KR20000067084A

KR20000067084A - 모노리스형 저압차 반응기 및 이에 사용되는 모듈

Info

Publication number: KR20000067084A
Application number: KR1019990014588A
Authority: KR
Inventors: 정종식; 문정민; 길봉석; 이동근; 김두성
Original assignee: 정명화; 엔비켐기술 주식회사
Priority date: 1999-04-23
Filing date: 1999-04-23
Publication date: 2000-11-15

Abstract

본 발명은 유체내 반응물을 고체 담체, 촉매 또는 흡착제 등을 사용하여 화학적이거나 생물학적인 반응, 또는 물리적이거나 화학적인 흡착 등의 방법을 이용하여 제거하는 모노리스형 저압차 반응기 및 이에 사용되는 모듈에 관한 것으로,

유체의 흐름경로상에 형성된 반응공간내에는 유체의 흐름방향으로 나란한 그물구조형 평판으로 이루어진 평판체가 다수개 평행하게 배치되고, 상기 평판체 사이에는 그물구조형 주름판으로 이루어진 주름체가 각각 배치됨을 특징으로 하여,

단위부피당 불순물 제거효율이 향상되는 효과를 가진다.

Description

모노리스형 저압차 반응기 및 이에 사용되는 모듈{REACTOR OF MONOLITH TYPE AND MODULE THEREOF}

본 발명은 유체내 반응물을 고체 담체, 촉매 또는 흡착제 등을 사용하여 화학적이거나 생물학적인 반응, 또는 물리적이거나 화학적인 흡착 등의 방법을 이용하여 제거하는 저압차 반응기 및 이에 사용되는 모듈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유체의 흐름경로상에 형성된 반응공간내에는 유체의 흐름방향으로 나란한 그물구조형 평판으로 이루어진 평판체가 다수개 평행하게 배치되고, 상기 평판체 사이에는 그물구조형 주름판으로 이루어진 주름체가 각각 배치됨으로써 반응효율을 향상시킴을 특징으로 하는 모노리스형 저압차 반응기 및 이에 사용되는 모듈에 관한 것이다.

일반적으로 유체에 포함된 불순물을 반응 또는 흡착등의 방법에 의하여 제거할 때 반응용 고체촉매나 흡착제를 팩키드베드(Packed-bed)형태로 충진하는 방법을 이용하였으나, 이러한 방법은 유체의 압력손실이 심하여 불순물 제거효율측면에서 바람직하지 못한 것이었다.

따라서, 유체의 압력손실이 비교적 심하지 않은 벌집형(Honeycomb type) 반응기나 단일체형(Monolith type) 반응기가 널리 사용되고 있으며, 이러한 예는 굴뚝에서 방출되는 배가스에 포함된 불순물을 화학반응 또는 흡착에 의해 제거할 때 사용되는 반응기, 자동차 배가스 처리용 벌집형 반응기, 또는 가스나 수처리용 미생물 담체를 이용한 바이어필터(Biofilter)나 생물막 반응기등에서 쉽게 찾아볼 수 있다.

그러나, 상기 벌집형이나 단일체형 반응기들은 각각의 채널(Channel) 사이가 서로 밀폐되어 있는바, 이는 유량흐름에 대한 직각방향으로 유체가 서로 혼합되는 것이 불가능하고, 특히 대형장치인 경우 반경방향의 유량분배가 제대로 이루어지지 않으며, 또한 난류효과가 적어 반응물이 유체상에서 반응표면으로 이동하는 확산속도가 느려서 결과적으로 반응효율이 좋지 못하기 때문에 반응기가 필요이상으로 커져야 하는 단점이 있다. 즉, 이러한 단점을 보완하면서 값싸고 쉽게 제작할 수 있으며 채널 사이의 유량흐름이 가능하도록 된 좀더 진보된 반응기의 개발이 절실한 실정이었다.

