KR20200046216A - Microchannel reactor with controllability in reaction heat and control method thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to a microchannel reactor for a Fischer-Tropsch synthesis reaction. More specifically, provided is a method for more easily controlling a temperature in a catalyst layer by making the flow of a refrigerant in a cooling layer flow at a right angle in the catalyst layer and varying flow rate of the refrigerant depending on the portion of the cooling layer. When the heat exchange microchannel reactor is used, it is possible to increase the CO conversion rate and the selectivity of C5+ hydrocarbons in the Fischer-Tropsch reaction by controlling a hot spot due to the reaction heat.

Description

반응열 제어가 용이한 마이크로채널 반응기 및 반응열 제어 방법 {Microchannel reactor with controllability in reaction heat and control method thereof}Microchannel reactor with controllability in reaction heat and control method thereof

본 발명은 마이크로채널 반응기에서 발열반응의 반응열을 효과적으로 제어하는 방법에 관한 것이다. 마이크로채널 반응기에서 수행될 수 있는 대표적인 고온의 강한 발열반응으로, 피셔-트롭쉬 합성반응이 있다.The present invention relates to a method for effectively controlling the reaction heat of an exothermic reaction in a microchannel reactor. As a representative high-temperature strong exothermic reaction that can be performed in a microchannel reactor, there is Fischer-Tropsch synthesis reaction.

피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch, F-T) 반응은 합성가스(synthesis gas, CO + H2)로부터 합성유를 제조하는 반응이다. 합성가스는 주로 석탄의 가스화 또는 천연가스의 리포밍에 의해 제조된다. The Fischer-Tropsch (FT) reaction is a reaction for preparing synthetic oil from synthesis gas (CO + H 2 ). Syngas is mainly produced by gasification of coal or reforming of natural gas.

CO + 2H2 → -[CH2] n- + H2O ΔH298 = ~-160 kJ/molCO + 2H 2 →-[CH 2 ] n- + H 2 O ΔH 298 = ~ -160 kJ / mol

상기 식과 같이 피셔-트롭쉬 반응은 강한 발열반응으로서, 반응열 제어가 중요하다. 반응열 제어가 안될 경우 반응기 온도가 급격히 상승하여 반응공정의 안전에 심각한 문제를 발생할 뿐 아니라 원치 않는 생성물을 얻게 된다.The Fischer-Tropsch reaction as described above is a strong exothermic reaction, and reaction heat control is important. If the reaction heat is not controlled, the reactor temperature rises rapidly, causing serious problems in the safety of the reaction process and obtaining unwanted products.

피셔-트롭쉬 반응용 촉매는 크게 코발트와 철계 촉매로 대별된다. 코발트 계열의 촉매는 촉매 수명이 길고 선형 사슬을 갖는 파라핀 형태의 탄화수소를 얻는 데 유리하며 이산화탄소를 적게 생성시키는 장점이 있다. 하지만 합성가스 조성에 민감하여 CO 대비 수소의 비율이 높으면 메탄의 선택도가 높아져 C5+ (탄소수 5 이상의 탄화수소) 선택도가 상대적으로 상대적으로 줄어든다. 또한 C5+ 선택도가 반응 온도에도 민감하여 반응온도 200~240도씨 이상 올라가면 C5+ 선택도가 급격히 감소하므로 반응온도 제어가 필수적이다. 코발트 계열의 촉매는 고가이므로 소량을 지지체 표면에 잘 분산시켜서 사용해야 한다. 지지체로는 알루미나, 실리카, 티타니아 등이 사용되며 조촉매로 Ru, Pt, Re 등의 귀금속을 사용하여 성능을 향상시킨다.The catalyst for the Fischer-Tropsch reaction is largely classified into cobalt and iron-based catalysts. The cobalt-based catalyst has a long catalyst life and is advantageous for obtaining a paraffin-type hydrocarbon having a linear chain, and has the advantage of generating less carbon dioxide. However, when the ratio of hydrogen to CO is high because it is sensitive to the composition gas composition, the selectivity of methane increases, and the selectivity of C5 + (hydrocarbons having 5 or more carbon atoms) decreases relatively. In addition, the C5 + selectivity is sensitive to the reaction temperature, so if the reaction temperature rises above 200-240 degrees C, the C5 + selectivity decreases rapidly, so reaction temperature control is essential. Since the cobalt-based catalyst is expensive, it should be used by dispersing a small amount well on the surface of the support. Alumina, silica, titania, etc. are used as the support, and noble metals such as Ru, Pt, and Re are used as cocatalysts to improve performance.

철 계열의 촉매는 초기에 주로 사용되었으며, 코발트 계열에 비하여 촉매가 저렴하나 촉매 수명이 짧고, 고온에서 메탄 선택도가 낮으며, 탄화수소 중 올레핀 선택도가 높고 옥시게네이트(oxygenate, 알코올, 알데히드, 케톤 등 산소원자 포함 분자) 등의 부산물을 생성한다. Iron-based catalysts were mainly used in the early stages, and the catalyst was cheaper than the cobalt-based catalyst, but the catalyst life was short, the methane selectivity was low at high temperatures, the olefin selectivity among hydrocarbons was high, and oxygenates (alcohols, aldehydes) By-products such as molecules containing oxygen atoms such as ketones).

현재까지 고려되고 있는 피셔-트롭쉬 반응용 반응기의 형태는 다관식 고정층 반응기(tubular fixed bed reactor), 유동층 반응기(fluidized bed reactor), 슬러리상 반응기(slurry phase reactor), 열교환기가 갖춰진 마이크로 채널 반응기(microchannel reactor) 혹은 다중 채널 반응기(multi-channel reactor) 등으로 나뉘며, 유동층 반응기에는 순환 유동층 반응기(circulating fluidized bed reactor)와 고정 유동층 반응기(Fixed fluidized bed reactor)가 대표적이다. 반응기 형태에 따라 반응 특성과 생성물의 분포가 달라지므로 목표로 하는 최종생성물에 따라 적절히 선택해야 한다. 기존의 10,000 BPD 이상의 상용화된 공정에서는 주로 유동층 반응기(SASOL사)와 다관식 고정층 반응기(Shell사)를 사용해 왔다. 하지만, 이러한 반응기 형태는 비교적 규모가 큰 가스전에 적당한 형태라서 규모가 훨씬 작은 가스전이나 플레어 가스(flare gas)를 사용해야 하는 공정을 위해서라면 좀 더 콤팩트하면서 효율이 높은 반응기가 필요하다. 그리고 최근에는 자원을 찾아 다니며 생산이 가능하고, 수요가 있는 곳에 하역이 가능하도록 설계된 FPSO(floating production, storage and offloading) 공정에 대한 관심이 매우 높아지면서 규모는 작으면서 고효율의 공정에 대한 연구가 전세계적으로 진행되고 있다. 이러한 GTL FPSO는 공간이 제한된 선상에 GTL 공장을 짓는 것이라서 생산량 대비 반응기의 부피가 작을수록 유리하므로 상기 언급된 반응기 중에 마이크로 채널 반응기 혹은 다중 채널 반응기 형태가 가장 유망한 반응기 형태로 고려되고 있다. The form of the Fischer-Tropsch reaction reactor that has been considered to date is a tubular fixed bed reactor, a fluidized bed reactor, a slurry phase reactor, and a microchannel reactor equipped with a heat exchanger ( It is divided into a microchannel reactor or a multi-channel reactor, and the fluidized bed reactor includes a circulating fluidized bed reactor and a fixed fluidized bed reactor. Since the reaction characteristics and the distribution of products vary depending on the reactor type, it must be appropriately selected according to the final product to be targeted. In the existing commercialized process of more than 10,000 BPD, a fluidized bed reactor (SASOL) and a multi-tube fixed bed reactor (Shell) have been mainly used. However, this type of reactor is suitable for a relatively large gas field, so a more compact and more efficient reactor is required for a process that requires a much smaller gas field or flare gas. And recently, it is designed to be able to produce by locating resources and unloading where there is demand. As interest in FPSO (floating production, storage and offloading) processes has increased, research on small-scale and high-efficiency processes has been conducted worldwide. Since such a GTL FPSO is to build a GTL plant on a ship with limited space, the smaller the volume of the reactor compared to the production is, the more favorable the reactor type of the micro-channel reactor or multi-channel reactor is considered as the most promising reactor type.

