KR102665428B1 - 개질 반응기 및 이를 포함하는 개질 반응 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 개질 반응기 및 이를 포함하는 개질 반응 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 실시예에 따른 개질 반응기는 일측으로부터 타측으로 연장되는 반응기 본체; 반응기 본체 내에 구비되고, 제1 촉매부를 구비하며, 반응기 본체의 일측으로부터 공급되어 반응기 본체의 타측으로 이동하는 제1 원료가스와 제1 촉매부의 제1 반응이 수행되는 복수의 제1 반응 튜브; 및 반응기 본체 내에 구비되고, 제2 촉매부를 구비하며, 반응기 본체의 타측으로부터 공급되어 반응기 본체의 일측으로 이동하는 제2 원료가스와 제2 촉매부의 제2 반응이 수행되는 복수의 제2 반응 튜브를 포함하고, 복수의 제2 반응 튜브는, 복수의 제1 반응 튜브 사이 사이에 배치되도록 형성되어 제1 반응 튜브의 반응열을 선택적으로 전달받고, 제2 반응 튜브로 전달된 제1 반응 튜브의 반응열은 제2 반응을 유발하는 열량으로 사용된다.

Description

개질 반응기 및 이를 포함하는 개질 반응 시스템{REFORMING REACTOR AND REFORMING SYSTEM FOR HAVING THE SAME}
본 발명은 개질 반응기 및 이를 포함하는 개질 반응 시스템에 대한 것이다.
지구 온난화로 인한 기후 변화 문제가 대두되면서 세계 각국은 온실가스 배출 저감을 위해 화석연료의 사용을 절감하고 신재생 에너지의 발전 비율을 높이기 위한 다양한 연구를 수행하고 있다.
그러나, 신재생 에너지는 기상 및 기후의 영향을 크게 받기 때문에, 전력 출력의 변동성이 커서 전력계통의 안정성을 저하시키고, 유휴 전력의 문제를 야기할 수 있다.
한편, 신재생에너지의 한계점을 보완하기 위하여 Power To Gas(P2G) 기술이 개발되고 있다. 이러한 P2G 기술은 신재생 에너지로부터 생산된 전력을 이용하여 수소를 생산하거나, 일산화탄소 및 이산화탄소를 각각 수소와 메탄화 반응시켜서 메탄으로 전환한 후, 이를 연료로 활용하는 기술이다.
이때, 메탄화 반응은 발열 반응에 해당하고, 이러한 메탄화 반응에는 전이금속 계열의 촉매가 사용된다. 하지만, 메탄화 반응에서 발생하는 반응열(약 900℃)이 촉매의 활성화 온도(250℃ 내지 300℃)를 초과하기 때문에, 촉매에 탄소 침적이 발생하게 된다. 그리고 이러한 상태가 장시간 지속될 경우, 촉매가 소결되어 촉매의 활성이 감소됨에 따라, 메탄 전환율이 현저히 저하되는 문제가 있다. 따라서, 메탄화 반응의 반응열의 효과적인 추출 및 제어가 공정의 수율 향상에 있어서 가장 중요한 요소이다.
한편, 메탄화 반응의 반응열을 제어하기 위해, 촉매 반응 후단 또는 내부에 열교환기를 다양한 형태로 장착하여 반응열을 회수 및 냉각시킴으로써, 촉매를 보호할 수 있는 반응기가 제안된 바 있다.
하지만, 극심한 발열을 수반하는 메탄화 반응에서 열교환이 원활하게 이루어지기 위해서는 열교환기의 개수의 증가가 불가피하므로, 반응기의 부피가 과도하게 커지고, 반응기의 구조가 복잡해지는 문제가 있다.
또한, 메탄화 반응의 반응열을 열교환기를 통해 재사용할 경우, 열손실이 불가피하므로, 메탄화 반응의 반응열을 효과적으로 활용할 수 없다는 문제가 있다.
따라서, 단순한 구조로 구비되고, 메탄화 반응의 반응열을 효과적으로 활용할 수 있는 개질 반응기가 필요한 실정이다.
본 발명의 실시예들은 상술한 종래의 문제점을 해결하고자 안출된 것으로서, 단순한 구조로 구비되고, 메탄화 반응의 반응열을 효과적으로 활용할 수 있는 개질 반응기 및 이를 포함하는 개질 반응 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 일측으로부터 타측으로 연장되는 반응기 본체; 상기 반응기 본체 내에 구비되고, 제1 촉매부를 구비하며, 상기 반응기 본체의 상기 일측으로부터 공급되어 상기 반응기 본체의 상기 타측으로 이동하는 제1 원료가스와 상기 제1 촉매부의 제1 반응이 수행되는 복수의 제1 반응 튜브; 및 상기 반응기 본체 내에 구비되고, 제2 촉매부를 구비하며, 상기 반응기 본체의 상기 타측으로부터 공급되어 상기 반응기 본체의 상기 일측으로 이동하는 제2 원료가스와 상기 제2 촉매부의 제2 반응이 수행되는 복수의 제2 반응 튜브를 포함하고, 복수의 상기 제2 반응 튜브는, 복수의 상기 제1 반응 튜브 사이 사이에 배치되도록 형성되어 상기 제1 반응 튜브의 반응열을 선택적으로 전달받고, 상기 제2 반응 튜브로 전달된 상기 제1 반응 튜브의 상기 반응열은 상기 제2 반응을 유발하는 열량으로 사용되는, 개질 반응기가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 반응 튜브 및 상기 제2 반응 튜브는 각각 원형의 단면 구조를 갖도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 반응 튜브의 적어도 일면은 상기 제1 반응 튜브의 일면과 접촉되도록 배치될 수 있다.