최근에는, 자동차등의 배기가스 정화와 연소후 굴뚝에서 발생되는 여러 가지 휘발성 유기화합물과 CO, NOx의 제거에 사용되는 반응기나 수처리용 생물막 반응기등에는 높은 반응속도와 큰 유량의 처리가 가능한 저압차 반응기가 많이 사용되고 있다. 이러한 저압차 반응기로는 벌집형 반응기, 단일체형 반응기 및 PPR(Parallel Passage Reactor)등을 들 수 있다. 위의 반응기들은 얇은 판을 일정한 간격으로 배치하거나 세라믹을 압출 성형하여 가스흐름방향으로 평행한 규칙적인 채널 또는 통로를 가지는 기본 모듈을 제작하고 그 모듈내 표면위에 촉매나 흡착제를 도포하여 사용한다. 상기 반응기중 PPR는 같은 채널 크기에 대하여 비교하는 경우, 반응기 단위부피당 표면적이 벌집형 반응기나 단일체형 반응기에 비하여 매우 적기 때문에 그나마 사용빈도가 적다. 그러나, 상기 모든 반응기들은 여전히 채널사이가 서로 차단되어 있어 반응기 입구에서 반응물의 반경방향에 대한 농도구배가 존재하는 것이고 또한 유체의 난류흐름을 유도할 굴곡표면이 존재하지 않아 반응물의 고체표면으로의 물질확산속도가 느린바, 이는 불순물 제거효율이 낮아 반응기 크기를 불필요하게 증대시키는 단점을 가지는 것이었다.

본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유체의 흐름이 난류화되어 반응효율을 향상시킴으로써 반응기의 크기를 감소시킬 수 있도록 된 모노리스형 저압차 반응기 및 이에 사용되는 모듈을 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 본 발명에 따른 모노리스형 저압차 반응기 및 이에 이용되는 모듈에서 기본적으로 사용할 그물형 구조체를 개략적으로 도시한 구성도;

도2는 반응기의 반응공간내에 채워질 모듈의 외곽형상을 이루는 상자형상의 본체를 개략적으로 도시한 외관사시도;

도3a 및 도3b는 본 발명의 반응기 또는 모듈에 사용될 평판체와 주름체를 각각 도시한 구성도;

도4는 본 발명에 따른 모노리스형 저압차 반응기의 모듈을 개략적으로 도시한 구성도;

도5는 본 발명에 따른 모듈을 채용한 반응기를 부분절개하여 개략적으로 도시한 외관사시도;이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

10 ... 그물형 구조체

12 ... 와이어

14 ... 구멍

20 ...본체

30 ... 평판체

40 ... 주름체

50 ... 모듈

60 ... 반응기

상기 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서, 본 발명은, 유체내 반응물을 고체 담체, 촉매 또는 흡착제 등을 사용하여 화학적이거나 생물학적인 반응, 또는 물리적이거나 화학적인 흡착 등의 방법을 이용하여 제거하는 저압차 반응기에 있어서, 유체의 흐름경로상에 형성된 반응공간내에는 유체의 흐름방향으로 나란한 그물구조형 평판으로 이루어진 평판체가 다수개 평행하게 배치되고, 상기 평판체 사이에는 그물구조형 주름판으로 이루어진 주름체가 각각 배치됨을 특징으로 하는 모노리스형 저압차 반응기를 마련함에 의한다.

또한, 본 발명은, 유체내 반응물을 고체 담체, 촉매 또는 흡착제 등을 사용하여 화학적이거나 생물학적인 반응, 또는 물리적이거나 화학적인 흡착 등의 방법을 이용하여 제거하는 저압차 반응기의 유체 흐름경로상에 배치되는 모듈에 있어서, 유체흐름방향에 대한 전후방측 단부가 개방된 상자형상의 본체와, 상기 본체의 내부에 유체의 흐름방향으로 나란하게 배치되고 그물구조형 평판으로 이루어져 다수개 평행하게 설치된 평판체 및, 상기 평판체 사이에 배치되고 그물구조형 주름판으로 이루어진 주름체를 포함함을 특징으로 하는 모노리스형 저압차 반응기의 모듈을 마련함에 의한다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 모노리스형 저압차 반응기 및 이에 이용되는 모듈에서 기본적으로 사용할 그물형 구조체(10)를 개략적으로 도시한 구성도로서, 이 그물형 구조체(10)는 와이어(12)가 교차하는 형태로 그물구조를 이루며, 상기 와이어(12)는 통상 원형단면을 가진다. 상기 와이어(12)가 교차하면서 형성하는 구멍(14)의 형상은 통상 사각형을 이루며, 와이어(12)가 교차하는 태양에 따라 마름모꼴을 형성할 수도 있는 것이다.