FT 반응기는 주로 디젤, 윤활기유, 왁스 등을 생산하는데 적합하며 저온 F-T공정이 주로 운전되고 있다. 저온 F-T 공정에서는 60% 이상이 디젤보다 고비점인 탄화수소가 생성되므로 수소화 분해(hydrocracking) 등의 후속 공정을 거쳐 디젤을 추가로 제조하고, 디왁싱(dewaxing) 공정을 거쳐서 왁스 성분은 고품질의 윤활기유로 전환하여 사용한다. FT reactor is mainly suitable for producing diesel, lubricating base oil, wax, etc., and low-temperature F-T process is mainly operated. In the low-temperature FT process, more than 60% of hydrocarbons have a higher boiling point than diesel, so diesel is additionally manufactured through subsequent processes such as hydrocracking, and the wax component is a high-quality lubricant base oil through a dewaxing process. Convert and use.

저온 F-T 반응에 대표적인 다관식 고정층 반응기와 슬러리상 반응기는 여러 가지 장점이 있지만, 마이크로 혹은 다중 채널 반응기에 비하여 부피와 무게에 대한 부담이 크다. 다관식 고정층 반응기는 스케일업(scale-up)에 대한 부담이 적고, 촉매의 기계적 손실이 적은 장점이 있지만, 생산량 대비 부피가 제일 큰 반응기이므로 공정에서 차지하는 부피가 매우 크고 장치비 및 건설비가 많이 든다. 그리고 촉매층 내부에 열 및 물질전달 효율이 상대적으로 낮아 반응을 제어하는데 어려움이 크다. 슬러리상 반응기는 장치비 및 건설비가 저렴하고 열 및 물질전달 효율이 좋긴 하지만, 복잡한 반응기 내부의 동력학을 해석해야만 스케일업할 수 있으므로 설계에 어려움이 있고, 마찰이나 충돌에 의한 촉매의 기계적 손실이 있다. The representative multi-tube fixed bed reactor and the slurry phase reactor for low-temperature F-T reaction have several advantages, but have a greater volume and weight burden than the micro or multi-channel reactor. The multi-tubular fixed-bed reactor has the advantage of low scale-up and low mechanical loss of the catalyst, but it is the largest volume-to-production reactor, so the volume occupied in the process is very large and the equipment cost and construction cost are high. In addition, the heat and mass transfer efficiency is relatively low inside the catalyst layer, making it difficult to control the reaction. Slurry phase reactors have low equipment and construction costs and good heat and mass transfer efficiency, but they can be scaled up only by analyzing the dynamics inside the complex reactor, which makes it difficult to design and has mechanical loss of catalyst due to friction or collision.

다중 채널 반응기(이하 마이크로채널 반응기를 포함하여 지칭함)는 고 공간속도에서의 반응이 가능하도록 열전달 효율이 극대화된 반응기로서 생산량 대비 부피가 적어(기존 반응공정의 1/5~1/2 수준) 상대적으로 장치비 및 건설비가 적게 들고, 넘버-업(number-up)에 의한 개념으로 생산량을 늘일 수 있으므로 스케일업이 용이하고, 촉매의 마찰이나 충돌에 의한 기계적 손실이 미미하다. 또한 장치의 이동시 발생할 수 있는 반응거동의 변화나 촉매의 흔들림에 의한 손실도 미미하다. 하지만, 벽 반응기(wall reactor)처럼 반응기 벽에 워시 코트(wash coat)한 경우 촉매의 비활성화로 인해 수명이 다했을 때 촉매 교체가 아주 어렵거나 거의 불가능한 단점이 있다. 촉매 입자를 충전하는 타입에서는 촉매 교체는 비교적 용이하나 열전달 효율이 반응기 벽에 워시 코트한(wash-coated)한 반응기에 비해 떨어지는 단점이 있다.A multi-channel reactor (hereinafter referred to as a micro-channel reactor) is a reactor that maximizes heat transfer efficiency to enable reaction at a high space velocity, so it has a small volume compared to the production volume (1/5 ~ 1/2 level of the existing reaction process). As the cost of equipment and construction is low, and the production amount can be increased by the concept of number-up, scale-up is easy, and mechanical loss due to friction or collision of the catalyst is minimal. In addition, the change in reaction behavior that may occur during the movement of the device or loss due to the shaking of the catalyst is also negligible. However, in the case of a wash coat on the reactor wall, such as a wall reactor, there is a disadvantage in that it is very difficult or almost impossible to replace the catalyst at the end of its life due to deactivation of the catalyst. In the type of filling the catalyst particles, catalyst replacement is relatively easy, but there is a disadvantage in that the heat transfer efficiency is inferior to that of a wash-coated reactor on the reactor wall.

F-T 반응과 같이 고온의 강한 발열반응은 반응열 제어가 용이하지 않아 목적하는 생성물의 수율을 높이는 것에 제약받는 경우가 많다. 본 발명은 촉매반응층과 냉각층이 교대로 적층된 마이크로채널 반응기에서 강한 발열반응의 반응열을 제어함에 있어, 스케일-업이 용이한 냉각방식인 반응물 대비 냉매가 직각흐름(cross flow) 방향을 갖는 구조에서 반응열 조절이 용이하도록 설계된 마이크로채널 반응기를 제공하고자 한다. Strong exothermic reactions at high temperatures, such as F-T reactions, are often difficult to control reaction heat, and are often restricted to increasing the yield of the desired product. In the present invention, in controlling the reaction heat of a strong exothermic reaction in a microchannel reactor in which the catalytic reaction layer and the cooling layer are alternately stacked, the refrigerant has a cross flow direction compared to a reactant, which is an easy cooling method of scale-up. It is an object of the present invention to provide a microchannel reactor designed to easily control reaction heat in a structure.

본 발명의 제1양태는 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 반응층과 냉매가 흐르는 냉각층이 교대로 적층된 판형 열교환 마이크로채널 반응기로서, 냉각층에서 냉매의 흐름은 반응층에서 반응물의 흐름에 대해 직각 방향이면서 열교환을 통해 반응층으로부터 냉각층으로 열전달이 일어나며, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기를 제공한다.The first aspect of the present invention is a plate-type heat exchange microchannel reactor in which a reaction layer in which an exothermic reaction occurs through a catalyst while a reactant flows and a cooling layer in which a refrigerant flows are alternately stacked, wherein the flow of the refrigerant in the cooling layer is the flow of the reactants in the reaction layer Heat transfer occurs from the reaction layer to the cooling layer through heat exchange in a direction perpendicular to the cooling layer, and divides the cooling layer into two or more compartments parallel to the refrigerant flow, and cools the refrigerant in the compartment containing a hot spot formed in the reaction layer. A heat exchange microchannel reactor characterized by adjusting the flow rate, flow rate, or both to be larger than other compartments that do not contain a hot spot.

본 발명의 제2양태는 제1양태의 열교환 마이크로채널 반응기에서 피셔-트롭쉬 반응을 통해 합성가스를 전환시키는 단계를 포함하는 합성유 제조 방법을 제공한다.The second aspect of the present invention provides a method for producing synthetic oil comprising the step of converting syngas through a Fischer-Tropsch reaction in the heat exchange microchannel reactor of the first aspect.

