduced. A carbon dioxide-containing water removal step of removing water and carbon dioxide in the second effluent by passing it through a porous separation membrane and dissolving it in water on the shell side, and recovering the second effluent;
Recovering carbon dioxide by depressurizing the carbon dioxide-containing water removed from the second effluent and degassing at least a portion of the carbon dioxide dissolved in the carbon dioxide-containing water; and
A synthetic natural gas production method comprising supplying the recovered carbon dioxide to a second methane synthesis reactor.
제1항에 있어서, 상기 제1 분리막 접촉기는 다공성 분리막으로 분리된 쉘 사이드 및 튜브 사이드를 포함하고, 상기 튜브 사이드로 상기 냉각된 제1 유출물이 유입되고, 쉘 사이드로 물이 유입되며, 냉각된 제1 유출물 중의 물 및 이산화탄소가 다공성 분리막을 통과하여 쉘 사이드의 물에 용해되어 제거되는 것인 합성천연가스 제조방법.The method of claim 1, wherein the first membrane contactor includes a shell side and a tube side separated by a porous membrane, the cooled first effluent flows into the tube side, water flows into the shell side, and cooling. A method of producing synthetic natural gas in which water and carbon dioxide in the first effluent pass through a porous separation membrane and are removed by dissolving in water on the shell side. 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제1항에 있어서, 상기 회수된 이산화탄소를 가압하여 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 합성 천연가스 제조방법.The method of claim 1, wherein the recovered carbon dioxide is pressurized and supplied to a second methane synthesis reactor. 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 분리막 접촉기 또는 제2 분리막 접촉기는 상압 내지 50bar의 압력으로 운전되는 것인 합성천연가스 제조방법.The method of producing synthetic natural gas according to any one of claims 1, 2, and 6, wherein the first membrane contactor or the second membrane contactor is operated at a pressure of normal pressure to 50 bar. 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 분리막 접촉기 또는 제2 분리막 접촉기는 폴리프로필렌, 폴리에틸렌 및 폴리메틸메타크릴레이트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 일종의 고분자 또는 이들 중 2종 이상의 고분자의 복합물로 된 것인 합성천연가스 제조방법.The method of any one of claims 1, 2, and 6, wherein the first separator contactor or the second separator contactor is a polymer selected from the group consisting of polypropylene, polyethylene, and polymethyl methacrylate, or any of these. A method of producing synthetic natural gas made of a composite of two or more types of polymers. 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응물을 예열하여 제1 메탄합성 반응기에 공급하는 합성천연가스 제조방법.The method of producing synthetic natural gas according to any one of claims 1, 2, and 6, wherein the reactants are preheated and supplied to the first methane synthesis reactor. 제1항, 제2항 및 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유출물을 예열하여 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 합성천연가스 제조방법.The method of producing synthetic natural gas according to any one of claims 1, 2, and 6, wherein the first effluent is preheated and supplied to a second methane synthesis reactor. 일산화탄소 및 수소를 함유하는 반응물 스트림이 반응하여 메탄을 합성하는 제1 메탄합성 반응기;
상기 제1 메탄합성 반응기의 제1 유출물을 냉각하는 제1 냉각기;
다공성 분리막으로 분리된 쉘 사이드 및 튜브 사이드를 포함하고, 상기 튜브 사이드로 상기 냉각된 제1 유출물이 유입되고, 쉘 사이드로 물이 유입되며, 냉각된 제1 유출물 중의 물 및 이산화탄소가 다공성 분리막을 통과하여 쉘 사이드의 물에 용해되어 제거되는 것인 제1 분리막 접촉기;
상기 튜브사이드를 통과한 제1 유출물이 공급되고, 제1 유출물 중의 미반응 일산화탄소 및 수소를 반응시켜 메탄을 합성하는 제2 메탄합성 반응기;
상기 제1 분리막 접촉기의 쉘 사이드로부터 배출되는 이산화탄소 함유 물을 감압하여 물에 용해된 이산화탄소의 적어도 일부를 탈기함으로써 이산화탄소를 회수하는 감압 탈기장치; 및
상기 감압 탈기장치에서 회수된 이산화탄소를 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 이산화탄소 공급관
을 포함하는, 합성천연가스 제조 설비.
a first methane synthesis reactor in which a reactant stream containing carbon monoxide and hydrogen reacts to synthesize methane;
A first cooler for cooling the first effluent of the first methane synthesis reactor;
It includes a shell side and a tube side separated by a porous separator, the cooled first effluent flows into the tube side, water flows into the shell side, and water and carbon dioxide in the cooled first effluent flow into the porous separator. A first membrane contactor that passes through and is removed by dissolving in water on the shell side;
a second methane synthesis reactor to which the first effluent passing through the tube side is supplied and which synthesizes methane by reacting unreacted carbon monoxide and hydrogen in the first effluent;
a reduced pressure degassing device that recovers carbon dioxide by depressurizing carbon dioxide-containing water discharged from the shell side of the first membrane contactor and degassing at least a portion of the carbon dioxide dissolved in the water; and
A carbon dioxide supply pipe supplying the carbon dioxide recovered from the reduced pressure degassing device to the second methane synthesis reactor.
Including, synthetic natural gas manufacturing equipment.
제11항에 있어서, 상기 제1 유출물을 예열하여 제2 메탄합성 반응기에 공급하는 제2 예열기를 더 포함하는 합성천연가스 제조 설비.The synthetic natural gas production facility of claim 11, further comprising a second preheater for preheating the first effluent and supplying the first effluent to a second methane synthesis reactor. 제12항에 있어서,
상기 제2 메탄합성 반응기에서 유출되는 제2 유출물을 냉각하는 제2 냉각기; 및
다공성 분리막으로 분리된 쉘 사이드 및 튜브 사이드를 포함하고, 상기 튜브 사이드로 상기 냉각된 제2 유출물이 유입되고, 쉘 사이드로 물이 유입되며, 냉각된 제2 유출물 중의 물 및 이산화탄소가 다공성 분리막을 통과하여 쉘 사이드의 물에 용해되어 제거되는 제2 분리막 접촉기
를 포함하는 합성천연가스 제조 설비.
According to clause 12,
a second cooler for cooling the second effluent flowing out of the second methane synthesis reactor; and
It includes a shell side and a tube side separated by a porous separator, the cooled second effluent flows into the tube side, water flows into the shell side, and water and carbon dioxide in the cooled second effluent flow into the porous separator. A second membrane contactor that passes through and is removed by dissolving in water on the shell side.
Synthetic natural gas manufacturing equipment including.
제13항에 있어서, 상기 제1 분리막 접촉기의 쉘 사이드를 통해 배출되는 이산화탄소 함유 물과 제2 분리막 접촉기의 쉘 사이드를 통해 배출되는 이산화탄소 함유 물을 혼합하는 배관을 더 포함하고, 혼합된 이산화탄소 함유 물을 감압 탈기장치로 이송하는 합성천연가스 제조설비.The method of claim 13, further comprising a pipe for mixing carbon dioxide-containing water discharged through the shell side of the first membrane contactor with carbon dioxide-containing water discharged through the shell side of the second membrane contactor, and the mixed carbon dioxide-containing water. A synthetic natural gas production facility that transfers gas to a pressure degassing device. 제11항에 있어서, 상기 이산화탄소 공급관은 제2 메탄합성 반응기에 공급되는 이산화탄소를 가압하는 가압장치를 구비하는 합성천연가스 제조 설비.The synthetic natural gas production facility of claim 11, wherein the carbon dioxide supply pipe is provided with a pressurizing device to pressurize the carbon dioxide supplied to the second methane synthesis reactor.
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