KR20140129640A - 유동층 반응기 및 이를 이용한 탄소나노구조물의 제조방법 - Google Patents

유동층 반응기 및 이를 이용한 탄소나노구조물의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 반응기 본체; 상기 반응기 본체 내벽의 돌출 구조물; 상기 반응기 본체 내부에 장착되며, 개구율이 서로 다른 중앙부와 주변부로 이루어진 분산판; 및 상기 반응기 본체의 수직축을 기준으로 상기 돌출 구조물과 상기 분산판 사이의 원반형 중앙구조물을 포함하는, 유동층 반응기 및 이를 이용한 탄소나노구조물 제조방법이 제공된다.

Description

유동층 반응기 및 이를 이용한 탄소나노구조물의 제조방법{FLUIDIZED BED REACTOR AND PROCESS FOR MANUFACTURING CARBON NANOSTRUCTURES USING SAME}
본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 카본나노튜브와 같은 탄소나노구조물 제조를 위하여 이용될 수 있는 유동층 반응기에 관한 것이다.
유동층 반응기는 다양한 다중상(multiphase) 화학 반응을 수행하도록 이용될 수 있는 반응기 장치이다. 유동층 반응기에서는 유체(기체 또는 액체)가 미립자 상태의 고체 물질과 반응하게 되는데, 통상적으로 상기 고체 물질은 작은 구(sphere)의 형상을 가지는 촉매이고, 유체는 고체 물질을 부유시키기에 충분한 속도로 유동함으로써 고체 물질이 유체와 유사하게 거동하게 된다.
한편, 탄소나노구조물(carbon nanostructures, CNS)은 나노튜브, 나노파이버, 풀러렌, 나노콘, 나노호른, 나노로드 등 다양한 형상을 갖는 나노크기의 탄소구조물을 지칭하며, 여러 가지 우수한 성질을 보유하기 때문에 다양한 기술분야에서 활용도가 높다. 대표적인 탄소나노구조물인 카본나노튜브(Carbon nanotubes; CNT)는 서로 이웃하는 3 개의 탄소 원자가 육각형의 벌집 구조로 결합되어 탄소 평면을 형성하고, 상기 탄소 평면이 원통형으로 말려서 튜브의 형상을 가지는 소재이다. 카본나노튜브는 구조에 따라서, 즉, 튜브의 지름에 따라서 도체가 되거나 또는 반도체가 되는 특성이 있으며, 다양한 기술 분야에서 광범위하게 응용될 수 있어서 신소재로 각광을 받는다. 예를 들어, 카본나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 슈퍼 커패서티(super capacity)와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 기체 센서등에 적용될 수 있다.
탄소나노구조물은 예를 들어 아크 방전법, 레이저 증발법, 화학 기상 성장법을 통하여 제조될 수 있다. 상기 열거된 제조 방법중 화학 기상 성장법에서는 통상적으로 고온의 유동층 반응기 안에서 금속 촉매 입자와 탄화수소 계열의 원료 기체를 분산 및 반응됨으로써 탄소나노구조물이 생성된다. 즉, 금속 촉매는 원료 기체에 의해 유동층 반응기 안에서 부유(浮游)하면서 원료 기체와 반응하여 탄소나노구조물을 성장시킨다.
유동층 반응기를 이용한 탄소나노구조물 제조 방법은 특허출원공개 10-2009-0073346호, 10-2009-0013503호 등에 개시되어 있다. 유동층 반응기를 이용하는 경우에는 반응기 내에 기체를 일정하게 분포시키고 분산판 상부에 존재하는 촉매와 같은 분체가 분산판 아래로 통과하지 못하도록 분산판을 이용한다. 분산판으로는 다공성 플레이트(perforated plate), 버블 캡(bubble cap), 시이브(sieve) 또는 노즐을 이용하여 구성하는 것이 일반적이다.
