KR20200047842A - Microchannel catalytic reactor with mirror-image cooling structure and use thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention provides a plate-type reactor, wherein, with an aim at preventing heat of exothermic reaction from having an uneven flow due to an uneven fluid flow in an endothermic reaction catalytic layer, (i) an exothermic reaction layer in which a flow path of a reactant is in a straight line and an exothermic reaction occurs through a catalyst while a reactant flows, and (ii) an endothermic reaction layer in which a flow path of a reactant is not equal to that of the exothermic reaction layer and an endothermic reaction occurs through a catalyst while a reactant flows, are alternately stacked, and wherein a heat transfer occurs from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer through heat exchange. In case of a relation between two endothermic reaction layers adjacent to the exothermic reaction layer to exchange heat, a flow path of a reactant has a mirror-image symmetrical structure vertically or horizontally, a catalytic activity profile has a mirror-image symmetrical structure vertically or horizontally, or a combination thereof is applied, based on an axis of symmetry which is parallel to the flow path of the reactant in the exothermic reaction layer. In addition, the features of the present invention can also be applied to a reactor which has the same reactor structure, but in which the exothermic reaction layer and the endothermic reaction layer are interchanged.

Description

거울상 냉각구조를 갖는 마이크로채널 촉매 반응기 및 이의 이용 {Microchannel catalytic reactor with mirror-image cooling structure and use thereof}Microchannel catalytic reactor with mirror-image cooling structure and use thereof

본 발명은 발열반응층과 흡열반응층이 교대로 적층된 판형 마이크로채널 반응기에서 발열 촉매반응의 반응열을 효과적으로 제어하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for effectively controlling the reaction heat of an exothermic catalytic reaction in a plate type microchannel reactor in which an exothermic reaction layer and an endothermic reaction layer are alternately stacked.

예컨대, 메탄의 산화이량화 발열반응층과 흡열반응층을 교대로 구비하고 발열반응층의 온도(T1)가 흡열반응층의 온도(T2)보다 높아 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 되는 열교환 마이크로채널 반응기; 및 상기 열교환 마이크로채널 반응기에서 메탄을 전환시켜 가스 생성물을 제조하는 방법에 관한 것이다.For example, oxidized dimerization of methane is provided alternately with an exothermic reaction layer and an endothermic reaction layer, and the temperature (T 1 ) of the exothermic reaction layer is higher than the temperature (T 2 ) of the endothermic reaction layer, and heat is transferred from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer. Heat exchange microchannel reactor; And converting methane in the heat exchange microchannel reactor to produce a gas product.

천연가스의 주성분인 메탄은 주로 발전이나 가정용 열원으로 사용되고 있으나 일부는 액체 연료나 화학물질을 제조하는 원료로 사용되고 있다. 메탄의 전환반응은 대부분 합성가스 제조공정인 메탄의 리포밍 반응을 거친다. 이들 합성가스는 메탄올 합성, 수소 제조, 암모니아 제조 또는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 합성유 제조공정 등의 원료로 사용된다.Methane, the main component of natural gas, is mainly used as a heat source for power generation or household use, but some are used as raw materials for manufacturing liquid fuels or chemicals. Most of the conversion reaction of methane goes through the reforming reaction of methane, which is a synthesis gas production process. These synthetic gases are used as raw materials for methanol synthesis, hydrogen production, ammonia production, or synthetic oil production process by Fischer-Tropsch reaction.

한편, 메탄의 직접 전환반응으로서 메탄 산화이량화 반응(oxidative coupling of methane)은 촉매상에서 메탄과 산소가 반응하여 에틸렌과 에탄으로 직접 전환되는 반응으로서의 장점이 있지만 다양한 부반응을 동반한다. 메탄과 산소는 반응하여 하기 반응식 1) 또는 반응식 2)와 같은 정반응에 따라 에틸렌 또는 에탄을 생성하는데, 이 과정에서 CO나 CO2를 생성하는 반응식 3), 반응식 4) 등의 부반응을 동반하여 매우 강한 발열 반응이 일어날 수 있다. 만약, 정반응의 반응열 조절이 용이치 않아 반응온도가 올라가면 CO와 CO2로 반응이 더욱 진행되어 원하는 C2 탄화수소 화합물의 수율이 떨어지게 된다. 따라서 메탄의 산화이량화 반응에서 반응열의 조절은 생성물의 수율과 더불어 반응공정의 안정성에도 중요하다. 메탄의 산화이량화 반응은 700℃∼900℃의 고온에서 다양한 종류의 촉매 존재 하에서 일어난다.On the other hand, as a direct conversion reaction of methane, methane oxidative coupling of methane directly reacts with ethylene and ethane by reacting methane and oxygen on the catalyst. It has the advantage of being a converted reaction, but it is accompanied by various side reactions. Methane and oxygen react to produce ethylene or ethane according to the forward reaction as shown in Reaction Scheme 1) or Reaction Scheme 2), which is accompanied by side reactions such as Reaction Scheme 3) and Reaction Scheme 4) that produce CO or CO 2 in this process. Strong exothermic reactions may occur. If the reaction temperature of the reaction is not easy to control, and the reaction temperature rises, the reaction proceeds further with CO and CO 2 , resulting in a decrease in the yield of the desired C 2 hydrocarbon compound. Therefore, in the oxidative dimerization reaction of methane, control of the heat of reaction is important not only for the yield of the product but also for the stability of the reaction process. The oxidation dimerization reaction of methane occurs at a high temperature of 700 ° C to 900 ° C in the presence of various types of catalysts.

CH4 + ¼ O2 --> ½ C2H6 + ½ H2O, ΔH298 = -87.8 kJ/mol 1)CH 4 + ¼ O 2- > ½ C 2 H 6 + ½ H 2 O, ΔH 298 = -87.8 kJ / mol 1)

CH4 + ½ O2 --> ½ CH2=CH2 + H2O, ΔH298 = -140.4 kJ/mol 2)CH 4 + ½ O 2- > ½ CH 2 = CH 2 + H 2 O, ΔH 298 = -140.4 kJ / mol 2)

CH4 + 3/2 O2 --> CO + H2O, ΔH298 = -518.7 kJ/mol 3)CH 4 + 3/2 O 2- > CO + H 2 O, ΔH 298 = -518.7 kJ / mol 3)

CH4 + 2 O2 --> CO2 + 2 H2O, ΔH298 = -801.3 kJ/mol 4)CH 4 + 2 O 2- > CO 2 + 2 H 2 O, ΔH 298 = -801.3 kJ / mol 4)

한편, 메탄의 개질반응은 메탄의 산화이량화 반응과는 달리 하기 반응식에서 보는 바와 같이 강한 흡열반응이다. 즉 메탄 개질반응이 일어나기 위해서는 외부에서 많은 열이 공급되어야 한다.On the other hand, the reforming reaction of methane is a strong endothermic reaction, as shown in the following reaction formula, unlike the oxidation dimerization reaction of methane. That is, in order for the methane reforming reaction to occur, a lot of heat must be supplied from the outside.

CH4 + H2O --> CO + 3H2 ΔH298 = 206.2 kJ/mol 5)CH 4 + H 2 O-> CO + 3H 2 ΔH 298 = 206.2 kJ / mol 5)

CH4 + CO2 --> 2CO + 2H2 ΔH298 = 247.2 kJ/mol 6)CH 4 + CO 2- > 2CO + 2H 2 ΔH 298 = 247.2 kJ / mol 6)

3CH4 + 2H2O + CO2 --> 4CO + 8H2 ΔH298 = 659.6 kJ/mol 7)3CH 4 + 2H 2 O + CO 2- > 4CO + 8H 2 ΔH 298 = 659.6 kJ / mol 7)

메탄의 개질반응은 반응식 5)과 같이 메탄을 수증기와 반응할 수 있고, 반응식 6)과 같이 수증기 대신 이산화탄소를 사용할 수 있으며, 반응식 7)과 같이 수증기와 이산화탄소를 동시에 사용할 수 있다. For the reforming reaction of methane, methane may be reacted with water vapor as shown in scheme 5), carbon dioxide may be used instead of water vapor as shown in scheme 6), and water vapor and carbon dioxide may be used simultaneously as shown in scheme 7).

에탄의 열분해에 의해 에틸렌을 제조하는 에탄의 크래킹 반응도 반응식 8)과 같이 흡열반응이다.The cracking reaction of ethane, which produces ethylene by thermal decomposition of ethane, is also an endothermic reaction as shown in Scheme 8).

CH3CH3 --> CH2=CH2 + H2 ΔH298 = 173 kJ/mol 8)CH 3 CH 3- > CH 2 = CH 2 + H 2 ΔH 298 = 173 kJ / mol 8)

메탄의 개질반응이나 에탄의 크래킹 반응은 메탄의 산화이량화 반응과 마찬가지로 700℃∼900℃의 고온에서 일어나며 강한 흡열반응이기 때문에 발열반응과 흡열반응이 커플링되어 열적으로 중화된 반응으로서 적합하다.The reforming reaction of methane or the cracking reaction of ethane occurs at a high temperature of 700 ° C to 900 ° C, similar to the oxidation dimerization reaction of methane, and is a strong endothermic reaction, so it is suitable as a thermally neutralized reaction by coupling an exothermic reaction and an endothermic reaction.

메탄은 매우 안정한 화합물로서 이를 다른 화합물로 전환하고자 할 때 매우 강한 흡열반응이나 발열반응을 수반하므로 열효율이 떨어지는 문제가 있다. 지금까지의 연구는 상기 반응의 각각에 대한 연구는 많이 되어 왔으나 이를 동일한 반응기내에서 두 반응을 구현한 예는 매우 드문 실정이다.Methane is a very stable compound, and when it is converted to another compound, it has a very strong endothermic reaction or exothermic reaction, and thus there is a problem in that its thermal efficiency decreases. Studies have been conducted on each of the reactions so far, but it is very rare that an example of implementing two reactions in the same reactor.

통상 마이크로채널 반응기는 플레이트(plate)가 적층된 구조로서, 촉매층이 있는 층은 상-하에 냉각층을 가지고 있으며 촉매층은 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 받아왔다. 현재 마이크로채널 반응기는 강한 발열반응인 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응의 컴팩트 반응기로서 상업화가 진행 중에 있다.Usually, a microchannel reactor has a structure in which plates are stacked, and a layer with a catalyst layer has a cooling layer at the top and bottom, and the catalyst layer has a thickness of several millimeters. The micro-channel reactor has attracted attention as a reactor for a strong exothermic reaction or an endothermic reaction due to its excellent heat exchange performance because the heat transfer area is 10 to 100 times larger than that of a conventional tube-type fixed bed catalytic reactor. Currently, the microchannel reactor is a compact reactor of the Fischer-Tropsch reaction, which is a strong exothermic reaction, and commercialization is in progress.

고온의 강한 발열반응은 반응열 제어가 용이하지 않아 목적하는 생성물의 수율을 높이는 것에 제약받는 경우가 많다. 본 발명은 강한 발열반응이 일어나는 촉매층과 강한 흡열반응이 일어나는 촉매층이 서로 분리하여 교대로 적층된 판형 반응기에서, 흡열반응 촉매층 내에서의 불균등한 유체의 흐름에 의한 발열반응 반응열의 불균등한 흐름을 방지하고자, 및/또는 반대로 발열반응 촉매층 내에서의 불균등한 유체의 흐름에 의한 흡열반응 반응열의 불균등한 흐름을 방지하고자, 반응열 조절이 용이하고 반응공정의 열효율이 높은 반응기를 제공하고자 한다. The strong exothermic reaction at high temperature is not easy to control the reaction heat and is often restricted to increasing the yield of the desired product. The present invention prevents the uneven flow of exothermic reaction heat due to the uneven flow of fluid in the endothermic reaction catalyst layer in a plate-shaped reactor in which the catalyst layer where a strong exothermic reaction occurs and the catalyst layer where a strong endothermic reaction occurs are alternately stacked. In order to prevent the uneven flow of the reaction heat of the endothermic reaction due to the flow of uneven fluid in the exothermic catalyst layer, and / or conversely, it is intended to provide a reactor with easy control of reaction heat and high thermal efficiency of the reaction process.