상기 그물형 구조체(10)는 후술할 반응기의 반응공간내에서 발생하는 고압의 유체흐름의 영향에 의해 변형되지 않는 정도의 강도를 가지는 것이 바람직하며, 예컨데 철, 스테인레스, 알루미늄, 플라스틱 등이 사용될 수 있고, 상기 재료들 위에 부드러운 플라스틱, 카본파이버, 옷감등을 부착한 것도 가능하며, 최종적으로 두께가 적정수준, 예컨데 5㎜ 이하로 형성되면 된다. 물론, 이러한 두께는 반응표면적 및 유체압력손실등에 관여하며, 적정한 두께(또는, 와이어(12)의 굵기 및 구멍(14)의 크기)의 설정은 반응표면적을 최대로 하면서 유체압력손실을 최소로 할 수 있게 한다.

상기에서 와이어(12)의 직경(원형인 경우)과 구멍(14)의 크기를 적정하게 설정하면 일반 평판보다 더 큰 표면적을 형성할 수 있게 되며, 이러한 값은 구멍(14)의 크기와 와이어(12)의 지름 사이에 대한 크기비가 2.14 이하인 경우에 해당된다. 예를들어, 1.0㎜의 직경을 가지는 와이어(12)로 된 그물구조의 구멍(14)이 2.0㎜이면, 일반 평판에 비하여 표면적이 57% 더 크게 된다.

도2는 반응기의 반응공간내에 채워질 모듈의 외곽형상을 이루는 상자형상의 본체(20)를 개략적으로 도시한 외관사시도로서, 일반적으로 사용되는 평판 또는 도1에 도시한 그물형 구조체와 같이 그물구조로 된 평판을 사용하여, 상하측 단부가 개방된 상자형상으로 제작되고, 개방된 일측 단부(유체의 흐름방향에 대한 후류측 단부)에는 내부에 채워질 후술할 평판체와 주름체가 유체압력에 의해 빠져나가지 못하도록 차단하는 지지용 비임(22)을 설치한다.

상기 상자형상의 본체(20) 또는 반응기의 반응공간내에 채워질 평판체(30)와 주름체(40)가 도3에 개략적으로 도시되는바, 상기 평판체(30)는 도1의 그물형 구조체(10)를 상기 본체(20)의 크기 또는 반응기의 반응공간 크기를 고려하여 사각형상으로 적정하게 절개함으로써 제조되고, 상기 주름체(40)는 지그재그형의 단면, 정현파모양의 단면, 또는 사각나사형의 단면등 어느것이어도 관계없다.

도4는 본 발명에 따른 모노리스형 저압차 반응기의 모듈을 개략적으로 도시한 구성도로서, 도2에 도시된 상자형상의 본체(20)에 도3에 도시된 평판체(30)와 주름체(40)가 번갈아 채워진 상태를 도시하고 있다. 이는 평판체(30)가 상기 본체(20)의 내부에 유체의 흐름방향으로 나란하도록 끼워지고, 이러한 평판체(30)가 서로 평행하게 다수개 설치되며, 상기 평판체(30) 사이에 주름체(40)가 끼워진다. 상기 주름체(40)는 평판체(30)에 물리적으로 밀착될 수 있도록 크기 및 형상등이 설정되고, 이렇게 형성된 모듈(50)은 반응기(60)의 반응공간내에 평판체(30)와 주름체(40)가 유체의 흐름방향과 나란한 상태로 채워져 유체에 포함된 불순물을 제거할 수 있게 된다. 상기 반응기(60)는 그 자체로 또는 금속 산화물등을 접착 피복하여 반응용 촉매 담체로 사용되거나, 직접 촉매 성분이나 흡착제 또는 미생물 담체등을 코팅처리하여 배가스 처리용 또는 수처리용 반응기로 사용될 수 있다.

이러한 반응기(60)의 장점은, 첫째, 반응기 단위부피당 표면적이 일반 벌집형 세라믹 반응기보다 크고 그에 의해 단위부피당 반응속도가 커지므로 반응기 크기가 작아질 수 있다는 것이다.

