KR20200001872A - 전환율을 높일 수 있는 2단계 유동층 반응기를 이용한 메탄의 생산 방법 - Google Patents

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Abstract

본원 발명은 전환율을 높일 수 있는 메탄 2단계 유동층 반응기 및 이를 이용한 메탄의 생산 방법에 관한 것으로서, 메탄의 생성반응을 고속유동층 및 고정층 2단계 영역에서 진행하여 생성되는 메탄의 순도를 높임과 동시에 중간에 물과 반응열을 제거함으로써, 반응이 평형상태에 이르지 않고 계속적으로 정반응이 진행될 수 있다는 장점이 있다. 이로 인해 종래의 기술에 비해 메탄의 전환율이 높다.

Description

전환율을 높일 수 있는 2단계 유동층 반응기를 이용한 메탄의 생산 방법{ Production method of Methane with two-step fluidized bed reactor for improving conversion}
본원 발명은 전환율을 높일 수 있는 2단계 유동층 반응기를 이용한 메탄의 생산 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 2단계 유동층 반응기를 이용하여 일산화탄소 또는 이산화탄소로부터 메탄을 생성할 경우 동시에 생성되는 물과 반응열을 중간단계에서 제거함으로써, 메탄 생산 전환율을 높일 수 있는 장치 및 이를 이용한 메탄의 생산 방법에 관한 것이다.
메탄은 산업 현장, 취사 및 연료, 운송 분야에서 매우 중요한 에너지 자원으로 활용되고 있다. 전세계적으로 메탄을 기반한 인프라가 널리 분포하고 있으며, 이는 현대 산업에서 매우 중요한 위치를 차지하고 있다.
현재 사용되는 메탄의 대부분은 화석연료에 기반한 천연가스로부터 얻어지고 있다. 화석연료의 유한성과 기후 변화 등의 문제에 대응하기 위해서 단순히 자원을 소비하는 차원에서 지속가능한 메탄 공급 방법에 대한 논의가 활발하다. 특히, 메탄을 연소할 때 발생하는 일산화탄소 또는 이산화탄소를 포함하는 산화탄소로부터 메탄을 생산하기 위한 방법에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.
메탄 생산은 혼합 탱크 반응기 등에서 진행되는 70℃ 이하의 저온반응과 촉매를 이용한 고정층 반응기에서 진행되는 250℃ 이상의 반응으로 나눌 수 있다. 저온반응은 반응 수율이 낮고 반응속도가 낮아, 촉매를 이용한 고정층 반응기에 대한 연구가 주를 이루고 있다. 촉매를 이용한 메탄화 반응은 일산화탄소를 이용한 반응과 이산화탄소를 이용한 반응으로 나눌 수 있으며, 각각의 반응식은 하기와 같다.
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O(g) -206kJ/mol (at 298K)
CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O(g) -164kJ/mol (at 298K)
상기 반응은 모두 발열반응으로서 공통적으로 물이 생성된다. 촉매를 이용하여 상기 반응을 진행할 경우 400℃ 내지 500℃의 고온에서 진행되는 경우가 많고 반응이 빠르게 진행되나, 생성되는 반응열에 의해서 전환율이 떨어지는 문제가 있다.
특허문헌 1은 수소를 하나 이상의 탄소계 화합물과 반응시켜 메탄을 제조하기 위한 메탄화 반응기에 관한 것으로서, 수소 및 각각의 탄소계 화합물을 위한 입구를 포함하고 촉매 입자의 유동층을 수용하도록 구성된 중공 바디; 및 메탄 및 물을 위한 출구를 포함한다. 각각의 탄소계 화합물은 기체이며, 상기 반응기는 수소 및 탄소계 기체를 포함하는 기체를 위한 하나 이상의 주입 노즐 및 하나 이상의 물-주입 노즐을 포함하고, 상기 하나 이상의 물-주입 노즐은 하나 이상의 기체-주입 노즐 밑에 위치된다.
그러나 특허문헌 1의 유동층 반응기는 메탄을 생산함에 있어서 생성되는 물을 제거하여 전환율을 높이기 위한 별도의 구성을 제시하지 않고 있다.
