KR20210095758A - Membrane Module with Tubular Hydrogen Separator designed to increase hydrogen recovery and Device and Process for hydrogen production using the same - Google Patents

Membrane Module with Tubular Hydrogen Separator designed to increase hydrogen recovery and Device and Process for hydrogen production using the same Download PDF

Info

Publication number
KR20210095758A
KR20210095758A KR1020200009055A KR20200009055A KR20210095758A KR 20210095758 A KR20210095758 A KR 20210095758A KR 1020200009055 A KR1020200009055 A KR 1020200009055A KR 20200009055 A KR20200009055 A KR 20200009055A KR 20210095758 A KR20210095758 A KR 20210095758A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
hydrogen
separation membrane
gas
space
tubular
Prior art date
Application number
KR1020200009055A
Other languages
Korean (ko)
Other versions
KR102298046B1 (en
Inventor
이신근
김창현
한재윤
도한영
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Priority to KR1020200009055A priority Critical patent/KR102298046B1/en
Publication of KR20210095758A publication Critical patent/KR20210095758A/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102298046B1 publication Critical patent/KR102298046B1/en

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/225Multiple stage diffusion
    • B01D53/226Multiple stage diffusion in serial connexion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/225Multiple stage diffusion
    • B01D53/227Multiple stage diffusion in parallel connexion
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/229Integrated processes (Diffusion and at least one other process, e.g. adsorption, absorption)
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D53/00Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/86Catalytic processes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D63/00Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D63/00Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/06Tubular membrane modules
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10Supported membranes; Membrane supports
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/10Supported membranes; Membrane supports
    • B01D69/108Inorganic support material
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/12Composite membranes; Ultra-thin membranes
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D69/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by their form, structure or properties; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D69/12Composite membranes; Ultra-thin membranes
    • B01D69/1213Laminated layers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D71/00Semi-permeable membranes for separation processes or apparatus characterised by the material; Manufacturing processes specially adapted therefor
    • B01D71/02Inorganic material
    • B01D71/022Metals
    • B01D71/0223Group 8, 9 or 10 metals
    • B01D71/02231Palladium
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • C01B3/505Membranes containing palladium
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2256/00Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/16Hydrogen
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01DSEPARATION
    • B01D2311/00Details relating to membrane separation process operations and control
    • B01D2311/16Flow or flux control
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0205Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a reforming step
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405Purification by membrane separation
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/12Feeding the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1205Composition of the feed
    • C01B2203/1211Organic compounds or organic mixtures used in the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/1235Hydrocarbons
    • C01B2203/1241Natural gas or methane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02CCAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40Capture or disposal of greenhouse gases of CO2
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/151Reduction of greenhouse gas [GHG] emissions, e.g. CO2
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02PCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P30/00Technologies relating to oil refining and petrochemical industry

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

The present invention is a membrane module having a tubular hydrogen separator designed to increase the hydrogen recovery rate, a hydrogen purification process using the membrane module; and a hydrogen production apparatus and process using the membrane module as a fossil fuel-based membrane reactor. Based on the gas flow direction connected from a feed port to an outlet, a space is divided into a first room, a second room, ..., and a n^th room (n >= 2), and in each room, a first side hydrogen pressure (P_outside) > a second side hydrogen pressure (P_inside) based on a tubular hydrogen separator which lets hydrogen pass from a first side, an outside, to a second side, an inside. A tubular hydrogen separator discharging hydrogen which has passed through the hydrogen separator is installed in plural. The present invention relates to a design of a shell-and-tube type membrane module having a tubular hydrogen separator for the purpose of increasing the hydrogen recovery rate.

Description

수소 회수율을 증가시키도록 설계된 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈 및 이를 이용한 수소 생산 장치 및 공정 {Membrane Module with Tubular Hydrogen Separator designed to increase hydrogen recovery and Device and Process for hydrogen production using the same}Membrane Module with Tubular Hydrogen Separator designed to increase hydrogen recovery and Device and Process for hydrogen production using the same}

본 발명은 수소 회수율을 증가시키도록 설계된 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈; 상기 분리막 모듈을 이용한 수소정제 공정; 및 상기 분리막 모듈을 화석연료 기반의 분리막 반응기로 이용한 수소 생산 장치 및 공정에 관한 것이다.The present invention is a separation membrane module having a tubular hydrogen separation membrane designed to increase the hydrogen recovery rate; Hydrogen purification process using the separation membrane module; And it relates to a hydrogen production apparatus and process using the membrane module as a fossil fuel-based membrane reactor.

수소는 청정 에너지 운반체로 많은 관심을 받았으며 경제적, 환경 친화적이며 재생 가능한 사용으로 인해 세계에서 가장 유망한 대체 에너지원 중 하나이다. 현재, 천연 가스 수증기 개질, 석탄 가스화, 물 전기 분해, 바이오 매스 가스화 및 기타 열화학 공정과 같은 화석 연료 기반 방법으로부터 다량의 수소가 생산되고 있다. 이 중에서 가장 널리 사용되는 기술은 천연 가스 수증기 개질이다. 수증기 메탄 개질 (SMR)은 특히 경제적이며, 가장 높은 수소 수율의 메탄 공급원이기 때문에 천연 가스로부터 수소를 생산하는데 일반적으로 사용된다.Hydrogen has received much attention as a clean energy carrier and is one of the most promising alternative energy sources in the world due to its economical, environmentally friendly and renewable use. Currently, large amounts of hydrogen are being produced from fossil fuel-based methods such as natural gas steam reforming, coal gasification, water electrolysis, biomass gasification and other thermochemical processes. Of these, the most widely used technology is natural gas steam reforming. Steam methane reforming (SMR) is particularly economical and is commonly used to produce hydrogen from natural gas as it is the source of methane with the highest hydrogen yield.

그러나, 수소는 천연 가스 개질의 유일한 생성물이 아니며, 이는 가스 혼합물로부터 고순도 수소를 추출하기 위한 정제 단계를 필요로 한다. However, hydrogen is not the only product of natural gas reforming, which requires a purification step to extract high purity hydrogen from the gas mixture.

현재 상용화된 정제공정은 흡착법(adsorption), 막분리법(membrane separation) 그리고 심냉법 등이 있다. Pressure Swing Adsorption (PSA), Thermal Swing Adsorption (TSA), Cryogenic Distillation, Getter 은 현재 상용중인 공정이지만 에너지효율이 낮고 복잡한 구성을 필요로 한다.Currently commercialized purification processes include adsorption, membrane separation, and deep cooling. Pressure Swing Adsorption (PSA), Thermal Swing Adsorption (TSA), Cryogenic Distillation, and Getter are currently commercially available processes, but they have low energy efficiency and require complex configurations.

한편, 천연가스, 석탄 및 바이오매스는 개질반응을 통하여 합성가스를 생산하며, 생산된 합성가스는 다양한 후단공정을 거쳐 화학물질 합성원료, 연료 및 산업공정에 사용한다. 또한, 생산된 합성가스에는 다량의 수소가 포함되어 있는데 이 수소는 정제공정을 거쳐 암모니아 합성, 정유공정, 제련공정, 폴리실리콘 제조공정 및 반도체 제조공정, LED 제조공정에 사용하는 등 현대 산업에 있어 필수적인 물질이다. 특히, 수소는 연료전지와 연계할 경우 효율이 높고 오염물 배출이 없는 청정에너지원으로서 그 가치가 날로 증가하고 있다.On the other hand, natural gas, coal, and biomass produce syngas through a reforming reaction, and the produced syngas is used for chemical synthesis raw materials, fuels and industrial processes through various downstream processes. In addition, the produced syngas contains a large amount of hydrogen. This hydrogen is used in ammonia synthesis, oil refining process, smelting process, polysilicon manufacturing process, semiconductor manufacturing process, and LED manufacturing process through refining process. It is an essential substance. In particular, when hydrogen is linked with a fuel cell, its value is increasing day by day as a clean energy source with high efficiency and no emission of pollutants.

한편, 암모니아 합성, 정유 공정, 반도체 제조공정, LED 제조공정, 폴리실리콘 제조공정, 철강 산업 등 다양한 산업시설에 기존 수송에 의한 공급방식을 탈피하여, 현지에서 수소를 공급하기 위한 50 ~ 5,000 Nm3/h급 중소형 수소생산 플랜트 개발이 활발히 진행 중이다. On the other hand, 50 ~ 5,000 Nm 3 to supply hydrogen locally by breaking away from the existing transport method to various industrial facilities such as ammonia synthesis, oil refining process, semiconductor manufacturing process, LED manufacturing process, polysilicon manufacturing process, and steel industry. The development of a /h-class small and medium-sized hydrogen production plant is in progress.

메탄의 수증기 개질 반응(Steam Methane Reforming, SMR)은 촉매를 이용해 메탄가스를 수증기 존재 하에서 개질해 하기 반응식 1과 같이 합성가스(CO + H2의 혼합 가스)로 화학 전환하는 반응이다.Steam Methane Reforming (SMR) of methane is a reaction in which methane gas is reformed in the presence of steam using a catalyst and chemically converted into synthesis gas (a mixed gas of CO + H 2 ) as shown in Reaction Equation 1 below.

[반응식 1][Scheme 1]

CH4 + H2O → CO + 3H2 △H = 206.28 kJ/molCH 4 + H 2 O → CO + 3H 2 ΔH = 206.28 kJ/mol

SMR은 생성 기체 중 CO2/H2 비가 0.25로서, 탄화수소를 원료로 한 부분산화 공정에 비하여 CO2 생성비가 낮고, 일정량의 탄화수소로부터 더 많은 양의 수소를 얻을 수 있다는 장점이 있다.SMR has the advantage of having a CO 2 /H 2 ratio of 0.25 in the product gas, a lower CO 2 production ratio compared to a partial oxidation process using hydrocarbons as a raw material, and that a greater amount of hydrogen can be obtained from a certain amount of hydrocarbons.

SMR 공정에서 생산된 유체 내에는 CO/H2 비가 높으므로 하기 반응식 2와 같이 CO를 전환반응을 통하여 CO2 및 H2로 전환시킬 수 있다. 이를 수성가스 전환반응(water-gas shift reaction, WGS)이라 한다. Since the ratio of CO/H 2 is high in the fluid produced in the SMR process, CO can be converted into CO 2 and H 2 through a conversion reaction as shown in Scheme 2 below. This is called a water-gas shift reaction (WGS).

[반응식 2][Scheme 2]

CO + H2O → CO2 + H2 △H = -41.3 kJ/molCO + H 2 O → CO 2 + H 2 ΔH = -41.3 kJ/mol

전환반응은 온도에 따라 고온 전환반응 및 저온 전환반응이 있다.The conversion reaction includes a high-temperature conversion reaction and a low-temperature conversion reaction depending on the temperature.

따라서, SMR 공정 이후 고온 전환반응(high temperature shift reaction; HTS) 공정과 저온 전환반응(low temperature shift reaction; LTS) 공정이 연결될 수 있다. 고온 전환반응은 Cr2O3를 조촉매로 첨가한 Fe2O3 촉매를 사용하여 350~550℃에서 수행할 수 있다. 대표적인 사용 촉매의 화학 성분은 Fe(56.5 ~ 57.5%), Cr(5.6 ~ 6.0%)이다. 저온 전환반응은 200 ~ 250℃에서 수행하며, CuO(15~31%)/ZnO(36~62%)/Al2O3(0~40%) 등의 촉매를 사용한다. 최근에는 Cr계의 저온 전환 촉매가 개발되었다. 반응 최저 온도는 수성가스의 이슬점보다 높아야 하며, 배출가스 중의 CO 농도는 1% 이하가 된다. 저온 전환반응 촉매는 초기에 활성화 과정을 거쳐 환원 상태로 전환시켜 사용한다.Accordingly, after the SMR process, a high temperature shift reaction (HTS) process and a low temperature shift reaction (LTS) process may be connected. High-temperature conversion reaction can be carried out at 350 ~ 550 ℃ using a Fe 2 O 3 catalyst to which Cr 2 O 3 is added as a co-catalyst. Chemical components of a typical used catalyst are Fe (56.5-57.5%) and Cr (5.6-6.0%). The low-temperature conversion reaction is carried out at 200 to 250° C., and a catalyst such as CuO (15 to 31%)/ZnO (36 to 62%)/Al 2 O 3 (0 to 40%) is used. Recently, Cr-based low-temperature conversion catalysts have been developed. The minimum reaction temperature must be higher than the dew point of the water gas, and the CO concentration in the exhaust gas is 1% or less. The low-temperature conversion catalyst is initially used after being converted to a reduced state through an activation process.

한편, 수소연료전지는 태양광, 태양열, 풍력 등 여타 신재생에너지에 비해 에너지효율이 상대적으로 매우 높다. 또한, 풍력이나 태양광은 기후 조건에 따라 출력에 기복이 많으나, 수소연료전지의 경우 출력하고자 하는 용량을 사전에 용도에 따라 설계할 수 있으므로, 수소는 가장 안정적인 에너지 자원이며, 최적의 신재생에너지라고 할 수 있다.On the other hand, hydrogen fuel cells have relatively high energy efficiency compared to other renewable energies such as solar power, solar heat, and wind power. In addition, wind power or solar power has a lot of ups and downs in output depending on climatic conditions, but in the case of a hydrogen fuel cell, the desired output capacity can be designed in advance according to the use, so hydrogen is the most stable energy resource and is the best renewable energy it can be said

또한, 전 세계적으로 자동차 환경규제가 강화되어 수소연료 전지차를 비롯한 친환경 자동차 수요가 늘어날 것으로 전망되며, 이에 따라 수소충전소 건설이 늘어날 것으로 전망된다. 수소충전소는 석유화학단지에서 발생하는 부생수소를 고압으로 압축하여 운반 및 저장하는 Off-site 방식과, 충전소 현장에서 수소를 제조·공급하는 On-site 방식이 있다. On-site 수소충전소의 수소제조 설비는 주로 천연가스 개질반응을 이용한다.In addition, it is expected that the demand for eco-friendly vehicles, including hydrogen fuel cell vehicles, will increase as environmental regulations for automobiles are strengthened around the world, and the construction of hydrogen charging stations is expected to increase accordingly. There are two types of hydrogen refueling stations: an off-site method that transports and stores by-product hydrogen generated from a petrochemical complex under high pressure, and an on-site method that manufactures and supplies hydrogen at the charging station site. Hydrogen production facilities of on-site hydrogen refueling stations mainly use natural gas reforming.

기존의 SMR에서 천연 가스와 증기는 고온 (> 1123K) 및 압력 (> 3.5MPa) 조건에서 개질 촉매에 반응하여 수소, 이산화탄소, 일산화탄소 및 메탄을 함유하는 합성 가스를 생성한다. SMR에 의한 수소 생산은 일반적으로 수증기 개질 반응기, 2 개의 고온 및 저온 수성 가스 전환 (WGS) 반응기 및 가스 정화 시스템의 3 가지 주요 장치를 통해 진행된다. 개질 단계에는 개질된 스트림으로부터 고순도 수소를 조달하기 한 압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption, PSA) 기반 정제가 뒤 따른다.In conventional SMR, natural gas and steam react with a reforming catalyst under conditions of high temperature (> 1123 K) and pressure (> 3.5 MPa) to produce synthesis gas containing hydrogen, carbon dioxide, carbon monoxide and methane. Hydrogen production by SMR generally proceeds through three main units: a steam reforming reactor, two hot and cold water gas shift (WGS) reactors, and a gas purification system. The reforming step is followed by a Pressure Swing Adsorption (PSA) based purification to obtain high purity hydrogen from the reformed stream.

한편, 수소 분리막은 수소 생산 및 정제에 중요한 역할을 한다. 다양한 수소 투과성 멤브레인 중에서 Pd 기반 멤브레인은 탁월한 수소 선택성 때문에, 탄화수소 수증기 개질, 연료 전지 및 수소 기반 반응과 같은 상용 응용 분야에서 사용하기에 탁월하다. 또한, Pd 기반 멤브레인은 Le Chatelier의 원칙에 의해 예측된 열역학적 평형 한계를 극복하여 반응의 생성물 수율을 개선하고 전환을 향상시킬 수 있다. 따라서, Pd 기반 멤브레인을 사용함으로써, SMR 및 WGS 유닛이 통합될 수 있고, 하류 수소 정제 유닛이 제거될 수 있어서, 이에 의해 전체 반응기 부피 및 공정 비용을 줄이면서 전환 효율을 향상시킬 수 있다.On the other hand, the hydrogen separation membrane plays an important role in hydrogen production and purification. Among the various hydrogen permeable membranes, Pd-based membranes are excellent for use in commercial applications such as hydrocarbon steam reforming, fuel cells and hydrogen-based reactions because of their excellent hydrogen selectivity. In addition, Pd-based membranes can overcome the thermodynamic equilibrium limit predicted by Le Chatelier's principle to improve the product yield of the reaction and enhance conversion. Thus, by using a Pd-based membrane, the SMR and WGS units can be integrated and the downstream hydrogen purification unit can be eliminated, thereby improving conversion efficiency while reducing overall reactor volume and process cost.