이하, 본 발명을 자세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

통상 마이크로채널 반응기는 플레이트(plate)가 적층된 구조로서, 촉매 반응층이 있는 층은 상-하에 냉각층을 가지고 있으며 촉매 반응층은 수 밀리미터 정도의 두께를 가지고 있다. 마이크로채널 반응기는 기존의 전통적인 튜브 형태의 고정상 촉매 반응기에 비해 열전달 면적이 10~100배 이상 크기 때문에 열교환 성능이 뛰어나 강한 발열반응이나 흡열반응의 반응기로서 주목 받아오고 있다. In general, a microchannel reactor has a structure in which plates are stacked, and the layer with the catalytic reaction layer has a cooling layer at the top and bottom, and the catalytic reaction layer has a thickness of several millimeters. The micro-channel reactor has attracted attention as a reactor of a strong exothermic reaction or endothermic reaction because of its excellent heat exchange performance because the heat transfer area is 10 to 100 times larger than that of a conventional fixed-bed catalytic reactor.

촉매 반응층 내의 반응물의 흐름 방향에 따라 냉매의 흐름은 동일 방향(co-current), 반대방향(counter-corrent) 및 직각 방향(cross-current)의 흐름으로 나눌 수 있다. 이는 반응물의 유량, 발열량, 반응기 크기 등에 의해 결정될 수 있다. Depending on the flow direction of the reactants in the catalytic reaction layer, the flow of the refrigerant may be divided into co-current, counter-corrent, and cross-current flows. This can be determined by the flow rate of the reactants, the amount of heat generated, the size of the reactor, and the like.

일반적으로 직각 방향의 냉매의 흐름 방식은 냉매 유로가 단순하며 유로 길이가 짧아 대형 반응기에 경제적으로 적용할 수 있는 이점이 있다. 또한, 반응물 대비 냉매가 직각흐름(cross flow) 방향을 갖는 구조는 스케일-업이 용이하다. 일반적으로 발열반응에서 직각 방향으로 냉매가 흐르게 되면 냉매가 빠져 나오는 하류 부분에 해당하는 촉매 반응층에서 온도가 상승하는 경향이 있다(도 2, 도 4 및 도 6). 이는 냉매가 출구쪽으로 갈수록 열이 축적되어 온도가 상승하기 때문이다. In general, the refrigerant flow method in the right-angle direction has an advantage that the refrigerant flow path is simple and the flow path length is short, so that it can be economically applied to a large reactor. In addition, the structure in which the refrigerant has a cross flow direction compared to the reactants is easily scaled up. In general, when the refrigerant flows in the right angle direction in the exothermic reaction, the temperature tends to rise in the catalytic reaction layer corresponding to the downstream portion from which the refrigerant escapes (FIGS. 2, 4 and 6). This is because the heat accumulates and the temperature rises as the refrigerant goes toward the outlet.

고정층 관형촉매반응기에서 발열반응일 때에 과열로 인하여 고점(hot spot)을 형성한다. 본 명세서에서 고점(hot spot)은 촉매를 구비한 반응층에서의 최고 온도를 지칭한다.In the fixed-bed tubular catalyst reactor, an exothermic reaction forms a hot spot due to overheating. In this specification, a hot spot refers to the highest temperature in the reaction layer with a catalyst.

발열반응에서 반응기내 촉매 반응층의 온도는 또한 반응물의 유속에 영향을 받아 고점 온도 위치가 달라진다. 예를 들면 반응물의 유속이 매우 느릴 경우 촉매층 상단에서 반응이 대부분 일어나고 반응기 후단으로 나가는 가스량이 적어 반응기 상단에서 고점(hot spot)이 발생하며(도 2 및 도 4), 반대로 반응물의 유속이 아주 높을 경우 반응기 상단의 반응열은 반응가스에 의해 후단으로 밀려 온도 상승이 제한되나 후단에서는 반응열이 축적돼 고점 온도 부위가 발생한다(도 6). In the exothermic reaction, the temperature of the catalytic reaction layer in the reactor is also influenced by the flow rate of the reactants, so that the high temperature point position is changed. For example, when the flow rate of the reactant is very slow, most of the reaction occurs at the top of the catalyst layer, and a small amount of gas goes to the rear end of the reactor, resulting in a hot spot at the top of the reactor (FIGS. 2 and 4). In the case, the reaction heat at the top of the reactor is pushed to the rear end by the reaction gas, thereby limiting the temperature rise, but at the rear end, the reaction heat accumulates to generate a high temperature point (FIG. 6).

따라서 직각 방향의 냉매의 흐름 방식에서는 냉매 출구 부위에서 발생하는 고온 발생을 제어하는 것이 필요하다.Therefore, it is necessary to control the generation of high temperature generated in the refrigerant outlet portion in the flow method of the refrigerant in the right angle direction.

본 발명은 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 반응층과 냉매가 흐르는 냉각층이 교대로 적층되고 냉각층에서 냉매의 흐름이 반응층에서 반응물의 흐름에 대해 직각 방향인 판형 열교환 마이크로채널 반응기에서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 것이 특징이다. 이를 통해, 본 발명은 반응열 제어가 용이하지 않은 고온의 강한 발열반응에서 목적하는 생성물의 수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라(표 1), 고점 발생으로 인한 촉매의 수명 단축을 지연시킬 수 있다. In the present invention, in a plate heat exchange microchannel reactor in which a reaction layer in which an exothermic reaction occurs through a catalyst while a reactant flows and a cooling layer in which a refrigerant flows are alternately stacked, and the flow of the refrigerant in the cooling layer is perpendicular to the flow of the reactants in the reaction layer. In other words, the cooling layer is divided into two or more sections parallel to the refrigerant flow, and the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the section containing the hot spots formed in the reaction layer does not include the hot spots. It is characterized by a larger adjustment than the compartment. Through this, the present invention can not only increase the yield of the desired product in a high-temperature strong exothermic reaction, which is not easy to control the reaction heat (Table 1), it is possible to delay the shortening of the life of the catalyst due to the occurrence of a high point.

본 발명의 일구체예로, (i) 냉매 주입시 각 지점에서의 유량 및/또는 유속 조건들을 동일하게 한 경우 촉매 반응층에 발생되는 고점을, 예컨대 실험 및/또는 전산모사(Computational Fluid Dynamics, CFD)을 통해, 예측하여, (ii) 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획, 바람직하게는 10개 이하로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획과 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획을 각각 포함하도록 냉각층 구획을 나누고, (iii) 상기 고점 예측 시 사용한 총 냉매의 유량을 유지한 상태에서 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량 및/또는 유속을 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절할 수 있다. In one embodiment of the present invention, (i) when the flow rate and / or flow rate conditions at each point are the same when the refrigerant is injected, the high point generated in the catalytic reaction layer is, for example, experimental and / or computational fluid dynamics, CFD), predicted, (ii) the cooling layer is divided into two or more compartments parallel to the refrigerant flow, preferably no more than ten, and the compartment and the reaction layer comprising hot spots formed in the reaction layer. Divide the cooling layer compartments so as to include compartments each containing a hot spot formed in (iii), and maintain the flow rate of the total refrigerant used in predicting the high point, forming a hot spot formed in the reaction layer. The flow rate and / or flow rate of the refrigerant in the containing compartment can be adjusted to be larger than other compartments that do not contain a hot spot.

예컨대, 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획은 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도가 제일 낮거나, 냉매 흐름 하류에서 최저 온도를 갖는 촉매 반응층을 포함하는 것일 수 있다(반응물 흐름 방향을 기준으로 도 2의 3번째 구획, 도 4 의 3번째 구획 및 도 6 의 1번째 구획).For example, another compartment that does not include a hot spot may have the lowest average temperature of the reaction bed temperature corresponding to the corresponding compartment, or may include a catalyst reaction layer having the lowest temperature downstream of the refrigerant flow (reactants Based on the flow direction, the third section of FIG. 2, the third section of FIG. 4 and the first section of FIG. 6).