또한, 복수의 상기 제2 반응 튜브는 상기 제1 반응 튜브의 반경방향을 따라 이격되게 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 반응 튜브의 내부에는 방해부가 구비되고, 상기 방해부는, 상기 제1 원료가스와 상기 제1 촉매부의 상기 제1 반응에 의해 생성된 제1 합성가스와 접촉 가능한 형상으로 마련되어 상기 제1 합성가스의 체류 시간을 연장시킬 수 있다.
또한, 상기 방해부는, 상기 제1 반응 튜브의 길이방향에 대하여 소정 각도로 연장되는 형상을 갖는 제1 접촉 부재; 및 상기 제1 반응 튜브의 상기 길이방향에 대하여 소정 각도로 연장되되, 상기 제1 접촉 부재와 다른 각도로 연장되는 형상을 갖는 제2 접촉 부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 접촉 부재 및 상기 제2 접촉 부재는 상기 제1 반응 튜브의 상기 길이방향을 따라 서로 교번하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1 접촉 부재 및 상기 제2 접촉 부재는 서로 대칭되는 각도로 기울어져 형성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 개질 반응기; 상기 제1 반응 튜브에 연결되고, 상기 제1 원료가스를 상기 제1 반응 튜브로 공급하는 제1 공급부; 상기 제2 반응 튜브에 연결되고, 상기 제2 원료가스를 상기 제2 반응 튜브로 공급하는 제2 공급부; 및 상기 개질 반응기에 연결되고, 상기 제1 반응 튜브의 온도 및 상기 제2 반응 튜브의 온도를 센싱하는 센서부를 포함하는, 개질 반응 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 반응 튜브와 상기 제1 공급부 사이에 연결되는 제1 예열부; 상기 제2 반응 튜브와 상기 제2 공급부 사이에 연결되는 제2 예열부; 및 상기 센서부의 센싱값을 기초로 하여 상기 제1 공급부, 상기 제2 공급부, 상기 제1 예열부 및 상기 제2 예열부 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 공급부는, 상기 제1 원료가스가 저장되는 제1 저장탱크; 상기 제1 저장탱크 및 상기 제1 반응 튜브 사이에 연결되는 제1 공급라인; 및 상기 제1 공급라인에 구비되는 제1 유량 제어 밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 센서부의 센싱값을 바탕으로 상기 제1 유량 제어 밸브의 개폐를 제어함으로써, 상기 제1 반응 튜브의 온도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 제2 공급부는, 상기 제2 원료가스가 저장되는 제2 저장탱크; 상기 제2 저장탱크 및 상기 제2 반응 튜브 사이에 연결되는 제2 공급라인; 및 상기 제2 공급라인에 구비되는 제2 유량 제어 밸브를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 센서부의 센싱값을 바탕으로 상기 제2 유량 제어 밸브의 개폐를 제어함으로써, 상기 제2 반응 튜브의 온도를 조절할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 센서부의 센싱값을 바탕으로 상기 제1 예열부를 구동시켜서 상기 제1 원료가스의 적어도 일부가 상기 제1 반응에 요구되는 온도로 예열되도록 할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 센서부의 센싱값을 바탕으로 상기 제2 예열부를 구동시켜서 상기 제2 원료가스의 적어도 일부가 상기 제2 반응에 요구되는 온도로 예열되도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 단순한 구조로 구비되고, 메탄화 반응의 반응열을 효과적으로 활용할 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1의 개질 반응기의 제1 반응 튜브 및 제2 반응 튜브를 도시한 정면도이다.
도 3은 도 2의 A-A 단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 개질 반응기를 개략적으로 도시한 정면도이다.
도 5는 도 4의 개질 반응기의 제1 반응 튜브 및 제2 반응 튜브를 도시한 정면도이다.
도 6은 도 4의 개질 반응기의 제1 반응 튜브 및 제2 반응 튜브를 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예들에 따른 개질 반응 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8은 도 7의 제어 블록도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '결합, '연결'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 결합되거나 연결될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 일측, 타측, 상측, 하측 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
명세서에서 사용되는 '포함하는'의 의미는 특정 특성, 영역, 저장수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 저장수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 3를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 개질 반응기(10)는 반응기 본체(100), 복수의 제1 반응 튜브(200), 복수의 제2 반응 튜브(300) 및 방해부(400)를 포함할 수 있다.