멤브레인 구성에 따라, Pd 계 멤브레인은 구조적으로 포일타입 (self-supported) 및 복합 (composite) 멤브레인으로 분류될 수 있다. Pd 및 Pd 합금 포일은 상용화되어 반도체 및 전자 산업에 고순도 수소(> 99.999 %)를 공급하고 있다. 그러나, 산업 규모로 초고순도의 수소를 생성하기 위해서는 막 두께가 15 μm보다 커야 구조적 완전성(structural integrity)을 유지할 수 있다. 이는 재료 비용을 증가시키고 수소 투과 플럭스를 감소시킨다. 포일타입 멤브레인과 비교하여, 복합 멤브레인은 저렴한 비용, 우수한 수소 투과 플럭스 및 높은 기계적 강도로 인해 큰 관심을 끌었다. 여러 연구에서 기계적 강도를 유지하면서 막 두께를 줄이는 데 도움이 되는 다공성 지지체를 사용한 Pd 복합 막의 제조가 보고되었다. 최근, 장기 열 안정성 및 모듈 설계에 대해 요구에 맞추어 연구가 진행되고 있다.Depending on the membrane configuration, Pd-based membranes can be structurally classified into self-supported and composite membranes. Pd and Pd alloy foils have been commercialized, supplying high purity hydrogen (> 99.999 %) to the semiconductor and electronics industries. However, in order to produce ultra-high purity hydrogen on an industrial scale, the film thickness must be greater than 15 μm to maintain structural integrity. This increases the material cost and reduces the hydrogen permeation flux. Compared with foil-type membranes, composite membranes have attracted great attention due to their low cost, good hydrogen permeation flux and high mechanical strength. Several studies have reported the preparation of Pd composite membranes using a porous support, which helps to reduce the membrane thickness while maintaining mechanical strength. Recently, research has been conducted to meet the needs for long-term thermal stability and module design.

본 발명은 수소회수율 증가를 목적으로 튜브형 수소분리막을 구비한 쉘-앤-튜브형 분리막 모듈을 설계하고자 한다.The present invention intends to design a shell-and-tube type membrane module having a tubular hydrogen separation membrane for the purpose of increasing the hydrogen recovery rate.

본 발명의 제1양태는 수소 회수율을 증가시키도록 설계된 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈로서, 모듈 입구(feed port)로부터 출구로 연결되는 기체 흐름 방향을 기준으로 격벽을 통해 제1공간(1st room), 제2공간(2nd room), …, 제n공간(nth room) (n ≥ 2)을 나누고, 각 공간에, 외부(outside)인 제1면에서 내부(inside)인 제2면으로 수소를 통과시키는 튜브형 수소분리막을 기준으로 제1면 측에서의 수소분압(Poutside) > 제2면 측에서의 수소분압 (Pinside)이고 수소분리막을 통과한 수소를 제2면 측 개방된 부분을 통해 배출시키는 튜브형 수소분리막이 하나 이상 배치된 것이 특징인 분리막 모듈을 제공한다.A first aspect of the present invention is a separation membrane module having a tubular hydrogen separation membrane designed to increase the hydrogen recovery rate, and based on the gas flow direction connected from the module inlet (feed port) to the outlet, the first space (1 st) room), the second space (2 nd room), … , divided by n th room (n ≥ 2), and in each space, based on a tubular hydrogen separation membrane that passes hydrogen from the first side that is outside to the second side that is inside Hydrogen partial pressure on the first side (P outside ) > hydrogen partial pressure on the second side (P inside ), characterized in that one or more tubular hydrogen separation membranes are disposed to discharge hydrogen that has passed through the hydrogen separation membrane through the open part on the second side A separator module is provided.

본 발명의 제2양태는 제1양태의 분리막 모듈 내부에 촉매가 장착되어 화학반응이 가능한 분리막 반응기로서, 수소 회수율을 증가시키도록 설계된 수소분리막 모듈을 구비한 분리막 반응기는 격벽에 의해 구분된 쉘 공간 내 충진된 촉매에 의한 수소 생성 반응과 이의 생성물인 수소가 Pd 기반 멤브레인을 통한 수소 분리가 동시에 일어나는 것이며, 격벽에 의해 구분된 쉘 공간 내 장착된 촉매로 (i) 개질 촉매, (ii) 개질 촉매와 수성가스 전환반응(water-gas shift reaction, WGS)용 촉매, (iii) 개질 촉매와 CO2 흡착제, (iv) 개질 촉매와 수성가스 전환반응용 촉매와 CO2 흡착제, (v) 수성가스 전환반응용 촉매, (vi) 수성가스 전환반응용 촉매와 CO2 흡착제를 사용하는 것이 특징인 분리막 반응기를 제공한다A second aspect of the present invention is a separation membrane reactor in which a catalyst is mounted inside the separation membrane module of the first aspect and capable of a chemical reaction. The separation membrane reactor having a hydrogen separation membrane module designed to increase hydrogen recovery rate is a shell space separated by a partition wall Hydrogen generation reaction by the internally packed catalyst and its product hydrogen are separated from hydrogen through a Pd-based membrane at the same time, and a catalyst mounted in a shell space separated by a barrier (i) reforming catalyst, (ii) reforming catalyst and catalyst for water-gas shift reaction (WGS), (iii) reforming catalyst and CO 2 adsorbent, (iv) reforming catalyst and water-gas shift reaction catalyst and CO 2 adsorbent, (v) water gas conversion Catalyst for reaction, (vi) provides a membrane reactor characterized by using a catalyst for water gas conversion reaction and a CO 2 adsorbent

본 발명의 제3양태는 제1양태의 분리막 모듈에서 수소를 생산하는 방법을 제공한다.A third aspect of the present invention provides a method for producing hydrogen in the separation membrane module of the first aspect.

본 발명의 제4양태는 제2양태의 분리막 반응기에서, 메탄 함유 가스로부터 농축된 수소를 생산하는 방법으로서, 격벽에 의해 구획된 적어도 하나의 공간에서 메탄 개질반응을 수행하는 제1단계; 및 메탄 개질반응이 수행되는 공간에 배치된 튜브형 수소분리막을 통해 메탄 개질 반응에서 합성된 수소를 분리시키는 제2단계를 포함하고, 수소분리막의 제1면 측에서 메탄 개질 반응이 일어나고 제1면에서 제2면으로 생성된 수소를 통과시켜 제1면 측에서 일어나는 메탄 개질 반응에서 생성물인 수소가 제거되며 제2면 측에 수소를 농축시키는 것이 특징인 수소 생산 방법을 제공한다.A fourth aspect of the present invention is a method for producing concentrated hydrogen from a methane-containing gas in the separation membrane reactor of the second aspect, comprising: a first step of performing a methane reforming reaction in at least one space partitioned by a partition; and a second step of separating hydrogen synthesized in the methane reforming reaction through a tubular hydrogen separation membrane disposed in a space where the methane reforming reaction is performed, wherein the methane reforming reaction occurs on the first side of the hydrogen separation membrane Provided is a hydrogen production method characterized in that the hydrogen generated on the second side is passed through the methane reforming reaction that occurs on the first side, and hydrogen, which is a product, is removed and the hydrogen is concentrated on the second side.

본 발명의 제5양태는 제1양태의 분리막 모듈; 및 상기 분리막 모듈에서 제공되는 수소 농축 가스를 연료로 사용하는 연료전지를 구비한 전기에너지 발생 장치를 제공한다.A fifth aspect of the present invention is the separation membrane module of the first aspect; and a fuel cell using the hydrogen enriched gas provided from the separation membrane module as a fuel.

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

멤브레인을 투과하는 공급 가스의 분율로 정의되는 멤브레인 스테이지 컷(membrane stage cut)은 요구되는 분리 정도의 척도이다. 가스 분리 시스템의 통상적인 목표는 투과성 성분이 실질적으로 제거된 잔류물 스트림(residue stream)과 농축된 투과물 스트림(permeate stream)을 생성하는 것이다.The membrane stage cut, defined as the fraction of feed gas that permeates the membrane, is a measure of the degree of separation required. A typical goal of gas separation systems is to produce a residue stream substantially free of permeable components and a concentrated permeate stream.

본 발명은 튜브형 수소분리막을 구비하여 수소분리가 진행될 때 결합된 쉘-앤-튜브형 모듈에서 수소 회수율을 증가시키기 위해, The present invention is provided with a tubular hydrogen separation membrane to increase the hydrogen recovery rate in the combined shell-and-tube type module when hydrogen separation proceeds,

도 2 내지 도 4에 예시된 바와 같이, 모듈 입구(feed port)로부터 출구로 연결되는 기체 흐름 방향을 기준으로 격벽(파란색)을 통해 제1공간(1st room), 제2공간(2nd room), …, 제n공간(nth room) (n ≥ 2)을 나누고, 2 to 4, the first space (1 st room), the second space (2 nd room) through the partition wall (blue) based on the gas flow direction connected from the module inlet (feed port) to the outlet (2 nd room) ), … , divide the n th room (n ≥ 2),

각 공간에, 외부(outside)인 제1면에서 내부(inside)인 제2면으로 수소를 통과시키는 튜브형 수소분리막을 기준으로 제1면 측에서의 수소분압(Poutside) > 제2면 측에서의 수소분압 (Pinside)이고 수소분리막을 통과한 수소를 제2면 측 개방된 부분을 통해 배출시키는 튜브형 수소분리막을 하나 이상 배치되도록 분리막 모듈을 설계한 것이 특징이다.In each space, hydrogen partial pressure at the first side (P outside ) > hydrogen partial pressure at the second side ( P inside ) and the separation membrane module is designed so that one or more tubular hydrogen separation membranes are arranged to discharge hydrogen that has passed through the hydrogen separation membrane through the open part on the second side.

본 발명은 이러한 특징이 도 2 내지 도 4와 같이 하나의 모듈 안에서 구현되어 있는 것이 또다른 특징이다.Another feature of the present invention is that these features are implemented in one module as shown in FIGS. 2 to 4 .

경제적인 측면에서 바람직하게는 n는 7 이하, 더욱 바람직하게는 4 이하이다.From an economical point of view, n is preferably 7 or less, and more preferably 4 or less.

수소가 멤브레인을 투과하기 위해서는 멤브레인을 기준으로 수소분압 차이가 있어야 한다. 즉, 튜브형 수소분리막에서 외부(outside)인 제1면에서 내부(inside)인 제2면으로 수소를 통과시키기 위해서, 제1면 측에서의 수소분압(Poutside) > 제2면 측에서의 수소분압 (Pinside)이어야 한다.In order for hydrogen to permeate through the membrane, there must be a difference in hydrogen partial pressure with respect to the membrane. That is, in order to pass hydrogen from the first side, which is outside, to the second side, which is inside, in the tubular hydrogen separation membrane, partial pressure of hydrogen at the first side (P outside ) > partial pressure of hydrogen at the second side (P inside) ) should be

여기서, Pi : 수소분압, where, P i : hydrogen partial pressure,

Pinside : 튜브형 수소분리막의 내부 수소분압,P inside : the internal hydrogen partial pressure of the tubular hydrogen separation membrane,

Poutside : 튜브형 수소분리막의 외부 수소분압.P outside : External hydrogen partial pressure of the tubular hydrogen separation membrane.

튜브형 수소분리막 외부(outside)에서 내부(inside)로 수소가 통과함에 따라, 튜브형 수소분리막 길이방향 하류로 갈수록 공급측 수소분압(Poutside)와 투과측 수소분압 (Pinside)의 분압차가 작아지고 이로인해 수소회수량이 감소하여 결국 0이 될 수 있다. As hydrogen passes from the outside to the inside of the tubular hydrogen separation membrane, the partial pressure difference between the hydrogen partial pressure on the supply side (P outside ) and the hydrogen partial pressure on the permeation side (P inside ) becomes smaller as it goes downstream in the longitudinal direction of the tubular hydrogen separation membrane. The hydrogen recovery amount may decrease and eventually become zero.

도 1에 나타난 바와 같이, 1단 튜브형 수소분리막 모듈을 구비한 쉘-앤-튜브형 분리막 모듈에서는, 1단 모듈에서 수소분압 관계가 P1 > P2 인 Zone 1에서는 수소분리반응이 일어나지만, P2 ≒ P3 인 Zone 2 이후에는 수소분압 차이가 없기 때문에 분리막 역할을 하지 못한다.As shown in Figure 1, in a shell-and-tube type separation membrane module having a single-stage tubular hydrogen separation membrane module, a hydrogen separation reaction occurs in Zone 1 where the hydrogen partial pressure relationship in the first-stage module is P 1 > P 2, but P After Zone 2 where 2 ≒ P 3 , there is no difference in hydrogen partial pressure, so it cannot function as a separator.

따라서, 본 발명은 튜브형 수소분리막을 구비한 쉘-앤-튜브형 분리막 모듈에서 수소 회수율을 증가시키기 위해, 즉 상기 1단 튜브형 수소분리막 모듈의 Zone 2 에서도 수소가 투과하여 수소를 회수할 수 있도록 수소분압 차이를 주기 위해, 튜브형 수소분리막을 Zone 1 및 Zone 2으로 구획하고 각 Zone의 튜브형 수소분리막을 별개로 구성하되 수소분리막을 통과한 수소 흐름 측면에서 직렬로 연결되지 않게 배치하는 2단 튜브형 수소분리막 모듈을 설계한 것이 특징이다. Therefore, the present invention is to increase the hydrogen recovery rate in a shell-and-tube type separation membrane module having a tubular hydrogen separation membrane, that is, hydrogen partial pressure so that hydrogen can be recovered through hydrogen permeation even in Zone 2 of the single-stage tubular hydrogen separation membrane module To give a difference, a two-stage tubular hydrogen separation membrane module that divides the tubular hydrogen separation membrane into Zone 1 and Zone 2 and separately configures the tubular hydrogen separation membrane in each zone, but arranges not to be connected in series on the side of the hydrogen flow passing through the hydrogen separation membrane It is characterized by its design.

도 1에 예시된 바와 같이, 2단 튜브형 수소분리막 모듈에서는 제1단 튜브형 수소분리막 모듈에서 수소분압 관계가 P1 > P2 인 Zone 1의 하류에서 P2 ≒ P3 가 될 때까지 1차 수소분리가 진행되고, 이후 남은 잔류 수소는 수소를 투과할 수 있는 분압차이가 있도록 설계된 제2단 튜브형 수소분리막 모듈에서 수소분압 관계가 P4 > P5 인 Zone 2에서 P5 ≒ P6 가 될 때까지 2차 수소분리함으로써, 제1단 튜브형 수소분리막 모듈에서 구현할 수 있는 수소회수율에 제2단 튜브형 수소분리막 모듈에서 구현할 수 있는 수소회수율을 더하여, 분리막 모듈 전체 수소회수율 증가가 가능하다.As illustrated in Figure 1, in the two-stage tubular hydrogen separation membrane module, in the first-stage tubular hydrogen separation membrane module, the hydrogen partial pressure relationship is P 1 > P 2 in the downstream of Zone 1, P 2 ≒ P 3 In the second-stage tubular hydrogen separation membrane module designed to have a partial pressure difference that allows hydrogen to pass through, the residual hydrogen after separation proceeds when P 5 ≒ P 6 in Zone 2 where the hydrogen partial pressure relationship is P 4 > P 5 By adding the hydrogen recovery rate that can be implemented in the second-stage tubular hydrogen separation membrane module to the hydrogen recovery rate that can be implemented in the first-stage tubular hydrogen separation membrane module, the overall hydrogen recovery rate of the separation membrane module can be increased.

즉, 본 발명은 분리막 모듈 입구(feed port)로부터 출구로 연결되는 기체 흐름 방향을 기준으로 격벽을 통해 제1공간(1st room), 제2공간(2nd room), …, 제n공간(nth room) (n ≥ 2)을 나누고, That is, the present invention provides a first space (1 st room), a second space (2 nd room), . , divide the n th room (n ≥ 2),

각 공간에, 외부(outside)인 제1면에서 내부(inside)인 제2면으로 수소를 통과시키는 튜브형 수소분리막을 기준으로 제1면 측에서의 수소분압(Poutside) > 제2면 측에서의 수소분압 (Pinside)이고 수소분리막을 통과한 수소를 제2면 측 개방된 부분을 통해 배출시키는 튜브형 수소분리막을 하나 이상 배치시킴으로써, In each space, hydrogen partial pressure at the first side (P outside ) > hydrogen partial pressure at the second side ( P inside ) and by disposing one or more tubular hydrogen separation membranes that discharge hydrogen that has passed through the hydrogen separation membrane through the open part on the second side,

제1공간(1st room)에 배치된 제1 튜브형 수소분리막의 길이, 제2공간(2nd room)에 배치된 제2 튜브형 수소분리막의 길이, …, 및 제n공간(nth room)에 배치된 제n 튜브형 수소분리막의 길이의 총합에 해당하는 길이의 튜브형 수소분리막에서의 수소회수율 보다, The length of the first tubular hydrogen separation membrane disposed in the first space (1 st room), the length of the second tubular hydrogen separation membrane disposed in the second space (2 nd room), ... , and than the hydrogen recovery rate in the tubular hydrogen separation membrane having a length corresponding to the sum of the lengths of the nth tubular hydrogen separation membrane disposed in the n th room,

제1 튜브형 수소분리막에서의 수소회수량, 제2 튜브형 수소분리막에서의 수소회수량, …, 및 제n 튜브형 수소분리막에서의 수소회수량의 총 합이 더 크게 할 수 있다.Hydrogen recovery amount in the first tubular hydrogen separation membrane, hydrogen recovery amount in the second tubular hydrogen separation membrane, … , and the sum of the hydrogen recovery amount in the n-th tubular hydrogen separation membrane can be made larger.

또한, 본 발명에 따른 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈에서의 총 수소회수량은, 제1공간에 배치된 제1 튜브형 수소분리막들로 구성된 제1단 모듈에서의 수소회수량, 제2공간에 배치된 제2 튜브형 수소분리막들로 구성된 제 2단 모듈에서의 수소회수량, …, 및 제n공간에 배치된 제n 튜브형 수소분리막들로 구성된 제 n단 모듈에서의 수소회수량의 총 합이다.In addition, the total amount of hydrogen recovery in the separation membrane module having a tubular hydrogen separation membrane according to the present invention is the amount of hydrogen recovery in the first stage module composed of the first tubular hydrogen separation membranes disposed in the first space, in the second space Hydrogen recovery amount in the second stage module composed of the arranged second tubular hydrogen separation membranes, ... , and the sum of the amount of hydrogen recovery in the n-th module composed of the n-th tubular hydrogen separation membranes disposed in the n-th space.