촉매 반응층 내 발열량 제어가 가능하도록, 인접하여 열교환하는 냉각층 2개 사이에 위치한 반응층 내 촉매베드(catalytic bed)의 두께는 1 내지 5mm 범위 내에서, 냉각층의 두께는 0.5 내지 3mm내에서 조절될 수 있다. To control the amount of heat generated in the catalytic reaction layer, the thickness of the catalytic bed in the reaction layer located between two adjacent cooling layers to exchange heat is within the range of 1 to 5 mm, and the thickness of the cooling layer is within 0.5 to 3 mm. Can be adjusted.

본 발명의 냉각층은 냉매의 유속 및/또는 유량을 달리하도록, 경우에 따라서는 유입되는 냉매 온도를 달리하도록, 2이상의 구획으로 나눈 것이다. The cooling layer of the present invention is divided into two or more sections so that the flow rate and / or flow rate of the refrigerant are different, and in some cases, the temperature of the incoming refrigerant is different.

본 발명에서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나눌 때, 각 구획의 폭을 균등하게(도 2 내지 도 7) 또는 불균등하게 할 수 있다. In the present invention, when dividing the cooling layer into two or more sections parallel to the refrigerant flow, the width of each section can be made equal (Figs. 2 to 7) or uneven.

본 발명에서, 냉각층 및/또는 반응층은 복수개의 마이크로채널로 구성된 것일 수 있다(도 1). 냉매층을 마이크로채널로 구성하면서 촉매 반응층을 슬랩형태(slab type)의 고정층으로 구성할 수도 있고, 반응층도 마이크로채널로 구성할 수도 있다. 마이크로채널로 구성된 반응층에서는 채널 내부에 촉매를 삽입하여 충전하거나 반응기 내벽에 코팅 등의 방법으로 부착할 수도 있다. In the present invention, the cooling layer and / or the reaction layer may be composed of a plurality of microchannels (FIG. 1). While the refrigerant layer is composed of microchannels, the catalytic reaction layer may be composed of a slab type fixed layer or the reaction layer may also be composed of microchannels. In the reaction layer composed of microchannels, a catalyst may be inserted into the channel to be charged or attached to the inner wall of the reactor by coating or the like.

냉각층 및/또는 반응층을 복수개의 마이크로채널을 구비하여, 각 마이크로채널에서의 유량 및/또는 유속을 독립적으로 및/또는 종속적으로 조절할 수 있다. 냉각층 및/또는 반응층 내 마이크로채널들은 서로 폭 및/또는 높이를 동일하게 또는 달리하여 유량 및/또는 유속을 조절할 수 있다.The cooling layer and / or the reaction layer may be provided with a plurality of microchannels to independently and / or independently control the flow rate and / or flow rate in each microchannel. The microchannels in the cooling layer and / or the reaction layer can control the flow rate and / or flow rate by equally or differently width and / or height from each other.

따라서, 냉각층의 각 구획은 하나의 마이크로채널 또는 복수개의 마이크로채널로 구성될 수 있다. 각 구획별로 사용되는 마이크로채널의 체적, 형상 및/또는 개수를 달리하여 각 구획별 냉매 유량을 달리 조절할 수 있다.Therefore, each section of the cooling layer may be composed of one microchannel or a plurality of microchannels. The flow rate of refrigerant in each compartment can be adjusted differently by varying the volume, shape, and / or number of microchannels used in each compartment.

본 발명에서 고점은 촉매 반응층에서 발생가능한 원하지 아니하는 온도 이상인 경우도 포함한다. 즉, 촉매 반응층에서 원하지 아니하는 온도 이상으로 발생 지점도 촉매 본 발명에서 반응층에 발생되는 고점의 범주에 속하며, 이 경우에도 이에 대응되는 냉매층 구획의 냉매의 유량 및/또는 유속을 높여 제어할 수 있다.The high point in the present invention also includes a case in which the temperature is not higher than the undesired temperature that may occur in the catalytic reaction layer. In other words, the point of occurrence of an undesired temperature in the catalytic reaction layer also falls within the category of high points generated in the reaction layer in the present invention, and in this case, it is also controlled by increasing the flow rate and / or flow rate of the refrigerant in the corresponding refrigerant layer compartment. can do.

예컨대, 본 발명은 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 촉매 반응층에서 고점(hot spot)의 온도 미만이나 원하지 아니하는 고온 발생 지점을 포함하는 구획에서 냉매의 유량 및/또는 유속을, 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도가 제일 낮거나, 냉매 흐름 하류에서 최저 온도를 갖는 촉매 반응층을 포함하는 다른 구획보다 더 크게 조절할 수 있다.For example, the present invention divides the cooling layer into three or more compartments parallel to the refrigerant flow, but the flow rate and / or the flow of refrigerant in the compartment containing less than the hot spot temperature in the catalytic reaction layer or an unwanted high temperature generation point. The flow rate can be adjusted to be greater than the average temperature of the reaction bed temperature corresponding to the corresponding compartment, or larger than other compartments comprising the catalytic reaction bed having the lowest temperature downstream of the refrigerant flow.

본 발명은 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도에 대응하여 평균온도가 낮을수록 해당 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 낮추도록 조절할 수 있다(도 3 및 도 5).The present invention divides the cooling layer into three or more compartments parallel to the refrigerant flow, and the lower the average temperature corresponding to the average temperature of the reaction bed temperature corresponding to the compartment, the lower the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the compartment. It can be adjusted (Fig. 3 and Fig. 5).

또한, 본 발명은 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획의 인접한 다른 2개 구획 중 반응물 흐름 방향으로 상류에 해당하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다가 다른 구획들보다 가장 크게 조절할 수도 있다(반응물 흐름 방향을 기준으로 도 7의 2번째 구획). In addition, the present invention divides the cooling layer into three or more compartments parallel to the refrigerant flow, and a compartment corresponding to the upstream direction of the reactant flow among the other two adjacent compartments of the compartment containing the hot spot formed in the reaction layer. In the flow rate, flow rate, or both of the refrigerants may be adjusted to be the largest of the other compartments (the second compartment of FIG. 7 based on the reactant flow direction).

촉매를 구비한 반응층에서 최고점과 최저점의 온도 차이가 10℃ 이내가 되도록, 전술한 본 발명의 다양한 반응열 제어 방법들을 응용하여, 각 냉각층의 구획별로 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 달리 조절할 수 있다.In order to make the temperature difference between the highest point and the lowest point in the reaction layer provided with the catalyst be within 10 ° C, the various reaction heat control methods of the present invention described above can be applied to differently control the flow rate, flow rate, or both of refrigerant for each compartment of each cooling layer. have.

전술한 본 발명의 다양한 반응열 제어 방법들을 사용하더라도, 발열층의 임의의 지점에서의 온도(T1)는 이에 대응되는 냉각층의 지점에서의 온도(T2)보다 높아 발열층 전반에 걸쳐 열교환을 통해 반응층으로부터 냉각층으로 열전달이 일어날 수 있는 것이 바람직하다.Even if various reaction heat control methods of the present invention described above are used, the temperature T 1 at any point of the heating layer is higher than the temperature T 2 at the point of the corresponding cooling layer to exchange heat across the heating layer. It is preferred that heat transfer can occur from the reaction layer to the cooling layer.