특허문헌 2는 차르 메탄화 촉매를 사용한 기체화 방법에 관한 것으로서, 구체적으로 알칼리 금속 촉매와 로딩된 탄소질 공급원료의 기체화에 의해 생성된 기체 스트림과 같은 일산화탄소 및 수소를 포함하는 기체 혼합물로부터 메탄-풍부 기체를 생성하는 방법, 및 이러한 방법에서 유용한 차르 메탄화 촉매에 관한 것이다.
특허문헌 2 또한 메탄을 생산하는 방법에 대한 기본 기술을 제시하고 있을 뿐 평형 관점에서 전환율을 높이기 위한 구체적인 구성은 없다.
비특허문헌 1은 이러한 문제점을 이론적인 모사를 통해서 해결하기 위한 것으로서, 생성되는 물을 흡착을 통해서 제거하여 전환율의 변화를 예측을 하였으나, 메탄 생산 공정에 직접적으로 적용하기에는 많은 개발이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제2016-0016405호 대한민국 등록특허공보 제1330894호
Chemical Engineering Journal 242 (2014) 379-386
본원 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기 및 이를 이용한 메탄의 생산 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본원 발명의 제1양태는 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기에 있어서, 상기 제1반응챔버의 제1상단출구부와 연결되며 상기 제1반응챔버로부터 배출되는 기체상 물질을 촉매와 분리하는 제1분리사이클론; 상기 기체상 물질로부터 메탄, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 분리하는 제1기체분리부; 상기 제1분리사이클론으로부터 분리된 촉매의 온도를 낮추는 제1열교환호퍼; 상기 제1열교환호퍼로부터 공급받는 촉매, 상기 제1기체분리부로부터 공급받는 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소에 의해서 저온 촉매 전환 반응이 일어나는 제2반응챔버; 상기 제2반응챔버의 제2상단출구부와 연결되며 상기 제2반응챔버로부터 배출되는 기체상 물질을 촉매와 분리하는 제2분리사이클론; 상기 제2분리사이클론으로부터 배출되는 기체상 물질로부터 메탄, 물, 수소를 분리하는 제2기체분리부; 상기 제2분리사이클론 및 제2반응챔버로부터 직접 회수되는 촉매의 온도를 낮추는 제2열교환호퍼; 상기 제1기체분리부 및 상기 제2기체분리부로부터 얻어지는 메탄을 혼합하는 메탄혼합부;를 포함하는 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기를 제공한다.
본원 발명의 제2양태는 메탄 유동층 반응기를 사용하여 메탄을 생산하는 방법에 있어서,
a) 상기 제1반응챔버에 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소와 및 촉매를 공급하여 고속유동층 전환반응을 수행하여 메탄과 물을 생성하는 단계;
b) 상기 제1반응챔버로부터 배출되는 생성물을 상기 제1분리사이클론을 사용하여 기체상 물질과 촉매로 분리하며, 상기 제1분리사이클론의 하단으로부터는 고온의 촉매를 배출하여 제1열교환호퍼로 공급하는 단계;
c) 상기 단계 b)의 상기 기체상 물질에서 메탄, 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소, 물을 분리하며, 상기 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소는 제2반응챔버에 공급하고 상기 메탄은 메탄혼합기로 공급하며, 상기 단계 b)의 제1열교환호퍼로 공급된 촉매의 온도를 낮춘 후 제2반응챔버로 공급하는 단계;
e) 상기 제2반응챔버에 상기 단계 c)에서 공급되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소와 및 촉매를 사용하여 이동층 전환반응을 수행하여 메탄 및 물을 생성하는 단계;
f) 상기 제2반응챔버로부터 배출되는 생성물을 상기 제2분리사이클론을 사용하여 기체상 물질과 촉매로 분리하며, 상기 제2반응챔버의 하단으로부터는 고온의 촉매를 배출하여 제2열교환호퍼로 공급하는 단계;
g) 상기 단계 f)의 상기 기체상 물질에서 메탄, 수소와 물을 분리하여 분리된 메탄은 상기 메탄혼합기로 공급하며, 상기 단계 f)의 제2열교환호퍼로 공급된 촉매의 온도를 낮춘 후 제1반응챔버로 공급하는 단계;를 포함하는 메탄을 생산하는 방법을 제공한다.