따라서, 튜브형 수소분리막 길이에 따라 수소분압 차이가 감소됨에 따라 분리막 최대 성능을 발휘하지 못하는 단점을 극복하여 튜브형 수소분리막들을 컴팩트하게 구비한 하나의 분리막 모듈에서 수소회수율 증가시킬 수 있다. Therefore, as the hydrogen partial pressure difference is reduced according to the length of the tubular hydrogen separation membrane, the hydrogen recovery rate can be increased in one separation membrane module having compact tubular hydrogen separation membranes by overcoming the disadvantage of not exhibiting the maximum separation membrane performance.

튜브형 수소분리막은 반응기 장착 시 길이 및 직경방향으로 대면적화가 용이함에 따라 대용량 수소 생산에 유리하다. 또한, 튜브형 수소 분리막 구조체 내부 공간 또는 기공에 수소 농축 가스가 포집될 수 있다.The tubular hydrogen separation membrane is advantageous for large-capacity hydrogen production as it is easy to enlarge the area in the length and diameter directions when the reactor is installed. In addition, the hydrogen-enriched gas may be collected in the inner space or pores of the tubular hydrogen separation membrane structure.

본 발명에서 분리막 모듈 입구로부터 격벽을 통해 구분된 각 공간을 연속적으로 흘러 분리막 모듈 밖으로 배출되는 기체는 수소분리막을 통해 수소가 제거된 잔류(retentate) 기체이고, 수소분리막을 통해 수소가 제거된 잔류(retentate) 기체 흐름이 배출되는 출구(retentate port)와 수소분리막을 통과하여 튜브형 수소분리막의 내부 공간에서 수집된 수소가 배출되는 출구(permeation port)가 구별되도록 설계될 수 있다.In the present invention, the gas continuously flowing through each space separated through the partition wall from the separation membrane module inlet and discharged out of the separation membrane module is a retentate gas from which hydrogen has been removed through the hydrogen separation membrane, and the residual gas from which hydrogen has been removed through the hydrogen separation membrane ( The retentate) may be designed so that the outlet (retentate port) from which the gas flow is discharged and the outlet (permeation port) through which the hydrogen collected in the inner space of the tubular hydrogen separation membrane through the hydrogen separation membrane is discharged (permeation port).

예컨대, 본 발명의 분리막 모듈에서, 제1 공간에서 1차 수소분리 후 남은 잔류 수소는 제2 공간에서 분리되고, 제1 공간 및 제2 공간에서 수소분리막을 통해 분리된 수소는 분리막 모듈 내 수집기(collector)에 포집되고, 미분리된 잔류 기체는 잔류 기체 출구(retentate port)를 통해 배출될 수 있다.For example, in the separation membrane module of the present invention, the residual hydrogen remaining after the primary hydrogen separation in the first space is separated in the second space, and the hydrogen separated through the hydrogen separation membrane in the first space and the second space is collected in the separation membrane module ( The residual gas collected by the collector and unseparated may be discharged through a residual gas outlet (retentate port).

본 발명의 분리막 모듈에서, 모듈 입구(feed port)를 통해 제1 공간에 공급되는 기체 흐름에 나선형 유동화를 발생시켜, 튜브형 수소분리막 주변으로 난류를 형성시키는 것이 바람직하나 이에 한정하지 않아도 된다. 다만 나선형 유동화를 통해 튜브형 수소분리막 주변으로 난류인 기체흐름을 발생시켜 물질전달이 우수할 수 있다.In the separation membrane module of the present invention, it is preferable to generate helical fluidization in the gas flow supplied to the first space through the module feed port, thereby forming turbulence around the tubular hydrogen separation membrane, but it is not necessary to limit the flow thereto. However, turbulent gas flow can be generated around the tubular hydrogen separation membrane through spiral fluidization, resulting in excellent mass transfer.

또한, 모듈 입구(feed port)를 통해 제1 공간에 공급되는 기체 흐름에 하강하는 나선형 유동화를 발생시키기 위해, 분리막 모듈 상부 측면 또는 상단에 모듈 입구를 배치하고, 하강하는 나선형 유동화를 통해 제1공간을 흐른 후 제2공간으로 역류 상승하는 방향으로 흐르게 할 수 있다.In addition, in order to generate a descending spiral fluidization in the gas flow supplied to the first space through the module inlet (feed port), the module inlet is disposed on the upper side or upper side of the separation membrane module, and the first space through the descending spiral fluidization After flowing, it can flow in a countercurrent upward direction into the second space.

도 4에 예시된 바와 같이, 효율적으로 하강하는 나선형 유동화를 발생시키기 위해, 모듈 입구(feed port)가 배치된 반응기 상단에서 시작하는 제1 공간 상부는 원뿔 또는 꼭짓점이 잘린 원뿔대 형태일 수 있다. As illustrated in FIG. 4 , in order to generate efficiently descending spiral fluidization, the upper portion of the first space starting at the top of the reactor where the module feed port is disposed may be in the form of a cone or a truncated truncated cone.

본 발명의 분리막 모듈에서, 싸이클론의 구동원리 일부를 차용하여 모듈 입구를 통해 공급되는 유체에 선회 흐름(vortex)을 주어 제1 공간에 도입시키고, 제1 공간에서의 선회 흐름 효과(Vortex effect)에 의해 제2공간으로 역류 상승하면서 유입시키며, 제1 공간에서의 선회 흐름은 튜브형 수소분리막을 휘감으면서 수소분리반응이 일어나도록 구동할 수 있다.In the separation membrane module of the present invention, a vortex flow is given to the fluid supplied through the module inlet by borrowing a part of the driving principle of the cyclone and introduced into the first space, and the vortex flow effect in the first space The circulating flow in the first space can be driven so that the hydrogen separation reaction occurs while winding the tubular hydrogen separation membrane.

본 발명의 분리막 모듈은 튜브형 수소분리막들을 구비한 쉘-앤-튜브형 모듈일 수 있다. 나아가, 하나 이상의 격벽은 쉘-앤-튜브형 모듈 내부에 동심원 상에 배치되고, 격벽을 통해 구분된 공간에 튜브형 수소분리막이 설치된 것일 수 있다.The separation membrane module of the present invention may be a shell-and-tube type module having tubular hydrogen separation membranes. Furthermore, one or more partition walls may be disposed on a concentric circle inside the shell-and-tube type module, and a tubular hydrogen separation membrane may be installed in a space separated through the partition wall.

수소분리막은 금속치밀막으로 금속 표면에 수소분자가 흡착하고 수소원자로 해리되며 수소원자는 금속 격자 사이를 이동하고 분리막 반대편에서 수소분자로 재결합되며 금속표면으로부터 탈착하는 과정으로 수소가 투과하게 되는 것일 수 있다.Hydrogen separation membrane is a metal dense membrane, where hydrogen molecules adsorb to the metal surface and dissociate into hydrogen atoms, the hydrogen atoms move between the metal lattice, recombine into hydrogen molecules on the other side of the separation membrane, and hydrogen permeates through the process of desorption from the metal surface. there is.

수소분리막의 대표적인 예로 팔라듐계 금속 치밀분리막이 있다. A typical example of a hydrogen separation membrane is a palladium-based metal dense separation membrane.

수소분리막이 다공성 지지체와 분리막 층으로 구성된 복합막인 경우 포일타입인 self-supported 분리막의 한계점인 분리막 두께를 낮출 수 있고 수소 투과도를 현저히 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 시스템화를 위한 모듈화가 용이하다. 일반적으로, 수소분리막은 지지체 형상에 따라 튜브형 분리막으로 구현될 수 있다.When the hydrogen separation membrane is a composite membrane composed of a porous support and a membrane layer, the thickness of the membrane, which is a limitation of the foil-type self-supported membrane, can be lowered, the hydrogen permeability can be significantly increased, and modularization for systemization is easy. In general, the hydrogen separation membrane may be implemented as a tubular separation membrane depending on the shape of the support.

예컨대, 수소분리막은 팔라듐계 치밀막 층; 선택적으로 확산 배리어(diffusion barrier) 층; 및 다공성 지지체가 적층된 것일 수 있다.For example, the hydrogen separation membrane may include a palladium-based dense layer; optionally a diffusion barrier layer; and a porous support may be laminated.

이때, 본 발명의 수소분리막은 제1면에 다공성 지지체가, 제2면에 팔라듐계 치밀막 층이 배치되거나, 제2면에 다공성 지지체가, 제1면에 팔라듐계 치밀막 층이 배치될 수 있다.At this time, the hydrogen separation membrane of the present invention may have a porous support on the first surface, a palladium-based dense membrane layer on the second surface, or a porous support on the second surface, and a palladium-based dense membrane layer on the first surface. there is.

팔라듐계 치밀막은 팔라듐 또는 팔라듐 합금일 수 있다. 팔라듐 합금은 Pd와, Au, Ag, Cu, Ni, Ru 및 Rh로 구성된 군에서 선택된 하나 이상의 금속과의 합금일 수 있다. 팔라듐계 치밀막은 Pd/Cu, Pd/Au, Pd/Ag, Pd/Pt 등과 같은 층을 다층구조로 더 포함할 수도 있다. 팔라듐계 치밀막은 0.1~20 ㎛ 두께로, 바람직하게는 1~10㎛의 두께로 형성할 수 있다. 두께가 0.1 ㎛ 미만이면 수소 투과율이 더욱 향상되기 때문에 좋겠지만, 금속 분리막을 조밀하게 제조하기 힘들고 이로 인해 분리막 효과가 낮아지는 문제점을 안고 있다. 두께를 20 ㎛ 초과로 형성할 경우, 조밀하게 형성할 수 있는 반면에 수소 투과율이 상대적으로 떨어져 이로 인해 분리막 개수가 늘어나는 문제가 있다. 팔라듐계 치밀막 코팅방법 중 무전해도금법은 지지체의 형상에 구애받지 않고 대면적 코팅이 가능한 기술이다. The palladium-based dense film may be palladium or a palladium alloy. The palladium alloy may be an alloy of Pd and at least one metal selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni, Ru and Rh. The palladium-based dense film may further include layers such as Pd/Cu, Pd/Au, Pd/Ag, and Pd/Pt in a multi-layered structure. The palladium-based dense film may be formed to a thickness of 0.1 to 20 μm, preferably 1 to 10 μm. If the thickness is less than 0.1 μm, it is good because the hydrogen permeability is further improved. When the thickness is more than 20 μm, it can be formed densely, while the hydrogen permeability is relatively low, so there is a problem in that the number of separation membranes increases. Among the palladium-based dense film coating methods, the electroless plating method is a technology that enables large-area coating regardless of the shape of the support.

통상적으로, 팔라듐계 치밀막의 수소 분리막으로서 작동 온도는 300 ~ 600℃이다.Typically, as a hydrogen separation membrane of a palladium-based dense membrane, the operating temperature is 300 ~ 600 ℃.

팔라듐계 치밀막에서 수소 투과량은 공급측의 수소 분압 P1과 정제측의 수소 분압 P2와 팔라듐계 치밀막의 막두께 t와 팔라듐계 치밀막의 막 면적이 주된 요소가 된다. 즉, 단위 면적당 수소 투과량 Q는 하기 수학식 1의 관계에 있다.In the palladium-based dense membrane, the hydrogen permeation rate is mainly determined by the hydrogen partial pressure P1 on the supply side, the hydrogen partial pressure P2 on the refining side, the film thickness t of the palladium-based dense membrane, and the membrane area of the palladium-based dense membrane. That is, the hydrogen permeation amount Q per unit area is in the relationship of the following formula (1).

Figure pat00001
Figure pat00001

상기 식 중 A는 합금막의 종류나 조작 조건 등에 따라 달라진다.In the above formula, A varies depending on the type of alloy film or operating conditions.

팔라듐 합금을 베이스로 한 수소 투과막에서는, 주로 막 두께를 얇게 하여 수소 투과능을 향상시키는 방법이 고려되고 있으나, 막 두께를 얇게 하면 기계 강도가 약해진다. 수소 투과량은 수소의 분압차의 영향을 받기 때문에 박막화와 강도의 양립이 요구된다. 그 때문에, 막 두께가 얇은 팔라듐 합금은 기계 강도를 보충하기 위해 상기한 바와 같이 다공성 지지체를 조합하여 사용된다. 다공성 지지체의 표면 기공의 크기는 0.001 내지 10 ㎛를 갖도록 형성하는 것이 바람직하다. For a hydrogen permeable membrane based on a palladium alloy, a method of improving the hydrogen permeability by reducing the film thickness is mainly considered. Since the amount of hydrogen permeation is affected by the difference in partial pressure of hydrogen, both thinning and strength are required. Therefore, a palladium alloy with a thin film thickness is used in combination with the porous support as described above to supplement the mechanical strength. The size of the pores on the surface of the porous support is preferably formed to have a range of 0.001 to 10 ㎛.

예컨대, 팔라듐계 치밀막이 튜브형 또는 원통형 다공성 니켈 지지체의 외측에 배치되어, 튜브형 또는 원통형 다공성 니켈 지지체 내부 공간 또는 기공에 수소 농축 가스가 포집될 수 있다.For example, a palladium-based dense membrane may be disposed on the outside of the tubular or cylindrical porous nickel support, and the hydrogen enriched gas may be collected in the internal space or pores of the tubular or cylindrical porous nickel support.

한편, 수소분리 복합막 제조시 다공성 지지체가 금속인 경우 다공성 금속 지지체에 직접 팔라듐계 치밀막을 형성하는 경우 팔라듐계 치밀막의 구성물질인 Pd과 금속 지지체의 사이에 확산 문제가 발생하므로 이들 사이에 확산 방지층 (diffusion barrier)가 필요하다. 다공성 금속 지지체 위에 형성되는 확산 방지층 (diffusion barrier), 즉 다공성 차폐층은 팔라듐계 치밀막의 구성물질인 팔라듐과 금속지지체 사이에 발생할 수 있는 확산을 방지하기 위함으로 기공/간극을 통해 수소를 통과시킬 수 있는 것으로, 세라믹 소재로 형성될 수 있다. 차폐층의 비제한적인 예로는 Ti, Zr, Al, Si, Ce, La, Sr, Cr, V, Nb, Ga, Ta, W 및 Mo 중에 하나를 포함하는 산화물계, 질화물계, 카바이드계 세라믹이 있다. 바람직하게는 TiOy, ZrOy, Al2Oz (1<y≤2 이거나 2<z≤3) 등의 산화물계 세라믹 소재가 있다.On the other hand, when the porous support is a metal when manufacturing a hydrogen separation composite membrane, when a palladium-based dense membrane is formed directly on a porous metal support, diffusion problems occur between Pd, which is a component of the palladium-based dense membrane, and the metal support, so a diffusion barrier layer between them (diffusion barrier) is required. The diffusion barrier formed on the porous metal support, that is, the porous shielding layer, is to prevent diffusion that may occur between palladium, a component of the palladium-based dense membrane, and the metal support, hydrogen can pass through the pores/gap. As there is, it may be formed of a ceramic material. Non-limiting examples of the shielding layer include oxide-based, nitride-based, and carbide-based ceramics including one of Ti, Zr, Al, Si, Ce, La, Sr, Cr, V, Nb, Ga, Ta, W, and Mo. there is. Preferably, there is an oxide-based ceramic material such as TiO y , ZrO y , Al 2 O z (1<y≤2 or 2<z≤3).

도 11에 예시된 바와 같이, 본 발명에 따라 수소 회수율을 증가시키도록 설계된 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈은 2이상 직렬로 연결될 수 있으며, 이때 전단(upstream) 분리막 모듈에서 수소가 제거된 잔류 기체의 출구(retentate port)가 후단(downstream) 분리막 모듈의 입구(feed port)에 연결된 것일 수 있다. As illustrated in FIG. 11 , two or more separation membrane modules having a tubular hydrogen separation membrane designed to increase the hydrogen recovery rate according to the present invention may be connected in series, in which case hydrogen is removed from the upstream separation membrane module. The outlet (retentate port) of may be connected to the inlet (feed port) of the downstream (downstream) membrane module.

본 발명은 도 11에 도시된 바와 같이, 다단 직렬연결시 첫 번째 분리막 모듈의 retentate port 와 두 번째 분리막 모듈의 feed port를 연결함으로써, 수소회수율을 향상할 수 있다. As shown in FIG. 11, the present invention can improve the hydrogen recovery rate by connecting the retentate port of the first separator module and the feed port of the second separator module during multi-stage serial connection.

이는 도 12에 도시된 바와 같이 Permeation port와 feed port가 연결되어 수소 순도를 높이는 기존 분리 cascade 방식과는 상이하다. 기존 permeation port-feed port 연결 방식은 각 반응기 모듈에서 최종 생산물 농도를 맞추기 위하여 각 모듈에서 stage-cut을 결정하여 운전한다. 따라서 각 반응기 모듈에서 회수율이 결정되며 직렬연결 모듈이 증가할 수록 최종 회수율은 감소한다.This is different from the existing separation cascade method in which the permeation port and the feed port are connected to increase the hydrogen purity as shown in FIG. 12 . The existing permeation port-feed port connection method operates by determining the stage-cut in each module to match the final product concentration in each reactor module. Therefore, the recovery rate is determined in each reactor module, and the final recovery rate decreases as the number of series-connected modules increases.