그러나 원통형(칼럼형 또는 실린더형이라고도 함) 유동층 반응기의 분산판 상단은 래디얼(radial) 방향으로는 유동이 충분하지 않기 때문에 분체와 기체의 혼합이 잘 이루어지지 않아, 분산판 가장자리에 분체가 누적되는 문제점이 있다. 반응기체와 촉매의 접촉이 균일하지 않으면 탄소나노구조물로의 성장이 원활하지 않아 체류시간이 길어지며, 또한 미반응 촉매가 분산판에 침적되거나 분산판의 세공을 막는 클로깅(clogging) 현상으로 인해 반응기체의 균일한 주입을 방해 받고, 압력 저하(pressure drop)가 발생하므로 안정적인 유동층 조업이 어렵다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 유동층 반응기의 분산판 가장자리에 분체가 누적되거나 분산판 막히는 현상을 개선하여 반응기체와 촉매의 원활하고 균일한 접촉을 유도할 수 있는 유동층 반응기를 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따르면, 반응기 본체; 상기 반응기 본체 내부에 장착되며, 개구율이 서로 다른 중앙부와 주변부로 이루어진 분산판; 및 상기 분산판 상부에 소정거리 이격되어 반응기 본체 내부에 위치한 원반형 중앙구조물을 포함하는, 유동층 반응기가 제공된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 원반형 구조물 상부의 반응기 본체 내벽에 형성된 돌출 구조물이 더 구비될 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 돌출 구조물이 환형 구조물일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 돌출 구조물과 상기 원반형 중앙구조물은 반응기 본체 내부에 환형 유로를 형성한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 돌출 구조물은 종단면이 삼각형, 사다리꼴, 반구형, 또는 반타원형인 구조물일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 분산판은 중앙부 보다 주변부의 개구율이 높은 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 분산판의 중앙부는 기체 소통이 불가능하고 주변부는 기체 소통이 가능한 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 원반형 중앙구조물은 원뿔형상, 타원체형상, 반타원체형상, 꼭지점이 서로 반대 방향을 지향하도록 2 개의 원뿔의 밑면이 서로 접합된 형상 또는 원뿔의 밑면과 반타원체의 평면이 서로 접합된 형상일 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 유동층 반응기는, 촉매를 반응기 본체 내부로 공급하는 촉매공급관과, 반응기 하부에 연결되어 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 상기 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급하는 반응기체 공급관을 구비하며, 상기 촉매와 반응기체는 상기 반응기 본체 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하여 탄소나노구조물을 생성하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기일 수 있다.
본 발명은 또한, 전술한 바와 같은 유동층 반응기의 촉매 공급관을 통해 촉매를 공급하는 단계;
반응기체 공급관을 통해 탄소원, 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 공급함으로써 상기 반응기체가 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급되도록 하는 단계; 및
상기 촉매와 반응기체가 반응기 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하도록 하여 탄소나노구조물을 생성하는 단계를 포함하는, 탄소나노구조물의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유동층 반응기는, 원반형 중앙구조물이 기체의 상승 유동을 난류로 바꿔주어 입자의 상승 유동을 촉진하므로 분산판에 떨어져 누적되는 입자를 최소화할 수 있어 안정적인 유동층 조업이 가능하다. 또한 반응기 본체 내벽에 돌출 구조물이 구비되는 경우에는 입자의 유동을 중앙으로 유도하여 더욱 안정적인 유동층 조업이 가능하다. 따라서 본 발명에 따른 유동층 반응기를 이용하여 탄소나노구조물을 제조하는 경우에는 우수한 품질의 제품을 고수율로 얻을 수 있다.
도 1은 카본나노튜브 제조용 유동층 반응기의 일례에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기의 구조를 개략적으로 도시하는 횡단면도 및 종단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 유동층 반응기의 내부 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정 실시 형태로 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술사상 및 범위에 포함되는 변형물, 균등물 또는 대체물을 모두 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면에서 유사한 참조부호는 유사한 구성요소에 대하여 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들이 상기 용어들에 의해 한정되는 것은 아니고, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
“및/또는” 이라는 용어는 복수의 기재된 항목들 중 어느 하나 또는 이들의 포함하는 조합을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 “연결되어” 있다거나 “접속되어” 있다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있거나 또는 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
단수의 표현은 달리 명시하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
“포함한다” 또는 “가진다” 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.
도 1 에는 유동층 반응기의 구성이 개략적으로 도시되어 있으며, 이러한 유동층 반응기는 예를 들어 카본나노튜브의 제조에 이용될 수 있지만, 카본나노튜브의 제조에만 한정된 것은 아니다. 이러한 유동층 반응기는 예를 들어 카본나노튜브 또는 카본나노파이버와 같은 탄소나노구조물의 제조에 유용하다.