하기에서는 반응열 제어가 용이하지 않은 고온의 강한 발열반응인 피셔-트롭쉬(F-T) 반응용 열교환 마이크로채널 반응기를 대표적인 예로 하여, 본 발명에 따라 냉각층에서 냉매의 흐름이 반응층에서 반응물의 흐름에 대해 직각 방향이면서, 냉각층을 2이상의 구획으로 나누고 F-T 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 열교환 마이크로채널 반응기를 사용하여 합성가스를 전환시켜 합성유를 제조하는 방법에 대해 설명한다.In the following, as a representative example of the heat exchange microchannel reactor for Fischer-Tropsch (FT) reaction, which is a high-temperature strong exothermic reaction that is not easy to control the reaction heat, the flow of refrigerant in the cooling layer according to the present invention is applied to the flow of reactants in the reaction layer. In the direction perpendicular to the cooling layer, the cooling layer is divided into two or more sections, and the flow rate, flow rate, or both of the refrigerants in the section including the hot spots formed in the FT reaction layer is higher than other sections that do not contain the hot spots. A method for producing synthetic oil by converting syngas using a heat exchange microchannel reactor that is more controlled will be described.

본 발명에 따른 합성유 제조 방법은 Synthetic oil production method according to the present invention

합성가스 반응물이 흐르면서 F-T 촉매를 통해 F-T 발열반응이 일어나는 F-T 반응층과 냉매가 흐르는 냉각층이 교대로 적층되고, 냉각층에서 냉매의 흐름이 반응층에서 반응물의 흐름에 대해 직각 방향이면서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누고 F-T 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 열교환 마이크로채널 반응기에서 피셔-트롭쉬 반응을 통해 합성가스를 전환시키는 단계; 및As the synthesis gas reactant flows, the FT reaction layer where the FT exothermic reaction occurs through the FT catalyst and the cooling layer through which the refrigerant flows are alternately stacked, and the flow of the refrigerant in the cooling layer is perpendicular to the flow of the reactant in the reaction layer, and the cooling layer Is divided into two or more compartments parallel to the refrigerant flow, and the flow rate, flow rate, or both of the refrigerants in the compartment containing the hot spots formed in the FT reaction layer is greater than other compartments that do not contain the hot spots. Converting syngas through a Fischer-Tropsch reaction in a controlled heat exchange microchannel reactor; And

선택적으로(optionally) 피셔-트롭쉬 반응의 생성물에 대해 수소화 분해(hydrocracking) 공정 및/또는 디왁싱(dewaxing) 공정을 수행하는 단계를 포함한다. And optionally performing a hydrocracking process and / or a dewaxing process on the product of the Fischer-Tropsch reaction.

대부분 코발트계 F-T 반응 촉매의 최적 반응온도는 200~240℃ 부근으로서, 이 반응온도 근처에서 C5+ 탄화수소 화합물의 선택도와 CO 전환율이 높고, 200℃ 아래에서는 CO 전환율이 낮으며, 240℃ 이상에서는 C5+ 탄화수소 선택도가 크게 떨어진다.The optimum reaction temperature of most cobalt-based FT reaction catalysts is around 200 to 240 ° C, where the selectivity and CO conversion of C 5 + hydrocarbon compounds are high near this reaction temperature, the CO conversion is low below 200 ° C, and above 240 ° C C 5 + hydrocarbon selectivity is greatly reduced.

C5+ 선택도가 반응 온도에도 민감하여 반응온도 240도씨 이상 올라가면 C5+ 선택도가 급격히 감소하므로 반응온도 제어가 필수적이다.C5 + selectivity is also sensitive to the reaction temperature, so if the reaction temperature rises above 240 degrees C, the C5 + selectivity decreases rapidly, so control of the reaction temperature is essential.

코발트계 F-T 반응 촉매의 최적 반응압력은 10 내지 40기압(bar)이며, CO 대비 수소의 몰비가 2.0이며, 공간속도는 1000 내지 20,000cc/(gcat h)일 수 있다.The optimum reaction pressure of the cobalt-based FT reaction catalyst is 10 to 40 atm (bar), the molar ratio of hydrogen to CO is 2.0, and the space velocity may be 1000 to 20,000 cc / (g cat h).

본 발명에 따른 열교환 마이크로채널 반응기에서, F-T 반응층의 온도 조절은 전환되는 합성가스 대비 냉매의 주입량과 냉매 온도로 조절될 수 있다. 냉각수의 주입량이 증가하면 F-T 반응층의 온도는 떨어질 수 있다. In the heat exchange microchannel reactor according to the present invention, the temperature control of the F-T reaction layer can be controlled by the injection amount of the refrigerant and the refrigerant temperature compared to the converted synthesis gas. When the injection amount of the cooling water increases, the temperature of the F-T reaction layer may drop.

하지만 냉매의 주입량을 증가시켜 F-T 반응층의 온도를 떨어뜨릴 때, F-T 반응층의 온도가 전반적으로 지나치게 낮아 합성가스의 전환율이 떨어지는 문제가 발생하며, 냉매의 주입량을 줄이면 F-T 반응층의 온도가 전반적으로 지나치게 상승하여 합성가스의 전환율은 증가하나 메탄이 증가하여 C5+ 선택도가 떨어지는 문제가 발생한다. However, when the temperature of the FT reaction layer is decreased by increasing the injection amount of the refrigerant, the temperature of the FT reaction layer is excessively low, resulting in a decrease in the conversion rate of the synthesis gas. When the injection amount of the refrigerant is decreased, the temperature of the FT reaction layer is overall. Too high, the conversion rate of the syngas increases, but methane increases, resulting in a problem of decreasing C5 + selectivity.

또한 적정량의 냉매를 주입하더라도 촉매층의 두께나 냉각층의 구조, 냉매 주입 방식에 따라 촉매층의 온도 구배가 달라져 생성물의 선택도가 영향을 받게 된다. In addition, even if an appropriate amount of refrigerant is injected, the temperature gradient of the catalyst layer varies depending on the thickness of the catalyst layer, the structure of the cooling layer, and the refrigerant injection method, thereby affecting the selectivity of the product.

F-T 발열반응에서 직각 방향으로 냉매가 흐르게 되면 냉매가 출구쪽으로 갈수록 열이 축적되어 온도가 상승하기 때문에 냉매가 빠져 나오는 부분에 해당하는 촉매층에서 온도가 상승한다. In the F-T exothermic reaction, when the refrigerant flows in the right angle direction, the temperature increases in the catalyst layer corresponding to the portion where the refrigerant escapes because heat accumulates as the refrigerant goes toward the outlet.

본 발명은 촉매 반응층의 상-하에 존재하는 냉각층에서 냉매의 흐름은 스케일-업이 용이하도록 반응물의 흐름에 직각방향으로 흐르게 하되, 촉매 반응층 내 발열량 제어가 가능하도록, 냉각층 내에서의 냉매의 유량 및/또는 유속을 다르게 조절하는 것이 특징이다.In the present invention, the flow of the refrigerant in the cooling layer existing above and below the catalytic reaction layer flows at right angles to the flow of the reactants to facilitate scale-up, but in the cooling layer, it is possible to control the amount of heat generated in the catalytic reaction layer. It is characterized by controlling the flow rate and / or flow rate of the refrigerant differently.

따라서, 본 발명에 따라 직각 방향 냉매 흐름의 마이크로채널 F-T 반응기에서 촉매층 고점 위치에 따라 냉매의 유량 및/또는 유속을 달리하면, 촉매 반응층 내의 온도를 균일하게 제어할 수 있다(표 1).Therefore, according to the present invention, by varying the flow rate and / or flow rate of the refrigerant according to the location of the catalyst bed high point in the microchannel F-T reactor in the right-angle refrigerant flow, it is possible to uniformly control the temperature in the catalyst reaction layer (Table 1).

구체적으로, 촉매층 고점 위치에 따라 냉매의 유량 및/또는 유속을 달리하게 하기 위해, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2개 이상의 구획으로 나누고, 2이상의 구획으로 나누어진 냉각층에서, F-T 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절함으로써, F-T 촉매를 구비한 반응층 반응온도를 220℃±20℃ 범위 내에서 조절할 수 있으며, 바람직하게는 F-T 촉매를 구비한 반응층에서의 온도는 최고점과 최저점의 온도 차이가 10℃ 이내가 되도록 조절할 수 있다.Specifically, in order to vary the flow rate and / or flow rate of the refrigerant according to the location of the catalyst layer high point, the cooling layer is divided into two or more sections parallel to the refrigerant flow, and in the cooling layer divided into two or more sections, the FT reaction layer By controlling the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the compartment containing the hot spot to be larger than other compartments not containing the hot spot, the reaction temperature of the reaction layer with the FT catalyst is 220 ° C. It can be adjusted within the range of ± 20 ℃, preferably, the temperature in the reaction layer with the FT catalyst can be adjusted so that the temperature difference between the highest and lowest points is within 10 ℃.