본 발명에 따라 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈은 수소를 생산 및/또는 정제하는 방법에 사용될 수 있다.A membrane module having a tubular hydrogen separation membrane according to the present invention may be used in a method of producing and/or purifying hydrogen.

이때, 분리막 모듈 입구(feed port)를 통해 수소생산에 필요한 반응물 또는 수소 함유 혼합가스가 공급될 수 있다. At this time, a reactant or hydrogen-containing mixed gas required for hydrogen production may be supplied through the membrane module inlet (feed port).

모듈 입구(feed port)를 통해 공급되는, 수소생산에 필요한 반응물의 비제한적인 예로는 천연가스 및 스팀 등의 혼합가스가 있고, 모듈 입구(feed port)를 통해 공급되는 수소 함유 혼합가스의 비제한적인 예로는 H2 + CO2, CH4, CO, steam, O2 등의 혼합가스가 있다.Non-limiting examples of reactants required for hydrogen production, supplied through a module inlet (feed port), include a mixed gas such as natural gas and steam, and non-limiting examples of a hydrogen-containing mixed gas supplied through a module inlet (feed port) A typical example is a mixed gas of H 2 + CO 2 , CH 4, CO, steam, O 2 and the like.

또한, 분리막 모듈 입구를 통해 공급되는 가스 중 산소가 포함되는 경우 수소 연소로 인한 폭발을 방지하기 위해 질소 등 불활성 가스를 반응기에 추가로 공급할 수 있다.In addition, when oxygen is included in the gas supplied through the inlet of the membrane module, an inert gas such as nitrogen may be additionally supplied to the reactor to prevent explosion due to hydrogen combustion.

나아가, 본 발명에 따라 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈은 분리막 모듈 내부에 촉매가 장착되어 화학반응이 가능한 분리막 반응기로 사용될 수 있다.Furthermore, the separation membrane module having a tubular hydrogen separation membrane according to the present invention can be used as a separation membrane reactor in which a catalyst is mounted inside the separation membrane module and a chemical reaction is possible.

본 발명에 따라, 수소 회수율을 증가시키도록 설계된 수소분리막 모듈을 구비한 분리막 반응기는 격벽에 의해 구분된 쉘 공간 내 충진된 촉매에 의한 수소 생성 반응과 이의 생성물인 수소가 Pd 기반 멤브레인을 통한 수소 분리가 동시에 일어나는 것일 수 있다.According to the present invention, a separation membrane reactor having a hydrogen separation membrane module designed to increase the hydrogen recovery rate is a hydrogen production reaction by a catalyst filled in a shell space separated by a partition wall, and hydrogen as a product thereof is hydrogen separation through a Pd-based membrane may be occurring simultaneously.

이때, 도 5 내지 도 10에 예시된 바와 같이, 격벽에 의해 구분된 쉘 공간 내 충진된 촉매로 (i) 개질 촉매(도 5), (ii) 개질 촉매와 수성가스 전환반응(water-gas shift reaction, WGS)용 촉매(도 6), (iii) 개질 촉매와 CO2 흡착제(도 7), (iv) 개질 촉매와 수성가스 전환반응용 촉매와 CO2 흡착제(도 8), (v) 수성가스 전환반응용 촉매(도 9), (vi) 수성가스 전환반응용 촉매와 CO2 흡착제(도 10)를 사용하는 것일 수 있다.At this time, as illustrated in FIGS. 5 to 10, (i) reforming catalyst (FIG. 5), (ii) reforming catalyst and water gas shift reaction (water-gas shift) as a catalyst filled in a shell space separated by a partition wall reaction, WGS) catalyst (FIG. 6), (iii) reforming catalyst and CO 2 adsorbent (FIG. 7), (iv) reforming catalyst and water gas shift catalyst and CO 2 adsorbent (FIG. 8), (v) aqueous Catalyst for gas shift reaction (FIG. 9), (vi) a catalyst for water gas shift reaction and CO 2 adsorbent (FIG. 10) may be used.

수소분리막의 제1면 측에서 메탄 개질 반응에 의해 형성된 이산화탄소는 고체인 이산화탄소 흡수제에 의해 포집될 수 있다.Carbon dioxide formed by the methane reforming reaction on the first side of the hydrogen separation membrane may be captured by a solid carbon dioxide absorbent.

예컨대, 본 발명에 따라 튜브형 수소분리막 모듈을 구비한 분리막 반응기에서, 메탄 함유 가스로부터 농축된 수소를 생산하는 방법은,For example, in a membrane reactor equipped with a tubular hydrogen separation membrane module according to the present invention, a method of producing concentrated hydrogen from a methane-containing gas,

격벽에 의해 구획된 적어도 하나의 공간에서 메탄 개질반응을 수행하는 제1단계; 및A first step of performing a methane reforming reaction in at least one space partitioned by a partition; and

메탄 개질반응이 수행되는 공간에 배치된 튜브형 수소분리막을 통해 메탄 개질 반응에서 합성된 수소를 분리시키는 제2단계를 포함한다.and a second step of separating hydrogen synthesized in the methane reforming reaction through a tubular hydrogen separation membrane disposed in a space in which the methane reforming reaction is performed.

이때, 수소분리막의 제1면 측에서 메탄 개질 반응이 일어나고 제1면에서 제2면으로 생성된 수소를 통과시켜 제1면 측에서 일어나는 메탄 개질 반응에서 생성물인 수소가 제거되며 제2면 측에 수소를 농축시킬 수 있다.At this time, the methane reforming reaction takes place on the first side of the hydrogen separation membrane and the hydrogen generated from the first side passes through the second side to remove hydrogen as a product in the methane reforming reaction that occurs on the first side, and the second side Hydrogen can be concentrated.

격벽에 의해 구획된 적어도 하나의 공간에서 수행하는 메탄 개질반응(Membrane Reforming, MR)은 반응식 1(Steam Methane Reforming, SMR) 및/또는 반응식 2(water-gas shift reaction, WGS)의 생성물 중 수소만을 선택적으로 분리함으로써, 르샤를리에의 평형파과 원리에 의해 개질 효율 향상과 함께, 일반 개질공정(650~900℃)에 비해 낮은 온도(550~650℃)에서 운전 가능하다. Methane reforming (MR) carried out in at least one space partitioned by a partition is only hydrogen in the products of Scheme 1 (Steam Methane Reforming, SMR) and/or Reaction Scheme 2 (water-gas shift reaction, WGS) By selectively separating, the reforming efficiency is improved by LeCharlier's equilibrium breakthrough principle, and it can be operated at a lower temperature (550 to 650 °C) compared to the general reforming process (650 to 900 °C).

수소분리막을 통해, 개질된 합성가스에서 수소를 지속적으로 제거함에 따라 르샤틀리에의 원리에 따라 공정효율을 향상시키고 반응온도를 저감시킨다. 이러한 수소분리막 구조체의 수소 제거 특성은 수소분리막 구조체의 수소투과성능에 의해 결정되며, 특히 성능이 우수한 수소분리막 확보가 필요하다.Through the hydrogen separation membrane, as hydrogen is continuously removed from the reformed synthesis gas, process efficiency is improved and the reaction temperature is reduced according to Le Chatelier's principle. The hydrogen removal characteristics of such a hydrogen separation membrane structure are determined by the hydrogen permeability of the hydrogen separation membrane structure, and in particular, it is necessary to secure a hydrogen separation membrane with excellent performance.

SMR 반응이 흡열반응임에 따라 열원 공급을 위해 가스버너, 블로윙 히터 혹은 인덕션 방식 중 한 가지 이상 조합된 방법이 적용될 수 있다.Since the SMR reaction is an endothermic reaction, a method in which one or more of a gas burner, a blowing heater, or an induction method is combined may be applied to supply a heat source.

수소가 분리 제거된 Retentate 내의 가스는 Tail gas로써 연소반응을 통해 발생된 열을 열교환기를 통하여 전체 공정에 이용하도록 열효율을 향상시킬 수 있다.The gas in the retentate from which hydrogen has been separated and removed is a tail gas, and thermal efficiency can be improved so that the heat generated through the combustion reaction is used for the entire process through the heat exchanger.

본 발명에서 튜브형 수소분리막의 제2면에는 수소 분리막을 투과한 수소 농축 가스내 CO를 제거하는 하기 반응식 3의 메탄화 촉매 활성이 있는 것일 수 있다.In the present invention, the second surface of the tubular hydrogen separation membrane may have the methanation catalyst activity of the following reaction formula 3 for removing CO in the hydrogen-enriched gas that has passed through the hydrogen separation membrane.

[반응식 3][Scheme 3]

CO+ 3H2 ↔ CH4 + H2O ΔH=-206 kJ/molCO+ 3H 2 ↔ CH 4 + H 2 O ΔH=-206 kJ/mol

본 명세서에서 메탄화 반응은 상기 반응식 1의 메탄의 수증기 개질 반응(SMR)의 역반응으로서, 상기 반응식 3으로 나타낼 수 있으며, 메탄화 촉매는 상기 메탄화 반응의 촉매를 의미한다. In the present specification, the methanation reaction is a reverse reaction of the steam reforming reaction (SMR) of methane of Scheme 1, and may be represented by Scheme 3, and the methanation catalyst means a catalyst of the methanation reaction.

제2면에 다공성 지지체가, 제1면에 팔라듐계 치밀막 층이 배치되는 경우, 다공성 지지체는 CO를 제거하는 메탄화 촉매 활성이 있는 다공성 니켈 지지체일 수 있다.When the porous support is disposed on the second surface and the palladium-based dense membrane layer is disposed on the first surface, the porous support may be a porous nickel support having a methanation catalytic activity for removing CO.

본 발명의 일구체예에서는 팔라듐계 치밀막을 기준으로 retentate-side(수소가 투과되지 않은 쪽)에서는 반응식 1의 메탄의 수증기 개질 반응(SMR) 및/또는 반응식 2의 수성가스 전환반응(WGS)이 일어나 H2, CO 및 CO2 함유 가스가 형성되고, 팔라듐계 치밀막을 통과하면서 수소 농축 가스를 형성하며, 팔라듐계 치밀막을 기준으로 permeate-side(수소가 투과한 쪽)에 반응식 3의 메탄화 촉매 활성이 있는 다공성 니켈 지지체를 배치시킴으로써 수소 농축 가스는 농축된 H2의 일부가 소량의 CO와 반응하여 소량의 CH4을 형성하면서 수소 농축 가스내 CO가 제거될 수 있다. In one embodiment of the present invention, methane steam reforming reaction (SMR) of Scheme 1 and/or water gas shift reaction (WGS) of Reaction Scheme 2 in the retentate-side (side where hydrogen is not permeated) based on the palladium-based dense membrane is H 2 , CO and CO 2 containing gas are formed, and hydrogen-enriched gas is formed while passing through the palladium-based dense membrane, and the methanation catalyst of Reaction Formula 3 on the permeate-side (the side through which hydrogen permeates) based on the palladium-based dense membrane By disposing the active porous nickel support, the hydrogen-enriched gas can be removed with CO in the hydrogen-enriched gas while a portion of the concentrated H 2 reacts with a small amount of CO to form a small amount of CH 4 .

팔라듐계 치밀막을 투과한 수소 농축 가스내 CO를 다공성 니켈 지지체 상에서 모두 메탄화 반응시켜 완전히 제거할 수 있다. 예컨대, 튜브형 수소분리막은 팔라듐계 치밀막이 튜브형 또는 원통형 다공성 니켈 지지체의 외측에 배치되고, 튜브형 또는 원통형 다공성 니켈 지지체 내부 공간 또는 기공에 CO가 제거된 수소 농축 가스가 포집될 수 있다. 따라서, 잔여 CO를 제거하기 위한 CO 선택적산화 (Preferential Oxidation, PrOx) 혹은 정제공정 (PSA, Membrane 등)이 불필요하다.All of the CO in the hydrogen-enriched gas that has passed through the palladium-based dense membrane can be completely removed by methanation on the porous nickel support. For example, in the tubular hydrogen separation membrane, a palladium-based dense membrane is disposed on the outside of the tubular or cylindrical porous nickel support, and the hydrogen enriched gas from which CO is removed may be collected in the inner space or pores of the tubular or cylindrical porous nickel support. Therefore, CO selective oxidation (Preferential Oxidation, PrOx) or purification process (PSA, Membrane, etc.) for removing residual CO is unnecessary.

또는, 튜브형 수소분리막의 내부 공간으로 분리 및 수집된 수소를 포집하는 반응기 내 수집부(collector)에 메탄화 촉매를 장입하여, 수소분리막을 통해 분리된 수소가 배출되는 반응기의 출구(permeation port)에서 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 낮출 수 있다.Alternatively, a methanation catalyst is charged into a collector in the reactor that collects hydrogen separated and collected into the inner space of the tubular hydrogen separation membrane, and the hydrogen separated through the hydrogen separation membrane is discharged from the outlet (permeation port) of the reactor. Carbon monoxide concentration can be lowered to 10 ppm or less.

본 발명의 일구체예에 따라 수소 회수율을 증가시키도록 설계된 분리막 모듈 내부에 촉매가 장착되어 화학반응이 가능한 분리막 반응기는 쉘-앤-튜브형으로, According to an embodiment of the present invention, the membrane reactor equipped with a catalyst inside the membrane module designed to increase the hydrogen recovery rate and capable of chemical reaction is a shell-and-tube type,

쉘 내 메탄 개질반응용 촉매 및 선택적으로 수성가스 전환반응(water-gas shift reaction, WGS)용 촉매 및/또는 이산화탄소 흡수제가 충진되고, The shell is filled with a catalyst for methane reforming reaction and optionally a catalyst for water-gas shift reaction (WGS) and/or a carbon dioxide absorber,

쉘 내 메탄 개질반응용 촉매 및 선택적으로 WGS용 촉매 하 메탄 및 수증기 함유 가스로부터 반응식 1 및 반응식 2에 의해 형성된 수소는 튜브형 수소분리막 구조체를 관통하여 튜브 안쪽으로 농축 또는 분리되면서, Hydrogen formed by Reaction Equations 1 and 2 from a gas containing methane and water vapor under a catalyst for methane reforming reaction in the shell and optionally a catalyst for WGS is concentrated or separated inside the tube through the tubular hydrogen separation membrane structure,

선택적으로 쉘 내 WGS용 촉매 하 반응식 2에 의해 형성된 이산화탄소는 쉘 내 충진된 이산화탄소 흡수제에 의해 포집되는 것일 수 있다.Optionally, the carbon dioxide formed by Scheme 2 under the catalyst for WGS in the shell may be captured by the carbon dioxide absorbent charged in the shell.

반응식 1(Steam Methane Reforming, SMR) 및 반응식 2(water-gas shift reaction, WGS)를 기반으로 하는 메탄가스 개질반응(SR)에서 수소분리막 및 건식 이산화탄소 흡수제를 동시에 이용하면(SR-SEMR), 반응식 1 및 반응식 2의 생성물 중 수소(H2) 뿐만아니라 이산화탄소(CO2)도 선택적으로 제거하여, 이산화탄소 흡수제 없이 수소분리막 만을 사용하여 메탄가스 개질반응에서 수소만을 제거하는 경우(SR-MR) 보다 정반응을 더욱 촉진하여 공정효율을 극대화할 수 있다. 이경우, 본 발명은 메탄가스 습윤개질 반응 공정에 팔라듐 수소분리막 및 건식 이산화탄소 흡수제 기술을 동시 적용하여 반응온도를 낮추면서 고효율 수소생산과 이산화탄소 포집을 동시에 수행할 수 있는 고효율 하이브리드 장치 및 공정을 제공할 수 있다.When using a hydrogen separation membrane and a dry carbon dioxide absorbent at the same time (SR-SEMR) in a methane gas reforming reaction (SR) based on Scheme 1 (Steam Methane Reforming, SMR) and Reaction Scheme 2 (water-gas shift reaction, WGS), Reaction Scheme In the products of Schemes 1 and 2 , not only hydrogen (H 2 ) but also carbon dioxide (CO 2 ) is selectively removed, so that only hydrogen is removed in the methane gas reforming reaction using only a hydrogen separation membrane without a carbon dioxide absorbent (SR-MR). can be further promoted to maximize process efficiency. In this case, the present invention can provide a high-efficiency hybrid device and process capable of simultaneously performing high-efficiency hydrogen production and carbon dioxide capture while lowering the reaction temperature by simultaneously applying palladium hydrogen separation membrane and dry carbon dioxide absorbent technology to the methane gas wet reforming reaction process. there is.

부연 설명하면, 메탄 대비 스팀이 과량인 분위기에서 두 반응이 연속적으로 발생하는데, 반응식 1의 메탄습윤개질 반응에서 생성물인 수소를 분리막(Memb.)으로 선택적으로 분리하면 반응식 1의 정반응이 향상될 뿐만 아니라, 반응식 2의 WGS 반응에서 생성물인 이산화탄소를 건식흡수제(Σ(s))를 사용하여 포집함과 동시에 이의 생성물인 수소를 분리막(Memb.)을 통하여 분리하면 반응식 2의 정반응도 향상된다. 따라서, 같은 반응기 공간에서 일어나는 반응식 1 및 반응식 2의 생성물의 주 성분인 이산화탄소와 수소를 동시에 포집/분리하여 개질반응을 더욱 향상시키면, 분리막-enhanced 개질반응 및 Sorption-enhanced 개질반응에 비하여 반응온도를 현저히 낮출 수 있다. 이와 같은 수소분리막/이산화탄소 흡수제 하이브리드 리포머 기술은 본 발명의 대표적인 예이다. 따라서, 하기에서 본 발명의 일구체예는 종종 수소분리막/이산화탄소 흡수제 하이브리드 리포머 기술이라 약칭한다.To elaborate, the two reactions occur consecutively in an atmosphere in which steam is in excess of methane. In the methane wet reforming reaction of Scheme 1, when hydrogen, which is a product, is selectively separated with a separation membrane (Memb.), the forward reaction of Scheme 1 is improved as well as Rather, in the WGS reaction of Scheme 2, if carbon dioxide, a product, is collected using a dry absorbent (Σ(s)) and at the same time, hydrogen, a product thereof, is separated through a separation membrane (Memb.), the forward reaction of Scheme 2 is also improved. Therefore, if the reforming reaction is further improved by simultaneously capturing/separating carbon dioxide and hydrogen, which are the main components of the products of Schemes 1 and 2, occurring in the same reactor space, the reaction temperature is lowered compared to the membrane-enhanced reforming reaction and the Sorption-enhanced reforming reaction. can be significantly lowered. Such a hydrogen separation membrane/carbon dioxide absorbent hybrid reformer technology is a representative example of the present invention. Therefore, in the following, one embodiment of the present invention is often abbreviated as hydrogen separation membrane/carbon dioxide absorbent hybrid reformer technology.