반응기 본체(100)는 개질 반응기(10)의 외관을 형성할 수 있으며, 내부에 제1 반응 튜브(200) 및 제2 반응 튜브(300)가 배치될 수 있는 공간을 구비할 수 있다. 이를 위해, 반응기 본체(100)는 일 예로 일측에서 타측으로 연장되며, 내부에 중공을 갖는 원통 형상 또는 쉘 형상으로 이루어질 수 있다.
복수의 제1 반응 튜브(200)는 제1 원료가스와 제1 촉매의 제1 반응이 수행되는 부분으로, 제1 반응은 발열 반응일 수 있다. 예를 들어, 제1 반응은 이산화탄소 메탄화 반응 및 일산화탄소 메탄화 반응 중 적어도 하나일 수 있다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 이로 인해 본 발명의 사상이 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 소정 온도의 반응열이 발생하는 발열 반응이라면 제1 반응으로 다양하게 적용이 가능하다.
이를 위해, 제1 반응 튜브(200)에는 외부로부터 공급된 제1 원료가스가 이동할 수 있는 제1 유로(210)가 구비될 수 있다. 이러한 제1 유로(210)에서는 제1 원료가스가 반응기 본체(100)의 일측에서 타측으로 흐르는 가스 흐름이 형성될 수 있다. 또한, 제1 반응 튜브(200)에는 제1 반응시 사용될 수 있는 제1 촉매가 충진된 제1 촉매부(220)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 제1 촉매부는 발열 반응용 촉매일 수 있고, 분말 형태 또는 펠렛 형태로 구비될 수 있다.
한편, 복수의 제1 반응 튜브(200)는 각각 일 예로 양 단부가 개방되고, 원형의 단면 구조를 갖는 파이프 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 복수의 제1 반응 튜브(200)는 각각 실질적으로 동일한 크기를 가질 수 있다.
이때, 제1 반응 튜브(200)의 양 단부 중 반응기 본체(100)의 일측에 배치된 단부를 통해 제1 원료가스가 공급될 수 있다. 반응기 본체(100)의 일측으로부터 공급된 제1 원료가스는 제1 유로(210)를 따라 이동하여 반응기 본체(100)의 타측으로 이동할 수 있다. 이 과정에서 제1 원료가스는 제1 촉매부(220)를 통과하면서 제1 원료가스와 제1 촉매부(220)에 충진된 제1 촉매와 접촉될 수 있다. 제1 원료가스와 제1 촉매가 접촉되면 제1 반응이 일어남에 따라, 제1 합성가스가 생성될 수 있다. 이렇게 생성된 제1 합성가스는 제1 반응 튜브(200)와 연결된 별도의 배출 라인(미도시)을 통해 배출되거나, 별도의 재순환 라인(미도시)을 통해 제1 반응 튜브(200)로 재공급될 수 있다.
제2 반응 튜브(300)는 제2 원료가스와 제2 촉매부의 제2 반응이 수행되는 부분으로, 제2 반응은 흡열 반응일 수 있다. 예를 들어, 제2 반응은 중온 메탄 촉매 분해 반응, PROX 부분산화 반응, 암모니아 촉매 분해 반응, 이산화탄소 건식 개질 반응 및 메탄 스팀 개질 반응 중 적어도 하나일 수 있다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서, 이로 인해 본 발명의 사상이 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 중온 메탄 촉매 분해 반응, PROX 부분산화 반응, 암모니아 촉매 분해 반응, 이산화탄소 건식 개질 반응 및 메탄 스팀 개질 반응 이외의 다양한 흡열 반응들이 제2 반응으로 대체될 수 있다.
이를 위해, 제2 반응 튜브(300)에는 외부로부터 공급된 제2 원료가스가 이동할 수 있는 제2 유로(310)가 구비될 수 있다. 이러한 제2 유로(310)에서는 제2 원료가스가 반응기 본체(100)의 타측에서 일측으로 흐르는 가스 흐름이 형성될 수 있다. 다시 말해, 제2 반응 튜브(300)의 제2 유로(310)에서 생성되는 가스 흐름의 방향과 제1 반응 튜브(200)의 제1 유로(210)에서 생성되는 가스 흐름의 방향은 서로 반대일 수 있다.
또한, 제2 반응 튜브(300)에는 제2 반응시 사용될 수 있는 제2 촉매가 충진된 제2 촉매부(320)가 구비될 수 있다. 예를 들어, 제2 촉매는 흡열 반응용 촉매일 수 있고, 분말 형태 또는 펠렛 형태로 구비될 수 있다. 이때, 제2 촉매부(320)는 제1 촉매부(220)의 후단에 배치될 수 있다. 여기서, 제1 촉매부(220)의 후단은 반응기 본체(100)의 타측을 의미한다. 이렇게 제1 촉매부(220)의 발열 반응에 의해 온도 상승이 집중적으로 일어나는 제1 촉매부(220)의 후단의 반응열이 제2 촉매부(320)로 온전히 전달되므로, 제2 반응, 즉, 제2 촉매부(320)의 흡열 반응이 촉진될 수 있다.