상술한 바와 같이 본원 발명은 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기 및 이를 이용한 메탄의 생산 방법에 관한 것으로서, 유동층 반응을 고속유동층 및 고정층 2단계로 나누어서 진행하여 생성물인 물과 열을 제거함으로써, 반응이 평형상태에 이르지 않고 계속적으로 정반응이 진행될 수 있다는 장점이 있다. 이로 인해 종래의 기술에 비해 메탄의 전환율이 높다.
도 1은 본원 발명에 따른 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기에 대한 개략도이다.
본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.
이하, 본 발명의 구성을 도면에 따라서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 본원 발명에 따른 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기에 대한 개략도이다.
본원 발명은 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기(100)에 있어서, 고온의 촉매 전환 반응이 일어나는 제1반응챔버(10), 상기 제1반응챔버(10)의 제1상단출구부(18)와 연결되며 상기 제1반응챔버(10)로부터 배출되는 기체상 물질을 촉매와 분리하는 제1분리사이클론(20), 상기 기체상 물질로부터 메탄, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 분리하는 제1기체분리부(30), 상기 제1분리사이클론(20)으로부터 분리된 촉매의 온도를 낮추는 제1열교환호퍼(40), 상기 제1열교환호퍼(40)로부터 공급받는 촉매, 상기 제1기체분리부(30)로부터 공급받는 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소에 의해서 저온 촉매 전환 반응이 일어나는 제2반응챔버(50), 상기 제2반응챔버(50)의 제2상단출구부(58)와 연결되며 상기 제2반응챔버(50)로부터 배출되는 기체상 물질을 촉매와 분리하는 제2분리사이클론(70), 상기 제2분리사이클론(70)으로부터 배출되는 기체상 물질로부터 메탄, 물, 수소를 분리하는 제2기체분리부(80), 상기 제2분리사이클론(70) 및 제2반응챔버(50)로부터 직접 회수되는 촉매의 온도를 낮추는 제2열교환호퍼(60), 상기 제1기체분리부(30) 및 상기 제2기체분리부(80)로부터 얻어지는 메탄을 혼합하는 메탄혼합부(90)를 포함한다.
상기 제1반응챔버(10)는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소가 공급되는 제1기상원료공급부(12), 촉매가 공급되는 제1고상원료공급부(14), 상기 공급된 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소, 촉매가 고속유동층 영역에서 반응이 진행되는 제1메탄전환부(16), 상기 제1메탄전환부(16)에서 반응이 진행된 반응물을 배출하는 상기 제1상단출구부(18)을 포함한다.
상기 제1메탄전환부는 400℃ 내지 500℃의 고온에서 전환반응이 일어나며, 이때 내부 흐름은 고속유동층(fast fluidized bed) 영역이다. 고속유동층은 이미 알려진 기술로서 Ind. Eng. Chem., Process Des. Dev., Vol. 15, No. 1, 1976, pp47-53에 기재되어 있는바 자세한 설명은 생략한다. 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소로부터 메탄 및 물을 생성하는 촉매는 통상의 촉매 사용이 가능하다.
상기 제2반응챔버(50)는 상기 제1기체분리부(30)로부터 공급받는 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소가 공급되는 제2기상원료공급부(52), 상기 제1열교환호퍼(40)로부터 공급받는 촉매가 공급되는 제2고상원료공급부(54), 상기 공급된 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소, 촉매가 이동층 영역에서 반응이 진행되는 제2메탄전환부(56), 상기 제2메탄전환부(56)에서 반응이 진행된 반응물을 배출하는 상기 제2상단출구부(58)를 포함한다.
제1열교환호퍼(40)은 입자를 수용 및 공급할 수 있는 호퍼에 별도의 열교환부를 부가한 것으로서 열교환부는 촉매와 직접 접촉을 하거나 호퍼의 외면에 부착될 수 있다.
