KR20200083769A

KR20200083769A - 촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관

Info

Publication number: KR20200083769A
Application number: KR1020180172361A
Authority: KR
Inventors: 김요한; 김형식; 박진모; 이영철; 한자령
Original assignee: 한국가스공사
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-07-09
Also published as: KR102188652B1

Abstract

본 발명은 천연가스, LPG, 나프타(Naphtha) 등과 같은 탄화수소 연료와 수증기를 혼합하여 촉매 반응을 통해 수소, 일산화탄소 등의 개질가스를 제조하는 촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관에 관한 것으로, 상세하게는 반응관의 수축 팽창에 따른 촉매의 물리적 손상을 감소시켜 반응 효율 저하를 방지하고 개질관의 내구성을 강화하기 위한 촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관에 관한 것이다.

Description

촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관{Reforming reaction tube equipped with a catalyst supporting structure}

본 발명은 천연가스, LPG, 나프타(Naphtha) 등과 같은 탄화수소 연료와 수증기를 혼합하여 촉매 반응을 통해 수소, 일산화탄소 등의 개질가스를 제조하는 촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관에 관한 것이다. 상세하게는 반응관의 수축 팽창에 따른 촉매의 물리적 손상을 감소시켜 반응 효율 저하를 방지하고 개질관의 내구성을 강화하기 위한 촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관에 관한 것이다.

개질 반응이 일어나는 온도 범위(700℃ 내지 900℃)에서 반응관이 팽창하면서 촉매와 반응관 사이에 공간이 넓어지면서 촉매가 아래로 떨어지는 현상이 발생한다. 또한 반응 후 반응기의 온도가 떨어지면서 반응관은 수축하게 되어 팽창 시 떨어진 촉매에 물리적 손상이 가해지게 되고 이 때 발생한 촉매의 잔여물이 반응관 하단에 쌓여 흐름 저하 등 내구성에 문제를 일으키게 된다. 또 한 번 떨어진 촉매는 다시 상단부로 올릴 방법이 없기 때문에 반응관 상단부에 데드 볼륨(Dead Volume)(303)이 발생하게 되고 이는 효율 저하로 연결되며 반응기의 온오프(ON/OFF) 가 반복될수록 문제가 더욱 심화된다. 데드 볼륨(Dead Volume)(303)은 촉매의 공백으로 반응의 효율이 감소되는 빈 공간을 말한다.

카트리지 형태로 반응 촉매를 넣을 경우에는 고온에서 팽창한 반응관과 카트리지 외관 사이에 틈이 발생하게 되고 원료 가스가 압력 손실이 낮은 틈 사이로 주로 흐르게 되므로 반응 효율이 낮아지는 현상이 발생한다.

대한민국 특허 10-0783004호 대한민국 특허 10-0778536호

본 발명은 수소, 일산화탄소 등의 개질가스를 제조하는 개질 반응기용 촉매가 충진된 반응관 내에 촉매 지지 구조물을 제공함으로써, 반응관의 수축 팽창에 의한 촉매의 물리적 손상을 감소시켜 반응 효율 저하를 방지하고 개질관의 내구성을 강화하는 것을 목적으로 한다.

상기 본 발명의 목적들 및 다른 특징들을 달성하기 위한 본 발명의 일 관점에 따르면, 촉매가 충진되는 개질 반응관(100)에 있어서, 개질 반응관의 길이 방향에 대하여 수직방향으로 하나 이상의 메쉬망 거치부(302)가 설치되며, 상기 메쉬망 거치부(302)는 상기 개질 반응관의 벽면에 접합되고, 상기 메쉬망 거치부(302)의 상부에는 상기 메쉬망(301)을 거치한 것을 특징으로 하는, 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다. 촉매 지지 구조물(300)이란 메쉬망(301) 및 메쉬망 거치부(302)의 세트를 말한다.

개질 반응관이 단일관인 경우에는 상기 메쉬망 거치부(302)가 접합되는 반응관의 벽면은 상기 개질 반응관의 내부 벽면인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다.

개질 반응관이 이중관인 경우로서 촉매가 내관 내부에 충진되는 경우에는 상기 메쉬망 거치부(302)가 접합되는 반응관의 벽면은 상기 개질 반응관의 내관 내부 벽면인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다.

개질 반응관이 이중관인 경우로서 촉매가 내관과 외관 사이에 충진되는 경우에는 상기 메쉬망 거치부(302)가 접합되는 반응관의 벽면은 상기 개질 반응관의 내관 외부 벽면인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다.

바람직하게는 상기 메쉬망 거치부(302)와 상기 메쉬망(301)은 각각 1 내지 5개인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다.

더욱 바람직하게는 상기 메쉬망 거치부(302)와 상기 메쉬망(301)은 상기 반응관의 총 길이의 절반 위쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다.