표 1에서 알 수 있듯이 촉매층 내에서의 온도가 균일해지면 (실시예 1~3), CO 전환율이 증가하며, 특히 C5+ 선택도가 증가할 수 있다. As can be seen from Table 1, when the temperature in the catalyst layer becomes uniform (Examples 1 to 3), the CO conversion rate increases, and particularly C5 + selectivity may increase.

합성유의 비제한적인 예로는 디젤, 윤활기유, 왁스 등이 있으며, 수소화 분해(hydrocracking) 등의 후속 공정을 거쳐 디젤을 추가로 제조하고/하거나, 디왁싱(dewaxing) 공정을 거쳐서 왁스 성분은 고품질의 윤활기유로 전환시킬 수 있다. Non-limiting examples of synthetic oils include diesel, lubricating base oil, wax, and the like, and further manufacturing diesel through a subsequent process such as hydrocracking, and / or dewaxing process, resulting in high-quality wax components. It can be converted to lubricating base oil.

본 발명에서 개시된 각각의 설명 및 실시형태는 각각의 다른 설명 및 실시 형태에도 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에서 개시된 다양한 요소들의 모든 조합이 본 발명의 범주에 속한다. 또한, 하기 기술된 구체적인 서술에 의하여 본 발명의 범주가 제한된다고 볼 수 없다.Each description and embodiment disclosed in the present invention can be applied to each other description and embodiment. That is, all combinations of the various elements disclosed in the present invention fall within the scope of the present invention. In addition, the scope of the present invention is not limited by the specific descriptions described below.

본 발명에 따라 촉매층 고점 위치에 따라 냉매의 유량 및/또는 유속을 달리하도록 설계된 열교환 마이크로채널 반응기를 사용하여 발열반응인 F-T 반응의 발열을 효과적으로 제어함으로서 촉매 반응층 내의 온도를 균일하게 제어할 수 있을 뿐만 아니라 보다 높은 C5+ 수율을 얻을 수 있다. According to the present invention, by using the heat exchange microchannel reactor designed to vary the flow rate and / or flow rate of the refrigerant according to the location of the high point of the catalyst layer, it is possible to uniformly control the temperature in the catalyst reaction layer by effectively controlling the heat generation of the exothermic reaction FT reaction. In addition, higher C5 + yields can be obtained.

도 1는 마이크로채널 반응기 전산모사에 사용된 반응기의 디멘젼(dimension)을 나타낸 것이다.
도 2는 비교예 1에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 3는 실시예 1에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 4는 비교예 2에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 5는 실시예 2에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 6는 비교예 3에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
도 7은 실시예 3에 의해 수행된 전산모사에 의한 마이크로채널 반응기에서의 온도 분포를 나타낸 것이다.
Figure 1 shows the dimensions of the reactor used in the simulation of a microchannel reactor.
Figure 2 shows the temperature distribution in a microchannel reactor by computer simulation performed by Comparative Example 1.
Figure 3 shows the temperature distribution in a microchannel reactor by computer simulation performed in Example 1.
Figure 4 shows the temperature distribution in a microchannel reactor by computer simulation performed by Comparative Example 2.
Figure 5 shows the temperature distribution in a microchannel reactor by computer simulation performed in Example 2.
Figure 6 shows the temperature distribution in a microchannel reactor by computer simulation performed by Comparative Example 3.
7 shows the temperature distribution in a microchannel reactor by computational simulation performed in Example 3.

이하 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시적으로 설명하기 위한 것으로 본 발명의 범위가 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, these examples are for illustrative purposes only, and the scope of the present invention is not limited to these examples.

제조예Manufacturing example 1: 피셔- 1: Fisher- 트롭쉬Tropsch 반응용 코발트계 촉매 제조 Preparation of cobalt catalyst for reaction

33 mL의 에탄올에 질산코발트 (Co(NO3)2·6H2O) 29.5g을 섞어 녹인 용액을 감마-알루미나 20.0g에 함침하였다. 상기 슬러리를 회전감압증발기(evaporator)에서 용매를 제거한 후, 100℃ 오븐에서 12시간 건조한 후, 400℃의 공기 분위기에서 5시간 동안 소성 처리하여 20wt% Co/Al2O3 촉매를 제조하였다.29.5 g of cobalt nitrate (Co (NO 3 ) 2 · 6H 2 O) was mixed with 33 mL of ethanol, and the dissolved solution was impregnated with 20.0 g of gamma-alumina. The slurry was removed from a rotary evaporator, dried in an oven at 100 ° C. for 12 hours, and calcined in an air atmosphere at 400 ° C. for 5 hours to prepare a 20 wt% Co / Al 2 O 3 catalyst.

실험예Experimental example 1 One

제조예 1에서 제조한 F-T 촉매로부터 합성가스에서 F-T 반응에 의해 합성유를 제조하는 kinetic 실험을 수행하였다. 1/2인치 스테인리스 고정층 반응기에 제조예 1에서 제조한 코발트계 촉매 0.1g과 희석제인 실리콘 카바이드(SiC) 1g을 섞어 장입하고, 400 ℃의 수소(5부피% H2/He) 분위기 하에서 5시간 환원 처리하였다. 반응온도 210~240 ℃, 반응압력 5~30 kg/cm2, 공간속도 1000~30000 L/kgcat/hr의 다양한 반응조건에서 반응물인 일산화탄소 : 수소 : 아르곤(내부 표준물질)의 몰비를 31.5: 63.0: 5.5의 비율로 고정하여 반응기로 주입하였다. 반응조건은 CO 전환율이 30%를 넘지 않은 조건에서 얻은 결과로부터 상기 촉매에 대한 F-T 반응의 kinetics를 구하였다.From the FT catalyst prepared in Preparation Example 1, a kinetic experiment was performed to prepare synthetic oil by FT reaction in synthetic gas. In a 1/2 inch stainless steel fixed bed reactor, 0.1 g of the cobalt catalyst prepared in Preparation Example 1 and 1 g of silicon carbide (SiC) as a diluent were mixed and charged, and 5 hours under an atmosphere of hydrogen (5% by volume H 2 / He) at 400 ° C. Reduction treatment. Reaction temperature 210 ~ 240 ℃, Reaction pressure 5 ~ 30 kg / cm 2 , The molar ratio of carbon monoxide: hydrogen: argon (internal standard) as a reactant under various reaction conditions at a space velocity of 1000 to 30000 L / kg cat / hr was fixed at a ratio of 31.5: 63.0: 5.5 and injected into the reactor. The kinetics of the FT reaction to the catalyst were obtained from the results obtained under the condition that the CO conversion rate did not exceed 30%.

실험예Experimental example 2 2

실험예 1에서 구한 F-T 촉매에 대한 kinetics를 바탕으로 마이크로채널 반응기에 대해 전산모사(Computational Fluid Dynamics, CFD)를 수행하였다. 전산모사는 COMSOL Multiphysics 5.3 (COMSOL, Inc)을 이용하였으며, 조건은 다음과 같다. 전산모사에 사용된 마이크로채널 반응기의 자세한 모양은 도 1에 나타내었으며, 냉매의 흐름은 촉매층 반응물 흐름 방향과 수직방향으로 흐르며, 냉매가 흐르는 영역을 크게 3 부분으로 나누어 냉매 유량이 달리하는 조건으로 전산모사가 수행되었다.Computational fluid dynamics (CFD) was performed on the microchannel reactor based on kinetics for the F-T catalyst obtained in Experimental Example 1. Computer simulation used COMSOL Multiphysics 5.3 (COMSOL, Inc.), and the conditions are as follows. The detailed shape of the microchannel reactor used in the computer simulation is shown in FIG. 1, and the flow of refrigerant flows in a direction perpendicular to the flow direction of the catalyst bed reactant, and the area in which the refrigerant flows is divided into three parts to compute the refrigerant flow under different conditions. Reproduction was performed.