둘째, 반응물이 유체의 흐름방향뿐만이 아니고, 유체흐름에 직각인 방향으로도 자유자재로 혼합이 되므로 벌집형 반응기에서 흔히 발생될 수 있는 반응기 입구에서의 반응물의 반경방향농도구배가 발생하지 않는다는 것이다.

셋째, 표면이 평평하고 일직선의 채널로 구성된 단일체형 반응기보다 각각의 구멍이 불규칙하고 와이어에 의한 흐름저항이 존재하므로 유체의 흐름이 보다 난류화되어 반응물의 확산속도가 빨라진다는 것이다. 이는 유체상으로부터 고체 표면까지의 물질전달저항을 줄여 전체적으로 반응기 크기를 줄일 수 있다.

넷째, 세라믹형태로 제작되는 벌집형 반응기의 모듈이 압출성형의 까다로움과 고온소성등의 문제점에 의해 대형으로 제작하는 것이 곤란하고 또한 값이 비싼데 비하여 반응기 크기가 대형으로 갈수록 제작이 간단하고 용이하며 제작비용이 적게 든다는 것에 있다.

다섯째, 유체에 포함된 고형물이나 미세먼지가 반응기에 부착되는 경우 채널사이가 밀폐된 벌집형 반응기에 비하여 채널막힘현상이 개선된다는 것에 있다.

상술한 바와같이 본 발명에 따른 모노리스형 저압차 반응기 및 이에 사용되는 모듈에 의하면, 그물구조형 평판체와 주름체를 사용함에 의하여 단위부피당 반응속도를 향상시켜 반응기 전체 크기를 소형화할 수 있는 우수한 효과를 가진다.

또한, 이러한 평판체와 주름체, 또는 이들을 채워넣은 모듈의 제작이 간단하고 용이하여 제작성 측면에서 매우 효과적이다.

또한, 유체의 흐름이 난류로 형성되어 반응물의 반경방향 구배문제가 발생하지 않는 효과를 가진다.

Claims

유체내 반응물을 고체 담체, 촉매 또는 흡착제 등을 사용하여 화학적이거나 생물학적인 반응, 또는 물리적이거나 화학적인 흡착 등의 방법을 이용하여 제거하는 저압차 반응기에 있어서,

유체의 흐름경로상에 형성된 반응공간내에는 유체의 흐름방향으로 나란한 그물구조형 평판으로 이루어진 평판체가 다수개 평행하게 배치되고, 상기 평판체 사이에는 그물구조형 주름판으로 이루어진 주름체가 각각 배치됨을 특징으로 하는 모노리스형 저압차 반응기.
유체내 반응물을 고체 담체, 촉매 또는 흡착제 등을 사용하여 화학적이거나 생물학적인 반응, 또는 물리적이거나 화학적인 흡착 등의 방법을 이용하여 제거하는 저압차 반응기의 유체 흐름경로상에 배치되는 모듈에 있어서,

유체흐름방향에 대한 전후방측 단부가 개방된 상자형상의 본체와,

상기 본체의 내부에 유체의 흐름방향으로 나란하게 배치되고 그물구조형 평판으로 이루어져 다수개 평행하게 설치된 평판체 및,

상기 평판체 사이에 배치되고 그물구조형 주름판으로 이루어진 주름체를 포함함을 특징으로 하는 모노리스형 저압차 반응기의 모듈.
제2항에 있어서,

상기 본체는 그물구조로 이루어짐을 특징으로 하는 모노리스형 저압차 반응기의 모듈.
제2항에 있어서,

상기 주름체의 주름형상과 크기는 평판체 사이에 물리적인 밀착이 가능하도록 형성됨을 특징으로 하는 모노리스형 저압차 반응기의 모듈.
제2항 또는 제3항에 있어서,

상기 그물구조는 두께가 5㎜ 이하로 형성되고, 그 그물구조를 이루는 구멍과 와이어 지름의 크기비가 2.14 이하로 형성되어 일반 평판에 비하여 표면적이 큼을 특징으로 하는 모노리스형 저압차 반응기의 모듈.