본 발명에 따르면 고온의 반응기의 팽창 및 수축으로 인해 단층 구조의 촉매층에서 발생하는 촉매 파쇄 현상과 파쇄된 촉매 입자의 누적으로 인해 발생하는 반응기 내구성 하락, 반응이 진행되어야 하는 부분이 비워지면서 발생하는 효율 하락 문제를 해결하는 효과가 있다.

또한 카트리지 형태의 촉매 충진 시 열팽창으로 원료 가스가 촉매층을 통과하지 않고 틈새로 빠져나감으로써 발생하는 반응효율의 감소 문제를 해결하는 효과가 있다.

이에 따라 반응이 활발히 일어나야 하는 부분의 데드 볼륨(Dead Volume)(303) 생성을 최소화하여 반응기의 반복적인 사용에 따른 반응효율 감소를 최소화하고, 파쇄되는 촉매량을 감소시켜 효율감소방지 및 배관 막힘에 따른 내구성 저하를 방지하는 효과가 있다.

도 1의 (a)는 종래 단일관형 개질 반응관에서의 촉매 손상에 따른 데드 볼륨(303)의 발생 현상을 도시한 개념도이고, (b)는 본 발명의 개질 반응관에서 메쉬망 거치부(302) 및 메쉬망(301)을 설치하고 촉매를 충진한 뒤 수축팽창 후의 상태를 나타낸 개념도이다.
도 2는 이중관형 개질 반응관에서 사용되는 막대형 메쉬망 거치부(302), 상기 메쉬망 거치부 상부에 홀(304)을 형성한 메쉬망(301)을 거치한 것으로 복수의 촉매 지지 구조물을 포함하는 개질 반응관을 도시한 구성도이다.

본 발명의 추가적인 목적들, 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명 및 첨부도면으로부터 보다 명료하게 이해될 수 있다.

본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 다양한 변경을 도모할 수 있고, 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 아래에서 설명되고 도면에 도시된 예시들은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않은 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 명세서에 기재된 "...부", "...유닛", "...모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

메쉬망 거치부(302)는 바람직하게는 용접에 의해서 관에 접합될 수 있다. 다만 용접이 아닌 여하한 방법으로 접합하는 것을 권리범위에서 배제하고자 함은 아니다. 상기 메쉬망 거치부(302)는 그 상부에 메쉬망(301)을 거치하고 이를 지지할 수 있으며 가스가 통과할 수 있도록 구성된 것으로 한다. 메쉬망 거치부(302)에 메쉬망(301)을 거치할 수 있으면 목적을 달성하므로 거치의 방법은 제한되지 않는다. 고정해도 되고 단순히 얹어도 된다. 바람직하게는 메쉬망 거치부(302) 모양을 포함하는 모양의 홀(304)을 형성한 메쉬망(301) 및 메쉬망 거치부(302) 세트가 제공된다.

바람직하게는 메쉬망 거치부(302)는 개질 반응관의 벽면 일부에만 접합하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다. 상기 메쉬망 거치부(302)가 상기 개질 반응관 내면 원주의 전부에 고정된 경우 반응관의 팽창과 수축에 의해 연결부가 파손될 우려가 커지기 때문이다.

개질 반응관이 단일관인 경우에는 상기 메쉬망 거치부(302)가 접합되는 반응관의 벽면은 상기 개질 반응관의 내부 벽면인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다. 이는 단일관의 내부에 촉매가 충진되기 때문에 당연한 것이다.

개질 반응관이 이중관인 경우로서 촉매가 내관 내부에 충진되는 경우에는 상기 메쉬망 거치부(302)가 접합되는 반응관의 벽면은 상기 개질 반응관의 내관 내부 벽면인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다. 이 경우에 내관의 내부에 촉매가 충진되기 때문이다.

바람직하게는 상기 메쉬망 거치부(302) 및 상기 메쉬망(301)은 각각 1 내지 5개인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다. 너무 많은 수의 메쉬망 거치부(302) 및 상기 메쉬망(301)은 오히려 촉매의 충진에 방해되고 촉매의 효율을 떨어뜨리기 때문이다.

더욱 바람직하게는 상기 메쉬망 거치부(302)와 상기 메쉬망(301)은 상기 반응관의 총 길이의 절반 위쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물(300)이 설치된 개질 반응관이 제공된다. 주요 반응 부분은 반응관의 위쪽 부분이므로 반응관의 위쪽에 상기 메쉬망(301) 및 메쉬망 거치부(302)를 설치하는 것이 반응효율을 제고하는데 유리하다. 반응의 계속에 따라 온도의 상승, 하락이 이어지고 그에 따라 촉매의 바닥 축적이 심화되기 때문이다.

더욱 바람직하게는 상기 메쉬망 거치부(302)는 3개 내지 10개의 막대형으로 구성된 메쉬망 거치부인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관이 제공된다. 반응가스의 흐름을 원활하게 하기 위해 최소한의 단면적을 가지는 것이 유리하고 막대형인 경우 그 목적이 달성된다. 적어도 3개의 막대라야 메쉬망을 고정하여 거치할 수 있고, 10개 이상으로 너무 많은 경우 반응가스의 흐름을 방해하게 된다.