촉매층에 주입되는 반응물의 온도는 233℃이며, 출구의 압력은 22기압이며, 합성가스의 조성은 몰비로 H2 : CO : CO2 : Ar = 57 : 28 : 9 : 6이다. 냉매층에서의 입구온도는 230℃이며, 입구의 압력은 27.7기압이며, 기준선속은 3.789mm/s로 설정하여 전산모사를 수행하였다.The temperature of the reactant injected into the catalyst layer is 233 ° C, the outlet pressure is 22 atmospheres, and the composition of the synthesis gas is H 2 : CO: CO 2 : Ar = 57: 28: 9: 6: 6 in a molar ratio. The inlet temperature in the refrigerant layer was 230 ° C, the inlet pressure was 27.7 atmospheres, and the baseline flux was set to 3.789 mm / s to perform computer simulation.

비교예Comparative example 1 One

실험예 2에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 합성가스의 공간속도는 11, 842cc/(gcat h)이었으며, 냉매층에서의 냉매 유량은 세 영역에서 동일하게 주입되었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 2와 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.As in Experimental Example 2, computer simulation of the microchannel reactor was performed, and the space velocity of the synthesis gas was 11, 842 cc / (g cat h), and the refrigerant flow rate in the refrigerant layer was equally injected in three regions. As a result of the simulation of the reactor, the temperature distribution in the reactor is shown graphically as shown in FIG. 2, and the reaction results are shown in Table 1.

실시예Example 1 One

비교예 1에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 냉매층에서의 총 냉매의 유량은 비교예 1과 동일하게 주입하되, 주입 영역에서 유량은 세 영역에서 달리하여 주입되었다. 냉매층 상부 : 중부 : 하부에 주입된 냉매의 비율은 50% : 33.3% : 16.7%이었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 3과 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.As in Comparative Example 1, computer simulation of the microchannel reactor was performed, and the total flow rate of the refrigerant in the refrigerant layer was injected in the same manner as in Comparative Example 1, but the flow rate in the injection region was injected in three different regions. The proportion of the refrigerant injected into the upper portion of the refrigerant layer: the middle portion and the lower portion was 50%: 33.3%: 16.7%. As a result of the simulation of the reactor, the temperature distribution in the reactor is shown graphically as shown in FIG. 3, and the reaction results are shown in Table 1.

비교예Comparative example 2 2

실험예 2에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 합성가스의 공간속도는 9, 473.6cc/(gcat h)이었으며, 냉매층에서의 냉매 유량은 세 영역에서 동일하게 주입되었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 4와 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.As in Experimental Example 2, computer simulation of the microchannel reactor was performed, and the space velocity of the synthesis gas was 9, 473.6 cc / (g cat h), and the refrigerant flow rate in the refrigerant layer was equally injected in three regions. As a result of the simulation of the reactor, the temperature distribution in the reactor is shown graphically as shown in FIG. 4, and the reaction results are shown in Table 1.

실시예Example 2 2

비교예 2에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 냉매층에서의 총 냉매의 유량은 비교예 2과 동일하게 주입하되, 주입 영역에서 유량은 세 영역에서 달리하여 주입되었다. 냉매층 상부 : 중부 : 하부에 주입된 냉매의 비율은 53.3% : 33.3% : 13.3%이었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 5과 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.As in Comparative Example 2, computer simulation of the microchannel reactor was performed, and the total flow rate of the refrigerant in the refrigerant layer was injected in the same manner as in Comparative Example 2, but the flow rate in the injection region was injected differently in three regions. The ratio of the refrigerant injected into the upper portion of the refrigerant layer: the middle portion and the lower portion was 53.3%: 33.3%: 13.3%. As a result of the simulation of the reactor, the temperature distribution in the reactor is shown graphically as shown in FIG. 5, and the reaction results are shown in Table 1.

비교예Comparative example 3 3

실험예 2에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 합성가스의 공간속도는 59, 210cc/(gcat h)이었으며, 냉매층에서의 냉매 유량은 세 영역에서 동일하게 주입되었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 6와 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.As in Experimental Example 2, computer simulation of the microchannel reactor was performed, and the space velocity of the synthesis gas was 59 and 210 cc / (g cat h), and the flow rate of the refrigerant in the refrigerant layer was equally injected in three regions. As a result of the simulation of the reactor, the temperature distribution in the reactor is shown graphically as shown in FIG. 6, and the reaction results are shown in Table 1.

실시예Example 3 3

비교예 3에서와 같이 마이크로채널 반응기의 전산모사를 수행하였으며, 냉매층에서의 총 냉매의 유량은 비교예 3과 동일하게 주입하되, 주입 영역에서 유량은 세 영역에서 달리하여 주입되었다. 냉매층 상부 : 중부 : 하부에 주입된 냉매의 비율은 25% : 41.7% : 33.3%이었다. 반응기의 전산모사 결과는 도 7과 같이 반응기에서의 온도분포를 그림으로 나타내었으며, 반응결과는 표 1에 나타내었다.As in Comparative Example 3, computer simulation of the microchannel reactor was performed, and the total flow rate of the refrigerant in the refrigerant layer was injected in the same manner as in Comparative Example 3, but the flow rate in the injection region was injected differently in three regions. The proportion of the refrigerant injected into the upper portion of the refrigerant layer: the middle portion and the lower portion was 25%: 41.7%: 33.3%. As a result of the simulation of the reactor, the temperature distribution in the reactor is shown graphically as shown in FIG. 7, and the reaction results are shown in Table 1.



반응물 공간속도 (cc/(gcat h)

Reactant space velocity (cc / (gcat h)

냉매 유량 분포

Refrigerant flow distribution

최고점 온도 (℃)

Peak temperature (℃)
CO 전환율 (%)CO conversion rate (%)
선택도 (%)

Selectivity (%)
상부(%)Top(%) 중부(%)Central (%) 하부(%)bottom(%) CH4CH4 C2-C4C2-C4 C5+C5 + 실시예 1Example 1 11,84211,842 5050 33.333.3 16.716.7 233.99233.99 58.46358.463 8.33538.3353 11.37211.372 80.29380.293 실시예 2Example 2 9,473.69,473.6 53.353.3 33.333.3 13.313.3 233.04233.04 67.5267.52 8.26858.2685 11.18211.182 80.54980.549 실시예 3Example 3 59,21059,210 2525 41.741.7 33.333.3 235.06235.06 16.44716.447 8.40348.4034 11.724611.7246 79.87279.872 비교예 1Comparative Example 1 11,84211,842 33.333.3 33.333.3 33.333.3 234.62234.62 58.39258.392 8.35588.3558 11.43211.432 80.21280.212 비교예 2Comparative Example 2 9,473.69,473.6 33.333.3 33.333.3 33.333.3 234.45234.45 67.51467.514 8.30628.3062 11.29311.293 80.40180.401 비교예 3Comparative Example 3 59,21059,210 33.333.3 33.333.3 33.333.3 235.22235.22 16.40516.405 8.41638.4163 11.77111.771 79.81279.812

비교예 1 내지 3에서 수행한 결과에서 나타내듯이 냉매의 흐름이 촉매층 반응물 흐름 방향과 수직방향으로 흐르며, 냉매의 유량이 동일하게 되면 촉매층에서 고온영역이 나타난다. 한편, 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 수행한 바와 같이 반응기내 냉매의 유량이 영역별로 달리하여 적용하면 촉매층에서 고온영역이 완화됨을 알 수 있다. 즉, 발열이 심한 영역에서는 냉매의 유량을 증가시켜 고점 온도 부분을 완화시키고 저온 영역에서는 유량을 감소시켜 촉매층 내에서의 온도를 균일하게 유지할 수 있게 된다.As shown in the results performed in Comparative Examples 1 to 3, the flow of the refrigerant flows in a direction perpendicular to the flow direction of the catalyst layer reactant, and when the flow rate of the refrigerant becomes the same, a high temperature region appears in the catalyst layer. On the other hand, as in Examples 1 to 3 of the present invention, it can be seen that when the flow rate of the refrigerant in the reactor is applied differently for each region, the high temperature region in the catalyst layer is relaxed. That is, it is possible to maintain the temperature in the catalyst layer uniformly by increasing the flow rate of the refrigerant in the region where the heat is severe to relieve the high-temperature temperature portion and decreasing the flow rate in the low-temperature region.