상기 제2메탄전환부(56)는 250℃ 내지 350℃의 저온에서 전환반응이 일어나며, 이때 반응기 내부 흐름은 이동층(moving bed)이다. 이동층은 이미 알려진 기술로서 미국 특허공보 제3,883,312호에 기재되어 있는바 자세한 설명은 생략한다. 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소로부터 메탄 및 물을 생성하는 촉매는 통상의 촉매 사용이 가능하다. 제1메탄전환부(16)와 제2메탄전환부(56)에서 제1멘탄전환부(16)는 상대적으로 전환율이 낮기 때문에 반응속도를 높이기 위해서 고온에서 반응이 진행되며, 제2메탄전환부(56)는 이미 전환율이 높은 상태이므로 반응속도보다는 높은 평형 전환율을 위해서 저온에서 반응을 진행한다. 각각의 메탄전환부에서 필요로 하는 전환율은 반응기의 크기 목표로 하는 전환율, 에너지 소비 등을 고려하여 통상의 기술자가 최적화를 진행할 수 있다.
상기 제2열교환호퍼(60)와 상기 제2반응챔버(50) 사이에는 루프 실(loop seal)에 의한 비기계적 밸브(non-mechanical valve)가 배치된다. 이는 제2반응챔버(50)의 이동층 특징에 따른 것으로서, 제2반응챔버(50) 내의 유속이 낮기 때문에 하단에 배치된 제2열교환호퍼(60)로 촉매가 배출되며, 상단의 제2상단출구부(58)을 통해서 배출되는 기체상 물질에는 입자상 물질이 거의 존재하지 않게 된다.
상기 제2기체분리부(80)에는 상기 제2분리사이클론(70)으로부터 배출되는 기체상 물질로부터 일산화탄소 또는 이산화탄소를 추가로 회수하는 장치가 부가될 수 있다. 제2분리사이클론(70)으로 공급되는 기체상 물질의 유속이 느리기 때문에 입자상 물질은 거의 존재하지 않으나 미반응된 일산화탄소 또는 이산화탄소는 같이 배출되기 때문이다.
상기 제1기상원료공급부(12)에 공급되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소는 상기 제2기체분리부(80)로부터 분리되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소 또는 별도의 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소 공급라인을 통해서 공급될 수 있다.
상기 제1고상원료공급부(14)에 공급되는 촉매는 상기 제2열교환호퍼(50)에서 배출되는 것이거나 별도로 공급될 수 있다.
이러한 기상원료 및 고상원료는 재순환 가능한 것이므로 재순환을 하는 것이 가장 바람직하며, 분리의 효율 또는 소비의 정도에 따라서 추가로 별도 공급해야 한다.
본원 발명에 따른 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기를 사용하여 메탄을 생산하는 방법은 다음과 같은 단계로 진행된다.
a) 상기 제1반응챔버(10)에 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소와 및 촉매를 공급하여 고속유동층 전환반응을 수행하여 메탄과 물을 생성하는 단계;
b) 상기 제1반응챔버(10)로부터 배출되는 생성물을 상기 제1분리사이클론(20)을 사용하여 기체상 물질과 촉매로 분리하며, 상기 제1분리사이클론(20)의 하단으로부터는 고온의 촉매를 배출하여 제1열교환호퍼(40)로 공급하는 단계;
c) 상기 단계 b)의 상기 기체상 물질에서 메탄, 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소, 물을 분리하며, 상기 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소는 제2반응챔버(50)에 공급하고 상기 메탄은 메탄혼합기(90)로 공급하며, 상기 단계 b)의 제1열교환호퍼(40)로 공급된 촉매의 온도를 낮춘 후 제2반응챔버(50)로 공급하는 단계;
e) 상기 제2반응챔버(50)에 상기 단계 c)에서 공급되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소와 및 촉매를 사용하여 이동층 전환반응을 수행하여 메탄 및 물을 생성하는 단계;
f) 상기 제2반응챔버(50)로부터 배출되는 생성물을 상기 제2분리사이클론(70)을 사용하여 기체상 물질과 촉매로 분리하며, 상기 제2반응챔버(50)의 하단으로부터는 고온의 촉매를 배출하여 제2열교환호퍼(60)로 공급하는 단계;
g) 상기 단계 f)의 상기 기체상 물질에서 메탄, 수소와 물을 분리하여 분리된 메탄은 상기 메탄혼합기(90)로 공급하며, 상기 단계 f)의 제2열교환호퍼(60)로 공급된 촉매의 온도를 낮춘 후 제1반응챔버(10)로 공급하는 단계
상기 제1기상원료공급부(12)에 공급되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소는 상기 제2기체분리부(80)로부터 분리되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소 또는 별도의 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소 공급라인을 통해서 공급된다.