본 발명에 따른 수소분리막/이산화탄소 흡수제 하이브리드 리포머 기술(SR-SEMR)은, 반응식 1 및 반응식 2의 개질반응과 동시에 이의 생성물인 수소와 이산화탄소를 연속적으로 제거하여 르샤를리에 원리에 의하여 열역학적 평형이 파과되며, 500℃ 내외에서 운전이 가능하다. 따라서, 1) 전통적인 메탄 개질반응기에 비해 운전효율이 우수하고, 2) 반응 온도가 500℃로 낮아 중·저온형 재료 구성에 의한 경제적인 반응기 구성이 가능하며 3) 후단 정제부하가 낮아 경제적인 공정 운용이 용이하다.Hydrogen separation membrane / carbon dioxide absorbent hybrid reformer technology (SR-SEMR) according to the present invention, the reforming reaction of Schemes 1 and 2, simultaneously removes hydrogen and carbon dioxide, which are its products, continuously, thereby breaking the thermodynamic equilibrium according to the Le Charlier principle and can be operated at around 500℃. Therefore, 1) the operation efficiency is excellent compared to the traditional methane reforming reactor, 2) the reaction temperature is low at 500°C, so it is possible to configure an economical reactor with medium and low temperature material composition 3) economical process due to the low downstream refining load Easy to operate

또한, 300℃ ~ 520℃, 바람직하게는 400℃~ 500℃에서 운전되는 분리막 리포머(SR-MR) 대비 1) 생성물인 CO2 포집으로 인한 정반응 가속화로 인해 개질온도를 50℃ 이상 추가 저감 가능하여 연료 소모량이 약 10% 감소되고, 2) 이산화탄소 흡수제에 의해 retentate 부분의 CO 및 CO2가 제거됨에 따라 미분리 H2, CH4의 농도가 향상되어, 약 5% 이상의 공정 비용이 절감됨에 따라 경제성이 우수한 공정 구성이 가능하다.In addition, compared to the separation membrane reformer (SR-MR) operated at 300 ° C to 520 ° C, preferably 400 ° C to 500 ° C 1) The reforming temperature can be further reduced by 50 ° C or more due to the acceleration of the forward reaction due to the capture of CO 2 as a product. Fuel consumption is reduced by about 10%, 2) CO and CO 2 of the retentate part are removed by the carbon dioxide absorbent, so the concentration of unseparated H 2 , CH 4 is improved, and the process cost is reduced by about 5% or more This excellent process configuration is possible.

나아가, 본 발명에 따른 수소분리막/이산화탄소 흡수제 하이브리드 리포머 장치 및 공정은 300℃ ~ 520℃, 바람직하게는 400℃~ 500℃에서 운전이 가능하므로, 철강 제철공정에서 발생하는 500℃ 내외의 고온 부생가스인 Coke Oven Gas(COG)를 별다른 열원공급 없이 수소 추가제조/정제 및 CO2 포집장치로 적용할 수 있다.Furthermore, since the hydrogen separation membrane/carbon dioxide absorbent hybrid reformer device and process according to the present invention can be operated at 300° C. to 520° C., preferably 400° C. to 500° C., high-temperature by-product gas at around 500° C. generated in the steelmaking process Phosphorus Coke Oven Gas (COG) can be applied as an additional hydrogen production/refining and CO 2 capture device without supplying a special heat source.

본 발명에 따라 메탄가스 기반의 고효율 수소생산과 이산화탄소 포집을 동시에 수행할 수 있도록 설계된 수소 생산 및 정제 장치에서 튜브형 수소분리막의 제1면 측에서 반응식 1 및 반응식 2의 반응온도, 즉 운전온도는 300℃ ~ 520℃, 바람직하게는 400℃~ 500℃일 수 있다. In the hydrogen production and purification apparatus designed to simultaneously perform methane gas-based high-efficiency hydrogen production and carbon dioxide capture according to the present invention, the reaction temperature of Reaction Equations 1 and 2 on the first side of the tubular hydrogen separation membrane, that is, the operating temperature is 300 It may be ℃ ~ 520 ℃, preferably 400 ℃ ~ 500 ℃.

코크스 사용에 의한 부생가스인 Coke Oven Gas(COG)는 주요성분이 수소와 메탄이고 가스온도가 500 ℃ 내외이므로, 외부 열원 내지 에너지비용을 투입하지 않고도 본 발명에 따른 SR-SEMR 반응으로 고순도의 수소를 생산할 수 있으며, COG 가스 중의 CO2를 포집할 수 있다.Coke Oven Gas (COG), a by-product gas from the use of coke, has hydrogen and methane as its main components and a gas temperature of around 500 ° C. can be produced, and CO 2 in COG gas can be captured.

따라서, 본 발명에 따른 반응기는 메탄 함유 가스로, 제철공정에서 발생하는 500℃ ±100 ℃의 고온 부생가스를 사용할 수 있으며, 고온 부생가스 내 중의 CO2를 포집하면서 고순도의 수소를 생산할 수 있다.Therefore, the reactor according to the present invention is a methane-containing gas, and it is possible to use a high-temperature by-product gas of 500 ℃ ± 100 ℃ generated in the steelmaking process, and can produce high-purity hydrogen while collecting CO 2 in the high-temperature by-product gas.

본 발명에 따라 수소생산과 더불어 이산화탄소 포집까지 가능한 반응기의 주요 핵심 소재는 (a) 수소분리막, (b) 고체인 이산화탄소 흡수제 및 (c) 메탄 개질반응용 촉매이다.According to the present invention, the main core materials of the reactor capable of producing hydrogen and capturing carbon dioxide are (a) a hydrogen separation membrane, (b) a solid carbon dioxide absorbent, and (c) a catalyst for methane reforming.

메탄 개질반응용 촉매는 반응식 1의 메탄의 수증기 개질 반응(Steam Methane Reforming, SMR)을 수행하는 촉매 및 반응식 2의 수성가스 전환반응(water-gas shift reaction, WGS)을 수행하는 촉매를 포함하거나, 반응식 1의 메탄의 수증기 개질 반응(SMR) 및 반응식 2의 수성가스 전환반응(WGS)을 모두 수행하는 촉매일 수 있다.The catalyst for the methane reforming reaction includes a catalyst for performing a steam reforming reaction (SMR) of methane of Scheme 1 and a catalyst for performing a water-gas shift reaction (WGS) of Reaction Scheme 2, or It may be a catalyst for performing both the steam reforming reaction (SMR) of methane of Scheme 1 and the water gas shift reaction (WGS) of Scheme 2.

수증기 개질 반응(SMR)용 촉매는 Ni-base인 Ni/Al2O3 가장 일반적으로 사용되며, Ru과 Pt와 같은 귀속금 촉매가 고가이지만 반응활성이 높고, 내구성이 우수하여 Ru/Al2O3가 상용촉매로 적용되고 있다. 수성가스 전환반응(WGS)용 촉매는 Fe2O3/Cr2O3와 Cu/ZnO/Al2O3 촉매가 상용화되어 사용되고 있다. Ni-based Ni/Al 2 O 3 catalyst for steam reforming reaction (SMR) is most commonly used. Although noble metal catalysts such as Ru and Pt are expensive, they have high reaction activity and excellent durability, so Ru/Al 2 O 3 is being applied as a commercial catalyst. As catalysts for water gas shift reaction (WGS), Fe 2 O 3 /Cr 2 O 3 and Cu/ZnO/Al 2 O 3 catalysts have been commercialized and used.

본 발명에서, 튜브형 수소분리막의 제1면 측(예, 쉘 내)에 충진 가능한 메탄 개질반응용 촉매는 펠렛 형태, 비드 형태, 폼 형태 및 파우더 형태 등 개질반응이 가능한 어떠한 형태의 촉매도 가능하다. 더욱 바람직하기로는 금속폼 기반 개질반응용 촉매일 수 있다. 금속폼 촉매를 사용하면, 열전달 및 물질전달 효과를 극대화하고 튜브형 분리막에서 문제가 될 수 있는 농도구배에 의한 수소회수율 한계를 극복할 수 있다. 금속폼을 이용한 분리막 반응기 구성에 있어서 핵심은 분리막 외부에 금속폼 촉매를 장착할 경우 분리막과 금속폼 접촉에 의한 상호확산 문제를 극복하는 것인데, 금속폼에 촉매를 코팅할 때 분리막과 맞닿는 부분을 촉매 코팅물질과 차단할 수 있는 봉을 삽입한 후 촉매를 코팅함으로 해결 가능하다.In the present invention, the catalyst for the methane reforming reaction that can be filled on the first side (eg, in the shell) of the tubular hydrogen separation membrane is any type of catalyst capable of reforming reaction such as pellet form, bead form, foam form and powder form. . More preferably, it may be a catalyst for reforming reaction based on metal foam. If the metal foam catalyst is used, the effect of heat transfer and mass transfer can be maximized, and the hydrogen recovery rate limit due to the concentration gradient, which can be a problem in the tubular membrane, can be overcome. The key to constructing a membrane reactor using metal foam is to overcome the problem of mutual diffusion due to contact between the membrane and the metal foam when the metal foam catalyst is mounted on the outside of the membrane. It can be solved by coating the catalyst after inserting the coating material and the blocking rod.

본 발명에서 사용 가능한 금속폼 촉매는 알루미늄, 철, 스테인리스 스틸, 니켈, 철-크롬-알루미늄 합금(Fecralloy), 니켈-크롬 합금, 구리 및 구리-니켈 합금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 이루어진 폼 형태의 금속 구조체 표면에 메탄 개질반응용 촉매가 코팅된 것일 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.The metal foam catalyst usable in the present invention is one or more metals selected from the group consisting of aluminum, iron, stainless steel, nickel, iron-chromium-aluminum alloy (Fecralloy), nickel-chromium alloy, copper and copper-nickel alloy. A catalyst for methane reforming may be coated on the surface of the formed metal structure in the form of a foam, but is not limited thereto.

본 발명에서 사용되는 이산화탄소 흡수제는 액체가 아닌 고체인 건식 흡수제다.The carbon dioxide absorbent used in the present invention is a dry absorbent that is not a liquid but a solid.

본 발명의 수소분리막 / CO2 흡수제 하이브리드 개질반응은 수분이 존재하는 고온 고압반응조건으로 CO2 흡수와 재생공정으로 연속운전이 가능하도록 CO2 흡수제에 대한 제조 및 성형 공정이 고려되어야 한다. In the hydrogen separation membrane / CO 2 absorbent hybrid reforming reaction of the present invention, the manufacturing and molding process for the CO 2 absorbent must be considered to enable continuous operation as a CO 2 absorption and regeneration process under high-temperature and high-pressure reaction conditions in which moisture is present.

본 발명에서 고체인 이산화탄소 흡수제는 이산화탄소와 반응시켜 안정한 화합물로 변화시키고 재생반응기에서 이산화탄소를 다시 탈기시켜 원래의 화합물로 재생시킬 수 있는 것일 수 있다.In the present invention, the solid carbon dioxide absorbent may be changed into a stable compound by reacting with carbon dioxide, and may be regenerated into the original compound by degassing the carbon dioxide again in the regeneration reactor.

유동층 반응기 적용시 용이한 순환식 교체를 위해 흡수제의 형상은 구형일 수 있고, 흡수능 향상을 위해 내부가 다공성을 형성하는 것이 바람직하다. 또한, 흡수제의 열적, 물리적 안정성 및 내마모도 향상이 요구될 수 있다.The shape of the absorbent may be spherical for easy circulating replacement when applying a fluidized bed reactor, and it is preferable to form a porous interior to improve absorption capacity. In addition, it may be required to improve the thermal and physical stability and abrasion resistance of the absorbent.

본 발명의 수소분리막 / CO2 흡수제 하이브리드 리포머 공정에 적용할 수 있는 이산화탄소 흡수제는, 고온, 고압의 합성가스 조성에서 반응 부산물로 생성되는 이산화탄소를 선택적으로 제거할 수 있는 것이 바람직하다. 또한, 높은 흡수능과 동시에 빠른 흡수/재생 속도를 가지는 것이 바람직하다.It is preferable that the carbon dioxide absorbent applicable to the hydrogen separation membrane / CO 2 absorbent hybrid reformer process of the present invention can selectively remove carbon dioxide generated as a reaction by-product in the synthesis gas composition of high temperature and high pressure. In addition, it is desirable to have a high absorption capacity and a fast absorption/regeneration rate at the same time.

WGS 촉매 혹은 WGS 촉매와 CO2 흡수제가 같이 구성된 분리막 반응기는 석탄, 바이오메스, 폐기물 가스화 공정과 연계하여 소를 생산할 수 있다.A WGS catalyst or a membrane reactor composed of a WGS catalyst and a CO 2 absorber can produce cattle in connection with coal, biomass, and waste gasification processes.

한편, 본 발명에 따라 튜브형 수소분리막 모듈을 구비한 반응기는, 도 5 ~ 10에 예시된 바와 같이, 쉘-앤-튜브형 수소 생산 및 정제 장치로서,On the other hand, a reactor equipped with a tubular hydrogen separation membrane module according to the present invention, as illustrated in FIGS. 5 to 10, is a shell-and-tube type hydrogen production and purification device,

쉘 내 메탄 개질반응용 촉매 및 선택적으로 WGS 촉매 및/또는 이산화탄소 흡수제가 충진되고, The shell is filled with a catalyst for methane reforming and optionally a WGS catalyst and/or a carbon dioxide absorber,

쉘 내 메탄 개질반응용 촉매 하 메탄 및 수증기 함유 가스로부터 반응식 1 및 반응식 2에 의해 형성된 수소는 튜브형 수소분리막을 관통하여 튜브 안쪽으로 농축 또는 분리되면서,Hydrogen formed by Reaction Equations 1 and 2 from the gas containing methane and water vapor under the catalyst for the methane reforming reaction in the shell penetrates the tubular hydrogen separation membrane and is concentrated or separated inside the tube,

쉘 내 메탄 개질반응용 촉매 하 반응식 2에 의해 형성된 이산화탄소는 쉘 내 충진된 이산화탄소 흡수제에 의해 포집될 수 있다.Carbon dioxide formed by Scheme 2 under the catalyst for methane reforming reaction in the shell may be captured by the carbon dioxide absorbent charged in the shell.

따라서, 본 발명에 따른 쉘-앤-튜브형 수소 생산 및 정제 장치는 컴팩트한 50 ~ 5,000 Nm3/h급 중소형 수소생산 플랜트를 제공할 수 있다.Therefore, the shell-and-tube type hydrogen production and purification apparatus according to the present invention can provide a compact 50 ~ 5,000 Nm 3 /h class small and medium-sized hydrogen production plant.

쉘 내에서 일어나는 반응식 1의 메탄의 수증기 개질 반응은 흡열반응이므로, 중심에 발열 반응용 튜브 또는 발열용 열 교환기를 구비할 수 있다.Since the steam reforming reaction of methane of Scheme 1 occurring in the shell is an endothermic reaction, a tube for exothermic reaction or a heat exchanger for exothermic reaction may be provided at the center.

쉘-앤-튜브형 분리막 개질기에 있어서, 반응기 내부에 배치된 하나 이상의 발열 반응용 튜브 또는 발열용 열 교환기, 및 상기 발열 반응용 튜브 또는 발열용 열 교환기의 외측으로 원주상으로 배열된 다수개의 튜브형 수소분리막을 구비하는 구조를 가질 수 있다.In the shell-and-tube type membrane reformer, one or more tubes for exothermic reaction or heat exchanger for exothermic reaction disposed inside the reactor, and a plurality of tubular hydrogens arranged in a column shape to the outside of the tube for exothermic reaction or heat exchanger for exothermic reaction It may have a structure including a separation membrane.

본 발명의 분리막 개질 반응기에서 튜브용 수소분리막의 상단 또는 하단은 튜브 시트(tube sheet)에 의해 쉘-앤-튜브형 반응장치에 고정될 수 있다.In the membrane reforming reactor of the present invention, the upper or lower end of the hydrogen separation membrane for a tube may be fixed to the shell-and-tube type reactor by a tube sheet.

반응식 1의 메탄 개질 반응은 큰 흡열 반응이어서 필요한 열은 쉘-앤-튜브형 반응기 중심에 배치되어 있는 발열 반응용 튜브 내에서 연소가스의 공기에 의한 촉매 연소 반응에 의해 공급될 수 있다.Since the methane reforming reaction of Scheme 1 is a large endothermic reaction, the required heat can be supplied by the catalytic combustion reaction with air of the combustion gas in the tube for the exothermic reaction disposed at the center of the shell-and-tube type reactor.