표 1에서 알 수 있듯이 촉매층 내에서의 온도가 균일해지면 (실시예 1~3), CO 전환율이 증가하며, 특히 C5+ 선택도가 증가함을 알 수 있다. As can be seen from Table 1, it can be seen that when the temperature in the catalyst layer becomes uniform (Examples 1 to 3), the CO conversion rate increases, especially C5 + selectivity increases.

이상의 설명으로부터, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 이와 관련하여, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.From the above description, those skilled in the art to which the present invention pertains will appreciate that the present invention may be implemented in other specific forms without changing its technical spirit or essential features. In this regard, it should be understood that the embodiments described above are illustrative in all respects and not restrictive. The scope of the present invention should be construed as including all changes or modifications derived from the meaning and scope of the following claims rather than the detailed description and equivalent concepts thereof.

Claims (11)

반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 반응층과 냉매가 흐르는 냉각층이 교대로 적층된 판형 열교환 마이크로채널 반응기로서,
냉각층에서 냉매의 흐름은 반응층에서 반응물의 흐름에 대해 직각 방향이면서 열교환을 통해 반응층으로부터 냉각층으로 열전달이 일어나며,
냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기.
A plate-type heat exchange microchannel reactor in which a reaction layer in which an exothermic reaction occurs through a catalyst while a reactant flows and a cooling layer in which a refrigerant flows are alternately stacked,
The flow of refrigerant in the cooling layer is perpendicular to the flow of reactants in the reaction layer, and heat transfer occurs from the reaction layer to the cooling layer through heat exchange.
The cooling layer is divided into two or more compartments parallel to the refrigerant flow, and in the compartment containing the hot spot formed in the reaction layer, the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant is another compartment that does not contain the hot spot. Heat exchange microchannel reactor characterized by greater control.
제1항에 있어서, 고점(hot spot)을 포함하지 아니하는 다른 구획은 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도가 제일 낮거나, 냉매 흐름 하류에서 최저 온도를 갖는 촉매 반응층을 포함하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기.According to claim 1, Other compartments that do not include a hot spot (hot spot) is that the average temperature of the reaction layer temperature corresponding to the compartment is the lowest, or that includes a catalytic reaction layer having the lowest temperature downstream of the refrigerant flow Characterized heat exchange microchannel reactor. 제1항에 있어서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 2이상의 구획으로 나누되 각 구획의 폭이 균등 또는 불균등한 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기.The heat exchange microchannel reactor according to claim 1, wherein the cooling layer is divided into two or more sections parallel to the refrigerant flow, but the width of each section is equal or uneven. 제1항에 있어서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 추가로 촉매 반응층에서 고점(hot spot)의 온도 미만이나 원하지 아니하는 고온 발생 지점을 포함하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를, 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도가 제일 낮거나, 냉매 흐름 하류에서 최저 온도를 갖는 촉매 반응층을 포함하는 다른 구획보다 더 크게 조절하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기.The flow rate of the refrigerant in the compartment according to claim 1, wherein the cooling layer is divided into three or more compartments parallel to the refrigerant flow, further comprising a temperature below the hot spot in the catalytic reaction layer or an undesired high temperature generation point. , Heat exchange microchannel reactor characterized by controlling the flow rate or both to be larger than the other compartments containing the catalytic reaction layer having the lowest average temperature of the reaction bed temperature corresponding to the corresponding compartment or the lowest temperature downstream of the refrigerant flow. . 제1항에 있어서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 해당 구획에 대응되는 반응층 온도의 평균 온도에 대응하여 평균온도가 낮을수록 해당 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 낮추도록 조절하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기.The method according to claim 1, wherein the cooling layer is divided into three or more compartments parallel to the refrigerant flow, and the lower the average temperature corresponding to the average temperature of the reaction layer temperature corresponding to the compartment, the more the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the compartment. Heat exchange micro-channel reactor characterized by adjusting to lower. 제1항에 있어서, 냉각층을 냉매 흐름에 평행하게 3이상의 구획으로 나누되, 반응층에 형성되는 고점(hot spot)을 포함하는 구획의 인접한 다른 2개 구획 중 반응물 흐름 방향으로 상류에 해당하는 구획에서 냉매의 유량, 유속 또는 둘다가 다른 구획들보다 가장 크게 조절하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기.The method according to claim 1, wherein the cooling layer is divided into three or more compartments parallel to the refrigerant flow, and corresponds to upstream in the direction of reactant flow among the other two compartments of the compartment containing a hot spot formed in the reaction layer. A heat exchange microchannel reactor characterized in that the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant in the compartment is controlled the most over other compartments. 제1항에 있어서, 촉매를 구비한 반응층에서의 온도는 최고점과 최저점의 온도 차이가 10℃ 이내가 되도록 각 냉각층의 구획별로 냉매의 유량, 유속 또는 둘다를 달리 조절하는 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기.The heat exchange micro according to claim 1, wherein the temperature in the reaction layer provided with the catalyst is controlled by differently controlling the flow rate, flow rate, or both of the refrigerant for each compartment of the cooling layer so that the temperature difference between the highest point and the lowest point is within 10 ° C. Channel reactor. 제1항에 있어서, 냉각층, 반응층 또는 둘다는 마이크로채널로 구성된 것이 특징인 열교환 마이크로채널 반응기.The heat exchange microchannel reactor according to claim 1, wherein the cooling layer, the reaction layer, or both are composed of microchannels. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 발열반응은 피셔-트롭쉬 반응인 것을 특징으로 하는 피셔-트롭쉬 반응용 열교환 마이크로채널 반응기.The heat exchange microchannel reactor for a Fischer-Tropsch reaction according to any one of claims 1 to 8, wherein the exothermic reaction is a Fischer-Tropsch reaction. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 열교환 마이크로채널 반응기에서 피셔-트롭쉬 반응을 통해 합성가스를 전환시키는 단계를 포함하는 합성유 제조 방법.A method for producing synthetic oil comprising the step of converting syngas through a Fischer-Tropsch reaction in the heat exchange microchannel reactor of any one of claims 1 to 8. 제10항에 있어서, 피셔-트롭쉬 반응의 생성물에 대해 수소화 분해(hydrocracking) 공정, 디왁싱(dewaxing) 공정 또는 둘다를 수행하는 단계를 더 포함하는 합성유 제조 방법.The method of claim 10, further comprising the step of performing a hydrocracking process, a dewaxing process, or both on the product of the Fischer-Tropsch reaction.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006516068A (en) * 2002-11-01 2006-06-15 クーリギー インコーポレイテッド Method and apparatus for achieving temperature uniformity and hot spot cooling in a heat generating device
KR20150073158A (en) * 2012-10-22 2015-06-30 벨로시스, 인코포레이티드 Fischer-tropsch process in a microchannel reactor

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