이때, 복수의 제2 반응 튜브(300)는 각각 일 예로 제1 반응 튜브(100)와 실질적으로 동일한 형상, 예컨대, 양 단부가 개방되고, 원형의 단면 구조를 갖는 파이프 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 복수의 제2 반응 튜브(300)는 각각 실질적으로 동일한 크기를 가질 수 있다.
이러한 제2 반응 튜브(300)의 양 단부 중 반응기 본체(100)의 타측에 배치된 단부를 통해 제2 원료가스가 공급될 수 있다. 이때, 반응기 본체(100)의 타측으로부터 공급된 제2 원료가스는 제2 유로(310)를 따라 이동하여 반응기 본체(100)의 일측으로 이동할 수 있다. 이 과정에서 제2 원료가스는 제2 촉매부(320)를 통과하면서 제2 원료가스와 제2 촉매부(320)에 충진된 제2 촉매와 접촉될 수 있다. 제2 원료가스와 제2 촉매가 접촉되면 제2 반응이 일어남에 따라, 제2 합성가스가 생성될 수 있다. 이렇게 생성된 제2 합성가스는 제2 반응 튜브(300)와 연결된 별도의 배출 라인(미도시)을 통해 배출되거나, 별도의 재순환 라인(미도시)을 통해 제2 반응 튜브(300)로 재공급될 수 있다.
한편, 복수의 제2 반응 튜브(300)는 복수의 제1 반응 튜브(200) 사이 사이에 배치되도록 형성되어 제1 반응 튜브(200)의 반응열을 선택적으로 전달받을 수 있다. 이렇게 제2 반응 튜브(300)로 전달된 제1 반응 튜브(200)의 반응열은 제2 반응을 유발하는 열량으로 사용될 수 있다. 아울러, 제2 반응 튜브(300)로 전달된 제1 반응 튜브(200)의 반응열은 제2 반응 튜브(300)의 온도를 높임과 동시에 제1 반응 튜브(200)의 온도가 반응열에 의해 과도하게 높아지지 않고, 제1 반응에 의한 제1 합성가스의 전환율이 극대화될 수 있는 적정 온도 범위 내로 유지될 수 있다.
이때, 제1 반응 튜브(200)의 반응열이 제2 반응 튜브(300)로 전달되기 위해, 제2 반응 튜브(300)의 적어도 일면은 제1 반응 튜브(200)의 일면과 접촉되도록 배치될 수 있다. 다만, 이는 예시에 불과하고, 이로 인해, 본 발명의 사상이 제한되는 것은 아니다. 제2 반응 튜브(300)의 적어도 일면은 제1 반응 튜브(200)의 일면과 이격되도록 배치되어 제1 반응 튜브(200)의 반응열이 제2 반응 튜브(300)로 전도되도록 구비되는 것도 가능하다.
방해부(400)는 제1 반응 튜브(200)의 내부에서 제1 원료가스와 제1 촉매부의 제1 반응에 의해 생성된 제1 합성가스의 체류 시간을 증가시킬 수 있다. 이를 위해, 방해부(400)는 제1 반응 튜브(200)의 내부에 구비될 수 있고, 제1 합성가스와 접촉 가능한 형상으로 마련될 수 있다.
이때, 방해부(400)는 제1 반응 튜브(200)의 길이방향에 대하여 소정 각도로 연장되는 형상을 갖는 제1 접촉 부재(410) 및 제1 반응 튜브(200)의 길이방향에 대하여 소정 각도로 연장되되, 제1 접촉 부재(410)와 다른 각도로 연장되는 형상을 갖는 제2 접촉 부재(420)를 포함할 수 있다. 여기서, 방향에 대한 용어를 정의하면, 제1 반응 튜브(200)의 길이방향은 도 1의 y축 방향을 의미한다.
한편, 제1 접촉 부재(410) 및 제2 접촉 부재(420)는 제1 반응 튜브(200)의 길이방향을 따라 서로 교번하게 배치될 수 있다. 이때, 제1 접촉 부재(410) 및 제2 접촉 부재(420)는 서로 대칭되는 각도로 기울어져 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 접촉 부재(410)가 반응기 본체(100)의 일측에서 타측으로 연장되는 방향에 대하여 기울어진 각도(a1)가 대략 45°인 경우, 제2 접촉 부재(420)가 반응기 본체(100)의 일측에서 타측으로 연장되는 방향에 대하여 기울어진 각도(a2)는 대략 135° 정도일 수 있다.