본 발명의 쉘-앤-튜브형 분리막 개질 반응기에서, 발열 반응용 튜브 또는 발열용 열 교환기의 온도(T1)는 쉘 내 충진된 촉매층의 온도(T2)보다 높고, 중심에 배치된 발열 반응용 튜브 또는 발열용 열 교환기로부터 외부쪽으로 방사형으로 열이 이동하면서, 쉘 내 메탄 개질반응용 촉매에 의한 흡열반응에 의해 합성가스가 형성될 수 있다.In the shell-and-tube type membrane reforming reactor of the present invention, the temperature (T 1 ) of the tube for exothermic reaction or the heat exchanger for exothermic reaction is higher than the temperature (T 2 ) of the catalyst layer filled in the shell, and for exothermic reaction disposed in the center As heat moves radially from the tube or the heat exchanger for exothermic heat to the outside, synthesis gas may be formed by the endothermic reaction by the catalyst for methane reforming in the shell.

즉, 본 발명의 일구체예에 따른 쉘-앤-튜브형 분리막 개질 반응기는 내부에 가열 수단을 구비하여 열이 안쪽(T1)에서 바깥쪽(T2, T1 > T2)으로 열전달되므로, 열효율이 우수하다. 이때, 상기 가열 수단은 연소촉매를 구비하여 발열반응을 통해 열을 공급할 수도 있으나, 열전달 수단(T1)을 구비할 수도 있다. 상기 발열 반응용 튜브는 발열 반응을 촉매 작용할 수 있는 적어도 하나의 촉매가 충진될 수 있다. 본 발명에서 사용 가능한 발열 반응을 촉매 작용할 수 있는 촉매로는 연소 촉매가 있다. 구체적으로, 본 발명에서 사용 가능한 연소 촉매로는 Pt/Rh이 코디어라이트(cordierite)에 담지된 촉매 등을 사용할 수 있으며, 이에 제한되는 것은 아니다.That is, the shell-and-tube type membrane reforming reactor according to an embodiment of the present invention has a heating means therein so that heat is transferred from the inside (T 1 ) to the outside (T 2 , T 1 > T 2 ), Excellent thermal efficiency. In this case, the heating means may be provided with a combustion catalyst to supply heat through an exothermic reaction, but may also include a heat transfer means (T 1 ). The tube for the exothermic reaction may be filled with at least one catalyst capable of catalyzing the exothermic reaction. A catalyst capable of catalyzing the exothermic reaction usable in the present invention includes a combustion catalyst. Specifically, as a combustion catalyst usable in the present invention, a catalyst in which Pt/Rh is supported on cordierite may be used, but the present invention is not limited thereto.

본 발명의 쉘-앤-튜브형 분리막 개질 반응기에서 튜브형 수소분리막의 하단은 금속 튜브특성을 활용하여 필터 끝단에 용접된 금속튜브와 튜브 시트(tube sheet)를 접합 혹은 금속 피팅을 사용하여 실링이 가능하다. 또한, 분리막이 장착된 tube sheet, module cover 및 module body는 플랜지 방식으로 조립하여 단위 모듈을 완성할 수 있다.In the shell-and-tube membrane reforming reactor of the present invention, the lower end of the tubular hydrogen separation membrane utilizes the metal tube characteristics to connect a metal tube and a tube sheet welded to the end of the filter or use a metal fitting to seal. . In addition, the tube sheet, the module cover, and the module body equipped with the separator can be assembled in a flange manner to complete the unit module.

전술한 본 발명에 따라 튜브형 수소분리막 모듈을 구비한 개질 반응기의 주요 사용처는 수소환원제철 등 저가 수소가 필요한 공정에도 사용가능하다. 따라서, 수소환원제철법에서 CO2 배출을 15%를 감축할 수 있다. 또한, 온실가스 저감이 가능한 수소스테이션 등에 사용가능하다.The main use of the reforming reactor equipped with the tubular hydrogen separation membrane module according to the present invention described above can be used in processes that require low-cost hydrogen, such as hydrogen-reduced iron and steel. Therefore, it is possible to reduce CO 2 emission by 15% in the hydrogen reduction ironmaking method. In addition, it can be used in a hydrogen station where greenhouse gas reduction is possible.

또한, 본 발명은 본 발명에 따라 튜브형 수소분리막 모듈을 구비한 개질 반응기에서, 메탄 및 수증기 함유 가스로부터 수소생산과 바람직하게는 이산화탄소 포집을 동시에 수행하면서 수소 농축 가스를 제조하는 방법을 제공한다.In addition, the present invention provides a method for producing hydrogen-enriched gas while simultaneously performing hydrogen production and preferably carbon dioxide capture from a gas containing methane and water vapor in a reforming reactor equipped with a tubular hydrogen separation membrane module according to the present invention.

이때, 반응물인 메탄 함유 가스는 천연가스, 셰일가스, 또는 코크스 오븐 가스(Coke Oven Gas, COG)일 수 있다. 특히, 주요성분이 수소와 메탄인 Coke Oven Gas(COG)로부터 COG 가스 중의 CO2를 포집하면서 고순도의 수소를 생산할 수 있다.In this case, the reactant methane-containing gas may be natural gas, shale gas, or coke oven gas (COG). In particular, it is possible to produce high-purity hydrogen while capturing CO 2 in COG gas from Coke Oven Gas (COG) whose main components are hydrogen and methane.

나아가, 생성물인 수소 농축 가스는 연료전지의 연료로, 또는 암모니아 합성, 정유공정, 제련공정, 폴리실리콘 제조공정, 반도체 제조공정 또는 LED 제조공정의 수소로 사용될 수 있다.Furthermore, the hydrogen-enriched gas as a product may be used as a fuel for a fuel cell or as hydrogen for ammonia synthesis, an oil refining process, a smelting process, a polysilicon manufacturing process, a semiconductor manufacturing process, or an LED manufacturing process.

나아가, 본 발명은 본 발명에 따른 분리막 모듈; 및 상기 분리막 모듈에서 제공되는 수소 농축 가스를 연료로 사용하는 연료전지가 연동된 전기에너지 발생 장치를 제공할 수 있다.Furthermore, the present invention provides a separation membrane module according to the present invention; And a fuel cell using the hydrogen enriched gas provided from the separation membrane module as a fuel may provide an electric energy generating device interlocked.

본 발명의 일구체예에 따라 팔라듐계 치밀막에서의 수소투과 분리막 공정 이후 수소가 투과한 permeate-side에 위치한 다공성 니켈 지지체의 기공에서 상기 반응식 3의 메탄화 반응이 연계되면, 팔라듐계 치밀막 결함(defect)으로 투과한 CO 농도를 20ppm 이하로 제어 가능하여 별도의 정제장치 없이도 CO 가 촉매독으로 작용하는 촉매를 사용하는 PEMFC 연료전지의 연료로 사용가능하다.When the methanation reaction of Reaction Formula 3 is linked in the pores of the porous nickel support located on the permeate-side through which hydrogen permeates after the hydrogen permeation membrane process in the palladium-based dense membrane according to one embodiment of the present invention, the palladium-based dense membrane is defective It can be used as a fuel for a PEMFC fuel cell using a catalyst in which CO acts as a catalyst poison without a separate purification device because the concentration of CO transmitted through (defect) can be controlled to 20ppm or less.

본 발명에 따라 튜브형 수소분리막 모듈을 구비한 반응기는 나선형 유동화로 난류형성이 용이하여 물질전달이 우수하고, 반응/분리에 필요한 열 손실을 최소화하여 공정효율 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 튜브형 수소분리막이 장착되는 쉘 내 공간을 격벽으로 사용하여 1st room과 2nd room으로 이원화하여 분리막 길이에 따라 수소분압차이가 감소됨에 따라 분리막 최대 성능을 발휘하지 못하는 단점을 극복하여 수소회수율을 증가시킬 수 있다. According to the present invention, a reactor equipped with a tubular hydrogen separation membrane module has excellent mass transfer due to easy formation of turbulence through spiral fluidization, minimizes heat loss required for reaction/separation, and improves process efficiency, as well as tubular hydrogen separation membrane by using the space within which is mounted a shell in the partition wall dual to the 1 st room and 2 nd room according to separator length may increase the hydrogen recovery rate to overcome the disadvantages that do not exhibit the membrane up performance in reduced hydrogen partial pressure difference.

도 1은 본 발명의 일구체예에 따라 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈의 작용원리를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2 내지 도 4는 격벽을 이용하여 도 1의 2단 튜브형 수소분리막 모듈을 구성한 일 구체예들이다.
도 5 내지 도 10은 본 발명의 일구체예에 따라 튜브형 수소분리막 모듈의 작용원리가 적용된 분리막 반응기의 다양한 실시형태이다.
도 11은 본 발명의 일구체예에 따라 수소 회수율을 증가시키도록 설계된 튜브형 수소분리막 모듈이 2이상 직렬로 연결된 실시형태이다.
도 12는 Permeation port와 feed port가 연결되어 수소 순도를 높이는 기존 분리 cascade 방식을 나타낸 공정도이다.
1 is a conceptual diagram for explaining the principle of operation of a separation membrane module having a tubular hydrogen separation membrane according to an embodiment of the present invention.
2 to 4 are examples of configuring the two-stage tubular hydrogen separation membrane module of FIG. 1 using a partition wall.
5 to 10 are various embodiments of a membrane reactor to which the working principle of a tubular hydrogen separation membrane module is applied according to an embodiment of the present invention.
11 is an embodiment in which two or more tubular hydrogen separation membrane modules designed to increase the hydrogen recovery rate are connected in series according to an embodiment of the present invention.
12 is a process diagram illustrating a conventional separation cascade method in which a permeation port and a feed port are connected to increase the purity of hydrogen.

이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 구체적으로 설명한다. 다만, 하기 실시예는 본 발명의 기술적 특징을 명확하게 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 보호범위를 한정하는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples. However, the following examples are only for clearly illustrating the technical features of the present invention, and do not limit the protection scope of the present invention.

도 1의 본 발명의 일구체예에 따른 작용원리를 튜브형 수소분리막 설계에 적용하면, 격벽을 통해 제1공간(1st room), 제2공간(2nd room)으로 구획된 각 공간에, 외부(outside) 제1면에서 내부(inside) 제2면으로 수소를 통과시키는 튜브형 수소분리막을 기준으로 제1면 측에서의 수소분압(Poutside) > 제2면 측에서의 수소분압 (Pinside)이고 수소분리막을 통과한 수소를 제2면 측 개방된 부분을 통해 배출시키는 튜브형 수소분리막을 하나 이상 배치하여 2단 튜브형 수소분리막 모듈을 제작할 수 있으며, 도 2 내지 도 4에 예시되어 있다. 도 2 내지 도 4의 본 발명의 일구체예에 따른 튜브형 수소분리막 모듈에서, (i) 모듈 상부 측면에 구성된 공급부(feed)로 수소생산에 필요한 반응물 (예, 천연가스+스팀 등) 혹은 수소 함유 혼합가스 (예,H2 + CO2, CH4, CO, steam, O2 등)를 공급하는 단계; (ii) 공급부에 기체 도입시 나선형 유동화를 발생시켜 튜브형 분리막 길이 방향 주변으로 난류를 형성하는 기체흐름을 발생시키는 단계; (iii) 튜브형 분리막 길이 방향으로 제1 공간 및 제2 공간을 구별하는 격벽을 통해 1st room에서 1차 수소분리 후 남은 잔류 수소는 2nd room에서 분리되어 하부 collector에 포집되고 미분리된 가스는 retentate-side로 배출하는 단계를 수행할 수 있다. 이때, 선택적으로 collector에 메탄화 촉매를 장입하여 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 낮출 수 있다. When the principle of action according to one embodiment of the present invention of FIG. 1 is applied to the design of a tubular hydrogen separation membrane, in each space divided into a first space (1 st room) and a second space (2 nd room) through a partition wall, the outside (outside) Hydrogen partial pressure at the first side (P outside ) > Hydrogen partial pressure at the second side (P inside ) based on the tubular hydrogen separation membrane that allows hydrogen to pass from the first side to the second side, and the hydrogen separation membrane A two-stage tubular hydrogen separation membrane module can be manufactured by disposing one or more tubular hydrogen separation membranes for discharging the hydrogen that has passed through the open portion on the second side, as illustrated in FIGS. 2 to 4 . In the tubular hydrogen separation membrane module according to an embodiment of the present invention of FIGS. 2 to 4, (i) a reactant (eg, natural gas + steam, etc.) or hydrogen required for hydrogen production as a feed configured on the upper side of the module Supplying a mixed gas (eg, H 2 + CO 2 , CH 4, CO, steam, O 2, etc.); (ii) generating a gas flow that forms a turbulence in the longitudinal direction of the tubular separator by generating spiral fluidization when gas is introduced into the supply unit; (iii) after the first hydrogen separation from 1 st room through the first area and a second partition wall that distinguishes the second space to the tubular membrane longitudinally remaining residual hydrogen is separated from the 2 nd room it is trapped in the lower collector non-separated gas is A retentate-side release step can be performed. At this time, the carbon monoxide concentration can be lowered to 10ppm or less by selectively charging the methanation catalyst to the collector.

이하, 메탄 및 수증기 함유 가스로부터 수소생산과 이산화탄소 포집을 동시에 수행하면서 수소 농축 가스를 제조할 수 있는, 도 2 내지 도 4의 본 발명의 일구체예에 따라 튜브형 수소분리막 모듈을 구비한 분리막 반응기 및 이를 이용하는 공정에 대해, 도 5 내지 도 10으로 도식화된 튜브형 수소분리막 모듈을 구비한 분리막 반응기의 실시예들을 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하고자 한다. 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, a separation membrane reactor having a tubular hydrogen separation membrane module according to an embodiment of the present invention of FIGS. For a process using this, the present invention will be described in more detail through embodiments of a membrane reactor having a tubular hydrogen separation membrane module schematically illustrated in FIGS. 5 to 10 . These Examples are for explaining the present invention in more detail, and the scope of the present invention is not limited by these Examples.

도 8에는 쉘-앤-튜브형 분리막 반응기에서 튜브형 수소분리막 모듈의 구조가 개략적으로 도시되어 있으며, 쉘-앤-튜브형 수소분리막/이산화탄소 흡수제 하이브리드 개질반응기 (SEMR) 내에서 메탄가스의 개질 반응과 고순도 수소생산 및 이산화탄소 포집이 동시에 일어나는 장치를 도시한 모식도이다. 8 schematically shows the structure of a tubular hydrogen separation membrane module in a shell-and-tube type membrane reactor, and the reforming reaction of methane gas and high-purity hydrogen in a shell-and-tube type hydrogen separation membrane/carbon dioxide absorbent hybrid reformer (SEMR) It is a schematic diagram showing a device in which production and carbon dioxide capture occur simultaneously.

본 발명에 따라 수소 회수율을 증가시키도록 설계된 튜브형 수소분리막 모듈을 구비한 분리막 반응기는 촉매에 의한 메탄의 개질 반응과 Pd 기반 멤브레인을 통한 수소 분리막 반응이 동시에 일어나는 분리막 개질 반응기로서 사용할 수 있다.The membrane reactor having a tubular hydrogen separation membrane module designed to increase the hydrogen recovery rate according to the present invention can be used as a membrane reforming reactor in which the catalytic methane reforming reaction and the hydrogen separation membrane reaction through a Pd-based membrane occur simultaneously.

분리막 반응기는 튜브형 팔라듐 분리막과 상용 루테늄 촉매가 구획된 반응기의 셀 공간 내에서 접촉된 형태로 장착되어 있을 수 있다.In the membrane reactor, the tubular palladium membrane and the commercial ruthenium catalyst may be mounted in contact with each other in the cell space of the divided reactor.

본 발명의 분리막 반응기는 쉘-앤-튜브형 분리막 개질 반응기일 수 있고, 격벽에 의해 구획된 반응기의 셀 공간 내에는 반응식 1의 메탄의 수증기 개질 반응(SMR) 및 반응식 2의 수성가스 전환반응(WGS)을 수행하는 메탄 개질반응용 촉매와 이산화탄소 흡수제가 구비되어 있다.The membrane reactor of the present invention may be a shell-and-tube type membrane reforming reactor, and in the cell space of the reactor partitioned by a partition wall, methane steam reforming reaction (SMR) of Scheme 1 and water gas shift reaction (WGS) of Scheme 2 ), a catalyst for the methane reforming reaction and a carbon dioxide absorbent are provided.

[반응식 1][Scheme 1]

CH4 + H2O → CO + 3H2 CH 4 + H 2 O → CO + 3H 2

[반응식 2][Scheme 2]

CO + H2O → CO2 + H2 CO + H 2 O → CO 2 + H 2

또한, 쉘-앤-튜브형 분리막 반응기는, (i) 팔라듐계 치밀막 층; 확산 배리어(diffusion barrier) 층; 및 팔라듐계 치밀막을 투과한 수소 농축 가스 내 CO를 제거하도록, 수소가 투과한 permeate-side에 메탄화 촉매 활성이 있는 다공성 니켈 지지체를 구비한 튜브형 수소분리 복합막; 및 (ii) 중심에 배치된, 발열 반응용 튜브 또는 발열용 열 교환기를 구비할 수 있다. In addition, the shell-and-tube type membrane reactor, (i) a palladium-based dense membrane layer; a diffusion barrier layer; and a tubular hydrogen separation composite membrane having a porous nickel support having a methanation catalytic activity on the permeate-side through which hydrogen is permeated to remove CO in the hydrogen-enriched gas that has passed through the palladium-based dense membrane; and (ii) a tube for exothermic reaction or a heat exchanger for exothermic reaction, arranged in the center.