더욱 바람직하게는 상기 메쉬망은 상기 메쉬망 거치부(302)의 단면 모양을 포함하는 모양의 홀(304)을 형성한 메쉬망인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관이 제공된다. 상기 메쉬망의 홀(304)은 촉매 지지 구조물(300)이 복수인 경우 메쉬망의 삽입을 용이하게 하는 것이다. 도 2는, 이중관형 개질 반응관이고 상기 메쉬망 거치부가 접합되는 반응관의 벽면은 상기 개질 반응관의 내관 외부 벽면인 것을 특징으로 하는 촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관에서 도넛 모양의 메쉬망 삽입이 용이하도록 메쉬망 거치부 모양의 홀이 뚫려 있는 메쉬망을 도시하고 있다. 다른 개질관의 경우도 각각 그 상황에 맞게 메쉬망의 개질관 내 삽입에 방해되는 메쉬망 거치부 모양의 홀을 메쉬망에 형성하도록 한다.

메쉬망(301)의 삽입 후 메쉬망 거치부(302) 도달 후에는 메쉬망(301)을 회전하여 메쉬망 거치부(302) 상부에 안착시킨다.

<실시예>

도 2에서 보는 바와 같이, 메쉬망(301) 및 메쉬망 거치부(302)를 설치함으로써 수축 및 팽창을 반복함에 의해 변형되거나 이동하는 촉매의 양을 감소시켜서 물리적 손상을 방지한다. 또한 반응에 주요한 부분인 반응관 위쪽에 형성되는 데드 볼륨(Dead Volume)(303)을 효과적으로 감소시킬 수 있다.

<비교예 1>

도 3에서 보는 바와 같이, 종래의 개질 반응관의 경우 반응관이 고온 팽창함에 따라 촉매가 아래로 쏟아지면서 반응관 위쪽에 데드볼륨(Dead Volume)이 발생하게 된다. 온도가 떨어지면서 다시 수축하게 되고 촉매가 물리적으로 손상을 입게 된다. 이러한 팽창 및 수축 과정이 반복될수록 주요 반응 부분인 반응관 위쪽을 활용할 수 없게 되며, 또한 촉매 입자의 내구성을 떨어뜨리게 된다.

<비교예 2>

도 4에서 보는 바와 같이, 종래의 카트리지 속에 촉매를 충진한 카트리지형 촉매를 사용하는 개질 반응관의 경우 반응관이 팽창함에 따라 반응관과 촉매가 충진된 카트리지 사이에 틈이 발생하게 된다. 이에 따라 원료 가스는 촉매가 충진되어 있어 유로가 복잡한 곳보다는 카트리지와 반응관 틈새(304)로 주로 흐르게 되어 이에 따라 반응 효율이 떨어지는 결과를 낳게 된다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

100 : 개질 반응관
200 : 촉매
201 : 촉매 손상부
300 : 촉매 지지 구조물
301 : 메쉬망
302 : 메쉬망 거치부
303 : 데드 볼륨
304 : 홀

Claims

촉매가 충진되는 개질 반응관에 있어서,
개질 반응관의 길이 방향에 대하여 수직방향으로 하나 이상의 메쉬망 거치부가 설치되며, 상기 메쉬망 거치부는 상기 개질 반응관의 벽면에 접합되고, 상기 메쉬망 거치부의 상부에는 상기 메쉬망을 고정한 것을 특징으로 하는,
촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관.
제1항에 있어서,
상기 개질 반응관은 단일관이고, 상기 메쉬망 거치부가 접합되는 반응관의 벽면은 상기 개질 반응관의 내부 벽면인 것을 특징으로 하는,
촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관.
제1항에 있어서,
상기 개질 반응관은 이중관이고, 상기 메쉬망 거치부가 접합되는 반응관의 벽면은 상기 개질 반응관의 내관 내부 벽면인 것을 특징으로 하는,
촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관.
제1항에 있어서,
상기 개질 반응관은 이중관이고, 상기 메쉬망 거치부가 접합되는 반응관의 벽면은 상기 개질 반응관의 내관 외부 벽면인 것을 특징으로 하는,
촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메쉬망 거치부와 상기 메쉬망은 각각 1 내지 5개인 것을 특징으로 하는,
촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메쉬망 거치부와 상기 메쉬망은 상기 반응관의 총 길이의 절반 위쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는,
촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 메쉬망 거치부는 3개 내지 10개의 막대형으로 구성된 메쉬망 거치부인 것을 특징으로 하는,
촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관.
제7항에 있어서,
상기 메쉬망에는 상기 메쉬망 거치부의 단면 모양을 포함하는 모양의 홀을 형성한 것을 특징으로 하는,
촉매 지지 구조물이 설치된 개질 반응관.