다만, 본 실시예에서는, 설명의 편의를 위해, 방해부(400)가 제1 접촉 부재(410) 및 제2 접촉 부재(420)를 포함하고, 제1 접촉 부재(410) 및 제2 접촉 부재(420)는 각각 제1 합성가스와 접촉 면적을 향상시킬 수 있는 접촉면을 구비하는 경우를 일 예로 들어 설명하였으나, 이는 예시에 불과하고, 이로 인해 본 발명의 사상이 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 방해부(400)는 제1 촉매부(220)의 후단에 배치되는 제1 반응 튜브(200)의 내측면이 제1 합성가스와 접촉 면적을 향상시킬 수 있는 접촉면으로 구비되되, 이러한 접촉면은 일 예로 물결 형상으로 이루어지는 것도 가능하다.
상술한 바와 같은 구성을 갖는 개질 반응기(10)는 제1 반응 튜브(200)의 촉매 반응, 예컨대, 제1 반응시 발생되는 반응열이 제2 반응 튜브(300)로 효과적으로 전달되어 제2 반응 튜브(300)에서 추가적인 촉매 반응, 예컨대, 제2 반응을 유도함에 따라, 제1 반응에 사용되는 제1 촉매부가 제1 반응의 반응열에 의해 손상되는 것이 방지될 수 있고, 제2 반응을 위해 공급되어야 하는 에너지를 감축시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 제1 반응 튜브(200)의 반응열이 제2 반응튜브(300)로 전달되어 제2 반응을 유발하는데 활용되므로, 반응을 회수 및 냉각하기 위한 별도의 장치가 필요하지 않음에 따라, 개질 반응기(10)의 구조가 단순해지고, 개질 반응기(10)가 소형화될 수 있다는 효과가 있다.
이하에서는, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 다른 실시예에 따른 개질 반응기에 대하여 설명한다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 개질 반응기(10')는 반응기 본체(100), 복수의 제1 반응 튜브(200'), 복수의 제2 반응 튜브(300') 및 방해부(400)를 포함할 수 있다. 이때, 도 4 내지 도 6에 도시된 반응기 본체(100) 및 방해부(400)는 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 바 있으므로, 이하에서는, 차이점에 해당하는 복수의 제1 반응 튜브(200') 및 복수의 제2 반응 튜브(300')를 중심으로 설명하고, 동일한 부분에 대해서는 상술한 실시예의 설명 및 도면부호를 원용하기로 한다.
복수의 제1 반응 튜브(200')는 각각 일 예로 양 단부가 개방되고, 원형의 단면 구조를 갖는 파이프 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 복수의 제1 반응 튜브(200')는 각각 서로 다른 크기를 가질 수 있다. 이렇게 복수의 제1 반응 튜브(200')가 각각 서로 다른 크기를 가짐으로써, 제1 반응이 수행될 수 있는 반응 면적이 보다 확보될 수 있다.
한편, 서로 다른 크기를 갖는 복수의 제1 반응 튜브(200')는 어느 하나가 다른 하나의 내부에 배치되는 구조로 구비될 수 있고, 복수의 제1 반응 튜브(200') 중 어느 하나는 다른 하나의 반경방향 외측 또는 반경방향 내측에 배치될 수 있다. 이로써, 복수의 제1 반응 튜브(200')의 부피가 과도하게 커지는 것이 방지될 수 있다. 여기서, 제1 반응 튜브(200')의 반경방향은 도 6의 x축 방향을 의미한다.
복수의 제2 반응 튜브(300')는 각각 제1 반응 튜브(200')와 실질적으로 동일한 형상으로 구비될 수 있다. 예를 들어, 복수의 제2 반응 튜브(300')는 각각 양 단부가 개방되고, 원형의 단면 구조를 갖는 파이프 형상으로 이루어질 수 있다. 여기서, 복수의 제2 반응 튜브(300')는 각각 서로 다른 크기를 가짐으로써, 제2 반응이 수행될 수 있는 반응 면적이 보다 확보될 수 있다.
한편, 서로 다른 크기를 갖는 복수의 제2 반응 튜브(300')는 어느 하나가 다른 하나의 내부에 배치되는 구조로 구비될 수 있다. 복수의 제2 반응 튜브(300') 중 어느 하나는 다른 하나의 반경방향 외측 또는 반경방향 내측에 배치될 수 있다. 이렇게 서로 다른 크기를 갖는 복수의 제2 반응 튜브(300')는 어느 하나가 다른 하나의 내부에 배치되면, 복수의 제2 반응 튜브(300')의 부피가 과도하게 커지는 것이 방지될 수 있다.
이때, 복수의 제2 반응 튜브(300')는 제1 반응 튜브(200')의 반경방향을 따라 이격되게 배치됨으로써, 서로 이격되게 배치된 복수의 제1 반응 튜브(200') 사이 사이에 제2 반응 튜브(300')가 배치될 수 있다. 여기서, 제1 반응 튜브(200')의 반경방향 및 제2 반응 튜브(300')의 반경방향은 도 6의 x축 방향을 의미한다. 이 경우, 복수의 제1 반응 튜브(200')와 복수의 제2 반응 튜브(300') 간의 접촉 면적이 증가되기 때문에, 복수의 제1 반응 튜브(200')의 반응열이 복수의 제2 반응 튜브(300')로 용이하게 전달될 수 있다. 복수의 제1 반응 튜브(200')의 반응열이 복수의 제2 반응 튜브(300')로 용이하게 전달되면, 복수의 제2 반응 튜브(300')의 제2 합성가스 전환율이 향상될 수 있다.