본 발명의 제1양태는 (i) 반응물 흐름 경로가 일직선(straight line)이면서 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 발열반응층과 (ii) 반응물 흐름 경로가 발열반응층과 동일하지 아니하고 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 흡열반응이 일어나는 흡열반응층이 교대로 적층되고, 열교환을 통해 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 일어나는 판형 반응기로서, 발열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 흡열반응층의 관계는, 상기 발열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 반응물의 흐름 경로가 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조이거나, 촉매 활성 프로파일이 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조 거울상이거나, 또는 이들의 조합인 것이 특징인 반응기를 제공한다.The first aspect of the present invention includes (i) an exothermic reaction layer in which the reactant flow path is a straight line and an exothermic reaction occurs through the catalyst while the reactant flows, and (ii) the reactant flow path is not the same as the exothermic reaction layer, and the reactants are An endothermic reaction layer in which an endothermic reaction occurs through a catalyst as it flows, is alternately stacked, and is a plate-shaped reactor in which heat is transferred from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer through heat exchange, and the relationship between the two endothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the exothermic reaction layer Is, based on the axis of symmetry parallel to the reactant flow path of the exothermic reaction layer, the reactant flow path is a mirror image symmetrical structure on the left or right or up or down, or the catalytic activity profile is a mirror image symmetrical mirror on the left or right or up or down, or these It provides a reactor characterized by a combination of.

본 발명의 제2양태는 (i) 반응물 흐름 경로가 일직선(straight line)이면서 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 흡열반응이 일어나는 흡열반응층과 (ii) 반응물 흐름 경로가 흡열반응층과 동일하지 아니하고 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 발열반응층이 교대로 적층되고, 열교환을 통해 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 일어나는 판형 반응기로서, 흡열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 발열반응층의 관계는, 상기 흡열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 반응물의 흐름 경로가 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조이거나, 촉매 활성 프로파일이 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조 거울상이거나, 또는 이들의 조합인 것이 특징인 반응기를 제공한다. 본 발명의 제2양태는 제1양태의 반응기에서, 발열반응층 대신 흡열반응층이, 흡열반응층 대신 발열반응층이 서로 바뀐 반응기이다. The second aspect of the present invention includes (i) an endothermic reaction layer in which the reactant flow path is a straight line and an endothermic reaction occurs through the catalyst while the reactant flows, and (ii) the reactant flow path is not the same as the endothermic reaction layer, and the reactant is An exothermic reaction layer in which an exothermic reaction occurs through a catalyst as it flows, is alternately stacked, and is a plate-shaped reactor in which heat is transferred from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer through heat exchange, and the relationship between the two exothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the endothermic reaction layer Is, based on the axis of symmetry parallel to the reactant flow path of the endothermic reaction layer, the flow path of the reactants is a mirror image symmetrical structure in left and right or up or down, or the catalytic activity profile is a mirror image symmetrical mirror image in left and right or up or down, or these It provides a reactor characterized by a combination of. In the second aspect of the present invention, in the reactor of the first aspect, the endothermic reaction layer is replaced with the exothermic reaction layer, and the exothermic reaction layer is replaced with the exothermic reaction layer.

본 발명의 제3양태는 제1양태의 반응기 또는 제2양태의 반응기에서, 메탄 또는 에탄을 전환시켜 가스 생성물을 제조하는 방법을 제공한다.The third aspect of the present invention provides a method for producing a gas product by converting methane or ethane in the reactor of the first aspect or the reactor of the second aspect.

바람직하게는 상기 반응기는 열교환 마이크로채널 반응기일 수 있다.Preferably, the reactor may be a heat exchange microchannel reactor.

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

본 발명은 (i) 반응물 흐름 경로가 일직선(straight line)이면서 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 발열반응층과 (ii) 반응물 흐름 경로가 발열반응층과 동일하지 아니하고 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 흡열반응이 일어나는 흡열반응층이 교대로 적층되고, 열교환을 통해 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 일어나는 판형 반응기에서, The present invention (i) the reactant flow path is a straight line (straight line) while the reactant flows through the catalyst exothermic reaction layer where the exothermic reaction occurs through the catalyst and (ii) the reactant flow path is not the same as the exothermic reaction layer and the reactant flows through the catalyst In a plate-shaped reactor in which an endothermic reaction layer in which an endothermic reaction takes place is alternately stacked, and heat transfer occurs from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer through heat exchange,

발열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 흡열반응층의 관계에서, 상기 발열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 반응물의 흐름 경로가 좌우(도 2) 또는 상하(도 3)가 바뀐 거울상이고/이거나, 촉매 활성 프로파일이 좌우 또는 상하가 바뀐 거울상이 되도록 설계한 것이 특징이다. In the relationship between the two endothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the exothermic reaction layer, the flow path of the reactants is left and right (FIG. 2) or up and down (FIG. 3) based on the axis of symmetry parallel to the reactant flow path of the exothermic reaction layer. It is characterized by being designed so that the mirror image is changed and / or the catalytic activity profile is a mirror image with left and right or top and bottom changes.

또한, 본 발명의 상기 특징은 동일한 반응기 구조를 갖되, 발열반응층과 흡열반응층이 서로가 바뀐 반응기에도 적용될 수 있다.In addition, the above feature of the present invention has the same reactor structure, but can also be applied to a reactor in which an exothermic reaction layer and an endothermic reaction layer are interchanged.

본 명세서에서, 반응층 프로파일이란 반응층 전면의 특성 또는 성능 측면에서의 위치특이적 촉매특성일 수 있으며, 이를 통해 반응층 내 각 지점에서의 온도, 촉매 활성(예, 희석제 사용, 상이한 촉매 사용), 및/또는 다양한 유체 특성(방향, 유속, 유량, 반응물/생성물 조성 등)과 같은 정보를 보여주는 2차원 또는 3차원 정보 맵(map)을 제공할 수 있다.In the present specification, the reaction layer profile may be a position-specific catalyst characteristic in terms of characteristics or performance in front of the reaction layer, through which temperature, catalytic activity at each point in the reaction layer (eg, using a diluent, using a different catalyst) , And / or a two-dimensional or three-dimensional information map showing information such as various fluid properties (direction, flow rate, flow rate, reactant / product composition, etc.).

반응층 내 반응 프로파일(예컨대, 온도, 반응열, 전환율, 선택도, 수율)은 반응물의 흐름 프로파일(예컨대, 흐름방향, 유속, 유량, 조성) 및/또는 촉매 활성 프로파일 (예, 촉매활성 차이, 촉매 베드 구조)에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 발명의 제1양태의 경우 발열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 흡열반응층의 관계에서, 상기 발열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 흡열반응층 내 반응물의 흐름 프로파일 및 촉매 활성 프로파일이 모두 좌우 또는 상하가 바뀐 거울상이면 흡열반응층 내 반응 프로파일, 예컨대 온도 프로파일도 좌우 또는 상하가 바뀐 거울상일 수 있다. 따라서, 발열반응의 반응열을 제거하는 것에 있어 사각지대를 상호보완할 수 있다. 이때, 2개의 흡열반응층 사이에 삽입되어 있는 발열반응층의 온도 프로파일은 발열반응층의 반응물 경로 방향에 평행인 대칭축을 기준으로 좌우 또는 상하가 바뀐 거울상일 수 있다. 본 발명의 제2양태의 경우에도 발열반응층의 특징과 흡열반응층의 특징이 서로가 바뀐 것을 제외하고는 마찬가지이다.The reaction profile in the reaction bed (e.g. temperature, heat of reaction, conversion, selectivity, yield) is the flow profile of the reactants (e.g. flow direction, flow rate, flow rate, composition) and / or catalytic activity profile (e.g. catalytic activity difference, catalyst Bed structure). Therefore, in the case of the first aspect of the present invention, in the relationship between the two endothermic reaction layers that exchange heat adjacent to the exothermic reaction layer, the flow of reactants in the endothermic reaction layer based on the axis of symmetry parallel to the reactant flow path of the exothermic reaction layer If both the profile and the catalytic activity profile are mirror images in which left and right or top and bottom are changed, the reaction profile in the endothermic reaction layer, for example, the temperature profile may also be a mirror image in which left and right or top and bottom are changed. Therefore, in removing the reaction heat of the exothermic reaction, the blind spots can be complemented. At this time, the temperature profile of the exothermic reaction layer interposed between the two endothermic reaction layers may be a mirror image in which left and right or up and down are changed based on a symmetric axis parallel to the reactant path direction of the exothermic reaction layer. The second embodiment of the present invention is the same except that the characteristics of the exothermic reaction layer and the characteristics of the endothermic reaction layer are changed.

발열반응층 및/또는 흡열반응층은 각각 독립적으로 입자상 촉매가 장입되어 촉매층을 형성할 수도 있고, 반응기 내벽에 코팅 등의 방법으로 부착할 수도 있다. The exothermic reaction layer and / or the endothermic reaction layer may be independently charged with a particulate catalyst to form a catalyst layer, or may be attached to the inner wall of the reactor by a coating method or the like.

반응물의 흐름 경로는 유로(channel)의 벽면구조에 의해 정의될 수 있으며, 유로 내 내부공간에 촉매가 충진되거나, 유로 벽면에 촉매가 코팅된 형태일 수 있다.The flow path of the reactants may be defined by the wall structure of the channel, and the catalyst may be filled in the inner space of the channel or the catalyst may be coated on the channel wall.

따라서, 발열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 흡열반응층의 관계에서, 상기 발열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 흡열반응 촉매층의 유로구조가 서로 거울상 대칭구조를 가지도록 설계할 수 있다.Therefore, in the relationship between the two endothermic reaction layers that exchange heat adjacent to the exothermic reaction layer, the flow path structures of the endothermic reaction catalyst layers are designed to have mirror-like symmetry with respect to the axis of symmetry parallel to the reactant flow path of the exothermic reaction layer. can do.

예컨대, 촉매 활성 프로파일이 좌우가 바뀐 거울상이 되도록 설계하기 위해, 반응물이 흐르는 유로 내 장입된 촉매층(bed)의 구조가 좌우가 바뀐 거울상이 되도록 설계할 수 있다. For example, in order to design the catalytic activity profile to be a mirror image in which left and right are changed, the structure of a catalyst bed loaded in a flow path through which the reactant flows may be designed to be a mirror image in which left and right are changed.

본 발명에 따라 발열반응과 흡열반응을 동시에 수행하는 열교환 반응기는, 발열반응의 반응열을 흡수하여 흡열반응이 수행될 수 있도록 발열반응과 반응조건, 특히 반응온도가 비슷한 범위(±100℃ 이내, 더 바람직하게는 ±50℃ 이내, 더욱더 바람직하게는 ±30℃ 이내)에 있는 흡열반응을 사용하는 것이 바람직하다. According to the present invention, the heat exchange reactor performing the exothermic reaction and the endothermic reaction at the same time absorbs the reaction heat of the exothermic reaction so that the exothermic reaction and reaction conditions, in particular, the reaction temperature is similar (within ± 100 ° C, more It is preferable to use an endothermic reaction that is preferably within ± 50 ° C, even more preferably within ± 30 ° C).

본 발명에서, 흡열반응층의 유체 입구(즉, 반응물 입구)는 발열반응층의 반응물 흐름 경로를 기준으로 상류에, 그리고 흡열반응층의 유체 출구(즉, 반응물 출구, 생성물 출구)는 발열반응층의 반응물 흐름 경로를 기준으로 하류에 구비된 것일 수 있다(도 2). 발열반응 및 흡열반응 모두 반응물의 농도가 높을수록 즉 반응경로상 상류일수록 반응이 왕성하여 각각 발열량 및 흡열량이 크기 때문에, 발열반응의 상류와 흡열반응의 상류가 동일방향으로 일치시키는 것이 바람직하다.In the present invention, the fluid inlet of the endothermic reaction layer (that is, the reactant inlet) is upstream based on the reactant flow path of the exothermic reaction layer, and the fluid outlet of the endothermic reaction layer (ie, the reactant outlet, product outlet) is the exothermic reaction layer. It may be provided downstream of the reactant flow path of (Fig. 2). In both the exothermic reaction and the endothermic reaction, the higher the concentration of the reactants, that is, the upstream of the reaction path, the more vigorous the reaction and the greater the amount of exothermic heat, so it is preferable that the upstream of the exothermic reaction and the upstream of the endothermic reaction coincide in the same direction.