도면을 참조하면, 유동층 반응기(1)는 반응기 본체(10)를 구비하며, 반응기 본체(10)의 하부는 테이퍼 영역(10a)으로 형성되어 있다. 반응기 본체(10)를 고온으로 가열하기 위해, 가열기(19)가 반응기 본체(10)의 외부에 구비되는 것이 바람직스럽다.
유동층 반응기(1)의 저부에 원료 기체 공급부(12)가 구비된다. 원료 기체는 예를 들어 카본나노튜브를 제조하기 위한 탄화 수소 계열의 기체일 수 있다. 원료 기체는 원료 기체 공급부(12)에 연결된 원료 기체 공급관(21)을 통해 반응기 본체(10)의 내부로 공급된다. 원료 기체는 반응기 본체(10)의 내부로 공급되기 전에 예열기(17)에서 예열될 수 있다. 반응기 본체(10)의 내부에 형성된 반응 공간의 하측에 분산판(13)이 배치됨으로써, 분산판(13)을 통하여 반응기 본체(10)내의 반응 공간으로 원료 기체가 분산된다.
도 1은 분산판(13)이 테이퍼 영역의 상단에 설치된 경우를 도시하고 있으나 이에 한정되지 않으며, 기체 및 고체의 거동에 따른 목적에 맞도록 테이퍼 영역의 상중하단 중 임의로 선택하여 분산판을 설치할 수 있다.
반응기 본체(10)의 상부에는 신장부(11)가 구비된다. 신장부(expander, 11)에는 예를 들어 반응기 본체(10)로부터의 촉매와 반응 생성물(예를 들어, 카본나노튜브)이 외부로 배출되는 것을 막기 위한 분리기(미도시)등이 구비될 수 있다. 신장부(11)에는 여과기(18)가 연결되며, 상기 여과기(18)에서 여과된 성분 기체는 이송관(23)을 통해 이송된다. 한편, 신장부(11)에는 재순환 배관(22)이 연결되어, 신장부(11)에서 배출된 혼합 기체의 일부를 재순환 배관(22)을 통해 원료 기체 공급관(21)으로 재순환시킨다.
반응기 본체(10)의 상부 일측에는 배관(24)을 통하여 분리기(14)가 연결되어 있다. 상기 분리기(14)는 반응기 본체(10)로부터 배출된 혼합 기체로부터 생성물을 분리하기 위한 것으로서, 예를 들어 카본나노튜브와 혼합 기체를 분리하기 위한 것이다. 분리기(14)의 일측에는 카본나노튜브와 같은 생성물을 회수하기 위한 회수기(15)가 연결되며, 분리기(14)는 배관(15)을 통해 반응기 본체(10)의 하부 일측에 연결된다. 한편, 촉매 공급기(16)는 배관(26)에 연결됨으로써 촉매가 배관(26)을 통해 반응기 본체(10)의 내부로 공급될 수 있다. 도면에 도시되지 않았으나, 배관(26)에는 송풍기(blower)가 구비됨으로써, 분리기(14)에서 분리된 혼합 기체와 촉매 공급기(16)에서 공급되는 촉매를 반응기 본체(10) 안으로 압송시킬 수 있다.
위에 설명된 바와 같은 유동층 반응기에 구비된 분산판(13)은 원료 기체를 유동층 반응기 본체(10)의 내부로 균일하게 분산시키고 촉매 입자 또는 반응에 의해 생성된 분체가 유동층 반응기의 저부로 낙하하는 것을 방지하기 위하여 구비된다. 통상적으로 기체-고체 유동층 반응기에서는 분산판 상부에 촉매 등의 고체 입자가 위치하고 분산판(13)에 형성된 구멍을 통하여 반응 기체를 하부로부터 송풍하면 촉매가 유동층 반응기 본체(10)의 분산판(13) 상부 공간에서 유동하면서 반응이 발생된다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기를 개략적으로 도시하는 단면도 및 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유동층 반응기는 반응기 본체(10); 상기 반응기 본체 내부에 장착되며, 개구율이 서로 다른 중앙부(50)와 주변부(60)로 이루어진 분산판; 및 상기 분산판 상부에 소정거리 이격되어 반응기 본체 내부에 위치한 원반형 중앙구조물(40)을 포함한다. 바람직한 실시예에서는 반응기 본체 내벽의 돌출 구조물(30)이 구비된 경우를 도시하나 이는 필수적인 것은 아니다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 돌출 구조물(30)은 원통형 반응기 본체 내벽을 따라 설치된 환형 구조물(30)일 수 있다. 이러한 환형 돌출 구조물(30)은 원반형 중앙구조물(40)과 함께 반응기 본체 내부에 환형 유로를 형성한다(도 2의 횡단면도 참조).
도 2의 종단면도에 따르면, 상기 돌출 구조물(30)은 종단면이 삼각형으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않고, 사다리꼴, 반구형, 또는 반타원형으로 되어 있을 수도 있다. 돌출 구조물(30)의 종단면 형상은 반응기 벽 쪽으로 하강하는 입자상 반응물질이 돌출 구조물(30) 상에 누적되지 않고 반응기의 중앙부로 이동할 수 있도록 하는 것이라면 제한되지 않는다.
도 2 및 도 3에 도시된, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 원반형 중앙구조물(40)은 꼭지점이 서로 반대 방향을 지향하도록 2 개의 원뿔의 밑면이 서로 접합된 형상인데 이에 한정되지 않으며, 상기 돌출 구조물(30)에 의해 반응기 중앙으로 이동한 입자상 반응물이 원반형 중앙구조물(40) 상에 누적되지 않고, 돌출 구조물(30)과 원반형 중앙구조물(40) 사이에 형성된 환형 유로로 이동하여 유동할 수 있도록 경사진 상면을 갖는 형상이라면 제한 없이 사용될 수 있다. 도 2의 횡단면에 도시된 바와 같이 환형 유로의 저면은 바람직하게는 분산판의 주변부(60)이다.
구체적으로 예를 들면 상기 원반형 중앙구조물(40)은 도 2 및 도 3에 도시된 것과 같이, 꼭지점이 서로 반대 방향을 지향하도록 2 개의 원뿔의 밑면이 서로 접합된 형상 외에도, 꼭지점이 위로 향하는 원뿔형상, 타원체형상, 반타원체형상, 또는 원뿔의 밑면과 반타원체의 평면이 서로 접합된 형상일 수 있다.
도 2 및 도 3에는 원반형 중앙구조물(40)이 중앙 지지대에 의해 지지된 구조를 도시하고 있으나 이에 한정되지 않고, 원반형 중앙구조물(40)을 돌출 구조물(30)과 분산판(13) 사이의 소정 위치에 고정할 수 있는 수단이면 상관없다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 분산판은 중앙부(50) 보다 주변부(60)의 개구율이 높은 것이 바람직하다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 분산판의 중앙부(50)는 기체 소통이 불가능하고 주변부(60)는 기체 소통이 가능한 것이 바람직하다.
기체 소통이 가능한 분산판 주변부(60)는 특별히 제한되지 않으며, 메탈 포옴(metal foam), 다공판(perforated plate), 노즐, 시이브 및 버블캡 등으로부터 선택될 수 있다. 이 중에서도 주변부가 메탈 포옴으로 이루어진 것이 바람직한데, 메탈 포옴은 알루미늄, 니켈합금과 같은 금속 재료의 셀 구조체(cellular structure)를 지칭하는 것으로서, 메탈 포옴에는 다수의 통기공이 형성되고, 상기 통기공은 기체로 채워지거나 기체의 유동을 허용한다. 메탈 포옴에 형성된 통기공은 밀봉됨으로써 폐쇄 셀 구조를 형성하거나, 또는 서로 연결된 네트워크 형태를 가지면서 개방됨으로써 개방 셀 구조를 형성할 수 있다. 기체의 유동을 허용하는 통기공을 가지는 개방 셀 구조의 메탈 포옴은 통기공의 크기(pore size)를 조절할 수 있어 층물질의 입도에 따라 적절히 대응할 수 있으며, 따라서 유동층 반응기의 분산판이 요구하는 특성, 즉 기체를 통과시키고 고체 입자의 통과를 저지하는 특성이 우수하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 유동층 반응기는, 촉매를 반응기 본체 내부로 공급하는 촉매공급관과, 반응기 하부에 연결되어 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 상기 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급하는 반응기체 공급관을 구비하며, 상기 촉매와 반응기체는 상기 반응기 본체 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하여 탄소나노구조물을 생성하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기일 수 있다.
본 발명은 또한, 전술한 바와 같은 유동층 반응기의 촉매 공급관을 통해 촉매를 공급하는 단계;
반응기체 공급관을 통해 탄소원, 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 공급함으로써 상기 반응기체가 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급되도록 하는 단계; 및
상기 촉매와 반응기체가 반응기 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하도록 하여 탄소나노구조물을 생성하는 단계를 포함하는, 탄소나노구조물의 제조방법을 제공한다.
본 발명에 따른 유동층 반응기는 원반형 구조물이 기체의 상승 유동을 난류로 바꿔주어 입자의 상승 유동을 촉진하고, 분산판은 중앙부가 막혀 있거나 주변부보다 개구율이 작아, 반응기체 유입은 분산판의 주변부에서 활발하게 일어난다. 또한 내벽에 돌출 구조물이 구비되는 경우에는 내벽의 돌출 구조물과 원반형 중앙구조물에 의해 형성되는 환형 유로를 통해 반응기체가 상승 유동을 하게 되고 또한 원반형 중앙구조물에 의해 난류 유동을 하므로 입자상 물질들이 하강하여 분산판에 부딪히는 현상을 최소화할 수 있다. 결과적으로 분산판이 막히는 현상을 억제할 수 있으므로 고품질 고수율의 제품을 제조할 수 있는 안정적인 유동층 조업이 가능하다.
10. 반응기 본체
11. 신장부
12. 원료 기체 공급부
13. 분산판
21. 원료 기체 공급관
30. 돌출 구조물
40. 원반형 중앙구조물
50, 분산판의 중앙부
60. 분산판의 주변부

Claims (10)

  1. 반응기 본체;
    상기 반응기 본체 내부에 장착되며, 개구율이 서로 다른 중앙부와 주변부로 이루어진 분산판; 및
    상기 분산판 상부에 소정거리 이격되어 반응기 본체 내부에 위치한 원반형 중앙구조물을 포함하는, 유동층 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원반형 구조물 상부의 반응기 본체 내벽에 형성된 돌출 구조물을 더 구비하는 유동층 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 돌출 구조물이 환형 구조물인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 돌출 구조물과 상기 원반형 중앙구조물은 반응기 본체 내부에 환형 유로를 형성하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 돌출 구조물은 종단면이 삼각형, 사다리꼴, 반구형, 또는 반타원형인 구조물인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 분산판의 중앙부 보다 주변부의 개구율이 높은 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 분산판의 중앙부는 기체 소통이 불가능하고 주변부는 기체 소통이 가능한 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 원반형 중앙구조물은 원뿔형상, 타원체형상, 반타원체형상, 꼭지점이 서로 반대 방향을 지향하도록 2 개의 원뿔의 밑면이 서로 접합된 형상 또는 원뿔의 밑면과 반타원체의 평면이 서로 접합된 형상인 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동층 반응기는
    촉매를 반응기 본체 내부로 공급하는 촉매공급관과,
    반응기 하부에 연결되어 탄소원(carbon source), 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 상기 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급하는 반응기체 공급관을 구비하며,
    상기 촉매와 반응기체는 상기 반응기 본체 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하여 탄소나노구조물을 생성하는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
  10. 제 9 항의 유동층 반응기의 촉매 공급관을 통해 촉매를 공급하는 단계;
    반응기체 공급관을 통해 탄소원, 환원성 기체 및 불활성기체를 포함하는 반응기체를 공급함으로써 상기 반응기체가 분산판을 거쳐 반응기 내부로 공급되도록 하는 단계; 및
    상기 촉매와 반응기체가 반응기 내부의 반응 공간에서 유동하면서 반응하도록 하여 탄소나노구조물을 생성하는 단계를 포함하는,
    탄소나노구조물의 제조방법.
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