이하에서는, 도 7 및 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 개질 반응 시스템에 대하여 설명한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 개질 반응 시스템(1)은 개질 반응기(10), 제1 공급부(20), 제2 공급부(30), 센서부(40), 제1 예열부(50), 제2 예열부(60) 및 제어부(70)를 포함할 수 있다. 이때, 도 7 및 도 8에 도시된 개질 반응기(10)는 도 1 내지 도 3 또는 도 4 내지 도 6을 참조하여 설명한 바 있으므로, 이하에서는, 차이점에 해당하는 제1 공급부(20), 제2 공급부(30), 센서부(40), 제1 예열부(50), 제2 예열부(60) 및 제어부(70)를 중심으로 설명하고, 동일한 부분에 대해서는 상술한 실시예의 설명 및 도면부호를 원용하기로 한다.
제1 공급부(20)는 제1 원료가스를 개질 반응기(10)의 제1 반응 튜브(200)로 선택적으로 공급할 수 있다. 이를 위해, 제1 공급부(20)는 제1 원료가스가 저장되는 제1 저장탱크(21), 제1 저장탱크(21) 및 제1 반응 튜브(200) 사이에 연결되는 제1 공급라인(22) 및 제1 공급라인(22)에 구비되는 제1 유량 제어 밸브(23)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 유량 제어 밸브(23)는 제어부(70)에 의해 개도량이 조절되도록 구비됨으로써, 제1 반응 튜브(200)로 공급되는 제1 원료가스의 유량을 조절하여 제1 반응 튜브(200)의 온도를 조절할 수 있다. 제1 유량 제어 밸브(23)의 개도량은 제어부(70)로 전송된 센서부(40)의 센싱값에 따라 달라질 수 있다.
제2 공급부(30)는 제2 원료가스를 개질 반응기(10)의 제2 반응 튜브(300)로 선택적으로 공급할 수 있다. 이를 위해, 제2 공급부(30)는 제2 원료가스가 저장되는 제2 저장탱크(31), 제2 저장탱크(31) 및 제2 반응 튜브(300) 사이에 연결되는 제2 공급라인(32) 및 제2 공급라인(32)에 구비되는 제2 유량 제어 밸브(33)를 포함할 수 있다.
이때, 제2 유량 제어 밸브(33)는 제어부(70)에 의해 개도량이 조절되도록 구비됨으로써, 제2 반응 튜브(300)로 공급되는 제2 원료가스의 유량을 조절하여 제2 반응 튜브(300)의 온도를 조절할 수 있다. 제2 유량 제어 밸브(33)의 개도량은 제어부(70)로 전송된 센서부(40)의 센싱값에 의해 결정될 수 있다.
센서부(40)는 제1 반응 튜브(200)의 온도 및 제2 반응 튜브(300)의 온도를 센싱하기 위해 제공될 수 있다. 이를 위해, 센서부(40)는 제1 센서(41), 제2 센서(42) 및 제3 센서(43)를 포함할 수 있다.
이때, 제1 센서(41)는 제1 촉매부(220) 및 제2 촉매부(320)의 전단에 구비될 수 있고, 제2 센서(42)는 제1 촉매부(220) 및 제2 촉매부(320)의 후단에 구비될 수 있으며, 제3 센서(43)는 제1 촉매부(220) 및 제2 촉매부(320)의 중심부에 구비될 수 있다. 이러한 제1 센서(41), 제2 센서(42) 및 제3 센서(43)는 각각 제어부(70)와 연결되어 실시간으로 또는 일정 시간 간격으로 측정되는 온도를 제어부(70)로 송신할 수 있다.
제1 예열부(50)는 제1 공급부(20)의 제1 원료가스의 적어도 일부를 소정의 온도로 예열할 수 있다. 이를 위해, 제1 예열부(50)는 제1 반응 튜브(200)와 제1 공급부(20) 사이에 연결될 수 있다.
이때, 제1 예열부(50)는 제어부(70)에 의해 제어될 수 있다. 제1 예열부(50)는 제어부(70)로 전송된 센서부(40)의 센싱값을 바탕으로 구동될 수 있으며, 제1 공급부(20)의 제1 원료가스의 적어도 일부가 제1 반응에 요구되는 온도로 예열되도록 한다. 제1 반응에 요구되는 온도로 예열된 제1 원료가스는 제1 반응 튜브(200)로 공급됨으로써, 제1 반응 튜브(200)의 제1 합성가스 전환율이 증가할 수 있다.
제2 예열부(60)는 제2 공급부(30)의 제2 원료가스의 적어도 일부를 소정의 온도로 예열할 수 있다. 이를 위해, 제2 예열부(60)는 제2 반응 튜브(300)와 제2 공급부(30) 사이에 연결될 수 있다.
이때, 제2 예열부(60)는 제어부(70)에 의해 제어될 수 있다. 제2 예열부(60)는 제어부(70)로 전송된 센서부(40)의 센싱값을 바탕으로 구동될 수 있으며, 제2 원료가스의 적어도 일부가 제2 반응에 요구되는 온도로 예열되도록 한다. 제2 반응에 요구되는 온도로 예열된 제2 원료가스는 제2 반응 튜브(300)로 공급됨으로써, 제2 반응 튜브(300)의 제2 합성가스 전환율이 증가할 수 있다.
제어부(70)는 센서부(40)를 통해 측정된 반응 온도에 따라 제1 유량 제어 밸브(23), 제2 유량 제어 밸브(33), 제1 예열부(50) 및 제2 예열부(60) 중 적어도 하나를 제어하도록 제공될 수 있다. 이러한 제어부(70)는 별도의 유, 무선 통신부(미도시)를 통해 센서부(40)로부터 신호를 전송받을 수 있으며, 전송된 신호를 이용하여 제1 유량 제어 밸브(23), 제2 유량 제어 밸브(33), 제1 예열부(50) 및 제2 예열부(60) 중 적어도 하나를 제어할 수 있다. 이를 위해, 제어부(70)는 일 예로, 소형 내장형 컴퓨터로 이루어질 수 있고, 프로그램, 메모리, CPU로 이루어지는 데이터 처리부 등을 구비할 수 있다. 이러한 프로그램은 센서부(40)로부터 전송되는 신호, 기 저장된 데이터 등을 토대로 제1 유량 제어 밸브(23)의 개도량, 제2 유량 제어 밸브(33)의 개도량, 제1 예열부(50)의 구동 및 제2 예열부(60)의 구동 중 적어도 하나를 을 제어하기 위한 알고리즘을 포함할 수 있다. 또한, 이러한 프로그램은 컴퓨터 기억 매체 예컨대 플렉시블 디스크, 컴팩트 디스크, 하드 디스크, MO(광자기 디스크) 등의 메모리에 저장되어서 제어부(70)에 인스톨될 수 있다.
이상 본 발명의 실시예들을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합/치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.
1: 개질 반응 시스템 10, 10': 개질 반응기
20: 제1 공급부 21: 제1 저장탱크
22: 제1 공급라인 23: 제1 유량 제어 밸브
30: 제2 공급부 31: 제2 저장탱크
32: 제2 공급라인 33: 제2 유량 제어 밸브
40: 센서부 50: 제1 예열부
60: 제2 예열부 70: 제어부
100: 반응기 본체 200, 200': 제1 반응 튜브
210: 제1 유로 220: 제1 촉매부
300, 300': 제2 반응 튜브 310: 제2 유로
320: 제2 촉매부 400: 방해부
410: 제1 접촉 부재 420: 제2 접촉 부재

Claims (16)

  1. 일측으로부터 타측으로 연장되는 반응기 본체;
    상기 반응기 본체 내에 구비되고, 제1 촉매부를 구비하며, 상기 반응기 본체의 상기 일측으로부터 공급되어 상기 반응기 본체의 상기 타측으로 이동하는 제1 원료가스와 상기 제1 촉매부의 제1 반응이 수행되는 복수의 제1 반응 튜브;
    상기 반응기 본체 내에 구비되고, 제2 촉매부를 구비하며, 상기 반응기 본체의 상기 타측으로부터 공급되어 상기 반응기 본체의 상기 일측으로 이동하는 제2 원료가스와 상기 제2 촉매부의 제2 반응이 수행되는 복수의 제2 반응 튜브; 및
    상기 제1 반응 튜브의 내부에 구비되고, 상기 제1 반응 튜브의 내부에서 상기 제1 촉매부의 후단에 배치되는 방해부를 포함하고,
    복수의 상기 제2 반응 튜브는,
    복수의 상기 제1 반응 튜브 사이 사이에 배치되도록 형성되어 상기 제1 반응 튜브의 반응열을 선택적으로 전달받고, 상기 제2 반응 튜브로 전달된 상기 제1 반응 튜브의 상기 반응열은 상기 제2 반응을 유발하는 열량으로 사용되고,
    상기 제2 촉매부는 상기 제2 반응 튜브의 내부에서 상기 제1 촉매부의 후단에 대응하는 영역에 구비되고,
    상기 방해부는,
    상기 제1 반응에 의해 생성된 제1 합성가스와 접촉 가능한 형상으로 마련되어 상기 제1 합성가스의 체류 시간을 연장시킴으로써, 상기 제1 촉매부의 후단에서 발생하는 반응열이 상기 제2 촉매부로 전달될 수 있는 시간을 증가시키고,
    상기 제1 반응 튜브는 상기 반응기 본체의 상기 일측에서 상기 타측으로 흐르는 가스 흐름이 형성되는 제1 유로를 포함하고,
    상기 제2 반응 튜브는 상기 반응기 본체의 상기 타측에서 상기 일측으로 흐르는 가스 흐름이 형성되는 제2 유로를 포함하고,
    상기 제1 촉매부는 상기 제1 반응 튜브의 내측면에 연결되어 상기 제1 유로 상에 배치되고,
    상기 제2 촉매부는 상기 제2 반응 튜브의 내측면에 연결되어 상기 제2 유로 상에 배치되되, 상기 제1 촉매부보다 상기 반응기 본체의 상기 타측에 인접하게 배치되고,
    상기 제2 촉매부는 상기 제2 유로의 경로 중 상기 제1 합성가스가 상기 제1 반응 튜브 내에서 유동하는 경로와 대응하는 경로에 제공됨으로써, 상기 제1 반응 튜브 내에서 상기 제1 합성가스가 상기 방해부를 거쳐 상기 반응기 본체의 상기 타측을 향해 유동하는 동안 상기 제1 합성가스의 반응열이 상기 제2 촉매부로 전달되는,
    개질 반응기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 반응 튜브 및 상기 제2 반응 튜브는 각각 원형의 단면 구조를 갖도록 형성되는,
    개질 반응기.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 반응 튜브의 적어도 일면은 상기 제1 반응 튜브의 일면과 접촉되도록 배치되는,
    개질 반응기.