예컨대, 메탄의 산화이량화 반응의 유체흐름과 메탄의 개질반응의 유체흐름을 반대로 실시할 경우, 메탄의 산화이량화 반응의 입구쪽 촉매층에서의 높은 온도로 인해 생성물 수율이 낮아진다. 따라서, 발열반응층에서의 유체 흐름과 흡열반응층에서의 유체 흐름은 동일한 방향인 것이 바람직하다.For example, if the fluid flow of the methane oxidation dimerization reaction and the methane reforming reaction are reversed, the product yield is lowered due to the high temperature in the catalyst layer at the inlet of the methane oxidation dimerization reaction. Therefore, the fluid flow in the exothermic reaction layer and the fluid flow in the endothermic reaction layer are preferably in the same direction.

한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 발열반응층에 인접한 한쪽 흡열반응층의 유체 입구는 발열반응층의 반응물 흐름 경로를 기준으로 상류에, 다른쪽 흡열반응층의 유체 입구는 발열반응층의 반응물 흐름 경로를 기준으로 하류에 구비된 것일 수 있다. 이때 흡열반응층의 흐름이 서로 반대 방향으로 흐름으로서 발열반응층에서의 급격한 온도상승에 의한 부작용을 서로 보완하고, 흡열반응층에서의 전환율을 증진시킬수 있는 이점이 있다.On the other hand, as shown in Figure 3, the fluid inlet of one endothermic reaction layer adjacent to the exothermic reaction layer is upstream of the reactant flow path of the exothermic reaction layer, and the fluid inlet of the other endothermic reaction layer is a reactant of the exothermic reaction layer. It may be provided downstream based on the flow path. At this time, as the flow of the endothermic reaction layer flows in opposite directions, the side effects due to the rapid temperature rise in the exothermic reaction layer complement each other, and there is an advantage of improving the conversion rate in the endothermic reaction layer.

한편, 발열반응층에 인접하여 열교환하는 2개의 흡열반응층에서 유체 입구 및/또는 유체 출구는 발열반응층의 반응물의 흐름 경로에 수직방향에 위치하는 것이 적층형 반응기의 스케일-업이 용이하다(도 2, 도 3). 발열반응층과 흡열반응층이 서로가 바뀐 경우에도 마찬가지이다.On the other hand, in the two endothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the exothermic reaction layer, the fluid inlet and / or the fluid outlet are located vertically in the flow path of the reactants in the exothermic reaction layer, so that the scale-up of the stacked reactor is easy (Fig. 2, Figure 3). The same is true when the exothermic reaction layer and the endothermic reaction layer are interchanged.

한편, 마이크로채널 반응기는 반응기의 부피에 비해 열전달 면적이 커 반응열이 많은 반응에 적합하다. 예컨대, 마이크로채널 반응기는 일정 간격으로 판(plate)들이 수직으로 쌓여져 있는 구조를 가지며, 각각의 반응은 판으로 이루어진 채널 안에서 교대로 이루어지며, 채널은 촉매가 충진 또는 벽면에 워시코팅되어 촉매층(bed)을 제공할 수 있다. 촉매층을 구비한 채널은 발열반응층 또는 흡열반응층이 될 수 있다. On the other hand, the microchannel reactor is suitable for a reaction with a large amount of heat of reaction due to a large heat transfer area compared to the volume of the reactor. For example, the microchannel reactor has a structure in which plates are vertically stacked at regular intervals, and each reaction is alternately performed in a channel composed of plates, and the channel is a catalyst layer (bed) by being coated with a catalyst or wash coated on a wall surface. ). The channel provided with the catalyst layer may be an exothermic reaction layer or an endothermic reaction layer.

발열반응층을 슬랩형태(slab type)의 고정층으로 구성할 수도 있고, 발열반응층도 마이크로채널로 구성할 수도 있다. The exothermic reaction layer may be configured as a slab type fixed layer, or the exothermic reaction layer may be configured as a microchannel.

또한, 촉매층에서 반응물이 골고루 흐르게 하기 위해, 촉매층은 반응물의 유로가 판(plate)에 새겨질 것일 수 있다 (도 4).In addition, in order for the reactant to flow evenly in the catalyst layer, the catalyst layer may be engraved with a flow path of the reactant (FIG. 4).

본 발명에 따른 열교환 마이크로채널 반응기의 일례는 하나 이상의 발열반응층 및 둘 이상의 흡열반응층을 교대로 구비하고, 발열반응층의 온도(T1)가 흡열반응층의 온도(T2)보다 높아 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 되며, 발열반응층에는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매가 구비되어 있고, 흡열반응층에는 흡열반응용 촉매가 구비되어 있는 반응기일 수 있다.An example of the heat exchange micro-channel reactor according to the present invention is provided with one or more exothermic reaction layers and two or more endothermic reaction layers alternately, and the temperature (T 1 ) of the exothermic reaction layer is higher than the temperature (T 2 ) of the endothermic reaction layer. Heat transfer from the reaction layer to the endothermic reaction layer, the exothermic reaction layer may include a catalyst for oxidative dimerization reaction of methane, and the endothermic reaction layer may be a reactor equipped with a catalyst for endothermic reaction.

대부분 메탄의 산화이량화 반응의 최적 반응온도는 800℃ 부근으로서, 촉매에 따라 다소 차이는 있으나 800℃ 근처에서 C2 탄화수소 화합물의 수율이 최대가 되며, 750℃ 아래에서는 대부분 메탄의 산화이량화 반응 촉매의 활성이 거의 없으며, 900℃ 이상에서는 C2 생성물의 선택도가 크게 떨어진다. The optimum reaction temperature of most methane oxidation dimerization reactions is around 800 ℃, which varies slightly depending on the catalyst, but the yield of the C 2 hydrocarbon compound is maximized near 800 ℃, and below 750 ℃, most of the oxidation dimerization reaction catalysts of methane There is little activity, and the selectivity of the C 2 product is greatly deteriorated above 900 ° C.

흡열반응의 일례인 메탄의 개질반응은 메탄을 수증기나 이산화탄소, 또는 이들의 혼합물과 반응시켜 합성가스(CO + H2)를 생성하는 반응이다. 메탄의 개질반응은 메탄의 산화이량화 반응과 유사한 반응온도인 600~900℃에서 일어나지만 강한 흡열반응이다. 메탄의 개질반응은 700~800도 부근에서 높은 메탄 전환율을 얻을 수 있다. 메탄의 개질반응은 가역반응으로서 반응온도가 올라갈수록 평형 전환율은 증가한다. The reforming reaction of methane, which is an example of an endothermic reaction, is a reaction in which methane is reacted with water vapor, carbon dioxide, or a mixture thereof to generate synthesis gas (CO + H 2 ). The reforming reaction of methane occurs at a reaction temperature similar to the oxidation dimerization reaction of methane at 600 to 900 ° C, but is a strong endothermic reaction. The methane reforming reaction can achieve a high methane conversion rate around 700 to 800 degrees. The reforming reaction of methane is a reversible reaction, and the equilibrium conversion rate increases as the reaction temperature increases.

따라서, 메탄의 개질반응은 메탄의 산화이량화 반응과 마찬가지로 700℃∼900℃의 고온에서 일어나며 강한 흡열반응이기 때문에 발열반응과 흡열반응이 커플링되어 열적으로 중화된 반응으로서 적합하다.Therefore, the reforming reaction of methane occurs at a high temperature of 700 ° C. to 900 ° C., similar to the oxidation dimerization reaction of methane, and is a strong endothermic reaction, and thus, an exothermic reaction and an endothermic reaction are coupled and suitable as a thermally neutralized reaction.

따라서, 하기에서는 발열반응이 메탄의 산화이량화 반응이고, 흡열반응이 메탄의 개질반응인 경우를 대표적인 예로 하여, 본 발명의 반응기를 좀더 구체적으로 설명한다. Therefore, in the following, the reactor of the present invention will be described in more detail with a typical example of the case where the exothermic reaction is an oxidation dimerization reaction of methane and the endothermic reaction is a reforming reaction of methane.

본 발명의 일구체예에 따라 발열반응인 메탄의 산화이량화 반응층과 흡열반응인 메탄 개질반응층이 층상으로 교대로 적층된 구조를 가진 반응기는 메탄의 산화이량화 반응층의 하부와 상부에는 메탄의 개질반응층이 존재하여 각 반응층의 상하로 반응열을 주고 받음으로써 열전달이 이루어질 수 있다(도 1 및 도 5(a) 참조). According to an embodiment of the present invention, a reactor having a structure in which an oxidation dimerization reaction layer of methane, which is an exothermic reaction, and a methane reforming reaction layer, which is an endothermic reaction, are alternately stacked in a layered manner, is composed of methane in the lower and upper portions of the oxidation dimerization reaction layer of methane. A reformed reaction layer is present, and heat transfer can be achieved by exchanging and receiving reaction heat above and below each reaction layer (see FIGS. 1 and 5 (a)).

메탄의 개질반응은 H2O/CH4의 몰비가 3이고 반응압력이 1기압이고 반응온도가 800℃일 때 메탄의 전환율은 99.8%이며, 동일압력에서 이 비가 1일 때는 메탄 전환율이 90.1%로 떨어지고, 이 비에서 압력이 5기압일 때는 전환율이 68.3%으로 크게 떨어진다. 메탄의 산화이량화 반응의 최적 반응온도인 800℃에서는 메탄 개질반응의 메탄 전환율 차이가 상기와 같이 지나치게 커서 메탄 개질반응의 흡열에 의한 메탄 산화이량화 반응의 발열을 제어하는 데 문제가 있을 수 있다. 즉, 일반적인 메탄의 개질반응의 반응온도는 700℃ 부근인데 반해 메탄의 산화이량화 반응의 반응온도는 800℃이기 때문에 메탄의 산화이량화 반응의 발열을 제어하는데 어려움이 있기 때문이다. In the reforming reaction of methane, the conversion ratio of methane is 99.8% when the molar ratio of H 2 O / CH 4 is 3, the reaction pressure is 1 atm, and the reaction temperature is 800 ° C. When this ratio is 1 at the same pressure, the methane conversion rate is 90.1%. In this ratio, when the pressure is 5 atm, the conversion rate drops to 68.3%. At 800 ° C., the optimum reaction temperature of the methane oxidation dimerization reaction, the difference in the methane conversion rate of the methane reforming reaction is too large as described above, and there may be a problem in controlling the exotherm of the methane oxidation dimerization reaction due to the endotherm of the methane reforming reaction. That is, the reaction temperature of the general methane reforming reaction is around 700 ° C, whereas the reaction temperature of the methane oxidation dimerization reaction is 800 ° C, which is because it is difficult to control the exotherm of the methane oxidation dimerization reaction.

한편 본 발명에 따른 열교환 반응기에서, 메탄의 산화이량화 반응층의 온도 조절은 산화이량화 반응물 대비 메탄의 개질반응의 반응물의 주입량의 조절로 이루어질 수 있다. 메탄의 개질반응의 반응물이 증가하면 흡열반응이 증가하여 메탄의 산화이량화 반응의 온도는 떨어질 수 있다. 하지만 메탄의 개질반응의 반응물을 증가시켜 메탄의 산화이량화 반응층의 온도를 떨어뜨릴 때, 메탄의 개질반응의 메탄 전환이 촉매상단에서 지나치게 높고 하단에서는 미반응 메탄이 적어진다. 따라서, 산화이량화 반응의 촉매 하단에서는 반응열 제어가 어려워지는 문제가 발생할 수 있다. On the other hand, in the heat exchange reactor according to the present invention, the temperature control of the oxidation dimerization reaction layer of methane can be made by adjusting the injection amount of the reactant in the reforming reaction of methane compared to the oxidation dimerization reactant. When the reactant in the reforming reaction of methane increases, the endothermic reaction increases, and the temperature of the oxidation dimerization reaction of methane may drop. However, when the temperature of the methane oxidation dimerization reaction layer is lowered by increasing the reactants of the methane reforming reaction, the methane conversion of the methane reforming reaction is too high at the top of the catalyst and less unreacted methane at the bottom. Therefore, a problem that control of the reaction heat is difficult may occur at the bottom of the catalyst of the oxidation dimerization reaction.