도 8에 도시된 바와 같이, 쉘-앤-튜브형 분리막 반응기는 메탄 함유 공급 가스를 상단으로부터 쉘-앤-튜브형 분리막 반응기의 구획된 쉘의 제1공간 내부로 공급하는 수단을 구비하고, 반응기 하단으로는 반응기 쉘 내 메탄 개질반응용 촉매에 의해 형성된 생성물 유체로부터 튜브형 수소분리막을 통해 농축 또는 분리된 수소를 배기하는 수단을 구비할 수 있다.As shown in FIG. 8 , the shell-and-tube type membrane reactor includes means for supplying the methane-containing feed gas from the top into the first space of the partitioned shell of the shell-and-tube type membrane reactor, and to the bottom of the reactor. may be provided with a means for evacuating the concentrated or separated hydrogen from the product fluid formed by the catalyst for methane reforming in the reactor shell through the tubular hydrogen separation membrane.

쉘-앤-튜브형 분리막 반응기에서 유체 흐름을 살펴보면, 먼저, 쉘-앤-튜브형 분리막 반응기 내 격벽을 통해 구획된 제1공간(1st room)에 메탄 함유 가스 및 스팀이 공급되고, 쉘-앤-튜브형 분리막 반응기 상단으로부터 반응기 쉘 내부로 공급하는 수단을 통해 공급되고 분배기(distributor)를 통해 쉘 내부로 균일하게 분배된 후 쉘 내부에 충진되어 있는 메탄 개질반응용 촉매로 인하여 개질 반응을 일으키고 이로부터 수소 및 이산화탄소 등을 포함하는 유체를 발생시킨다. 이후 발생된 유체로부터 이산화탄소는 쉘 내 메탄 개질반응용 촉매와 함께 충진되어 있는 건식 이산화탄소 흡수제에 의해 이산화탄소가 포집되고, 수소는 선택적으로 튜브형 수소분리막 내부로 통과하여, 고농도 수소를 포함한 투과 가스(permeate stream) 및 수소가 결핍된 유체인 배출 가스(retentate stream)로 각각 2종의 배기 가스로 분리되고, 상단의 배출 가스 배기 수단을 통해 수소 및 이산화탄소 일부 또는 전부가 제거된 미반응 유체가 배출되고 하단에 있는 투과 가스 배기 수단을 통해 수소가 풍부한 유체가 배출된다.Looking at the fluid flow in the shell-and-tube type membrane reactor, first, the methane-containing gas and steam are supplied to the first space (1 st room) partitioned through the partition wall in the shell-and-tube type membrane reactor, and the shell-and- After being supplied through a means for supplying from the top of the tubular membrane reactor into the reactor shell and uniformly distributed into the shell through a distributor, the reforming reaction occurs due to the catalyst for the methane reforming reaction charged inside the shell, and a fluid containing carbon dioxide and the like. Carbon dioxide from the generated fluid is then collected by a dry carbon dioxide absorbent filled with a catalyst for methane reforming in the shell, and hydrogen is selectively passed into the tubular hydrogen separation membrane, and a permeate stream containing high concentration hydrogen (permeate stream) ) and hydrogen-depleted fluid, which is separated into two types of exhaust gas, respectively, and the unreacted fluid from which some or all of hydrogen and carbon dioxide have been removed is discharged through the exhaust gas exhaust means at the top, and at the bottom The hydrogen-rich fluid is evacuated through a permeate gas exhaust means.

본 발명의 쉘-앤-튜브형 분리막 반응기는 쉘 내 (i) 메탄 개질반응용 촉매에 의해 형성된 합성가스 중 수소, (ii) 수성가스 전환반응의 생성물 중 수소, 및/또는 (iii) 반응물인 메탄 함유 가스(예, COG) 내 수소가 튜브형 수소분리 복합막을 관통하여 튜브형 수소분리 복합막 안쪽으로 농축 또는 분리되고, 쉘 내 (i) 반응식 2의 수성가스 전환반응(WGS)에서 형성된 이산화탄소, 및/또는 (ii) 반응물인 메탄 함유 가스(예, COG) 중 이산화탄소가 쉘 내 메탄 개질 반응용 촉매와 함께 있는 이산화탄소 흡수제 입자(s)에 의해 포집될 수 있다. 따라서, 메탄가스 개질 반응과 동시에 튜브형 수소분리 복합막을 통해 수소 및 이산화탄소가 분리됨으로써, 르샤를리에 법칙에 의하여 열역학적 평형을 파괴해 반응식 1 및 반응식 2의 정반응을 모두 촉진하여, 특히 반응식 1의 공정효율을 극대화할 수 있다. 이로 인해, 300~600 ℃의 저온에서도 반응식 1의 열역학적 평형 이상의 전환율을 확보할 수 있다.The shell-and-tube membrane reactor of the present invention is a shell in (i) hydrogen in synthesis gas formed by a catalyst for methane reforming, (ii) hydrogen in a product of a water gas conversion reaction, and/or (iii) methane as a reactant Hydrogen in the containing gas (eg, COG) penetrates the tubular hydrogen separation composite membrane and is concentrated or separated into the tubular hydrogen separation composite membrane, and in the shell (i) carbon dioxide formed in the water gas shift reaction (WGS) of Reaction Formula 2, and / Or (ii) carbon dioxide in the reactant methane-containing gas (eg, COG) may be captured by the carbon dioxide absorbent particles (s) together with the catalyst for the methane reforming reaction in the shell. Therefore, hydrogen and carbon dioxide are separated through the tubular hydrogen separation composite membrane at the same time as the methane gas reforming reaction, thereby destroying the thermodynamic equilibrium according to LeCharlier's law to promote both the forward reactions of Schemes 1 and 2, especially the process efficiency of Scheme 1 can be maximized. For this reason, even at a low temperature of 300 ~ 600 ℃, it is possible to secure the conversion rate above the thermodynamic equilibrium of Scheme 1.

예컨대, 쉘-앤-튜브형 분리막 반응기에서 반응기 쉘 내부로 공급되는 천연가스와 스팀은 제1공간에서 1차적으로 메탄 개질 반응이 일어난다. 이어서, 제1공간의 메탄 함유 배출가스는 제2공간으로 공급되고, 제2공간 쉘 내부에 충진된 개질 촉매에 의해 2차적으로 메탄 개질 반응이 일어난다. 이때 발생되는 수소 및 이산화탄소 등을 포함하는 유체 중에서 수소는 튜브형 수소분리막의 안쪽으로 선택적으로 분리되면서 이산화탄소는 쉘 내 메탄 개질 반응용 촉매와 함께 있는 이산화탄소 흡수제 입자(s)에 의해 포집되어, 천연가스 개질 반응이 일어나는 쉘 내 수소 및 이산화탄소가 제거됨으로써, 고순도 수소 생산 및 이산화탄소 포집이 동시에 가능할 뿐만 아니라, 천연가스 개질 반응의 효율이 향상되어 이들 가스의 생산 효율이 우수하고 더욱 낮은 온도에서도 유사한 효율의 천연가스 개질 반응을 수행할 수 있다. 예컨대, 반응기의 온도를 100℃ 이상 낮춰서 유사한 반응 효율로 반응기를 운전할 수 있다. 또한, 르샤를리에 법칙에 의하여 열역학적 평형을 파괴해 300~600 ℃ 의 저온에서도 열역학적 평형 이상의 전환율을 확보할 수 있을 뿐만 아니라, 기존 650~900℃에서 운전하던 개질기 온도를 300~650℃로 낮출 수 있어 운전효율이 우수하고 개질기 온도가 낮아 중저온용 재질로 반응기를 구성할 수 있어 경제적인 반응기 구성이 가능하다. 나아가, 반응과 동시에 고순도수소생산 및 이산화탄소 포집이 가능하여 후단수소정제공정 및 이산화탄소 포집공정을 배재할 수 있어 도 5 내지 도 10에 도시된 바와 같이 컴팩트한 공정구성이 가능하고 환경 친화적인 청정에너지생산기술이다. 즉, 천연가스를 이용한 청정에너지생산기술에 있어 본 발명에 따라 튜브형 수소분리막 모듈 및 이산화탄소 흡수제가 구비된 쉘-앤-튜브형 분리막 개질 반응기를 사용할 경우 고순도수소를 생산함과 동시에 이산화탄소를 분리할 수 있어 컴팩트한 공정구성이 가능할 뿐만 아니라 경제적인 운전이 가능하다.For example, in the shell-and-tube type membrane reactor, natural gas and steam supplied into the reactor shell undergo a primary methane reforming reaction in the first space. Subsequently, the methane-containing exhaust gas of the first space is supplied to the second space, and the methane reforming reaction occurs secondarily by the reforming catalyst charged in the shell of the second space. In the fluid containing hydrogen and carbon dioxide, etc. generated at this time, hydrogen is selectively separated into the inside of the tubular hydrogen separation membrane, while carbon dioxide is captured by the carbon dioxide absorbent particles (s) together with the catalyst for the methane reforming reaction in the shell, natural gas reforming By removing hydrogen and carbon dioxide in the shell where the reaction takes place, not only high-purity hydrogen production and carbon dioxide capture are possible at the same time, but also the efficiency of the natural gas reforming reaction is improved, so that the production efficiency of these gases is excellent and natural gas with similar efficiency even at a lower temperature A reforming reaction may be carried out. For example, the reactor can be operated with a similar reaction efficiency by lowering the temperature of the reactor by 100° C. or more. In addition, by destroying the thermodynamic equilibrium according to LeCharlier's law, it is possible to secure a conversion rate above the thermodynamic equilibrium even at a low temperature of 300 to 600 ℃, and to lower the temperature of the reformer, which was operated from 650 to 900 ℃, to 300 to 650 ℃. It has excellent operating efficiency and low reformer temperature, so the reactor can be constructed with materials for medium and low temperature, making it possible to construct an economical reactor. Furthermore, since it is possible to produce high-purity hydrogen and capture carbon dioxide at the same time as the reaction, the downstream hydrogen purification process and carbon dioxide capture process can be excluded, so that a compact process configuration is possible as shown in FIGS. it's technology That is, when using a shell-and-tube type membrane reforming reactor equipped with a tubular hydrogen separation membrane module and a carbon dioxide absorber according to the present invention in a clean energy production technology using natural gas, high purity hydrogen can be produced and carbon dioxide can be separated at the same time. A compact process configuration is possible as well as economical operation.

또한, SMR반응이 흡열반응임에 따라 열원 공급을 위해 가스버너, 블로윙 히터, 인덕션 중 한가지 이상 조합으로 가능하다. In addition, since the SMR reaction is an endothermic reaction, it is possible to use a combination of at least one of a gas burner, a blowing heater, and induction to supply a heat source.

도 8에 나타난 바와 같이 분리막-흡수제 하이브리드 시스템은 SMR 반응에서 Le Chateller's principle 원리에 따라 생성물인 수소와 이산화탄소를 지속적으로 제거해줌에 따라 반응효율을 극대화시킬 수 있다. As shown in FIG. 8, the membrane-absorbent hybrid system can maximize reaction efficiency by continuously removing hydrogen and carbon dioxide, which are products, according to Le Chateller's principle in the SMR reaction.

또한, 반응이 끝난 후 분리된 고순도 수소를 제외한 Retentate 내의 가스는 Tail gas로써 연소반응을 통해 발생된 열을 열교환기를 통하여 전체 공정에 이용하도록 열효율을 향상시킬 수 있다.In addition, the gas in the retentate except for the high-purity hydrogen separated after the reaction is a tail gas can improve the thermal efficiency so that the heat generated through the combustion reaction is used for the entire process through the heat exchanger.

Claims (27)