  4. 제2 항에 있어서,
    복수의 상기 제2 반응 튜브는 상기 제1 반응 튜브의 반경방향을 따라 이격되게 배치되는,
    개질 반응기.
  5. 삭제
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 방해부는,
    상기 제1 반응 튜브의 길이방향에 대하여 소정 각도로 연장되는 형상을 갖는 제1 접촉 부재; 및
    상기 제1 반응 튜브의 상기 길이방향에 대하여 소정 각도로 연장되되, 상기 제1 접촉 부재와 다른 각도로 연장되는 형상을 갖는 제2 접촉 부재를 포함하는,
    개질 반응기.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 접촉 부재 및 상기 제2 접촉 부재는 상기 제1 반응 튜브의 상기 길이방향을 따라 서로 교번하게 배치되는,
    개질 반응기.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 접촉 부재 및 상기 제2 접촉 부재는 서로 대칭되는 각도로 기울어져 형성되는,
    개질 반응기.
  9. 제1 항 내지 제4 항 및 제6 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 개질 반응기;
    상기 제1 반응 튜브에 연결되고, 상기 제1 원료가스를 상기 제1 반응 튜브로 공급하는 제1 공급부;
    상기 제2 반응 튜브에 연결되고, 상기 제2 원료가스를 상기 제2 반응 튜브로 공급하는 제2 공급부; 및
    상기 개질 반응기에 연결되고, 상기 제1 반응 튜브의 온도 및 상기 제2 반응 튜브의 온도를 센싱하는 센서부를 포함하는,
    개질 반응 시스템.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 제1 반응 튜브와 상기 제1 공급부 사이에 연결되는 제1 예열부;
    상기 제2 반응 튜브와 상기 제2 공급부 사이에 연결되는 제2 예열부; 및
    상기 센서부의 센싱값을 기초로 하여 상기 제1 공급부, 상기 제2 공급부, 상기 제1 예열부 및 상기 제2 예열부 중 적어도 하나를 제어하는 제어부를 더 포함하는,
    개질 반응 시스템.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 공급부는,
    상기 제1 원료가스가 저장되는 제1 저장탱크;
    상기 제1 저장탱크 및 상기 제1 반응 튜브 사이에 연결되는 제1 공급라인; 및
    상기 제1 공급라인에 구비되는 제1 유량 제어 밸브를 포함하는,
    개질 반응 시스템.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센서부의 센싱값을 바탕으로 상기 제1 유량 제어 밸브의 개폐를 제어함으로써, 상기 제1 반응 튜브의 온도를 조절하는,
    개질 반응 시스템.
  13. 제10 항에 있어서,
    상기 제2 공급부는,
    상기 제2 원료가스가 저장되는 제2 저장탱크;
    상기 제2 저장탱크 및 상기 제2 반응 튜브 사이에 연결되는 제2 공급라인; 및
    상기 제2 공급라인에 구비되는 제2 유량 제어 밸브를 포함하는,
    개질 반응 시스템.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센서부의 센싱값을 바탕으로 상기 제2 유량 제어 밸브의 개폐를 제어함으로써, 상기 제2 반응 튜브의 온도를 조절하는,
    개질 반응 시스템.
  15. 제10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센서부의 센싱값을 바탕으로 상기 제1 예열부를 구동시켜서 상기 제1 원료가스의 적어도 일부가 상기 제1 반응에 요구되는 온도로 예열되도록 하는,
    개질 반응 시스템.
  16. 제10 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 센서부의 센싱값을 바탕으로 상기 제2 예열부를 구동시켜서 상기 제2 원료가스의 적어도 일부가 상기 제2 반응에 요구되는 온도로 예열되도록 하는,
    개질 반응 시스템.
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