나아가, 발열반응의 반응열 제어를 위해 인접하여 수행되는 흡열반응의 반응조건이 발열반응의 조건에 대응하도록 조절하여야 하고, 따라서 흡열반응에서의 반응기 구조, 촉매성능 조절, 및 반응조건 조절이 발열반응 반응열 제어에 필요하다. Furthermore, in order to control the reaction heat of the exothermic reaction, the reaction conditions of the endothermic reactions performed adjacently must be adjusted to correspond to the conditions of the exothermic reaction, so that the reactor structure, catalyst performance control, and reaction condition control in the endothermic reaction are exothermic reaction heat It is necessary for control.

이와 관련하여, 본 발명은 발열반응층에는 발열반응용 촉매가 구비되어 있고, 흡열반응층에는 흡열반응용 촉매가 구비되어 있으며, 발열반응층의 온도(T1)가 흡열반응층의 온도(T2)보다 높아 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 되는 열교환 반응기에서, 발열반응층의 아래층과 위층에 인접하여 존재하는 2개 흡열반응층을, 상기 발열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 반응물의 흐름 경로, 촉매 활성 프로파일, 및/또는 촉매 베드 구조가 거울에 비친 것처럼 좌우 또는 상하가 바뀐 거울상으로 설계함으로써, 흡열반응 촉매층 내에서의 불균등한 유체의 흐름에 의한 발열반응 반응열의 불균등한 흐름을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 제2양태에 따른 반응기 구조에서도 마찬가지이다.In this regard, in the present invention, the exothermic reaction layer is provided with a catalyst for exothermic reaction, the endothermic reaction layer is provided with a catalyst for endothermic reaction, and the temperature (T 1 ) of the exothermic reaction layer is the temperature of the endothermic reaction layer (T In the heat exchange reactor that is higher than 2 ) and transfers heat from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer, the two endothermic reaction layers existing adjacent to the lower and upper layers of the exothermic reaction layer are symmetrical axes parallel to the reactant flow paths of the exothermic reaction layer. Based on the design, the flow path of the reactant, the catalytic activity profile, and / or the catalyst bed structure is designed as a mirror image in which left and right or top and bottom are changed as if reflected in the mirror, thereby exothermic reaction heat due to uneven flow of fluid in the endothermic catalyst layer Can prevent uneven flow of. In addition, the same applies to the reactor structure according to the second aspect of the present invention.

따라서, 본 발명의 일구체예에 따라 메탄의 산화이량화 반응용 촉매가 충진되어 있는 발열반응층 및 흡열반응용 촉매가 충진되어 있는 흡열반응층을 교대로 구비하고, 발열반응층의 온도(T1)가 흡열반응층의 온도(T2)보다 높아 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 되는 열교환 마이크로채널 반응기는, 하기 3가지 요건 각각 또는 이의 조합을 충족할 수 있다:Therefore, according to one embodiment of the present invention, an exothermic reaction layer filled with a catalyst for oxidation dimerization reaction of methane and an endothermic reaction layer filled with a catalyst for endothermic reaction are alternately provided, and the temperature of the exothermic reaction layer (T 1 ) The heat exchange microchannel reactor, which is higher than the temperature (T 2 ) of the endothermic reaction layer and transfers heat from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer, may satisfy each of the following three requirements or a combination thereof:

(i) 흡열반응층과의 열교환을 통해 발열반응층에서 반응온도는 800℃±50℃ 범위 내에서 조절하고, 발열반응층과의 열교환을 통해 흡열반응층에서 반응온도는 750℃±50℃ 범위 내에서 조절하는 것;(i) Through the heat exchange with the endothermic reaction layer, the reaction temperature in the exothermic reaction layer is controlled within the range of 800 ° C ± 50 ° C, and through heat exchange with the exothermic reaction layer, the reaction temperature in the endothermic reaction layer is 750 ° C ± 50 ° C. Regulating within;

(ii) 생성물 수율을 낮추지 않게 발열반응층 내 발열량 제어가 가능하도록, 인접하여 열교환하는 흡열반응층 2개 사이에 위치한 발열반응층 내 촉매층(catalytic bed)의 두께(즉, 상기 흡열반응층 2개 사이의 최단 거리의 직선 상에 대응하는 두께)는 1 내지 5mm 범위 내에서 조절하고/조절하거나 발열반응층 내 하류에서의 발열량을 제거하도록, 흡열반응층 내 촉매층(catalytic bed)의 두께는 발열반응층 내 촉매층의 두께 대비 0.1 내지 2배 범위 내에서 및/또는 0.5 내지 3mm내에서 조절하는 것; 및(ii) the thickness of the catalytic bed in the exothermic reaction layer (that is, the two endothermic reaction layers) located between two adjacent endothermic heat exchange layers to enable control of the amount of heat generated in the exothermic reaction layer without lowering the product yield. The thickness corresponding to the straight line of the shortest distance between) is controlled within the range of 1 to 5 mm and / or the thickness of the catalytic bed in the endothermic reaction layer is exothermic so as to control and / or remove the amount of heat generated downstream of the exothermic reaction layer. Adjusting within the range of 0.1 to 2 times the thickness of the catalyst layer in the layer and / or within 0.5 to 3 mm; And

(iii) 발열반응의 반응열을 제거하는 것에 있어 사각지대를 상호보완하는 구조를 가지도록, 발열반응 촉매층의 상-하에 존재하는 흡열반응 촉매층의 유로구조가 서로 거울상 대칭구조를 가질 것.(iii) The flow path structures of the endothermic catalyst layers existing above and below the exothermic catalyst layers should have a mirror-like symmetry structure so as to have a structure that complements the blind spot in removing the reaction heat of the exothermic reaction.

상기 (ii) 요건은 마이크로채널 반응기의 구조에 관한 것으로서, 메탄의 산화이량화 반응의 촉매반응층의 두께 대비 메탄의 개질반응 촉매층의 두께를 조절하여, 메탄의 개질반응 반응층의 반응물의 접촉시간을 조절하는 것이다. 메탄의 산화이량화 반응 촉매층의 두께는 1 내지 5mm가 적당하다. 촉매층의 두께가 지나치게 얇을 경우 반응기내에 장입되는 촉매양이 적어 경제성이 떨어지고, 지나치게 두꺼우면 발열양의 제어가 어려우므로 상기의 범위가 바람직하다. 메탄의 개질반응 촉매층의 두께는 메탄의 산화이량화 반응 촉매층의 두께에 따라 다르며, 메탄의 산화이량화 반응 촉매층 두께 대비 0.1 내지 2이 바람직하다. 메탄의 개질반응 촉매층의 두께가 상기 비율인 0.1 보다 작으면 반응물의 접촉시간이 지나치게 짧아 메탄의 개질반응에서 메탄의 전환율이 지나치게 낮아서 메탄의 산화이량화 반응의 열을 효과적으로 제거하는데 어려울 수 있고, 그 비율이 2보다 클 경우 메탄의 개질반응에서 접촉시간이 길어져 메탄의 개질반응의 전환이 촉매의 상층부만 일어나 중-하단의 메탄의 산화이량화 반응의 반응열을 제어하는데 어려움이 있을 수 있다. 따라서 상기 촉매층 두께 비율이 메탄의 산화이량화 반응의 반응열 제어에 적당하다.The (ii) requirement relates to the structure of a microchannel reactor, and the thickness of the catalyst layer of the reforming reaction of methane compared to the thickness of the catalytic reaction layer of the oxidative dimerization reaction of methane is adjusted to reduce the contact time of the reactants of the reforming reaction layer of methane. To adjust. The thickness of the catalyst layer for oxidation dimerization of methane is suitably 1 to 5 mm. When the thickness of the catalyst layer is too thin, the amount of the catalyst loaded in the reactor is low and the economic efficiency is poor. If the thickness is too thick, it is difficult to control the amount of heat, so the above range is preferable. The thickness of the catalyst layer for reforming methane varies depending on the thickness of the catalyst layer for oxidation dimerization of methane, and preferably 0.1 to 2 compared to the thickness of the catalyst layer for oxidation dimerization of methane. If the thickness of the methane reforming catalyst layer is less than 0.1, the contact time of the reactants is too short, and the conversion rate of methane in the methane reforming reaction is too low, which may be difficult to effectively remove the heat of the oxidation dimerization reaction of methane, and the ratio thereof If it is greater than 2, the contact time becomes longer in the reforming reaction of methane, and conversion of the reforming reaction of methane occurs only in the upper portion of the catalyst, so it may be difficult to control the reaction heat of the oxidation-dimerization reaction of methane in the middle and lower. Therefore, the catalyst layer thickness ratio is suitable for the reaction heat control of the oxidation dimerization reaction of methane.

본 발명은 실험을 통해 상기 3가지 요건을 충족하는 열교환 마이크로채널 반응기를 사용하여 메탄의 산화이량화 반응의 강한 발열을 효과적으로 제어할 수 있었으며, 구체적으로는 마이크로채널 반응기의 한 층에는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 채워 발열반응을 수행시키고, 이들 층 사이에는 촉매 활성이 제어된 메탄의 개질반응과 같은 흡열반응이 일어나게 함으로서 메탄의 산화이량화 반응의 반응열을 효과적으로 제어할 수 있을 뿐만 아니라, 메탄의 산화이량화 반응층의 발열된 열이 원활히 흡열반응층으로 제어됨으로써 높은 수율의 C2 생성물을 얻을 수 있었다(표 1).The present invention was able to effectively control the strong exotherm of the oxidation dimerization reaction of methane by using a heat exchange microchannel reactor that satisfies the above three requirements through experiments, specifically, the oxidation dimerization reaction of methane in one layer of the microchannel reactor. The exothermic reaction is performed by filling the catalyst with a catalyst, and the catalyst activity is controlled between these layers. By generating an endothermic reaction such as a reforming reaction of methane, it is possible to effectively control the reaction heat of the oxidative dimerization reaction of methane, and the heat generated from the oxidative dimerization reaction layer of methane is smoothly controlled by the endothermic reaction layer, resulting in a high yield of C2 product Was obtained (Table 1).

한편, 전술한 바와 같이, 흡열반응 촉매층 내에서의 불균등한 유체의 흐름에 의한 발열반응 반응열의 불균등한 흐름을 방지하도록 설계된, 또는 발열반응 촉매층 내에서의 불균등한 유체의 흐름에 의한 흡열반응 반응열의 불균등한 흐름을 방지하도록 설계된, 본 발명에 따른 열교환 반응기는 메탄 전환공정에 사용할 수 있다. On the other hand, as described above, it is designed to prevent the uneven flow of the exothermic reaction heat due to the flow of uneven fluid in the endothermic reaction catalyst layer, or the heat of the endothermic reaction due to the uneven flow of fluid in the exothermic catalyst layer Designed to prevent uneven flow, the heat exchange reactor according to the invention can be used in a methane conversion process.

메탄의 산화이량화 반응의 반응열 제어를 위해 흡열반응인 메탄의 개질반응이나 에탄의 크래킹 반응을 마이크로채널 반응기의 교대로 적층된 구조에서 수행할 수 있다. In order to control the reaction heat of the oxidation dimerization reaction of methane, an endothermic reaction of methane reforming or ethane cracking reaction may be performed in an alternately stacked structure of a microchannel reactor.

열교환 반응기에서 흡열반응층 내 구비된 촉매는 메탄의 개질반응용 촉매이고, 흡열반응층에서 메탄의 개질반응을 통해 합성가스가 제조되는 것일 수 있다. 또한, 열교환 반응기에서 흡열반응층 내 구비된 촉매는 에탄의 탈수소 반응용 촉매일 수 있고, 별도의 촉매 충진없이 에탄의 열분해 반응을 통해 에틸렌이 제조되는 것일 수 있다.The catalyst provided in the endothermic reaction layer in the heat exchange reactor is a catalyst for the reforming reaction of methane, and the synthesis gas may be produced through the reforming reaction of methane in the endothermic reaction layer. In addition, the catalyst provided in the endothermic reaction layer in the heat exchange reactor may be a catalyst for dehydrogenation of ethane, or ethylene may be produced through a pyrolysis reaction of ethane without additional catalyst filling.

예컨대, 본 발명의 메탄 전환 방법은 상기 열교환 반응기에서 발열반응층에서 메탄의 산화이량화 반응을 수행하고/하거나, 메탄의 개질반응을 흡열반응층에서 수행할 수 있다. 이 때 각각의 반응은 상기 열교환 반응기의 채널 내 촉매층을 통과하면서 일어나게 된다. For example, the methane conversion method of the present invention may perform an oxidation dimerization reaction of methane in an exothermic reaction layer in the heat exchange reactor, and / or a reforming reaction of methane in an endothermic reaction layer. At this time, each reaction occurs while passing through the catalyst layer in the channel of the heat exchange reactor.

따라서, 본 발명은 또한 전술한 본 발명의 열교환 반응기에서, 메탄 또는 에탄을 전환시켜 가스 생성물을 제조하는 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention also provides a method for producing a gas product by converting methane or ethane in the above-described heat exchange reactor of the present invention.

이때, 발열반응층에서 메탄의 산화이량화 반응을 수행하여 메탄 함유 가스로부터 에틸렌 및/또는 에탄을 포함한 C2 이상의 탄화수소로 전환시켜 C2 이상의 탄화수소를 제조할 수 있다. 또한, 흡열반응층에서 메탄의 개질반응을 수행하여 메탄 함유 가스로부터 합성가스를 제조하거나, 흡열반응층에서 에탄의 크래킹반응을 수행하여 에탄으로부터 에틸렌을 제조할 수 있다.At this time, by performing an oxidation dimerization reaction of methane in the exothermic reaction layer, C2 or higher hydrocarbons may be prepared by converting methane-containing gas to C2 or higher hydrocarbons including ethylene and / or ethane. In addition, methane may be produced from methane-containing gas by performing a reforming reaction of methane in the endothermic reaction layer, or ethylene may be produced from ethane by performing a cracking reaction of ethane in the endothermic reaction layer.

상기 열교환 반응기에 주입되는 반응물은 메탄을 주요 성분으로 함유하는 것으로서 100% 메탄일 필요는 없으며, 천연가스 또는 석유화학 부산물로부터 유래할 수 있고, 나아가 소량의 에탄이나 프로판 또는 질소나 이산화탄소를 포함할 수 있다.The reactants injected into the heat exchange reactor contain methane as a main component, and need not be 100% methane, may be derived from natural gas or petrochemical by-products, and may further contain a small amount of ethane or propane or nitrogen or carbon dioxide. have.

본 발명에 따른 열교환 반응기는 발열반응층에 메탄의 산화이량화 반응용 촉매가 충진되어 있으므로, 메탄과 산소를 포함하는 반응물을 입자상 촉매와 접촉시킴으로서 에틸렌과 에탄을 포함한 C2 이상의 탄화수소로 전환시키는 방법에 사용될 수 있다. 메탄의 산화이량화 반응의 촉매는 비교적 다양한 촉매가 알려져 있으며, 본 발명에서는 5중량% NaWO4, 2중량% Mn, 0.3중량% La/SiO2 촉매를 사용하였지만 특별히 이에 한정하는 것은 아니다.In the heat exchange reactor according to the present invention, since the catalyst for the oxidation dimerization reaction of methane is filled in the exothermic reaction layer, it can be used in a method of converting a reactant containing methane and oxygen into a C2 or higher hydrocarbon containing ethylene and ethane by contacting the reactant with the particulate catalyst. Can be. As the catalyst for the oxidation dimerization reaction of methane, various catalysts are known, and in the present invention, 5 wt% NaWO 4 , 2 wt% Mn, and 0.3 wt% La / SiO 2 catalyst are used, but the present invention is not particularly limited.

상기 메탄의 산화이량화 반응의 생성물은 에탄, 에틸렌, CO, CO2, H2, H2O, 미량의 C3+ 탄화수소 및 미반응 메탄을 포함할 수 있다. 바람직하게는 메탄의 산화이량화 반응에 의해 C2 탄화수소로서 에틸렌 및/또는 에탄이 생성물로 형성될 수 있다. 에탄과 에틸렌의 생성비율은 비슷하지만 반응온도가 올라갈수록 에틸렌의 생성비율이 증가하는 경향이 있다. 메탄의 산화이량화 반응은 강한 발열반응으로서 반응열 제어가 잘 이루어지지 않으면 CO나 CO2의 생성이 증가하고 C2+ 탄화수소의 수율은 감소한다. 따라서, 발열반응층 전면에 걸쳐 반응온도를 일정온도 범위내에서 유지하는 것이 중요하다. The product of the oxidation dimerization reaction of methane may include ethane, ethylene, CO, CO 2 , H 2 , H 2 O, trace C 3+ hydrocarbons, and unreacted methane. Ethylene and / or ethane as C 2 hydrocarbons may be formed as a product, preferably by an oxidation dimerization reaction of methane. The production ratio of ethane and ethylene is similar, but the production ratio of ethylene tends to increase as the reaction temperature increases. The oxidation dimerization reaction of methane is a strong exothermic reaction. If the heat of reaction is not well controlled, the production of CO or CO 2 increases and the yield of C2 + hydrocarbons decreases. Therefore, it is important to maintain the reaction temperature within a certain temperature range over the entire exothermic reaction layer.

이를 위해 본 발명의 일구체예는 발열반응층과 흡열반응층이 인접하여 각각 교대로 배치된 상태에서 메탄의 산화이량화 반응이 수행되고 있는 발열반응층의 온도(T1)가 흡열반응층의 온도(T2)보다 높아 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 되는 열교환 마이크로채널 반응기에서 수행할 뿐만 아니라, 상기 열교환 마이크로채널 반응기가 흡열반응 촉매층 내에서의 불균등한 유체의 흐름에 의한 발열반응 반응열의 불균등한 흐름을 방지하고자, 발열반응층의 아래층과 위층에 인접하여 존재하는 2개의 흡열반응층을, 인접한 발열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 흡열반응층의 흡열반응의 프로파일(반응물의 흐름 경로, 촉매활성 프로파일 및/또는 촉매 베드 구조)이 좌우 또는 상하가 바뀐 거울상으로 설계한 것이다. 또한, 발열반응 촉매층 내에서의 불균등한 유체의 흐름에 의한 흡열반응 반응열의 불균등한 흐름을 방지하고자, 흡열반응층의 아래층과 위층에 인접하여 존재하는 2개의 발열반응층을, 인접한 흡열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 발열반응층의 발열반응의 프로파일(반응물의 흐름 경로, 촉매활성 프로파일 및/또는 촉매 베드 구조)이 좌우 또는 상하가 바뀐 거울상으로 설계한 것이다.To this end, in one embodiment of the present invention, the exothermic reaction layer and the endothermic reaction layer are adjacent to each other and are alternately arranged, and the temperature (T 1 ) of the exothermic reaction layer in which the oxidation dimerization reaction of methane is performed is the temperature of the endothermic reaction layer. Not only is it performed in a heat exchange microchannel reactor that is higher than (T 2 ) and heat transfers from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer, the heat exchange microchannel reactor is used for the exothermic reaction heat due to the uneven flow of fluid in the endothermic reaction catalyst layer. To prevent uneven flow, the two endothermic reaction layers adjacent to the lower and upper layers of the exothermic reaction layer are profiled for the endothermic reaction of the endothermic reaction layer based on the axis of symmetry parallel to the reactant flow path of the adjacent exothermic reaction layer. (Reactant flow path, catalytic activity profile and / or catalyst bed structure) is designed as a mirror image with left or right or upside down. In addition, in order to prevent the uneven flow of the endothermic reaction heat due to the uneven flow of fluid in the exothermic reaction catalyst layer, the two exothermic reaction layers existing adjacent to the lower and upper layers of the endothermic reaction layer, and the adjacent endothermic reaction layer Based on the axis of symmetry parallel to the reactant flow path, the exothermic reaction profile of the exothermic reaction layer (reactant flow path, catalytic activity profile and / or catalyst bed structure) is designed as a mirror image with left and right or upside down.

본 발명에 따라 흡열반응층으로 열전달이 가능한 열교환 반응기는 흡열반응층과의 열교환을 통해 발열반응층에서 반응온도는 800℃±50℃ 범위 내에서 조절하고, 발열반응층과의 열교환을 통해 흡열반응층에서 반응온도는 750℃±50℃ 범위 내에서 조절하는 것이 바람직하다. In the heat exchange reactor capable of heat transfer to the endothermic reaction layer according to the present invention, the reaction temperature in the exothermic reaction layer is adjusted within the range of 800 ° C. ± 50 ° C. through heat exchange with the endothermic reaction layer, and the endothermic reaction is performed through heat exchange with the exothermic reaction layer. The reaction temperature in the layer is preferably controlled within a range of 750 ° C ± 50 ° C.

이때, 메탄의 산화이량화 반응의 반응조건은 반응온도가 800℃±50℃, 압력이 1 내지 10기압(bar), 메탄 대비 산소의 몰비가 2 내지 10, 공간속도가 2000 내지 50,000cc/(gcat h)일 수 있다.At this time, the reaction conditions of the oxidation dimerization reaction of methane are 800 ° C ± 50 ° C, the pressure is 1 to 10 atm (bar), the molar ratio of oxygen to methane is 2 to 10, and the space velocity is 2000 to 50,000 cc / (g cat h).

또한, 본 발명에 따른 열교환 반응기는 흡열반응층에서 메탄의 개질반응을 통해 메탄 전환공정을 수행할 수 있다.In addition, the heat exchange reactor according to the present invention may perform a methane conversion process through a reforming reaction of methane in the endothermic reaction layer.

메탄의 개질반응의 반응물은 메탄; 및 수증기, 이산화탄소 또는 이들의 혼합물을 함유할 수 있다. The reactant of the reforming reaction of methane is methane; And water vapor, carbon dioxide, or mixtures thereof.

또한, 메탄의 산화이량화 반응의 미반응 메탄이 포함된 생성물 일부가 메탄의 개질반응을 수행하는 흡열반응층의 반응물로 재순환될 수 있다. 메탄의 산화이량화 반응의 부산물 중에는 CO, H2, H2O 및 CO2 등이 포함되는데, 이들은 메탄의 개질반응의 생성물이나 반응물이기 때문에 메탄의 산화이량화 반응보다는 메탄의 개질반응으로 재순환하는 것이 유리하다. 결론적으로 메탄의 산화이량화 반응에서 부산물의 양과 조성은 반응조건에 따라 달라지나 1차적으로 메탄의 개질반응으로 재순환하고 남는 부산물은 메탄의 산화이량화 반응으로 재순환하는 것이 전체 공정의 효율성 측면에서 유리하다.In addition, some of the unreacted methane-containing product of the oxidative dimerization reaction of methane may be recycled to a reactant in an endothermic reaction layer that performs a methane reforming reaction. Among the byproducts of methane oxidation dimerization, CO, H 2 , H 2 O, and CO 2 are included, and since they are products or reactants of methane reforming, it is advantageous to recycle them to methane reforming rather than methane dimerization. Do. In conclusion, the amount and composition of by-products in the oxidative dimerization reaction of methane vary depending on the reaction conditions, but it is advantageous in terms of efficiency of the overall process to primarily recycle the methane reforming reaction and recycle the remaining by-products to the oxidation dimerization reaction of methane.

본 발명에서 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 개질반응은 동일한 반응기에서 긴밀히 서로 접촉하는 것이 반응열의 전달을 위해 중요하다. 이를 위해 본 발명에서는 상기 열교환 반응기로 마이크로채널(microchannel) 반응기를 사용하며, 마이크로채널 반응기의 각 채널에는 메탄의 산화이량화 반응용 촉매 또는 메탄의 개질반응용 촉매가 채워질 수 있다. 메탄의 개질반응의 촉매로는 니켈계 촉매를 사용할 수 있다. 본 발명에서는 12중량% Ni/Al2O3 촉매를 사용하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다.In the present invention, it is important for the transfer of heat of reaction that the oxidative dimerization reaction of methane and the reforming reaction of methane are in close contact with each other in the same reactor. To this end, in the present invention, a microchannel reactor is used as the heat exchange reactor, and each channel of the microchannel reactor may be filled with a catalyst for oxidation dimerization reaction of methane or a catalyst for reforming methane. As a catalyst for the reforming reaction of methane, a nickel-based catalyst can be used. In the present invention, a 12% by weight Ni / Al 2 O 3 catalyst was used, but is not limited thereto.

본 발명의 메탄 전환방법은 발열반응인 메탄의 산화이량화 반응과 흡열반응인 메탄의 개질반응을 하나의 반응기 안에서 수행하여 반응열을 주고-받음으로써 열적 중성반응을 수행할 수 있다. In the methane conversion method of the present invention, a thermal neutralization reaction can be performed by exchanging and receiving reaction heat by performing an oxidation dimerization reaction of methane, an exothermic reaction, and a reforming reaction of methane, an endothermic reaction, in one reactor.

본 발명에 따른 열교환 마이크로채널 반응기에서 메탄의 산화이량화 반응층의 온도 조절은 메탄의 산화이량화 반응물 대비 메탄의 수증기 개질반응의 반응물의 주입량의 조절로 이루어질 수 있다. 메탄의 개질반응의 반응물이 증가하면 흡열반응이 증가하여 메탄의 산화이량화 반응의 온도는 떨어질 수 있다. 본 발명과 같이 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 수증기 개질반응을 결합하면 메탄의 산화이량화 반응의 폐열을 메탄의 개질반응의 반응열로 활용할 수 있는 이점이 있고, 메탄의 산화이량화 반응의 반응열을 제어하는 데 보다 용이한 이점이 있어, 고온 반응의 발열양을 제어하기 위해서는 훨씬 많은 고온 스팀을 사용해야 하는 종래 기술의 문제점을 해결할 수 있다.In the heat exchange microchannel reactor according to the present invention, the temperature control of the oxidation dimerization reaction layer of methane may be made by adjusting the injection amount of the reactant in the steam reforming reaction of methane compared to the oxidation dimerization reaction of methane. When the reactant in the reforming reaction of methane increases, the endothermic reaction increases, and the temperature of the oxidation dimerization reaction of methane may drop. Combining the oxidation dimerization reaction of methane with the steam reforming reaction of methane as in the present invention has the advantage of utilizing the waste heat of the methane oxidation dimerization reaction as a reaction heat of the methane reforming reaction, and controlling the reaction heat of the methane oxidation dimerization reaction. In order to control the exothermic amount of the high-temperature reaction, it is possible to solve the problem of the prior art that requires the use of much more high-temperature steam.

발열반응층 내 상류에서 메탄의 산화이량화 반응 속도를 낮춰 급속한 온도 증가를 억제하도록, 그리고 발열반응층 내 하류에서 메탄의 산화이량화 반응의 발열량을 제거하도록, 흡열반응층 내 메탄의 개질반응에서 메탄 전환율을 95% 이하로 조절할 수 있다.Methane conversion in the reforming reaction of methane in the endothermic reaction layer, to reduce the rapid increase in temperature by lowering the rate of oxidation dimerization reaction of methane upstream in the exothermic reaction layer, and to remove the exothermic amount of the oxidation dimerization reaction of methane downstream of the exothermic reaction layer Can be adjusted to 95% or less.

메탄의 개질반응은 상기 흡열반응층의 반응물 중 수증기/메탄의 몰비, 이산화탄소/메탄의 몰비 또는 (수증기+이산화탄소)/메탄의 몰비를 조절하여 메탄의 전환율을 조절할 수 있다.The reforming reaction of methane can control the conversion of methane by adjusting the molar ratio of water vapor / methane, the molar ratio of carbon dioxide / methane, or the molar ratio of (water vapor + carbon dioxide) / methane among the reactants in the endothermic reaction layer.

메탄의 개질반응은 메탄 전환율이 60 내지 95%로 조절하기 위해 (수증기+이산화탄소)/메탄의 몰비를 0.8 내지 2로 조절하는 것이 좋다. 따라서, 메탄의 개질반응은 반응압력이 1~10bar이고, (수증기+이산화탄소)/메탄의 몰비 0.8~2, 공간속도는 1000~50000 h-1에서 수행되는 것이 바람직하다. For the reforming reaction of methane, it is preferable to adjust the molar ratio of (water vapor + carbon dioxide) / methane to 0.8 to 2 in order to control the methane conversion rate to 60 to 95%. Therefore, the reforming reaction of methane is preferably carried out at a reaction pressure of 1 to 10 bar, a molar ratio of (water vapor + carbon dioxide) / methane of 0.8 to 2, and a space velocity of 1000 to 50000 h -1 .

또한, 메탄의 개질반응의 촉매활성 조절에 의해 반응조건에서의 평형전환율 대비 메탄의 전환율이 60% 내지 95% 범위 내에서 조절할 수 있다.In addition, by controlling the catalytic activity of the reforming reaction of methane, the conversion rate of methane compared to the equilibrium conversion rate in reaction conditions can be adjusted within a range of 60% to 95%.

메탄의 개질반응에 얻어지는 합성가스를 활용하는 후속반응이 메탄올 합성반응이나 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응일 수 있다. 각각의 후속반응에 적합한 합성가스의 조성을 맞추기 위하여 메탄의 개질반응의 반응물 조성을 조절할 수 있다. The subsequent reaction using the synthesis gas obtained in the reforming reaction of methane may be a methanol synthesis reaction or a Fischer-Tropsch reaction. The reactant composition of the methane reforming reaction can be adjusted to match the composition of the syngas suitable for each subsequent reaction.

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 발명은 발열반응의 반응열을 제거하는 것에 있어 사각지대를 상호보완하기 위해 발열반응 촉매층의 상-하에 존재하는 흡열반응 촉매층의 유로구조가 서로 거울상 대칭구조를 가지도록 설계함으로써, 발열반응인 메탄의 산화이량화 반응의 발열을 효과적으로 제어하여 보다 높은 C2 수율을 얻을 수 있다. In the present invention, in order to complement the blind spot in removing the reaction heat of the exothermic reaction, the flow path structures of the endothermic catalyst layer existing above and below the exothermic catalyst layer are designed to have mirror-like symmetry structures, thereby generating methane, which is an exothermic reaction. Higher C2 yield can be obtained by effectively controlling the exotherm of the oxidation dimerization reaction.

도 1는 메탄의 산화이량화 반응(OCM, oxidative coupling of methane)층과 메탄의 수증기 개질반응(SMR, steam methane reforming)층이 교대로 적층된 마이크로채널 반응기의 개념도를 나타낸 것이다.
도 2는 마이크로채널 반응기에서 메탄의 산화이량화 촉매 반응층에 인접하는 메탄의 수증기 개질반응층의 구조가 메탄의 산화이량화 반응의 반응물 흐름 경로를 기준으로 좌우에서의 거울상 대칭구조를 갖는 것을 도시한 개략도(a)(점선원은 가스흐름의 사각지대 표시), 이들이 적층된 3차원 도면(b~d)을 나타낸 것이다.
도 3는 마이크로채널 반응기에서 메탄의 산화이량화 촉매 반응층에 인접하는 메탄의 수증기 개질반응층의 구조가 메탄의 산화이량화 반응의 반응물 흐름 경로를 기준으로 상하에서의 거울상 대칭구조를 갖는 것을 도시한 개략도(a)(점선원은 가스흐름의 사각지대 표시), 이들이 적층된 3차원 도면(b~d)을 나타낸 것이다.
도 4는 마이크로채널 반응기에서 촉매층에서 반응물 흐름을 유도하기 위한 유로를 나타낸 것이다.
도 5는 마이크로채널 반응기에서 메탄의 산화이량화 촉매 반응층에 인접하는 메탄의 수증기 개질반응층의 구조가 동일한 구조로 적층된 개략도(a), 및 이들이 적층된 3차원 도면(b)을 나타낸 것이다.1 shows a conceptual diagram of a microchannel reactor in which an oxidative coupling of methane (OCM) layer and a steam methane reforming (SMR) layer of methane are alternately stacked.
FIG. 2 is a schematic diagram showing that the structure of the steam reforming reaction layer of methane adjacent to the catalytic reaction layer of methane oxidation dimerization in the microchannel reactor has a mirror-like symmetry structure on the left and right based on the reactant flow path of the oxidation dimerization reaction of methane. (a) (dotted circles indicate the blind spots of the gas flow), and the three-dimensional drawings (b to d) are stacked.
Figure 3 is a schematic diagram showing that the structure of the steam reforming reaction layer of methane adjacent to the catalytic reaction layer of methane oxidation dimerization in the microchannel reactor has a mirror image symmetrical structure above and below the reactant flow path of the oxidation dimerization reaction of methane. (a) (dotted circles indicate the blind spots of the gas flow), and the three-dimensional drawings (b to d) are stacked.
4 shows a flow path for inducing reactant flow in the catalyst bed in a microchannel reactor.
FIG. 5 is a schematic diagram (a) in which the structure of a steam reforming reaction layer of methane adjacent to a catalytic reaction layer of oxidation of methane in a microchannel reactor is stacked in the same structure, and a three-dimensional view (b) in which they are stacked.

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.

제작예Production example 1: 마이크로채널 반응기 제작 1: Microchannel reactor fabrication

마이크로채널 반응기의 내열성 재질로서 인코넬(Inconel) 600을 사용하였다. 마이크로채널 반응기는 인코넬 판(plate)들이 적층되어 있으며 각 층들은 일정두께를 가지며 이들은 서로 격리되어 있는 구조를 갖는다. 반응기의 접합은 판(격리용과 촉매층을 만들기 위한 기둥용 판)을 적층한 후 한번에 열과 압력을 가하는 방식인 확산접합(diffusion bond), 브레이징 용접, 용접(laser, 아크 및 가스 용접 등) 등을 이용해서 수행 가능하다. Inconel 600 was used as a heat-resistant material for the microchannel reactor. In the microchannel reactor, the Inconel plates are stacked, and each layer has a certain thickness, and these are separated from each other. Reactor bonding uses diffusion bonding, brazing welding, welding (laser, arc and gas welding, etc.), which is a method of applying heat and pressure at a time after laminating plates (for isolation and for forming a catalyst layer). It can be done.

마이크로채널 반응기는 교대로 배열된 메탄의 산화이량화 반응층과 메탄의 개질반응층으로 구성된다. 구체적으로, 산화이량화 반응층이 3층, 메탄의 개질반응층이 4층이고, 판의 크기는 6 cm x 6 cm이며, 메탄의 산화이량화 반응과 메탄의 개질반응의 촉매층의 두께 3 mm로 동일하며, 각 층은 각각의 촉매들로 채워지며 후단은 촉매가 빠져나오지 않도록 필터가 내장되어 있다. 산화이량화 반응층의 상-하에 인접한 개질반응층의 유로는 서로 거울상 대칭구조를 가지며(도 2(a)), 이들의 반응물의 입구와 출구는 각각 별도로 구성되어 있다(도 2(c), (d)). The microchannel reactor consists of an alternating dimerization reaction layer of methane and a reforming reaction layer of methane. Specifically, the oxidation dimerization reaction layer is 3 layers, the methane reforming reaction layer is 4 layers, the size of the plate is 6 cm x 6 cm, and the thickness of the catalyst layer of the oxidation dimerization reaction of methane and the reforming reaction of methane is 3 mm. Each layer is filled with respective catalysts, and a filter is built in to prevent the catalyst from escaping at the rear end. The flow paths of the reforming reaction layers adjacent to the upper and lower portions of the oxidation dimerization reaction layer have mirror-like symmetry structures (Fig. 2 (a)), and the inlets and outlets of their reactants are separately configured (Fig. 2 (c), ( d)).

메탄의 산화이량화 반응층과 메탄의 개질반응층은 각각 열전대(thermocouple)를 장착하여 반응층 내부온도를 모니터하도록 하였다.The methane oxidation dimerization reaction layer and the methane reforming reaction layer were each equipped with a thermocouple to monitor the temperature inside the reaction layer.

제작예Production example 2: 마이크로채널 반응기 제작 2: Microchannel reactor fabrication

제작예 1과 동일한 방법으로 마이크로채널 반응기를 제작하되, 마이크로채널 반응기에서 메탄의 산화이량화 촉매 반응층의 상-하에 존재하는 메탄의 수증기 개질반응층이 동일한 구조로 되어 있도록 마이크로채널 반응기를 제작하였다. 도 5은 상기와 같이 제작한 마이크로채널 반응기의 도면을 나타낸 것이다. A microchannel reactor was prepared in the same manner as in Production Example 1, but a microchannel reactor was prepared so that the steam reforming reaction layer of methane present above and below the catalytic reaction layer of oxidative dimerization of methane in the microchannel reactor has the same structure. Figure 5 shows a diagram of the micro-channel reactor prepared as described above.

제조예Manufacturing example 1: 메탄의  1: Methane 산화이량화Oxidation dimerization 반응용 촉매 제조 Preparation of reaction catalyst

상업용 실리카(SiO2, Davisil grade 635)를 촉매 담체로 사용하여 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 제조하였다. 먼저, La, Mn, Na2WO4 공급원(source)으로서 La(NO3)3·6H2O, Mn(NO3)2·4H2O 및 Na2WO4·2H2O을 증류수에 녹여 만든 수용액을 초기습윤 함침법(incipient impregnation)으로 실리카 담체에 담지하였다. 담지된 촉매는 건조 후 800℃에서 5시간 소성하여 메탄의 산화이량화 반응 촉매로 사용하였다. 제조된 촉매의 조성은 4.75Na2WO4/2Mn/0.25La/SiO2로서 숫자는 중량%를 나타낸다. Commercial silica (SiO 2 , Davisil grade 635) was used as a catalyst carrier to prepare a catalyst for the oxidation dimerization reaction of methane. First, La, Mn, Na 2 WO 4 as a source (source) La (NO 3 ) 3 · 6H 2 O, Mn (NO 3 ) 2 · 4H 2 O and Na 2 WO 4 · 2H 2 O made by dissolving in distilled water The aqueous solution was supported on a silica carrier by incipient impregnation. The supported catalyst was dried and calcined at 800 ° C. for 5 hours to be used as a catalyst for oxidation dimerization of methane. The composition of the prepared catalyst is 4.75Na 2 WO 4 /2Mn/0.25La/SiO 2 and the number represents weight percent.

제조예Manufacturing example 2: 메탄의  2: Methane 개질반응용For reforming reaction 촉매 제조 Catalyst manufacturing

촉매활성이 조절되어 메탄의 산화이량화 반응의 반응열 제어에 적합한 메탄의 개질반응용 촉매를 제조하였다. A catalyst for the reforming reaction of methane suitable for controlling the reaction heat of the oxidation dimerization reaction of methane was prepared by controlling the catalytic activity.

감마-알루미나(γ-Al2O3)를 촉매 담체로 사용하여 메탄의 개질반응용 촉매를 제조하였다. 먼저, Pt, Ni, Mg 및 K 공급원(source)으로서 Pt(NH3)4(OH)2·xH2O (Tetraammineplatinum(II) hydroxide hydrate), Ni(NO3)2·6H2O, Mg(NO3)2·6H2O 및 KNO3를 증류수에 녹여 만든 수용액을 초기습윤 함침법(incipient impregnation)으로 알루미나 담체에 순차적으로 담지하여 제조하였다. 담지된 촉매를 건조 후 1100℃에서 5시간 소성하여 메탄의 개질반응 촉매로 사용하였다. 제조된 촉매의 조성은 0.05Pt/2K/12Ni-5Mg/Al2O3로서 숫자는 중량%를 나타낸다. A catalyst for the reforming reaction of methane was prepared using gamma-alumina (γ-Al 2 O 3 ) as a catalyst carrier. First, Pt, Ni, Mg and K as sources (Pt (NH 3 ) 4 (OH) 2 xH 2 O (Tetraammineplatinum (II) hydroxide hydrate), Ni (NO 3 ) 2 · 6H 2 O, Mg ( NO 3 ) 2 · 6H 2 O and KNO 3 were prepared by dissolving in distilled water an aqueous solution prepared on an alumina carrier sequentially by incipient impregnation. The supported catalyst was dried and calcined at 1100 ° C for 5 hours to be used as a catalyst for reforming methane. The composition of the prepared catalyst is 0.05Pt / 2K / 12Ni-5Mg / Al 2 O 3 and the number represents weight percent.

실시예Example 1 One

상기의 제조예 1 및 2에서 제조한 메탄의 산화이량화 반응 촉매와 메탄의 개질반응 촉매를 제작예 1에서 제작한 마이크로채널 반응기에 장착하여 발열반응과 흡열반응이 열교환에 의해 열적인 중성 반응을 실시하였으며, 반응물들의 흐름은 동일한 방향이다. 촉매가 장착된 마이크로채널 반응기는 전기로(furnace)에 의해 외부온도가 760℃로 승온되었다. 이때 반응기 내부는 질소가 300 cc/min로 흐르게 하였다. 반응기 외부온도가 760℃로 올라가면 리포밍 반응층의 가스조성과 유량을 서서히 변경하였다. 정상적인 리포밍 반응의 가스양은, 메탄 600 cc/min, 수소 100 cc/min, 질소 300 cc/min(GC standard gas), 물 0.50 cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 0.5 barg이다. 메탄의 산화이량화 반응에서의 가스양은, 메탄 2500 cc/min, 질소 2500 cc/min(GC 표준 가스 및 희석가스), 산소 1000 cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 2.5 barg이었다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 820℃이었다. The methane oxidation dimerization catalyst and the methane reforming catalyst prepared in Preparation Examples 1 and 2 were mounted on the microchannel reactor prepared in Production Example 1, whereby the exothermic reaction and the endothermic reaction were thermally neutralized by heat exchange. And the flow of reactants is in the same direction. In the microchannel reactor equipped with a catalyst, the external temperature was raised to 760 ° C by an electric furnace. At this time, nitrogen flowed inside the reactor at 300 cc / min. When the reactor external temperature rose to 760 ° C, the gas composition and flow rate of the reforming reaction layer were gradually changed. The gas amount of a normal reforming reaction is 600 cc / min of methane, 100 cc / min of hydrogen, 300 cc / min of nitrogen (GC standard gas), 0.50 cc / min of water, and the reaction inlet pressure is 0.5 barg. The amount of gas in the oxidation dimerization reaction of methane was 2500 cc / min of methane, 2500 cc / min of nitrogen (GC standard gas and diluent gas), and 1000 cc / min of oxygen, wherein the reaction inlet pressure was 2.5 barg. The temperature inside the reaction layer of the dimerization of methane was 820 ° C.

생성물의 조성을 가스크로마토그래피(GC)로 분석하였다. 반응 전후의 메탄은 GC-TCD(thermal conductive detector)로 검출하였으며, 내부 표준가스인 질소를 기준으로 메탄 전환율을 계산하였다. 탄화수소 생성물은 GasPro 컬럼(column)으로 분리하고 FID(Flame ionization detector)로 검출하였으며 생성물의 선택도는 메탄을 기준으로 계산하였다.The composition of the product was analyzed by gas chromatography (GC). Methane before and after the reaction was detected by a thermal conductive detector (GC-TCD), and the methane conversion rate was calculated based on nitrogen as an internal standard gas. The hydrocarbon product was separated by a GasPro column and detected by a FID (Flame ionization detector), and the selectivity of the product was calculated based on methane.

상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과와 메탄의 개질반응 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The results of the oxidation dimerization reaction of methane obtained above and the results of the reforming reaction of methane are shown in Table 1 below.

실시예Example 2 2

상기의 제조예 1 및 2에서 제조한 메탄의 산화이량화 반응 촉매와 메탄의 개질반응 촉매를 제작예 1에서 제작한 마이크로채널 반응기에 장착하여 발열반응과 흡열반응이 열교환에 의해 열적인 중성 반응을 실시하였으며, 반응물들의 흐름은 동일한 방향이다. 촉매가 장착된 마이크로채널 반응기는 전기로(furnace)에 의해 외부온도가 760℃로 승온되었다. 이때 반응기 내부는 질소가 300cc/min로 흐르게 하였다. 반응기 외부온도가 760℃로 올라가면 리포밍 반응층의 가스조성과 유량을 서서히 변경하였다. 정상적인 리포밍 반응의 가스양은, 메탄 500 cc/min, 수소 400 cc/min, 질소 500 cc/min(GC standard gas), 물 0.41 cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 0.6 barg이다. 메탄의 산화이량화 반응에서의 가스양은, 메탄 1900 cc/min, 질소 2500 cc/min(GC 표준 가스 및 희석가스), 산소 600 cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 1.4 barg이었다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 815℃이었다. The methane oxidation dimerization catalyst and the methane reforming catalyst prepared in Preparation Examples 1 and 2 were mounted on the microchannel reactor prepared in Production Example 1, whereby the exothermic reaction and the endothermic reaction were thermally neutralized by heat exchange. And the flow of reactants is in the same direction. In the microchannel reactor equipped with a catalyst, the external temperature was raised to 760 ° C by an electric furnace. At this time, nitrogen flowed inside the reactor at 300 cc / min. When the reactor external temperature rose to 760 ° C, the gas composition and flow rate of the reforming reaction layer were gradually changed. The gas amount of the normal reforming reaction is methane 500 cc / min, hydrogen 400 cc / min, nitrogen 500 cc / min (GC standard gas), water 0.41 cc / min, and the reaction inlet pressure is 0.6 barg. The amount of gas in the oxidation dimerization reaction of methane was 1900 cc / min of methane, 2500 cc / min of nitrogen (GC standard gas and diluent gas), and 600 cc / min of oxygen, wherein the reaction inlet pressure was 1.4 barg. The temperature inside the oxidized dimerization reaction layer of methane was 815 ° C.

상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과와 메탄의 개질반응 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The results of the oxidation dimerization reaction of methane obtained above and the results of the reforming reaction of methane are shown in Table 1 below.

실시예Example 3 3

상기의 제조예 1 및 2에서 제조한 메탄의 산화이량화 반응 촉매와 메탄의 개질반응 촉매를 제작예 1에서 제작한 마이크로채널 반응기에 장착하여 발열반응과 흡열반응이 열교환에 의해 열적인 중성 반응을 실시하였으며, 반응물들의 흐름은 동일한 방향이다. 촉매가 장착된 마이크로채널 반응기는 전기로(furnace)에 의해 외부온도가 760℃로 승온되었다. 이때 반응기 내부는 질소가 300 cc/min로 흐르게 하였다. 반응기 외부온도가 760℃로 올라가면 리포밍 반응층의 가스조성과 유량을 서서히 변경하였다. 정상적인 리포밍 반응의 가스양은, 메탄 300 cc/min, 수소 200 cc/min, 질소 300 cc/min(GC standard gas), 물 0.26 cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 0.42 barg이다. 메탄의 산화이량화 반응에서의 가스양은, 메탄 900 cc/min, 질소 900 cc/min(GC 표준 가스 및 희석가스), 산소 350 cc/min이며, 이때 반응입구 압력은 1.2 barg이었다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 811℃이었다. The methane oxidation dimerization catalyst and the methane reforming catalyst prepared in Preparation Examples 1 and 2 are mounted on the microchannel reactor prepared in Production Example 1, whereby exothermic and endothermic reactions are thermally neutralized by heat exchange. And the flow of reactants is in the same direction. In the microchannel reactor equipped with a catalyst, the external temperature was raised to 760 ° C by an electric furnace. At this time, nitrogen flowed inside the reactor at 300 cc / min. When the reactor external temperature rose to 760 ° C, the gas composition and flow rate of the reforming reaction layer were gradually changed. The gas amount of the normal reforming reaction is 300 cc / min of methane, 200 cc / min of hydrogen, 300 cc / min of nitrogen (GC standard gas), 0.26 cc / min of water, and the reaction inlet pressure is 0.42 barg. The amount of gas in the oxidation dimerization reaction of methane was 900 cc / min of methane, 900 cc / min of nitrogen (GC standard gas and diluent gas), and 350 cc / min of oxygen, and the reaction inlet pressure was 1.2 barg. The temperature inside the reaction layer of the dimerization of methane was 811 ° C.

상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과와 메탄의 개질반응 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The results of the oxidation dimerization reaction of methane obtained above and the results of the reforming reaction of methane are shown in Table 1 below.

비교예Comparative example 1 One

상기의 제조예 1 및 2에서 제조한 메탄의 산화이량화 반응 촉매와 메탄의 개질반응 촉매를 제작예 2에서 제작한 마이크로채널 반응기에 장착하여 발열반응과 흡열반응이 열교환에 의해 열적인 중성 반응을 실시하였으며, 반응물들의 흐름은 동일한 방향이다. 이후 촉매 반응과 분석방법은 실시예 1과 동일하다. 이때 반응입구 압력은 2.7 barg이었다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 831℃이었다. 상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과와 메탄의 개질반응 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The methane oxidation dimerization reaction catalyst and the methane reforming catalyst prepared in Preparation Examples 1 and 2 are mounted on the microchannel reactor prepared in Production Example 2, whereby the exothermic reaction and the endothermic reaction are thermally neutralized by heat exchange. And the flow of reactants is in the same direction. Since the catalytic reaction and analysis method is the same as in Example 1. At this time, the reaction inlet pressure was 2.7 barg. The temperature inside the oxidized dimerization reaction layer of methane was 831 ° C. The results of the oxidation dimerization reaction of methane obtained above and the results of the reforming reaction of methane are shown in Table 1 below.

비교예Comparative example 2 2

상기의 제조예 1 및 2에서 제조한 메탄의 산화이량화 반응 촉매와 메탄의 개질반응 촉매를 제작예 2에서 제작한 마이크로채널 반응기에 장착하여 발열반응과 흡열반응이 열교환에 의해 열적인 중성 반응을 실시하였으며, 반응물들의 흐름은 동일한 방향이다. 이후 촉매 반응과 분석방법은 실시예 2과 동일하다. 이때 반응입구 압력은 1.6 barg이었다. 메탄의 산화이량화 반응층 내부의 온도는 827℃이었다. 상기에서 얻어진 메탄의 산화이량화 반응의 결과와 메탄의 개질반응 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The methane oxidation dimerization reaction catalyst and the methane reforming catalyst prepared in Preparation Examples 1 and 2 are mounted on the microchannel reactor prepared in Production Example 2, whereby the exothermic reaction and the endothermic reaction are thermally neutralized by heat exchange. And the flow of reactants is in the same direction. Since the catalytic reaction and analysis method is the same as in Example 2. At this time, the reaction inlet pressure was 1.6 barg. The temperature inside the oxidized dimerization reaction layer of methane was 827 ° C. The results of the oxidation dimerization reaction of methane obtained above and the results of the reforming reaction of methane are shown in Table 1 below.

　 메탄의 산화이량화 반응 Dioxide reaction of methane 리포밍Reforming 전환율Conversion rate 생성물 선택도 (%)Product selectivity (%) C2 yield (%)C2 yield (%) CH4 전환율 (%)CH 4 conversion (%) 메탄 (%)Methane (%) 산소 (%)Oxygen (%) COCO CO2 CO 2 에탄ethane 에틸렌Ethylene C2 totalC2 total 실시예 1Example 1 32.732.7 98.598.5 23.123.1 24.624.6 15.915.9 36.436.4 52.3 52.3 17.1 17.1 95.395.3 실시예 2Example 2 31.131.1 96.496.4 22.622.6 23.823.8 16.516.5 37.137.1 53.6 53.6 16.7 16.7 94.794.7 실시예 3Example 3 29.829.8 94.894.8 21.921.9 23.523.5 16.916.9 37.737.7 54.6 54.6 16.3 16.3 94.194.1 비교예 1Comparative Example 1 33.433.4 98.798.7 27.927.9 24.724.7 15.815.8 31.631.6 47.4 47.4 15.8 15.8 95.795.7 비교예 2Comparative Example 2 31.931.9 95.895.8 26.426.4 24.624.6 16.716.7 32.332.3 49.0 49.0 15.6 15.6 98.198.1

본 발명의 실시예 1 내지 3에서 수행한 바와 같이 메탄의 산화이량화 반응층의 상-하에 적층된 메탄의 개질반응층의 유체가 메탄의 산화이량화 반응층의 유체흐름과 동일방향을 가질 때 동반되는 불균일 유체흐름에 의해 생성되는 유체흐름의 사각지대를 상호보완하는 거울상 대칭구조를 갖게 됨으로써, 메탄의 산화이량화 반응층의 발열된 열이 원활히 흡열반응층으로 제어됨으로써 높은 수율의 C2 생성물을 얻을 수 있었다.As performed in Examples 1 to 3 of the present invention, when the fluid of the reforming reaction layer of methane layered above and below the oxidation dimerization reaction layer of methane has the same direction as the fluid flow of the oxidation dimerization reaction layer of methane, By having a mirror-like symmetric structure that complements the blind spot of the fluid flow generated by the non-uniform fluid flow, the heat generated from the oxidized dimerization reaction layer of methane is smoothly controlled by the endothermic reaction layer to obtain a high yield C2 product. .

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 above detailed description and equivalent concepts thereof.

Claims (13)

(i) 반응물 흐름 경로가 일직선(straight line)이면서 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 발열반응층과 (ii) 반응물 흐름 경로가 발열반응층과 동일하지 아니하고 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 흡열반응이 일어나는 흡열반응층이 교대로 적층되고, 열교환을 통해 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 일어나는 판형 반응기로서,
발열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 흡열반응층의 관계는, 상기 발열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 반응물의 흐름 경로가 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조이거나, 촉매 활성 프로파일이 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조 거울상이거나, 또는 이들의 조합인 것이 특징인 반응기.(i) The exothermic reaction layer where the reactant flow path is a straight line and the reactant flows through the catalyst and (ii) the reactant flow path is not the same as the exothermic reaction layer, and the endothermic reaction through the catalyst flows through the reactant As a plate-type reactor in which the endothermic reaction layer that occurs takes place alternately, and heat transfer occurs from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer through heat exchange,
The relationship between the two endothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the exothermic reaction layer is based on an axis of symmetry parallel to the reactant flow path of the exothermic reaction layer, and the flow path of the reactants is a mirror-like symmetrical structure in the left or right or up or down, or catalytic activity. A reactor characterized in that the profile is a mirror image symmetrical mirror image of left and right or up or down, or a combination thereof. (i) 반응물 흐름 경로가 일직선(straight line)이면서 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 흡열반응이 일어나는 흡열반응층과 (ii) 반응물 흐름 경로가 흡열반응층과 동일하지 아니하고 반응물이 흐르면서 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 발열반응층이 교대로 적층되고, 열교환을 통해 발열반응층으로부터 흡열반응층으로 열전달이 일어나는 판형 반응기로서,
흡열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 발열반응층의 관계는, 상기 흡열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 반응물의 흐름 경로가 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조이거나, 촉매 활성 프로파일이 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조 거울상이거나, 또는 이들의 조합인 것이 특징인 반응기.(i) The endothermic reaction layer where the reactant flow path is a straight line and the reactant flows through the catalyst and the endothermic reaction occurs through the catalyst. (ii) The reactant flow path is not the same as the endothermic reaction layer, and the exothermic reaction through the catalyst flows as the reactant flows. The exothermic reaction layer is alternately stacked, and a plate-shaped reactor in which heat transfer occurs from the exothermic reaction layer to the endothermic reaction layer through heat exchange,
The relationship between the two exothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the endothermic reaction layer is based on an axis of symmetry parallel to the reactant flow path of the endothermic reaction layer. A reactor characterized in that the profile is a mirror image symmetrical mirror image of left and right or up or down, or a combination thereof. 제1항에 있어서, 발열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 흡열반응층의 관계는, 반응물이 흐르는 유로 내 장입된 촉매층(bed)의 구조가 상기 발열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조인 것이 특징인 반응기.According to claim 1, The relationship between the two endothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the exothermic reaction layer is such that a structure of a catalyst bed loaded in a flow path through which the reactant flows is parallel to the reactant flow path of the exothermic reaction layer. As a standard, the reactor is characterized by a mirror-like symmetrical structure from left to right or up and down. 제2항에 있어서, 흡열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 발열반응층의 관계는, 반응물이 흐르는 유로 내 장입된 촉매층(bed)의 구조가 상기 흡열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭구조인 것이 특징인 반응기.The method of claim 2, wherein the relationship between the two exothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the endothermic reaction layer is such that the structure of the catalyst bed loaded in the flow path through which the reactant flows is parallel to the reactant flow path of the endothermic reaction layer. As a standard, the reactor is characterized by a mirror-like symmetrical structure from left to right or up and down. 제1항에 있어서, 발열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 흡열반응층의 관계는, 상기 발열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 온도 프로파일이 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭이고,
상기 2개의 흡열반응층 사이에 삽입되어 있는 발열반응층의 온도 프로파일은 발열반응층의 반응물 경로 방향에 평행인 대칭축을 기준으로 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭인 것이 특징인 반응기.According to claim 1, The relationship between the two endothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the exothermic reaction layer is based on a symmetric axis parallel to the reactant flow path of the exothermic reaction layer, and the temperature profile is mirror image symmetry on the left or right or up and down. ,
The temperature profile of the exothermic reaction layer interposed between the two endothermic reaction layers is a reactor characterized by mirror image symmetry in left and right or up and down based on a symmetry axis parallel to the reactant path direction of the exothermic reaction layer. 제2항에 있어서, 흡열반응층에 인접하여 열교환하는 2개 발열반응층의 관계는, 상기 흡열반응층의 반응물 흐름 경로에 평행인 대칭축을 기준으로, 온도 프로파일이 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭이고,
상기 2개의 발열반응층 사이에 삽입되어 있는 흡열반응층의 온도 프로파일은 흡열반응층의 반응물 경로 방향에 평행인 대칭축을 기준으로 좌우 또는 상하에서의 거울상 대칭인 것이 특징인 반응기.According to claim 2, The relationship between the two exothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the endothermic reaction layer is based on an axis of symmetry parallel to the reactant flow path of the endothermic reaction layer, and the temperature profile is mirror image symmetry in the left or right or up and down. ,
The temperature profile of the endothermic reaction layer interposed between the two exothermic reaction layers is a reactor characterized by mirror image symmetry in left and right or up and down based on a symmetry axis parallel to the reactant path direction of the endothermic reaction layer. 제1항 또는 제2항에 있어서, 흡열반응층의 유체 입구는 발열반응층의 반응물 흐름 경로를 기준으로 상류에, 그리고 흡열반응층의 유체 출구는 발열반응층의 반응물 흐름 경로를 기준으로 하류에 구비된 것이 특징인 반응기.According to claim 1 or claim 2, The fluid inlet of the endothermic reaction layer is upstream based on the reactant flow path of the exothermic reaction layer, and the fluid outlet of the endothermic reaction layer is downstream of the reactant flow path of the exothermic reaction layer. It is equipped with a reactor. 제7항에 있어서, 발열반응층에 인접하여 열교환하는 2개의 흡열반응층에서 유체 입구 및/또는 유체 출구는 발열반응층의 반응물의 흐름 경로에 수직방향에 위치하는 것이거나,
흡열반응층에 인접하여 열교환하는 2개의 발열반응층에서 유체 입구 및/또는 유체 출구는 흡열반응층의 반응물의 흐름 경로에 수직방향에 위치하는 것이 특징인 반응기.The fluid inlet and / or fluid outlet of the two endothermic reaction layers that exchange heat adjacent to the exothermic reaction layer is located perpendicular to the flow path of the reactants of the exothermic reaction layer,
The reactor in which the fluid inlets and / or fluid outlets in two exothermic reaction layers exchanging heat adjacent to the endothermic reaction layer are positioned perpendicular to the flow path of the reactants in the endothermic reaction layer. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 열교환 마이크로채널 반응기인 것이 특징인 반응기.The reactor according to any one of claims 1 to 6, which is a heat exchange microchannel reactor. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 발열반응층은 메탄 함유 가스로부터 메탄의 산화이량화 반응용 촉매를 통해 발열반응이 일어나는 것이 특징인 반응기.The reactor according to any one of claims 1 to 6, wherein the exothermic reaction layer is exothermic through a catalyst for oxidation dimerization of methane from a methane-containing gas. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 반응기에서, 메탄 또는 에탄을 전환시켜 가스 생성물을 제조하는 방법.A process for producing gaseous products by converting methane or ethane in the reactor of claim 1. 제11항에 있어서, 발열반응층에서 메탄의 산화이량화 반응을 수행하여 메탄 함유 가스로부터 에틸렌 및/또는 에탄을 포함한 C2 이상의 탄화수소로 전환시켜 C2 이상의 탄화수소를 제조하는 것이 특징인, 가스 생성물 제조 방법.12. The method of claim 11, wherein the exothermic reaction layer is characterized in that an oxidation dimerization reaction of methane is carried out to convert C2 or more hydrocarbons including ethylene and / or ethane to C2 or more hydrocarbons, including ethylene and / or ethane. 제11항에 있어서, 흡열반응층에서 메탄의 개질반응을 수행하여 메탄 함유 가스로부터 합성가스를 제조하는 것이 특징인, 가스 생성물 제조 방법.The method of claim 11, characterized in that the synthesis gas is produced from the methane-containing gas by performing a reforming reaction of methane in the endothermic reaction layer.
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