본원 발명의 모든 구성에 있어서 제1기체분리부(30) 및 제2기체분리부(80)는 응축에 의해서 물을 먼저 분리한다. 이후 메탄, 수소 및 일산화탄소 또는 이산화탄소를 분리한다. 기체를 분리하는 방법에 대해서는 통상의 방법을 수행할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다. 이때 수소, 메탄, 이산화탄소 또는 일산화탄소를 개별적으로 분리할 수 있다. 메탄은 생성물이므로 수소, 이산화탄소 또는 일산화탄소로부터 분리하는 것이 가장 중요하다.
본 발명에 따른 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기는 2단계의 반응기를 사용하여 반응이 진행되는 중에도 물과 반응열을 계속 제거함으로써, 반응이 평형상태에 이르지 않고 계속적으로 정반응이 진행될 수 있다.
100 : 메탄 유동층 반응기
10 : 제1반응챔버
12 : 제1기상원료공급부
14 : 제1고상원료공급부
16 : 제1메탄전환부
18 : 제1상단출구부
20 : 제1분리사이클론
30 : 제1기체분리부
40 : 제1열교환호퍼
50 : 제2반응챔버
52 : 제2기상원료공급부
54 : 제2고상원료공급부
56 : 제2메탄전환부
58 : 제2상단출구부
60 : 제2열교환호퍼
70 : 제2분리사이클론
80 : 제2기체분리부
90 : 메탄혼합기

Claims (9)

  1. 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기에 있어서,
    고온의 촉매 전환 반응이 일어나는 제1반응챔버;
    상기 제1반응챔버의 제1상단출구부와 연결되며 상기 제1반응챔버로부터 배출되는 기체상 물질을 촉매와 분리하는 제1분리사이클론;
    상기 기체상 물질로부터 메탄, 물, 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소를 분리하는 제1기체분리부;
    상기 제1분리사이클론으로부터 분리된 촉매의 온도를 낮추는 제1열교환호퍼;
    상기 제1열교환호퍼로부터 공급받는 촉매, 상기 제1기체분리부로부터 공급받는 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소에 의해서 저온 촉매 전환 반응이 일어나는 제2반응챔버;
    상기 제2반응챔버의 제2상단출구부와 연결되며 상기 제2반응챔버로부터 배출되는 기체상 물질을 촉매와 분리하는 제2분리사이클론;
    상기 제2분리사이클론으로부터 배출되는 기체상 물질로부터 메탄, 물, 수소를 분리하는 제2기체분리부;
    상기 제2분리사이클론 및 제2반응챔버로부터 직접 회수되는 촉매의 온도를 낮추는 제2열교환호퍼;
    상기 제1기체분리부 및 상기 제2기체분리부로부터 얻어지는 메탄을 혼합하는 메탄혼합부;
    를 포함하는 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1반응챔버는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소가 공급되는 제1기상원료공급부;
    촉매가 공급되는 제1고상원료공급부;
    상기 공급된 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소, 촉매가 고속유동층 영역에서 반응이 진행되는 제1메탄전환부;
    상기 제1메탄전환부에서 반응이 진행된 반응물을 배출하는 상기 제1상단출구부;
    를 포함하는 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2반응챔버는 상기 제1기체분리부로부터 공급받는 일산화탄소 또는 이산화탄소 및 수소가 공급되는 제2기상원료공급부;
    상기 제1열교환호퍼로부터 공급받는 촉매가 공급되는 제2고상원료공급부;
    상기 공급된 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소, 촉매가 이동층 영역에서 반응이 진행되는 제2메탄전환부;
    상기 제2메탄전환부에서 반응이 진행된 반응물을 배출하는 상기 제2상단출구부;
    를 포함하는 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2열교환호퍼와 상기 제2반응챔버 사이에는 루프 실(loop seal)에 의한 비기계적 밸브(non-mechanical valve)가 배치된 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2기체분리부에는 상기 제2분리사이클론으로부터 배출되는 기체상 물질로부터 일산화탄소 또는 이산화탄소를 추가로 회수하는 장치가 부가된 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1기상원료공급부에 공급되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소는 상기 제2기체분리부로부터 분리되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소 또는 별도의 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소 공급라인을 통해서 공급되는 것인 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1고상원료공급부에 공급되는 촉매는 상기 제2열교환호퍼에서 배출되는 것이거나 별도로 공급되는 것인 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 전환율을 높일 수 있는 메탄 유동층 반응기를 사용하여 메탄을 생산하는 방법에 있어서,
    a) 상기 제1반응챔버에 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소와 및 촉매를 공급하여 고속유동층 전환반응을 수행하여 메탄과 물을 생성하는 단계;
    b) 상기 제1반응챔버로부터 배출되는 생성물을 상기 제1분리사이클론을 사용하여 기체상 물질과 촉매로 분리하며, 상기 제1분리사이클론의 하단으로부터는 고온의 촉매를 배출하여 제1열교환호퍼로 공급하는 단계;
    c) 상기 단계 b)의 상기 기체상 물질에서 메탄, 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소, 물을 분리하며, 상기 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소는 제2반응챔버에 공급하고 상기 메탄은 메탄혼합기로 공급하며, 상기 단계 b)의 제1열교환호퍼로 공급된 촉매의 온도를 낮춘 후 제2반응챔버로 공급하는 단계;
    e) 상기 제2반응챔버에 상기 단계 c)에서 공급되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소와 및 촉매를 사용하여 이동층 전환반응을 수행하여 메탄 및 물을 생성하는 단계;
    f) 상기 제2반응챔버로부터 배출되는 생성물을 상기 제2분리사이클론을 사용하여 기체상 물질과 촉매로 분리하며, 상기 제2반응챔버의 하단으로부터는 고온의 촉매를 배출하여 제2열교환호퍼로 공급하는 단계;
    g) 상기 단계 f)의 상기 기체상 물질에서 메탄, 수소와 물을 분리하여 분리된 메탄은 상기 메탄혼합기로 공급하며, 상기 단계 f)의 제2열교환호퍼로 공급된 촉매의 온도를 낮춘 후 제1반응챔버로 공급하는 단계;
    를 포함하는 메탄을 생산하는 방법.
  9. 제9항에 있어서,
    상기 제1기상원료공급부에 공급되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소는 상기 제2기체분리부로부터 분리되는 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소 또는 별도의 수소와 이산화탄소 또는 일산화탄소 공급라인을 통해서 공급되는 것인 메탄을 생산하는 방법.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210097476A (ko) * 2020-01-30 2021-08-09 고등기술연구원연구조합 메탄 생성 장치 및 이의 제어 방법
CN115216347A (zh) * 2022-06-24 2022-10-21 沈阳航空航天大学 一种流化床气化与固定床甲烷化耦合系统及方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101330894B1 (ko) 2008-09-19 2013-11-18 그레이트포인트 에너지, 인크. 차르 메탄화 촉매를 사용한 기체화 방법
KR20150011353A (ko) * 2012-04-18 2015-01-30 엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니 연속 반응기 유출물로부터 탄소 나노튜브들을 제거하기 위한 방법
KR20160016405A (ko) 2014-08-05 2016-02-15 삼성전자주식회사 데이터 처리 방법 및 그 전자 장치

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101330894B1 (ko) 2008-09-19 2013-11-18 그레이트포인트 에너지, 인크. 차르 메탄화 촉매를 사용한 기체화 방법
KR20150011353A (ko) * 2012-04-18 2015-01-30 엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니 연속 반응기 유출물로부터 탄소 나노튜브들을 제거하기 위한 방법
KR20160016405A (ko) 2014-08-05 2016-02-15 삼성전자주식회사 데이터 처리 방법 및 그 전자 장치

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Chemical Engineering Journal 242 (2014) 379-386

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210097476A (ko) * 2020-01-30 2021-08-09 고등기술연구원연구조합 메탄 생성 장치 및 이의 제어 방법
CN115216347A (zh) * 2022-06-24 2022-10-21 沈阳航空航天大学 一种流化床气化与固定床甲烷化耦合系统及方法

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