수소 회수율을 증가시키도록 설계된 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈로서,
모듈 입구(feed port)로부터 출구로 연결되는 기체 흐름 방향을 기준으로 격벽을 통해 제1공간(1st room), 제2공간(2nd room), …, 제n공간(nth room) (n ≥ 2)을 나누고,
각 공간에, 외부(outside)인 제1면에서 내부(inside)인 제2면으로 수소를 통과시키는 튜브형 수소분리막을 기준으로 제1면 측에서의 수소분압(Poutside) > 제2면 측에서의 수소분압 (Pinside)이고 수소분리막을 통과한 수소를 제2면 측 개방된 부분을 통해 배출시키는 튜브형 수소분리막이 하나 이상 배치된 것이 특징인 분리막 모듈.
As a separation membrane module having a tubular hydrogen separation membrane designed to increase the hydrogen recovery rate,
The first space (1 st room), the second space (2 nd room), . , divide the n th room (n ≥ 2),
In each space, hydrogen partial pressure at the first side (P outside ) > hydrogen partial pressure at the second side ( P inside ) and a separation membrane module characterized in that one or more tubular hydrogen separation membranes are disposed to discharge hydrogen that has passed through the hydrogen separation membrane through the open part on the second side.
제1항에 있어서, 제1공간(1st room)에 배치된 제1 튜브형 수소분리막의 길이, 제2공간(2nd room)에 배치된 제2 튜브형 수소분리막의 길이, …, 및 제n공간(nth room)에 배치된 제n 튜브형 수소분리막의 길이의 총합에 해당하는 길이의 튜브형 수소분리막에서의 수소회수율 보다,
제1 튜브형 수소분리막에서의 수소회수량, 제2 튜브형 수소분리막에서의 수소회수량, …, 및 제n 튜브형 수소분리막에서의 수소회수량의 총 합이 더 큰 것이 특징인 분리막 모듈.
The method of claim 1, wherein the length of the first tubular hydrogen separation membrane disposed in the first space (1 st room), the length of the second tubular hydrogen separation membrane disposed in the second space (2 nd room), ... , and than the hydrogen recovery rate in the tubular hydrogen separation membrane having a length corresponding to the sum of the lengths of the nth tubular hydrogen separation membrane disposed in the n th room,
Hydrogen recovery amount in the first tubular hydrogen separation membrane, hydrogen recovery amount in the second tubular hydrogen separation membrane, … , and a separation membrane module characterized in that the sum of the hydrogen recovery amount in the nth tubular hydrogen separation membrane is larger.
제1항에 있어서, 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈에서의 총 수소회수량은, 제1공간에 배치된 제1 튜브형 수소분리막들로 구성된 제1단 모듈에서의 수소회수량, 제2공간에 배치된 제2 튜브형 수소분리막들로 구성된 제2단 모듈에서의 수소회수량, …, 및 제n공간에 배치된 제n 튜브형 수소분리막들로 구성된 제n단 모듈에서의 수소회수량의 총 합인 것이 특징인 분리막 모듈.According to claim 1, wherein the total amount of hydrogen recovery in the separation membrane module having a tubular hydrogen separation membrane, the hydrogen recovery amount in the first stage module composed of the first tubular hydrogen separation membranes disposed in the first space, in the second space Hydrogen recovery amount in the second stage module composed of the arranged second tubular hydrogen separation membranes, ... , and a separation membrane module characterized in that it is the sum of the hydrogen recovery amount in the n-th stage module composed of the n-th tubular hydrogen separation membranes disposed in the n-th space. 제1항에 있어서, 모듈 입구로부터 격벽을 통해 구분된 각 공간을 연속적으로 흘러 반응기 밖으로 배출되는 기체는 수소분리막을 통해 수소가 제거된 잔류(retentate) 기체이고,
수소분리막을 통해 수소가 제거된 잔류(retentate) 기체 흐름이 배출되는 출구(retentate port)와 수소분리막을 통과하여 튜브형 수소분리막의 내부 공간에서 수집된 수소가 배출되는 출구(permeation port)가 구별되도록 설계된 것이 특징인 분리막 모듈.
The method according to claim 1, wherein the gas continuously flowing through each space separated through the partition wall from the module inlet and discharged out of the reactor is a retentate gas from which hydrogen has been removed through a hydrogen separation membrane,
Designed to distinguish a retentate port from which the retentate gas flow from which hydrogen has been removed through the hydrogen separation membrane is discharged and an outlet through which hydrogen collected in the inner space of the tubular hydrogen separation membrane passing through the hydrogen separation membrane is discharged (permeation port) A separation membrane module characterized in that.
제1항에 있어서, 제1 공간에서 1차 수소분리 후 남은 잔류 수소는 제2 공간에서 분리되고,
제1 공간 및 제2 공간에서 수소분리막을 통해 분리된 수소는 반응기 내 수집기(collector)에 포집되고, 미분리된 잔류 기체는 잔류 기체 출구(retentate port)를 통해 배출되는 것이 특징인 분리막 모듈.
According to claim 1, Residual hydrogen remaining after the primary hydrogen separation in the first space is separated in the second space,
Separation membrane module, characterized in that the hydrogen separated through the hydrogen separation membrane in the first space and the second space is collected by a collector in the reactor, and the unseparated residual gas is discharged through a retentate port.
제1항에 있어서, 수소 회수율을 증가시키도록 설계된 튜브형 수소분리막을 구비한 분리막 모듈이 2이상 직렬로 연결된 것으로, 전단(upstream) 분리막 모듈에서 수소가 제거된 잔류 기체의 출구(retentate port)가 후단(downstream) 분리막 모듈의 입구(feed port)에 연결된 것이 특징인 분리막 모듈.According to claim 1, wherein two or more separation membrane modules having a tubular hydrogen separation membrane designed to increase the hydrogen recovery rate are connected in series, and an outlet (retentate port) of the residual gas from which hydrogen has been removed from the upstream membrane module is the rear end (downstream) Membrane module characterized in that it is connected to the inlet (feed port) of the membrane module. 제1항에 있어서, 모듈 입구(feed port)를 통해 제1 공간에 공급되는 기체 흐름에 나선형 유동화를 발생시켜, 튜브형 수소분리막 주변으로 난류를 형성시키는 것이 특징이 분리막 모듈.The separation membrane module according to claim 1, wherein the helical fluidization is generated in the gas flow supplied to the first space through the module inlet (feed port) to form turbulence around the tubular hydrogen separation membrane. 제1항에 있어서, 모듈 입구(feed port)를 통해 제1 공간에 공급되는 기체 흐름에 하강하는 나선형 유동화를 발생시키기 위해, 분리막 모듈 상부 측면 또는 상단에 분리막 모듈 입구를 배치하고,
하강하는 나선형 유동화를 통해 제1공간을 흐른 후 제2공간으로 역류 상승하는 방향으로 흐르는 것이 특징인 분리막 모듈.
The method according to claim 1, wherein the separation membrane module inlet is disposed on the upper side or upper side of the separation membrane module in order to generate a downward spiral fluidization in the gas flow supplied to the first space through the module feed port,
A separation membrane module characterized in that it flows in a countercurrent upward direction into the second space after flowing through the first space through a descending spiral fluidization.
제8항에 있어서, 효율적으로 하강하는 나선형 유동화를 발생시키기 위해, 모듈 입구(feed port)가 배치된 분리막 모듈 상단에서 시작하는 제1 공간 상부는 원뿔 또는 꼭짓점이 잘린 원뿔대 형태인 것이 특징인 분리막 모듈.The separation membrane module according to claim 8, wherein the upper portion of the first space starting from the top of the separation membrane module where the module feed port is disposed is in the form of a cone or a truncated truncated cone in order to efficiently generate a descending spiral fluidization. . 제1항에 있어서, 모듈 입구를 통해 공급되는 유체에 선회 흐름(vortex)을 주어 제1 공간에 도입시키고, 제1 공간에서의 선회 흐름 효과(Vortex effect)에 의해 제2공간으로 역류 상승하면서 유입시키며,
제1 공간에서의 선회 흐름은 튜브형 수소분리막을 휘감으면서 수소분리가 일어나도록 구동하는 것이 특징인 분리막 모듈.
The method of claim 1, wherein the fluid supplied through the module inlet is introduced into the first space by giving a vortex flow, and is introduced while rising countercurrently into the second space by the vortex effect in the first space. make it,
Separation membrane module, characterized in that the swirling flow in the first space is driven so that hydrogen separation occurs while winding the tubular hydrogen separation membrane.
제1항에 있어서, 튜브형 수소분리막들을 구비한 쉘-앤-튜브형 모듈 인 것이 특징인 분리막 모듈.The separation membrane module according to claim 1, characterized in that it is a shell-and-tube type module having tubular hydrogen separation membranes. 제1항에 있어서, 하나 이상의 격벽은 쉘-앤-튜브형 모듈 내부에 동심원 상에 배치되고, 격벽을 통해 구분된 공간에 튜브형 수소분리막을 구비한 것이 특징인 분리막 모듈.The separation membrane module according to claim 1, wherein the one or more partition walls are arranged concentrically inside the shell-and-tube module, and a tubular hydrogen separation membrane is provided in a space separated through the partition wall. 제1항에 있어서, 모듈 입구를 통해 공급되는 가스 중 산소가 포함되는 경우 수소 연소로 인한 폭발을 방지하기 위해 불활성 가스를 추가로 공급하는 것이 특징인 분리막 모듈.The separation membrane module according to claim 1, wherein when oxygen is included in the gas supplied through the module inlet, an inert gas is additionally supplied to prevent an explosion due to hydrogen combustion. 제1항에 있어서, 수소분리막은 팔라듐계 수소분리막인 것이 특징인 분리막 모듈.The separation membrane module according to claim 1, wherein the hydrogen separation membrane is a palladium-based hydrogen separation membrane. 제1항에 있어서, 수소분리막은 팔라듐계 치밀막 층; 선택적으로 확산 배리어(diffusion barrier) 층; 및 다공성 지지체가 적층된 수소분리막인 것이 특징인 분리막 모듈.According to claim 1, wherein the hydrogen separation membrane is a palladium-based dense layer; optionally a diffusion barrier layer; and a hydrogen separation membrane on which a porous support is laminated. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 모듈 입구(feed port)를 통해 수소생산에 필요한 반응물 또는 수소 함유 혼합가스가 공급되는 것이 특징인 분리막 모듈.The separation membrane module according to any one of claims 1 to 15, wherein a reactant or hydrogen-containing mixed gas required for hydrogen production is supplied through a module feed port. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 수소분리막의 제2면에는 수소분리막을 투과한 수소 농축 가스내 CO를 제거하는 메탄화 촉매 활성이 있는 것이 특징인 분리막 모듈.[16] The membrane module according to any one of claims 1 to 15, wherein the second surface of the hydrogen separation membrane has a methanation catalytic activity for removing CO in the hydrogen-enriched gas that has passed through the hydrogen separation membrane. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 튜브형 수소분리막의 내부 공간으로 분리 및 수집된 수소를 포집하는 분리막 모듈 내 수집부(collector)에 메탄화 촉매를 장입하여, 수소분리막을 통해 분리된 수소가 배출되는 모듈의 출구(permeation port)에서 일산화탄소 농도를 10ppm 이하로 낮추는 것이 특징인 분리막 모듈.16. The method of any one of claims 1 to 15, wherein a methanation catalyst is charged in a collector in a separation membrane module for collecting hydrogen separated and collected into the inner space of the tubular hydrogen separation membrane, and separation through the hydrogen separation membrane A separation membrane module characterized in that the carbon monoxide concentration is lowered to 10 ppm or less at the permeation port of the module through which the hydrogen is discharged. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 분리막 모듈 내부에 촉매가 장착되어 화학반응이 가능한 분리막 반응기로서,
수소 회수율을 증가시키도록 설계된 수소분리막 모듈을 구비한 분리막 반응기는 격벽에 의해 구분된 쉘 공간 내 충진된 촉매에 의한 수소 생성 반응과 이의 생성물인 수소가 Pd 기반 멤브레인을 통한 수소 분리가 동시에 일어나는 것이며,
격벽에 의해 구분된 쉘 공간 내 장착된 촉매로 (i) 개질 촉매, (ii) 개질 촉매와 수성가스 전환반응(water-gas shift reaction, WGS)용 촉매, (iii) 개질 촉매와 CO2 흡착제, (iv) 개질 촉매와 수성가스 전환반응용 촉매와 CO2 흡착제, (v) 수성가스 전환반응용 촉매, (vi) 수성가스 전환반응용 촉매와 CO2 흡착제를 사용하는 것이 특징인 분리막 반응기.
As a separation membrane reactor in which a catalyst is mounted inside the separation membrane module according to any one of claims 1 to 15 to enable a chemical reaction,
In a membrane reactor equipped with a hydrogen separation membrane module designed to increase the hydrogen recovery rate, the hydrogen generation reaction by the catalyst filled in the shell space separated by the partition wall and the hydrogen separation of the product hydrogen through the Pd-based membrane occur simultaneously,
A catalyst installed in a shell space separated by a partition wall, (i) a reforming catalyst, (ii) a reforming catalyst and a catalyst for water-gas shift reaction (WGS), (iii) a reforming catalyst and a CO 2 adsorbent, (iv) a reforming catalyst, a catalyst for water gas conversion reaction, and a CO 2 adsorbent, (v) a catalyst for water gas conversion reaction, and (vi) a catalyst for water gas conversion reaction and a CO 2 adsorbent.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 분리막 모듈에서 수소를 생산하는 방법.A method for producing hydrogen in the separation membrane module according to any one of claims 1 to 15. 제19항에 기재된 분리막 반응기에서, 메탄 함유 가스로부터 농축된 수소를 생산하는 방법으로서,
격벽에 의해 구획된 적어도 하나의 공간에서 메탄 개질반응을 수행하는 제1단계; 및
메탄 개질반응이 수행되는 공간에 배치된 튜브형 수소분리막을 통해 메탄 개질 반응에서 합성된 수소를 분리시키는 제2단계를 포함하고,
수소분리막의 제1면 측에서 메탄 개질 반응이 일어나고 제1면에서 제2면으로 생성된 수소를 통과시켜 제1면 측에서 일어나는 메탄 개질 반응에서 생성물인 수소가 제거되며 제2면 측에 수소를 농축시키는 것이 특징인 수소 생산 방법.
A method for producing concentrated hydrogen from a methane-containing gas in the separation membrane reactor according to claim 19, comprising:
A first step of performing a methane reforming reaction in at least one space partitioned by a partition; and
A second step of separating hydrogen synthesized in the methane reforming reaction through a tubular hydrogen separation membrane disposed in a space in which the methane reforming reaction is performed,
The methane reforming reaction takes place on the first side of the hydrogen separation membrane, and the hydrogen generated from the first side passes through the second side to remove hydrogen as a product in the methane reforming reaction that occurs on the first side, and hydrogen is added to the second side. A method for producing hydrogen characterized by concentration.
제21항에 있어서, 수소가 분리 제거된 Retentate 내의 가스는 Tail gas로써 연소반응을 통해 발생된 열을 열교환기를 통하여 전체 공정에 이용하도록 열효율을 향상시키는 것이 특징인 수소 생산 방법.22. The method of claim 21, wherein the gas in the retentate from which hydrogen is separated and removed is a tail gas, and the heat generated through the combustion reaction is used for the entire process through a heat exchanger to improve thermal efficiency. 제21항에 있어서, 메탄 함유 가스는 제철공정에서 발생하는 500℃ ±100 ℃의 고온 부생가스로부터 제공되는 것이며, 고온 부생가스 내 CO2를 포집하면서 고순도의 수소를 생산하는 것이 특징인 수소 생산 방법.22. The method of claim 21, wherein the methane-containing gas is provided from a high-temperature by-product gas of 500°C ±100°C generated in the ironmaking process, and the method for producing high-purity hydrogen is characterized by producing high-purity hydrogen while capturing CO 2 in the high-temperature by-product gas. . 제21항에 있어서, 메탄 함유 가스는 천연가스, 셰일가스, 또는 코크스 오븐 가스(Coke Oven Gas, COG)인 것이 특징인 수소 생산 방법.22. The method of claim 21, wherein the methane-containing gas is natural gas, shale gas, or Coke Oven Gas (COG). 제21항에 있어서, 수소 농축 가스는 연료전지의 연료로, 또는 암모니아 합성, 정유공정, 제련공정, 폴리실리콘 제조공정, 반도체 제조공정 또는 LED 제조공정의 수소로 사용되는 것이 특징인 수소 생산 방법.22. The method of claim 21, wherein the hydrogen-enriched gas is used as a fuel for a fuel cell or as hydrogen for ammonia synthesis, an oil refining process, a smelting process, a polysilicon manufacturing process, a semiconductor manufacturing process, or an LED manufacturing process. 제21항에 있어서, 주요성분이 수소와 메탄인 코크스 오븐 가스(COG)로부터 COG 가스 중의 CO2를 포집하면서 고순도의 수소를 생산하는 것이 특징인 수소 생산 방법.22. The method of claim 21, wherein high purity hydrogen is produced while capturing CO 2 in the COG gas from coke oven gas (COG) whose main components are hydrogen and methane. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 기재된 분리막 모듈; 및 상기 분리막 모듈에서 제공되는 수소 농축 가스를 연료로 사용하는 연료전지를 구비한 전기에너지 발생 장치.The separation membrane module according to any one of claims 1 to 15; and a fuel cell using the hydrogen enriched gas provided from the separation membrane module as a fuel.
KR1020200009055A 2020-01-23 2020-01-23 Membrane Module with Tubular Hydrogen Separator designed to increase hydrogen recovery and Device and Process for hydrogen production using the same KR102298046B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200009055A KR102298046B1 (en) 2020-01-23 2020-01-23 Membrane Module with Tubular Hydrogen Separator designed to increase hydrogen recovery and Device and Process for hydrogen production using the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020200009055A KR102298046B1 (en) 2020-01-23 2020-01-23 Membrane Module with Tubular Hydrogen Separator designed to increase hydrogen recovery and Device and Process for hydrogen production using the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20210095758A true KR20210095758A (en) 2021-08-03
KR102298046B1 KR102298046B1 (en) 2021-09-07

Family

ID=77314370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020200009055A KR102298046B1 (en) 2020-01-23 2020-01-23 Membrane Module with Tubular Hydrogen Separator designed to increase hydrogen recovery and Device and Process for hydrogen production using the same

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102298046B1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113968573A (en) * 2021-11-29 2022-01-25 大连理工大学盘锦产业技术研究院 Method and system for co-processing hydrogen-containing tail gas of multiple types of hydrogen production devices
CN114484285A (en) * 2022-04-01 2022-05-13 正和集团股份有限公司 Pressure adjusting method for hydrogen pipe network of oil refinery
KR20230048180A (en) * 2021-10-01 2023-04-11 현대제철 주식회사 Processing method of hydrogen gas using steel by-product gas

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4665656B2 (en) * 2005-08-10 2011-04-06 トヨタ自動車株式会社 Hydrogen permeable membrane and method for producing hydrogen permeable membrane
US20130136666A1 (en) * 2011-11-24 2013-05-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Separation membrane, method of manufacture thereof, and apparatus including the separation membrane
KR20170087812A (en) * 2016-07-15 2017-07-31 한국에너지기술연구원 Device and Process for multi-stage of catalytic reaction occurring in at least two reaction modules including catalytic reactor and adsorption reactor
KR101807112B1 (en) * 2014-10-22 2017-12-11 한국에너지기술연구원 A shell-and-tube type reactor for reforming natural gas and a preparation method of syngas or hydrogen gas by using the same
KR20190143593A (en) * 2018-06-21 2019-12-31 한국에너지기술연구원 Pd-based metal dense hydrogen permeation membrane using a Ni-based porous support with methanation catalyst function

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4665656B2 (en) * 2005-08-10 2011-04-06 トヨタ自動車株式会社 Hydrogen permeable membrane and method for producing hydrogen permeable membrane
US20130136666A1 (en) * 2011-11-24 2013-05-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Separation membrane, method of manufacture thereof, and apparatus including the separation membrane
KR101807112B1 (en) * 2014-10-22 2017-12-11 한국에너지기술연구원 A shell-and-tube type reactor for reforming natural gas and a preparation method of syngas or hydrogen gas by using the same
KR20170087812A (en) * 2016-07-15 2017-07-31 한국에너지기술연구원 Device and Process for multi-stage of catalytic reaction occurring in at least two reaction modules including catalytic reactor and adsorption reactor
KR20190143593A (en) * 2018-06-21 2019-12-31 한국에너지기술연구원 Pd-based metal dense hydrogen permeation membrane using a Ni-based porous support with methanation catalyst function

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230048180A (en) * 2021-10-01 2023-04-11 현대제철 주식회사 Processing method of hydrogen gas using steel by-product gas
CN113968573A (en) * 2021-11-29 2022-01-25 大连理工大学盘锦产业技术研究院 Method and system for co-processing hydrogen-containing tail gas of multiple types of hydrogen production devices
CN113968573B (en) * 2021-11-29 2023-07-25 大连理工大学盘锦产业技术研究院 Method and system for cooperatively treating hydrogen-containing tail gas of various hydrogen production devices
CN114484285A (en) * 2022-04-01 2022-05-13 正和集团股份有限公司 Pressure adjusting method for hydrogen pipe network of oil refinery
CN114484285B (en) * 2022-04-01 2022-06-10 正和集团股份有限公司 Pressure adjusting method for hydrogen pipe network of oil refinery

Also Published As

Publication number Publication date
KR102298046B1 (en) 2021-09-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102622341B1 (en) Device and Process for simultaneous carbon dioxide capture and hydrogen production with hybrid process of hydrogen separation and carbon dioxide sorption
KR101807112B1 (en) A shell-and-tube type reactor for reforming natural gas and a preparation method of syngas or hydrogen gas by using the same
Tosti et al. Design and process study of Pd membrane reactors
US6090312A (en) Reactor-membrane permeator process for hydrocarbon reforming and water gas-shift reactions
KR102298046B1 (en) Membrane Module with Tubular Hydrogen Separator designed to increase hydrogen recovery and Device and Process for hydrogen production using the same
US6171574B1 (en) Method of linking membrane purification of hydrogen to its generation by steam reforming of a methanol-like fuel
CA2515514C (en) Pressure swing reforming for fuel cell systems
US6992112B2 (en) Selective removal of oxygen from syngas
EP1829821A1 (en) Membrane process for hydrogen production from reforming of organic products, such as hydrocarbons or alcohols
WO2006017022A2 (en) Systems and methods for hydrogen production
KR101164546B1 (en) Multi water-gas shift membrane reactor for the high concentration hydrogen production
KR102075627B1 (en) Pd-based metal dense hydrogen permeation membrane using a Ni-based porous support with methanation catalyst function
JP2023530356A (en) Hydrogen production using a membrane reformer
US20140120023A1 (en) Methods and systems for ammonia production
EP2212244A1 (en) Process to prepare a mixture of hydrogen and carbon monoxide
JP3406021B2 (en) Hydrogen production equipment
Brunetti et al. Membrane reactors for hydrogen production
Ganguli et al. Hydrogen production using advanced reactors by steam methane reforming: a review
US7897122B2 (en) Hybrid adsorptive membrane reactor
KR102168018B1 (en) Fuel cell system associated with a fuel reformer that additionally performs methanation
KR102508711B1 (en) Hydrogen amplification process from by-product gas using a hydrogen separation membrane
Wang et al. Membrane reactors for hydrogen production from coal
KR102344813B1 (en) Device and Process for hydrogen production using pre-reformer and membrane reformer
KR20220063531A (en) Method for producing a crystallized laminated film by sequentially laminating powder particles on a cylindrical or tubular support
Lukyanov Obtaining ultra-pure hydrogen for fuel cells in the reactors with membrane separation

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant