KR20220007440A - Multi-layered tubular reactor for methanol synthesis from synthesis gas - Google Patents

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Abstract

The present invention is a tube-type reactor with a multi-layer structure, comprising: an inner tube of different diameters disposed to have the center of a cavity in turn from the inside; a catalyst tube; and a shell, and specifically, to a reactor for methanol production from syngas, which contains a cooling medium inside the shell and has a source gas injection unit at a lower part of the inner tube, wherein the catalyst tube is filled with a catalyst for methanol synthesis, and an upper part of the inner tube and an upper part of the catalyst tube are connected to each other.

Description

합성 가스로부터 메탄올 제조를 위한 다층 튜브형 반응기{Multi-layered tubular reactor for methanol synthesis from synthesis gas}Multi-layered tubular reactor for methanol synthesis from synthesis gas

본 발명은 내부로부터 차례로 공동의 중심을 갖도록 배치된 상이한 직경의 내부 튜브, 촉매 튜브 및 쉘을 포함하는, 다층 구조의 튜브형 반응기로서, 구체적으로, 쉘의 내부에는 냉각 매질을 함유하며, 내부 튜브의 하부에 원료 가스 주입부가 구비되고, 상기 촉매 튜브에는 메탄올 합성용 촉매가 충진되고, 내부 튜브의 상부와 촉매 튜브의 상부는 서로 연결된 것인, 합성 가스(syngas)로부터 메탄올 제조용 반응기에 관한 것이다.The present invention is a tubular reactor of a multi-layer structure, comprising an inner tube, a catalyst tube and a shell of different diameters arranged to have a center of a cavity in turn from the inside, specifically, the inside of the shell contains a cooling medium, It relates to a reactor for producing methanol from synthesis gas (syngas), in which a source gas injection unit is provided at a lower portion, the catalyst tube is filled with a catalyst for methanol synthesis, and the upper portion of the inner tube and the upper portion of the catalyst tube are connected to each other.

합성 가스(CO 및 H2의 혼합물)로부터 탄화수소 및 알코올로의 촉매적 전환은 증가하는 에너지 수요 및 환경 문제로 탄소 순환을 개선하기 위한 가장 중요한 공정 중 하나이다. 메탄올은 그 자체로서 우수한 연료물질이며 전기 생산을 위한 연료 전지에 그리고 가솔린 대체제로서 직접 사용될 수 있는 다용도의 물질이다. 나아가, 디젤의 대체제인 디메틸에테르(dimethyl ether; DME) 또는 메탄올-투-올레핀(methanol-to-olefin) 공정에 의해 에틸렌 및 프로필렌을 위한 화학적 빌딩 블록으로 업그레이드될 수 있다. 최근 메탄올은 낮은 압력(5-10 MPa) 및 낮은 온도(473.15-573.15K) 조건 하에 Cu/ZnO/Al2O3 촉매 상에서 상업적으로 합성되고 있다. 메탄올은 고도의 발열 반응인 CO 수소화 반응, CO2 수소화 반응 및 수성가스이동(water-gas shift; WGS) 반응을 포함하는 일련의 공정을 통해 형성될 수 있다. 메탄올 합성 반응은 발열반응이며 가역적이고, 낮은 온도에서는 열역학적 평형 전환율은 높으나, 반응속도가 느려 다량의 촉매를 필요로 한다. 한편, 높은 온도에서는 반응 속도는 빨라지나 열역학적 평형 전환율은 낮아 CO 및 CO2 전환율을 감소시키고 촉매의 열적 안정성을 악화한다. 따라서, 높은 반응 속도를 위해 반응기 입구에서 적정 수준(<270℃)의 고온을 형성하고 이후 열역학적 평형 전환을 증가시키기 위해 출구 방향으로 온도를 점차 감소시키는 것은 메탄올 합성 반응기 구성에서 가장 중요한 이슈 중 하나이다.The catalytic conversion of syngas (a mixture of CO and H 2 ) to hydrocarbons and alcohols is one of the most important processes for improving the carbon cycle due to increasing energy demand and environmental concerns. Methanol by itself is an excellent fuel material and is a versatile material that can be used directly in fuel cells for electricity production and as a gasoline substitute. Furthermore, it can be upgraded to a chemical building block for ethylene and propylene by dimethyl ether (DME) or methanol-to-olefin processes, which are alternatives to diesel. Recently, methanol has been commercially synthesized on a Cu/ZnO/Al 2 O 3 catalyst under low pressure (5-10 MPa) and low temperature (473.15-57.15K) conditions. Methanol can be formed through a series of processes including highly exothermic CO hydrogenation reaction, CO 2 hydrogenation reaction, and water-gas shift (WGS) reaction. The methanol synthesis reaction is exothermic and reversible. At low temperatures, the thermodynamic equilibrium conversion rate is high, but the reaction rate is slow and a large amount of catalyst is required. On the other hand, at a high temperature, the reaction rate is increased, but the thermodynamic equilibrium conversion is low, so that the conversion of CO and CO 2 is reduced and the thermal stability of the catalyst is deteriorated. Therefore, it is one of the most important issues in the methanol synthesis reactor configuration to form a high temperature at the reactor inlet for a high reaction rate (<270° C.) and then gradually decrease the temperature toward the outlet to increase the thermodynamic equilibrium shift.

메탄올 생산을 위한 기존의 방법은 촉매 충진된 베드 반응기에서 CO, CO2, 및 H2 가스의 직접 조합을 기반으로 한다. 예컨대, 기존의 메탄올 반응기는 쉘과 촉매 펠렛으로 충진된 복수의 튜브를 구비한 튜브형 열교환기로 구성된다. 포화된 물이 반응기의 쉘 측을 통해 순환하면서 반응으로부터 발생하는 열을 제거한다. 반응의 평형 거동으로 인해, 기존의 반응기에서 메탄올 전환율은 낮게 유지되며, 미반응 합성 가스의 대부분은 공정에 재사용된다. 상기 기존의 반응기의 제약을 극복하기 위하여, 다양한 개선된 반응기가 제안되었다. Velardi와 Barresi는 3개 촉매 고정층 반응기를 결합하여 발열 및 평형-제한적 합성 반응의 성능을 향상시키고, 전환 시간, 주입 속도 및 주입구 온도와 같은 구동 변수의 생산성에 대한 효과를 평가하고자 하였다. Rahimpour와 Alizadehhesari는 막 이중 형태의 메탄올 반응기 시스템을 개발하여 그 성능을 기존의 이중 형태의 메탄올 합성 반응기와 비교하고 상기 개발된 반응기가 장기간 촉매 수명을 위한 유리한 온도 프로파일을 유도함을 입증하였다. Samimi 등은 메탄올 합성 반응기 전단에 설치된 역수상가스이동 반응기에 물 선택투과막을 적용하여, 공정에 있어서 추가적인 물 분리기를 필요로 하지 않음은 물론 메탄올 생산 속도가 현저히 증가하였음을 입증하였다. Rahmatmand 등은 단열 및 평판 수냉식 반응기가 2단계의 기존의 반응기 시스템을 대체하는 새로운 메탄올 합성 공정 형태를 도입하고, 수학적 모델링을 통해 촉매 내구성 향상에 의한 공정의 유효성을 뒷받침하였다.Existing methods for methanol production are based on the direct combination of CO, CO 2 , and H 2 gases in a catalyst packed bed reactor. For example, a conventional methanol reactor consists of a tubular heat exchanger having a shell and a plurality of tubes filled with catalyst pellets. Saturated water circulates through the shell side of the reactor, removing heat from the reaction. Due to the equilibrium behavior of the reaction, methanol conversion in the conventional reactor is kept low, and most of the unreacted synthesis gas is reused in the process. In order to overcome the limitations of the conventional reactor, various improved reactors have been proposed. Velardi and Barresi attempted to improve the performance of exothermic and equilibrium-limited synthesis reactions by combining three catalytic fixed bed reactors, and to evaluate the effects of driving variables such as conversion time, injection rate and inlet temperature on productivity. Rahimpour and Alizadehhesari developed a membrane dual type methanol reactor system, compared its performance with a conventional dual type methanol synthesis reactor, and demonstrated that the developed reactor induces a favorable temperature profile for long-term catalyst life. Samimi et al. applied the water selective permeation membrane to the reverse water gas shift reactor installed in front of the methanol synthesis reactor, and proved that an additional water separator was not required in the process and that the methanol production rate was significantly increased. Rahmatmand et al. introduced a new methanol synthesis process form in which an adiabatic and plate water-cooled reactor replaces the conventional two-stage reactor system, and supported the effectiveness of the process by improving catalyst durability through mathematical modeling.

본 발명에서는, 베이요넷 반응기(bayonet reactor)의 변형인 콤팩트 반응기를 제안하며, 이의 성능을 온도 조절 및 생산성의 측면에서 기존의 반응기와 비교하였다. 기존의 반응기에 비해 제안된 반응기의 보다 복합적인 묘사를 위하여 계산유체역학(computational fluid dynamics; CFD) 시뮬레이션을 적용하여 전환율 및 온도의 상세한 분포를 검색하였다. 이로부터 길이 대 직경 비율이 높을 때, 방사방향의 평균 온도 프로파일이 방사 온도 구배 기반의 것과 크게 상이하지 않음을 주목할 필요가 있다. 그러나, 튜브의 크기가 증가함에 따라, 열전달 저항성(heat transfer resistance)으로 인한 방사방향에서 제한된 열전달율로 인해 튜브 내의, 특히 중심 부근에서 온도가 증가할 수 있다. 또한, 본 발명에 도입된 콤팩트 반응기의 스케일업은 다중 튜브형 배열(multi-tubular configuration)을 기반으로 하지 않으며, 튜브 크기 증가를 기반으로 하므로, 튜브 반경의 과도한 증가는 열적 불안정성을 야기할 수 있다. 따라서, 촉매 튜브의 방사 구배를 확인하는 것이 중요하다. 마지막으로, 본 발명에 따라 개발된 모델은 구조의 성능에 대한 구동 조건 및 디자인 변수에 의한 효과를 평가하기 위해 사용될 수 있다.In the present invention, a compact reactor, which is a modification of the bayonet reactor, is proposed, and its performance is compared with the conventional reactor in terms of temperature control and productivity. Computational fluid dynamics (CFD) simulation was applied for a more complex depiction of the proposed reactor compared to the conventional reactor, and the detailed distribution of conversion rate and temperature was searched. It is worth noting from this that when the length to diameter ratio is high, the average radial temperature profile is not significantly different from that based on the radial temperature gradient. However, as the size of the tube increases, the temperature within the tube, particularly near the center, may increase due to the limited rate of heat transfer in the radial direction due to heat transfer resistance. In addition, since the scale-up of the compact reactor introduced in the present invention is not based on a multi-tubular configuration, but rather on an increase in tube size, an excessive increase in tube radius may cause thermal instability. Therefore, it is important to check the radial gradient of the catalyst tube. Finally, the model developed according to the present invention can be used to evaluate the effect of driving conditions and design variables on the performance of the structure.

본 발명은 내부로부터 차례로 공동의 중심을 갖도록 배치된 상이한 직경의 내부 튜브, 촉매 튜브 및 쉘을 포함하는, 다층 구조의 튜브형 반응기로서, 쉘의 내부에는 냉각 매질을 함유하며, 내부 튜브에 직접 또는 간접적으로 연결된 원료 가스 주입부가 구비되고, 상기 촉매 튜브에는 메탄올 합성용 촉매가 충진되고, 내뷰 튜브의 하부는 폐쇄되고 상부는 개방된 원통형으로써, 내부 튜브와 촉매 튜브의 하부는 차단되고 상부는 서로 연결된 것인, 합성 가스(syngas)로부터 메탄올 제조용 반응기를 제공한다.The present invention is a tubular reactor of multi-layer structure, comprising inner tubes of different diameters, catalyst tubes and shells arranged to have a center of a cavity in turn from the inside, the shell containing a cooling medium inside, directly or indirectly in the inner tube is provided with a source gas injection unit connected by A reactor for producing methanol from phosphorus, syngas is provided.

본 발명의 반응기는 촉매 반응을 이용하여 합성 가스로부터 메탄올을 제조하는 공정에 있어서, 효율적인 반응을 위해 공급되는 원료 물질인 합성 가스는 예열을 필요로 하며, 촉매 반응은 발열 반응인 것을 고려하여, 촉매 반응으로부터 발생하는 열 에너지를 이용하여 원료 물질을 예열할 수 있도록 반응기의 구조를 고안함으로써 예열을 위한 에너지 소모를 막아 경제적인 공정을 구현할 수 있도록 하는 것에 특징이 있다.In the reactor of the present invention, in the process of producing methanol from synthesis gas using a catalytic reaction, synthesis gas, which is a raw material supplied for an efficient reaction, requires preheating, and considering that the catalytic reaction is an exothermic reaction, the catalyst By designing the structure of the reactor so that the raw material can be preheated using the thermal energy generated from the reaction, energy consumption for preheating is prevented and an economical process can be implemented.

이때, 상기 반응기는 반응기의 하단에 구비되어 내부 튜브에 직접 연결된 원료 가스 주입부를 구비한 3중층 구조의 튜브형 반응기이거나, 내부 튜브의 중심에 공동의 중심을 갖도록 배치된 내부 튜브의 내경보다 작은 직경을 갖는 원료 가스 주입 튜브를 추가로 구비한 4중층 구조의 튜브형 반응기일 수 있으며, 상기 4중층 구조의 튜브형 반응기의 경우 원료 가스 주입 튜브의 상부는 반응기의 상단에 구비된 원료 가스 주입부와 연결되며, 하부는 개방되고 내부 튜브의 폐쇄된 하단보다 높이 위치하여 이를 통해 내부 튜브의 하단으로 원료 가스를 전달할 수 있다. 특히, 4중층 구조의 튜브형 반응기는 반응기의 상부로부터 원료 가스가 유입되고, 촉매 반응을 통해 형성된 생성물은 반응기의 하부를 통해 배출할 수 있으므로, 원료 가스 유입 매니폴드(manifold)의 구성이 용이하여 반응기 제작에 있어 보다 유리할 수 있다.In this case, the reactor is a tubular reactor of a triple layer structure provided at the bottom of the reactor and having a source gas injection part directly connected to the inner tube, or a diameter smaller than the inner diameter of the inner tube arranged to have the center of the cavity at the center of the inner tube. It may be a tubular reactor of a quadruple layer structure additionally provided with a source gas injection tube having The lower portion is open and located higher than the closed lower end of the inner tube, through which the source gas can be delivered to the lower end of the inner tube. In particular, in the tubular reactor having a quadruple layer structure, the raw material gas is introduced from the upper part of the reactor, and the product formed through the catalytic reaction can be discharged through the lower part of the reactor, so the composition of the raw material gas inlet manifold is easy. It may be more advantageous in manufacturing.

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

본 발명은 종합적으로 발열 반응에 의해 반응기의 온도가 상승되는 합성 가스로부터 메탄올을 합성하는 반응기를 고안함에 있어서, 종래 튜브형 반응기를 사용하는 경우 튜브의 중심에서 온도가 높아지므로, 냉각수와 접하는 튜브의 외벽 근처에서와 상당한 온도 구배가 발생하고 이에 따라 불균일한 반응이 이루어지는 것을 개선하고자 한다. 이에, 본 발명자들은 튜브의 내부에 원료 가스가 지날 수 있는 내부 튜브를 추가로 구비하여 3중층 이상의 다층 튜브형의 반응기를 고안하여, 원료 가스를 예열 없이 내부 튜브를 통해 촉매 튜브로 공급되도록 함으로써 촉매 튜브로부터 전달되는 반응열에 의해 원료 가스를 예열함으로써 촉매 튜브의 온도를 조절하여 튜브 내부와 외부에서의 온도 구배를 완화하여 반응기 전체에서 균일하게 반응할 수 있는 효과를 달성하였다.The present invention comprehensively devises a reactor for synthesizing methanol from synthesis gas in which the temperature of the reactor is increased by an exothermic reaction. It is intended to improve the occurrence of a significant temperature gradient near the outer wall and thus a non-uniform reaction. Accordingly, the present inventors have devised a triple-layer or more multi-layered tubular reactor by additionally providing an inner tube through which the source gas can pass inside the tube, and supplying the source gas to the catalyst tube through the inner tube without preheating the catalyst tube. By preheating the raw material gas by the reaction heat transferred from the catalyst tube, the temperature gradient inside and outside the tube was alleviated to achieve the effect of uniformly reacting throughout the reactor.

본 발명에 따른 메탄올 합성의 전체 반응 경로는 다음과 같다:The overall reaction route of methanol synthesis according to the present invention is as follows:

CO 수소화(hydrogenation): CO + 2H2 ↔ CH3OH (1)CO hydrogenation: CO + 2H 2 ↔ CH 3 OH (1)

CO2 수소화(hydrogenation): CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O (2)CO 2 hydrogenation: CO 2 + 3H 2 ↔ CH 3 OH + H 2 O (2)

역수성가스전환(Reverse water-gas shift): CO2 + H2 ↔ CO + H2O (3)Reverse water-gas shift: CO 2 + H 2 ↔ CO + H 2 O (3)

상기 본 발명의 반응기 내에서 수행되는 3개 반응 중 역수성가스전환 반응은 마일드한 흡열 반응이나, CO 수소화 및 CO2 수소화 반응은 발열 반응이므로 상기 역수성가스전환 반응에 의해 일부 발생하는 열을 상쇄할 수 있으나, 여전히 반응의 진행에 따라 상당량의 열을 발생하게 된다.Among the three reactions performed in the reactor of the present invention, the reverse water gas shift reaction is a mild endothermic reaction, but since the CO hydrogenation and CO 2 hydrogenation reactions are exothermic reactions, some of the heat generated by the reverse water gas shift reaction is offset. However, it still generates a significant amount of heat according to the progress of the reaction.

이에, 본 발명의 반응기에 있어서, 상기 내부 튜브의 하단에 직접 또는 원료 가스 주입 튜브를 통해 주입된 원료 가스가 상부로 이동하면서 촉매 튜브에서의 반응으로부터 발생하는 열에 의해 예열될 수 있다. 따라서, 본 발명의 반응기는 원료 가스의 예열을 위한 별도의 장치를 구비할 필요가 없어 장치를 간소화하고, 에너지 소모를 줄일 수 있다.Accordingly, in the reactor of the present invention, the raw material gas injected directly into the lower end of the inner tube or through the raw material gas injection tube may be preheated by heat generated from the reaction in the catalyst tube while moving upward. Accordingly, the reactor of the present invention does not require a separate device for preheating the raw material gas, thereby simplifying the device and reducing energy consumption.

구체적으로, 본 발명의 반응기에서는, 상기와 같이 내부 튜브를 통과하면서 예열된 연료 가스는 촉매 튜브를 통과하면서 전술한 CO 수소화 반응, CO2 수소화 반응 및 역수성가스전환(Reverse water-gas shift; RWGS) 반응을 수행될 수 있다. 전술한 바와 같이, 역수성가스전환을 제외한 상기 반응들은 모두 발열 반응이며, 평형 반응이므로 반응이 진행됨에 따라 발생하는 열에 의해 반응기의 온도가 상승할 수 있고, 이는 반응을 저해하거나 오히려 역반응을 유발하는 요소가 될 수 있다. 따라서, 메탄올 생산성을 향상시키기 위해서는 상기 반응으로부터 발생하는 열을 효율적으로 발산시킬 필요가 있다. 한편, 본 발명의 반응기에서 촉매 튜브는 내측면을 통해서는 원료 가스가 공급되는 내부 튜브와 접하고 외측면을 통해서는 최외각에 위치한 쉘에 담지된 냉각 매질과 접하고 있는 바, 촉매 튜브로부터 발생하는 열로 원료 가스를 예열 및/또는 냉각 매질을 기화하는데 소모하여 반응기의 온도를 유지 또는 낮출 수 있으므로 평형 반응을 지속할 수 있다.Specifically, in the reactor of the present invention, the fuel gas preheated while passing through the inner tube as described above passes through the catalyst tube as described above for the CO hydrogenation reaction, CO 2 hydrogenation reaction, and reverse water-gas shift (RWGS). ) reaction can be carried out. As described above, all of the above reactions except reverse water gas conversion are exothermic reactions, and since the reaction is an equilibrium reaction, the temperature of the reactor may be increased by heat generated as the reaction proceeds, which inhibits the reaction or rather induces a reverse reaction. can be a factor. Therefore, in order to improve methanol productivity, it is necessary to efficiently dissipate heat generated from the reaction. On the other hand, in the reactor of the present invention, the catalyst tube is in contact with the inner tube to which the raw material gas is supplied through the inner surface and is in contact with the cooling medium supported on the outermost shell through the outer surface. The raw material gas can be consumed to vaporize the preheating and/or cooling medium to maintain or lower the temperature of the reactor so that the equilibrium reaction can be continued.

한편, 본 발명의 반응기는 내부 튜브 및 촉매 튜브, 선택적으로 내부 튜브의 중심에 위치한 원료 가스 주입 튜브로 구성된 서브세트 하나 이상을 하나의 쉘 내에 구비한 다층 구조의 원통형 반응기일 수 있다. 이상과 같이 복수의 촉매 튜브를 하나의 쉘 내에 포함함으로써 전체 반응기의 부피가 과도하게 커지는 것을 방지하면서 대량 생산을 가능하게 할 수 있다. 구체적인 구성예를 도 2와 도 4에 나타내었다.Meanwhile, the reactor of the present invention may be a cylindrical reactor having a multi-layer structure having in one shell at least one subset consisting of an inner tube, a catalyst tube, and optionally a source gas injection tube located at the center of the inner tube. By including a plurality of catalyst tubes in one shell as described above, it is possible to prevent an excessive increase in the volume of the entire reactor while enabling mass production. Specific configuration examples are shown in FIGS. 2 and 4 .

예컨대, 본 발명의 메탄올 제조용 반응기에 충진되는 메탄올 합성 촉매는 구리/아연/알루미늄 계열의 촉매, 크롬산화물계 촉매, 구리계 촉매, 또는 이들의 조합일 수 있다. 예컨대, 상기 메탄올 합성 촉매로는 당업계에 널리 사용되는 Cu/ZnO/Al2O3계 촉매를 사용할 수 있다. 구체적으로, 60중량% Cu/30중량% ZnO/10중량% Al2O3인 촉매를 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.For example, the methanol synthesis catalyst charged in the reactor for producing methanol of the present invention may be a copper/zinc/aluminum-based catalyst, a chromium oxide-based catalyst, a copper-based catalyst, or a combination thereof. For example, as the methanol synthesis catalyst, a Cu/ZnO/Al 2 O 3 catalyst widely used in the art may be used. Specifically, a catalyst of 60 wt% Cu/30 wt% ZnO/10 wt% Al 2 O 3 may be used, but is not limited thereto.

구체적으로, 상기 메탄올 합성 반응은 240 ~ 270℃의 반응온도, 40 ~ 100 bar의 반응압력 및 1,000~50,000/h의 공간속도 조건 하에 수행될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 전술한 바와 같이, 메탄올을 생성하는 반응은 발열반응이므로 메탄올의 수율을 높이기 위하여 반응열을 제어할 수 있다. 구체적으로, 메탄올 합성 반응은 평형 반응이며, 반응이 진행됨에 따라 발생하는 열에 의해 반응기의 온도가 올라갈수록 반응물의 평형 전환율은 떨어질 수 있으므로 반응기 내의 온도를 조절하는 것이 필요하다. 예컨대, 이를 위하여 메탄올 합성 반응기의 촉매층이 위치한 튜브 외부에 예컨대, 냉매로서 물을 흘려주어 물의 기화에 의한 잠열을 이용하여 반응열을 제어할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the methanol synthesis reaction may be performed under conditions of a reaction temperature of 240 to 270° C., a reaction pressure of 40 to 100 bar, and a space velocity of 1,000 to 50,000/h, but is not limited thereto. As described above, since the reaction for producing methanol is an exothermic reaction, the heat of reaction can be controlled in order to increase the yield of methanol. Specifically, the methanol synthesis reaction is an equilibrium reaction, and as the temperature of the reactor increases due to heat generated as the reaction proceeds, the equilibrium conversion rate of the reactants may decrease, so it is necessary to control the temperature in the reactor. For example, for this purpose, the reaction heat may be controlled using latent heat due to vaporization of water by flowing water as a refrigerant to the outside of the tube in which the catalyst layer of the methanol synthesis reactor is located, but is not limited thereto.

전술한 바와 같이, 반응기의 온도를 조절하기 위하여 상기 쉘의 내부에는 냉각 매질을 포함할 수 있고, 상기 냉각 매질은 촉매 튜브에서의 반응으로부터 생성되는 열을 흡수하여 기화할 수 있다.As described above, the inside of the shell may include a cooling medium in order to control the temperature of the reactor, and the cooling medium may absorb heat generated from the reaction in the catalyst tube and vaporize it.

구체적으로, 상기 쉘은 상부에 형성된 기체 배출구 및 하단에 형성된 액체 주입구를 통해 외부에 구비된 수조와 연결되어 형성된 닫힌 냉각 루프 시스템을 통해 상기 기체 배출구를 통해 기화된 냉각 매질을 외부로 배출하고 다시 냉각되어 액화된 매질은 수조에 저장하였다가 액체 주입구를 통해 쉘 내부로 공급할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.Specifically, the shell discharges the vaporized cooling medium through the gas outlet to the outside through a closed cooling loop system formed in connection with a water tank provided externally through a gas outlet formed at the upper portion and a liquid inlet formed at the lower end to the outside and cooled again The liquefied medium may be stored in a water tank and then supplied into the shell through the liquid inlet, but is not limited thereto.

한편, 본 발명의 반응기의 규모를 결정함에 있어서, 상기 촉매 튜브는 내부 튜브에 비해 1.5 내지 3배의 직경을 갖도록 고안될 수 있다. 상기 촉매 튜브의 직경이 내부 튜브의 직경의 1.5배 미만이면 촉매층의 온도제어에는 유리할 수 있으나, 상대적으로 촉매층의 부피가 작아 원하는 용량의 반응을 수행하기 위해서는 전체 반응기의 규모가 커지는 문제가 있으며, 3배 초과이면 촉매층의 부피가 지나치게 커서 반응열을 제거하기 어려워 반응효율이 떨어질 수 있다.Meanwhile, in determining the size of the reactor of the present invention, the catalyst tube may be designed to have a diameter of 1.5 to 3 times that of the inner tube. If the diameter of the catalyst tube is less than 1.5 times the diameter of the inner tube, it may be advantageous to control the temperature of the catalyst bed, but the volume of the catalyst bed is relatively small, so there is a problem in that the scale of the entire reactor increases in order to perform the reaction of the desired capacity, 3 If it exceeds twice the volume of the catalyst layer is too large, it is difficult to remove the heat of reaction, and the reaction efficiency may decrease.

이때, 내부 튜브의 직경은 30 내지 70 mm로 조절하는 것이 유리할 수 있다. 내부 튜브의 직경이 30 mm 미만인 경우 내부 튜브의 부피가 작어 원료 가스의 체류시간이 짧아지므로 촉매층과의 열교환이 충분히 이루어지지 못해 촉매층 상단의 온도가 지나치게 낮아지므로 촉매층 상단에서의 반응 효율이 낮아질 수 있다. 반면, 내부 튜브의 직경이 70 mm 초과인 경우 내부 튜브의 부피가 지나치게 커지면서 원료 가스의 체류 시간이 길어져 촉매층으로부터의 과다한 열전달로 촉매층 상단의 온도가 지나치게 높아지고 따라서 촉매층 상단의 온도 제어가 어려워질 수 있다. 그러나, 상기 구체적으로 제시한 내부 튜브의 직경 및 이에 따른 효과는 3중층 구조의 반응기에서의 효과를 예시한 것으로, 내부 튜브 중심에 원료 가스 주입 튜브를 추가로 구비한 4중층 구조의 반응기에 대해서는 그 규모의 절대적인 수치는 달라질 수 있다.At this time, it may be advantageous to adjust the diameter of the inner tube to 30 to 70 mm. When the diameter of the inner tube is less than 30 mm, the volume of the inner tube is small and the residence time of the raw material gas is shortened. . On the other hand, when the diameter of the inner tube exceeds 70 mm, the volume of the inner tube becomes excessively large and the residence time of the raw material gas becomes longer. . However, the diameter of the inner tube and the effect according to it specifically presented above exemplify the effect in the reactor of the triple layer structure, and for the reactor of the quadruple layer structure having an additional source gas injection tube in the center of the inner tube, the Absolute figures of scale may vary.

본 발명의 반응기는 합성 가스로부터 메탄올을 합성하는 발열 반응을 수행하는 반응기의 내부에 상기 반응기로부터 발생하는 열을 흡수할 수 있는 원료 가스를 공급하면서 예열할 수 있는 튜브를 구비하여 반응기의 온도를 제어하고 방사방향에서 온도 구배를 낮추어 균일한 반응을 수행할 수 있으므로 장치를 간소화하고 에너지 소모를 줄이고 메탄올 생산성을 향상시킬 수 있다.The reactor of the present invention includes a tube capable of preheating while supplying a raw material gas capable of absorbing heat generated from the reactor inside the reactor for performing an exothermic reaction for synthesizing methanol from synthesis gas to control the temperature of the reactor And it is possible to perform a uniform reaction by lowering the temperature gradient in the radial direction, thereby simplifying the apparatus, reducing energy consumption, and improving methanol productivity.

도 1은 메탄올 10 kg/day 생산을 위한 반응기로 쉘을 구비한 단일 튜브(내경 = 0.038 m(1.5 in), 길이 = 1.5 m)가 사용되는 미니-파일럿 규모의 실험적 시스템을 개략적으로 나타낸 도이다. 실험 조건으로 압력, SV, 및 온도(주입구 및 벽 모두)는 각각 5 MPa, 6771 mL/(gcat·h), 및 210℃로 지정되었으며, 원료 조성은 H2 : CO : CO2 : N2 = 58.4 : 6.0 : 9.1 : 26.5 몰%로 설정되었다.
도 2는 미니-파일럿 시스템의 5배 용량인 메탄올 50 kg/day 생산을 위한 (a) 기존의 다중 튜브형(multi-tubular) 고정층(fixed-bed) 반응기(튜브의 내경 및 길이(packing depth)는 각각 0.038 m(1.5 in) 및 2.2 m이고, 쉘의 내경은 0.1 m) 및 (b) 본 발명의 일 실시예에 따른 콤팩트 반응기(튜브의 내부(inner), 중앙(middle) 및 최외각(outermost) 반경은 각각 0.035, 0.077, 및 0.085 m이고, 중앙 튜브의 길이는 2.2 m)를 개략적으로 나타낸 도이다.
도 3은 (a) 전환율 및 (b) 반응기 길이에 따른 반응기 촉매층 온도에 대한 시뮬레이션 결과와 실험적 데이터를 비교하여 나타낸 도이다. 실험 조건으로 압력, SV, 및 온도(주입구 및 벽 모두)는 각각 5 MPa, 6771 mL/(gcat·h), 및 210℃로 지정되었으며, 원료 조성은 H2 : CO : CO2 : N2 = 58.4 : 6.0 : 9.1 : 26.5 몰%로 설정되었다.
도 4는 기존의 다중 튜브형 고정층 반응기에서 촉매 충진 축에 따른 튜브 내의 (a) CO 전환율 및 (b) 온도 프로파일을 나타낸 도이다. z (packing depth) = 0.6 m에서 방사 분포에 대한 단면뷰를 나타내었다. (c)는 z = 0.3 (좌측), 0.6 (중앙) 및 0.9 (우측)에서의 방사 온도 구배를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 콤팩트 반응기에서 (a) CO 전환율 및 (b) 온도 프로파일을 나타낸 도이다. z (packing depth) = 1.1 m에서 방사 분포에 대한 단면뷰를 나타내었다.
도 6은 콤팩트 반응기의 상이한 원료 온도 조건 하에서 및 기존의 반응기에서의 Tinlet = 150℃ 조건에서 (a) CO 전환율, (b) CO2 전환율, (c) H2 전환율, (d) 생산성, (e) 주입구 온도, 및 (f) 최대 온도에 대한 공간 속도의 영향을 나타낸 도이다. SVref는 5000 mL/(gcat·h)로 지정되었다. 도면 내의 표시 "Conventional" 및 "Comp"는 각각 기존의 반응기와 콤팩트 반응기를 나타내며, 숫자는 콤팩트 반응기에서 원료 온도를 나타낸다. 빨간 점선은 기준 조건 하에서 기존의 반응기의 전환율에 상응한다.
도 7은 T feed = 30℃ 및 SV = 5000 mL/(gcat·h)의 조건 하에서 (a) 전환율 및 생산성, (b) CO 전환율 당 생산성, 및 최대 및 주입구 온도, (c) CO 전환율의 축 프로파일, (d) 온도의 축 프로파일, (e) z (packing depth) = 1.8 m에서 온도의 방사 프로파일, 및 (f) 온도 대 전환율 프로파일에 대한 직경의 영향을 나타낸 도이다. 도면 내의 표시 "Conventional" 및 "Comp"는 각각 기존의 반응기와 콤팩트 반응기를 나타내며, 숫자는 Dref = 0.035 m일 때 D/Dref 비율을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 합성 가스로부터 메탄올 합성을 위한 (a) 3중층 반응기 및 (b) 4중층 반응기의 측면 및 단면 구조와 상기 반응기 구동시 원료 가스 및 냉각 매질의 이동 경로를 개략적으로 나타낸 도이다.
1 is a diagram schematically showing a mini-pilot scale experimental system in which a single tube (inner diameter = 0.038 m (1.5 in), length = 1.5 m) with a shell is used as a reactor for methanol 10 kg/day production. . As experimental conditions, pressure, SV, and temperature (both inlet and wall) were specified as 5 MPa, 6771 mL/(g cat h), and 210°C, respectively, and the raw material composition was H 2 : CO : CO 2 : N 2 = 58.4 : 6.0 : 9.1 : 26.5 mol%.
Figure 2 shows (a) a conventional multi-tubular fixed-bed reactor (the inner diameter and the packing depth of the tube) for the production of 50 kg/day of methanol, which is 5 times the capacity of the mini-pilot system. 0.038 m (1.5 in) and 2.2 m, respectively, and the inner diameter of the shell is 0.1 m) and (b) a compact reactor according to an embodiment of the present invention (inner, middle and outermost of the tube) ) The radius is 0.035, 0.077, and 0.085 m, respectively, and the length of the central tube is 2.2 m) schematically.
3 is a diagram showing a comparison between simulation results and experimental data for (a) conversion and (b) reactor catalyst bed temperature according to reactor length. As experimental conditions, pressure, SV, and temperature (both inlet and wall) were specified as 5 MPa, 6771 mL/(g cat h), and 210°C, respectively, and the raw material composition was H 2 : CO : CO 2 : N 2 = 58.4 : 6.0 : 9.1 : 26.5 mol%.
4 is a view showing (a) CO conversion rate and (b) temperature profile in the tube along the catalyst filling axis in a conventional multi-tubular fixed bed reactor. A cross-sectional view of the radial distribution is shown at z (packing depth) = 0.6 m. (c) is a diagram showing the radiation temperature gradient at z = 0.3 (left), 0.6 (center) and 0.9 (right).
5 is a diagram showing (a) CO conversion and (b) temperature profile in a compact reactor proposed according to an embodiment of the present invention. A cross-sectional view of the radial distribution is shown at z (packing depth) = 1.1 m.
6 is under different raw material temperature of the compact reactor and in the T inlet = 150 ℃ conditions in the conventional reactor (a) CO conversion rate, (b) CO 2 conversion, (c) H 2 conversion, (d) production, ( e) is a diagram showing the effect of space velocity on inlet temperature, and (f) maximum temperature. SV ref was assigned to 5000 mL/(g cat ·h). The designations "Conventional" and "Comp" in the drawings indicate the conventional reactor and the compact reactor, respectively, and the numbers indicate the raw material temperature in the compact reactor. The red dotted line corresponds to the conversion rate of the conventional reactor under reference conditions.
7 shows (a) conversion and productivity, (b) productivity per CO conversion, and maximum and inlet temperature, (c) CO conversion under the conditions of T feed = 30° C. and SV = 5000 mL/(g cat h). A diagram showing the effect of diameter on axial profile, (d) axial profile of temperature, (e) radiation profile of temperature at z (packing depth) = 1.8 m, and (f) temperature versus conversion profile. The designations "Conventional" and "Comp" in the drawings indicate the conventional reactor and the compact reactor, respectively, and the number indicates the D/D ref ratio when D ref = 0.035 m.
8 is a side view and cross-sectional structure of (a) a triple-bed reactor and (b) a quadruple-bed reactor for the synthesis of methanol from synthesis gas according to an embodiment of the present invention, and the movement path of the raw material gas and the cooling medium when the reactor is driven It is a schematic diagram.

이하, 하기 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위가 이들만으로 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of Examples. However, the following examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited thereto.

제조예production example 1: 촉매의 준비 1: Preparation of catalyst

상업적 촉매인 Cu/ZnO/Al2O3(Dalian Reak Science, RK-05)를 파일럿 규모의 메탄올 합성 실험에 사용하였다. 상기 메탄올 합성 촉매는 Cu/Zn/Al = 60/30/10의 몰비율을 가지며, 부피밀도(bulk density) 1.1 내지 1.3 kg/L의 원통형 펠렛(5 mm 직경 및 5 mm 높이)이다. 갑작스러운 온도 상승을 방지하기 위하여 반응기 튜브에 충진하기 전에 메탄올 합성 촉매(0.77 kg)를 1.60 kg의 α-알루미나 볼(5 mm 직경)과 물리적으로 혼합하였다. 상기 혼합된 촉매를 튜브형 반응기에 충진하였다. 메탄올 합성에 앞서, 충진된 촉매를 N2로 균형잡힌 5% H2 흐름 하에서 250℃에서 5시간 동안 환원시켰다.A commercial catalyst, Cu/ZnO/Al 2 O 3 (Dalian Reak Science, RK-05), was used in a pilot-scale methanol synthesis experiment. The methanol synthesis catalyst has a molar ratio of Cu/Zn/Al = 60/30/10, and is cylindrical pellets (5 mm diameter and 5 mm high) having a bulk density of 1.1 to 1.3 kg/L. In order to prevent sudden temperature rise, methanol synthesis catalyst (0.77 kg) was physically mixed with 1.60 kg of α-alumina balls (5 mm diameter) before being charged into the reactor tube. The mixed catalyst was charged into a tubular reactor. Prior to methanol synthesis, the charged catalyst was reduced at 250° C. for 5 hours under a flow of 5% H 2 balanced with N 2 .

실시예Example 1: 실험 장치(experimental setup) 1: Experimental setup

도 1에 본 발명에 따른 파일럿 규모의 메탄올 합성 시스템을 개략적으로 나타내었다. 상기 반응기는 기본적으로 수직형 쉘과 튜브형 열교환기(tube heat exchanger)의 구조를 가지며, 수직형 튜브의 내부에 메탄올 합성 촉매가 충진되고 이들 수직형 튜브 주위에는 포화된 물이 존재한다. 발열 반응에서 발생하는 열은 포화된 물로 전달되어 스팀을 생성한다. 가열된 물과 스팀은 이후 열교환기를 통해 냉각되어 수관(water vessel)으로 이송된다. 닫힌 냉각 루프 시스템(closed cooling loop system) 내에서 쉘측의 시스템 압력을 조절함으로써 반응 온도를 쉽게 조절할 수 있다. 생성물 분리 및 내부 재순환 시스템(internal recycling)을 구비한 루프 반응기에서 파일럿 규모의 메탄올 합성 실험을 수행하였다(도 1 참조). 모델 합성 가스(H2 : CO : CO2 : N2 = 58.4 : 6.0 : 9.1 : 26.5 몰%)를 미리 혼합하여 반응기에 주입하였다. 유입 가스(inlet gas)를 예열하고 상업용 메탄올 합성 촉매가 충진된 고정층 반응기에서 전환하였다. 수득한 혼합 생성물(resulting product mixture, 미반응 가스, 메탄올 및 물)은 냉각시키고, 50 bar의 압력 하에 액체 생성물을 먼저 분리한 후, 상압 근처의 메탄올 저장 탱크로 이송하였다. 액체상은 메탄올 및 물을 포함하는 미정제 메탄올(crude methanol)로 회수하였다. 분리된 가스는 재순환 압축기(recycle compressor)에 의해 재순환되어 반응 원료 가스와 혼합한 후 반응기에 유입되었다. 미량의 불활성 기체(CH4 및 N2 등)의 축적을 방지하기 위하여 재순환 가스를 부분적으로 퍼지하였다.1 schematically shows a pilot-scale methanol synthesis system according to the present invention. The reactor basically has a structure of a vertical shell and a tube heat exchanger, a methanol synthesis catalyst is filled inside the vertical tube, and saturated water is present around the vertical tube. The heat generated in the exothermic reaction is transferred to saturated water to produce steam. The heated water and steam are then cooled through a heat exchanger and transferred to a water vessel. The reaction temperature can be easily controlled by adjusting the system pressure on the shell side in a closed cooling loop system. A pilot scale methanol synthesis experiment was performed in a loop reactor equipped with product separation and internal recycling (see FIG. 1 ). Model synthesis gas (H 2 : CO : CO 2 : N 2 = 58.4 : 6.0 : 9.1 : 26.5 mol%) was mixed in advance and injected into the reactor. The inlet gas was preheated and converted in a fixed bed reactor loaded with a commercial methanol synthesis catalyst. The obtained mixture product (resulting product mixture, unreacted gas, methanol and water) was cooled, the liquid product was first separated under a pressure of 50 bar, and then transferred to a methanol storage tank near atmospheric pressure. The liquid phase was recovered with crude methanol containing methanol and water. The separated gas was recycled by a recycle compressor, mixed with the reaction raw material gas, and then introduced into the reactor. The recycle gas was partially purged to prevent accumulation of traces of inert gases (such as CH 4 and N 2 ).

실시예Example 2: 반응속도론적 2: Kinetics 모델링modelling (kinetic modeling)(kinetic modeling)

본 발명에 따른 메탄올 합성의 전체 반응 경로는 다음과 같다:The overall reaction route of methanol synthesis according to the present invention is as follows:

CO 수소화(hydrogenation): CO + 2H2 ↔ CH3OH (1)CO hydrogenation: CO + 2H 2 ↔ CH 3 OH (1)

CO2 수소화(hydrogenation): CO2 + 3H2 ↔ CH3OH + H2O (2)CO 2 hydrogenation: CO 2 + 3H 2 ↔ CH 3 OH + H 2 O (2)

역수성가스전환(Reverse water-gas shift): CO2 + H2 ↔ CO + H2O (3)Reverse water-gas shift: CO 2 + H 2 ↔ CO + H 2 O (3)

반응 속도는 다음과 같이 계산될 수 있다:The reaction rate can be calculated as:

Figure pat00001
(4)
Figure pat00001
(4)

Figure pat00002
(5)
Figure pat00002
(5)

Figure pat00003
(6)
Figure pat00003
(6)

여기서, f는, 문헌상의 휘산도 계수(fugacity coefficient, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 7th ed., McGraw-Hill, New York, 2005)에 대해 일반화된 상관관계(generalized correlations)를 이용하여 계산되는, 휘산도(fugacity)를 나타내며, K p는 반응 평형 상수를 나타낸다.where f is, fugacity coefficient, Introduction to Chemical Engineering Thermodynamics, 7th ed., McGraw-Hill, New York, 2005), calculated using generalized correlations Shows fugacity, and K p represents the reaction equilibrium constant.

Figure pat00004
Figure pat00004

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 반응 평형 상수를 제외하고는, 공정 시뮬레이터(UniSim Design Suite, Honeywell Inc.)에서 다음과 같이 데이터 최적화에 의해 얻어진, 보고된 반응속도론적 변수(kinetic parameters)를 수정 없이 사용하였다:As shown in Table 1 above, except for the reaction equilibrium constant, the reported kinetic parameters obtained by data optimization in the process simulator (UniSim Design Suite, Honeywell Inc.) as follows were modified without modification. Used:

Figure pat00005
(7)
Figure pat00005
(7)

Figure pat00006
(8)
Figure pat00006
(8)

Figure pat00007
(9)
Figure pat00007
(9)

이때, T는 켈빈(Kelvin), K P,A K P,C 는 모두 MPa- 2 단위이며, K P,B 는 무차원(dmensionless)이다. 반응 속도 방정식의 유효성(validity)은 미니-파일럿 반응 시스템에서의 실험적 데이터를 사용하여 입증하였다(도 1). In this case, T is Kelvin, K P,A and K P,C are all MPa - 2 units, and K P,B is dimensionless. The validity of the reaction rate equation was verified using experimental data in a mini-pilot reaction system ( FIG. 1 ).

실시예Example 3: 3: CFDCFDs 모델링modelling

COMSOL Multiphysics 5.3(COMSOL, Inc.)을 사용하여 반응기의 CFD 모델링을 수행하고, 2가지 반응기의 구성을 도 2에 나타내었다. 2가지 반응기 모두 생성물에 대해 50 kg/day의 용량을 갖는다(도 1의 미니-파일럿에 비해 5배 더 큼). 동력학 모델의 입증을 위한 실험적 연구에는 단일 튜브 반응기를 사용한 반면(실시예 1 참조), 산업적 적용에 있어서 스케일업을 위해 가장 널리 사용되는 형태이므로 시뮬레이션 연구에는 다중 튜브 반응기를 고려하였다. 그러나, 기존의 반응기에서 냉각 쉘의 제한된 용량이 열적 불안정성을 야기할 수 있으므로, 콤팩트 반응기의 다른 배치(configuration)를 도입하였으며, 그 성능을 2가지 반응기 형태에서 동일하게 유지되는 촉매 베드 부피를 갖는 기존의 반응기와 비교하였다. 기존의 반응기(도 2a)는 다중 튜브 쉘 및 튜브 반응기이며, 튜브의 총 수는 3개로 맞추었다. 반응은 촉매가 충진된 튜브 측에서 수행되었으며 쉘 측의 냉각수는 반응 온도를 조절하였다. 콤팩트 반응기(도 2b)는 3개 튜브로 구성된 베이요넷-타입 반응기의 변형이다. 최외각 튜브에서, 냉각수가 반응 온도를 조절하기 위하여 흐르는 한편, 촉매는 내측 튜브에 충진되었다. 원료 가스는 촉매 베드로부터 발생되는 열을 흡수하기 위해 내부 튜브의 바닥에 주입된 후 상방으로 흐르며, 촉매 베드에 들어가 하방으로 흐른다. 이때 원료 가스는 3중층 반응기의 경우 반응기의 하부로부터 직접 내부튜브로 주입되거나, 4중층 반응기의 경우 반응기 상부에 위치한 원료 주입부를 통해 주입된 원료 가스는, 원료 주입부에 연결된, 내부 튜브의 중심에 추가로 구비된 원료 가스 주입 튜브를 통해 간접적으로 내부 튜브의 하단으로 전달된다(도 8a 및 8b 참조). 촉매 베드의 온도는 내부 튜브에서 냉각 원료 가스의 예열 및 최외각 튜브에 흐르는 냉각 매질(coolant media, 본 발명에서는 냉각수)에 의한 냉각에 의해 동시에 조절되었다.CFD modeling of the reactor was performed using COMSOL Multiphysics 5.3 (COMSOL, Inc.), and the configuration of the two reactors is shown in FIG. 2 . Both reactors have a capacity of 50 kg/day for product (5 times greater than the mini-pilot in FIG. 1 ). A single-tube reactor was used for the experimental study for the verification of the kinetic model (see Example 1), whereas the multi-tube reactor was considered for the simulation study because it is the most widely used form for scale-up in industrial applications. However, since the limited capacity of the cooling shell in conventional reactors can cause thermal instability, a different configuration of compact reactors was introduced and its performance was improved in the conventional reactors with catalyst bed volumes remaining the same in both reactor configurations. compared with the reactor of The existing reactor (Fig. 2a) is a multi-tube shell and tube reactor, and the total number of tubes is set to three. The reaction was carried out on the side of the tube filled with the catalyst, and the cooling water on the shell side controlled the reaction temperature. The compact reactor ( FIG. 2b ) is a variant of the bayonet-type reactor consisting of three tubes. In the outermost tube, cooling water flows to control the reaction temperature, while the catalyst is charged in the inner tube. The raw material gas flows upward after being injected into the bottom of the inner tube to absorb heat generated from the catalyst bed, and enters the catalyst bed and flows downward. In this case, the raw material gas is directly injected into the inner tube from the bottom of the reactor in the case of a three-bed reactor, or in the case of a four-bed reactor, the raw material gas injected through the raw material injection unit located at the upper part of the reactor is at the center of the inner tube connected to the raw material injection unit It is indirectly transmitted to the lower end of the inner tube through the additionally provided source gas injection tube (see FIGS. 8A and 8B ). The temperature of the catalyst bed was simultaneously controlled by preheating the cooling raw material gas in the inner tube and cooling by the cooling medium (coolant media, in the present invention, cooling water) flowing in the outermost tube.

반응물 흐름 채널(reactant flow channel)의 질량, 에너지, 및 모멘텀 균형을 각각 고려하기 위하여 COMSOL Multiphysics로부터의 다음의 빌트인 모듈을 사용하였다: "농축된 종의 이송(Transport of Concentrated Species)" "유체 내 열전달(Heat Transfer in Fluids)", 및 "유리 및 다공성 매질 흐름(Free and Porous Media Flow)". 스테인리스 스틸(SUS 316L)로 만들어진 반응기 본체를 열 전도의 존재를 가정한, 즉, 방사(radiation)에 의한 열전달을 배제한, "고체에서 열전달(Heat Transfer in Solids)" 모듈을 사용하여 분석하였다. 각 모듈에 대한 자세한 고정 방정식을 표 2에, 심볼은 표 3에 나타내었다.The following built-in modules from COMSOL Multiphysics were used to account for the mass, energy, and momentum balances of the reactant flow channels, respectively: "Transport of Concentrated Species" "Heat Transfer in Fluids" (Heat Transfer in Fluids)", and "Free and Porous Media Flow". A reactor body made of stainless steel (SUS 316L) was analyzed using the "Heat Transfer in Solids" module, which assumed the presence of heat conduction, ie, excluded heat transfer by radiation. Detailed fixed equations for each module are shown in Table 2, and symbols are shown in Table 3.

Figure pat00008
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Figure pat00009
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CO 전환율 및 온도의 프로파일을 계산하기 위하여, 갤러킨법(Galerkin's method)을 적용하였으며(The mathematical theory of finite element methods, 2nd ed., Springer-Verlag, New York, 2002), 유리 사면체 그리드(free tetrahedral grids)를 정의하였다. 공유 메모리(shared-memory) 및 분산 메모리(distributed-memory) 다중처리장치(multiprocessor) 상에 병렬 계산 방법(parallel computing methods)을 적용하는 병렬 직접 희박 해결자 인터페이스(parallel direct sparse solver interface; PARDISO)를 이용하여(Future Gener. Comp. Sy. 20 (2004) 475-487) 균형 방정식을 도출하고 계산 속도를 향상시키기 위해 사용하였다.To calculate the profile of CO conversion and temperature, Galerkin's method was applied (The mathematical theory of finite element methods, 2nd ed., Springer-Verlag, New York, 2002), free tetrahedral grids ) was defined. A parallel direct sparse solver interface (PARDISO) that applies parallel computing methods on shared-memory and distributed-memory multiprocessors Using (Future Gener. Comp. Sy. 20 (2004) 475-487), a balance equation was derived and used to improve the calculation speed.

포화된 물의 잠열이 냉각에 사용되므로, 냉각수 쉘은 균형에 대한 고려 없이 등온 조건(isothermal condition)인 것으로 가정된 반면, 촉매 베드의 냉각에 기여하는 합성가스 원료에 대한 모멘텀 및 에너지 균형 방정식은 콤팩트 반응기의 내부 튜브 내에서 해결되었음에 주목할 필요가 있다. 또한, 냉각수 쉘에서 발생할 수 있는 끓음 현상은 단순화를 위하여 무시할 정도인 것으로 가정되었다.Since the latent heat of saturated water is used for cooling, the cooling water shell is assumed to be in isothermal condition without consideration of balance, while the momentum and energy balance equations for the syngas feed contributing to cooling of the catalyst bed are in the compact reactor It is worth noting that it is resolved within the inner tube of In addition, it was assumed that the boiling phenomenon that may occur in the cooling water shell is negligible for the sake of simplicity.

도 3은

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(N: 실험적 데이터의 수)로 정의되는 절대 상대 잔차 평균(mean of absolute relative residuals; MARR), 및
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로 정의되는 개별 오차의 상대 표준 편차(relative standard deviation of individual errors; RSDE)와 같은 통계를 따르는 실험적 데이터와 시뮬레이션된 결과 간의 전환율 및 온도 프로파일을 비교하여 나타낸다. 반응기 모델에서 다른 디자인 변수는 촉매 베드와 냉각수 쉘 사이의 전체 열전달 계수(overall heat transfer coefficient)였으며, 이 값은 균형잡힌 방식에서 전환율과 온도 프로파일의 오차를 최소화함으로써 70 W/(m2·K)로 결정되었다. 이는, 도 3에 나타난 바와 같이, CO 전환율과 CO2/H2 전환율 사이에 균형(trade-off)이 존재함을 나타내는 것으로, 달리 말하면, CO 전환율의 오차가 증가함으로써 CO2 및 H2 전환율에 대한 오차가 감소할 수 있음을 의미한다. CO 전환율의 정도가 다른 변수에 비해 높으므로, CO 전환율이 보다 주목받고 있다. 따라서, CO 전환율의 상대 오차는 다른 변수에 비해 훨씬 더 낮게 결정되었다. 또한, 상대 오차가 목적 요소(objective elements)에 따라 상이함에도 불구하고, 실험적 데이터로부터 시뮬레이션된 값들의 절대 편차로 정의되는 절대 오차(%P, percent point)는 유사하였다: 예컨대, CO, CO2 및 H2 전환율의 절대 오차는 각각 4.2, 5.4, 및 4.9 %P임. 이는 시뮬레이션된 결과가 측정된 데이터와 일치함을 나타내며, 개발된 모델의 유효성을 입증하는 것이다.3 is
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mean of absolute relative residuals (MARR), defined as (N: number of experimental data), and
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The conversion rate and temperature profile between the simulated results and the experimental data following statistics such as the relative standard deviation of individual errors (RSDE), defined as Another design variable in the reactor model was the overall heat transfer coefficient between the catalyst bed and the cooling water shell, which was 70 W/(m 2 K) by minimizing the error in the conversion rate and temperature profile in a balanced manner. was decided with This indicates that a trade-off exists between the CO conversion rate and the CO 2 /H 2 conversion rate, as shown in FIG. 3 . In other words, the error in the CO conversion rate increases, thereby affecting the CO 2 and H 2 conversion rates. This means that the error can be reduced. Since the degree of CO conversion rate is higher than that of other variables, the CO conversion rate is receiving more attention. Therefore, the relative error of the CO conversion rate was determined to be much lower compared to the other variables. In addition, although the relative error differs according to the objective elements, the absolute error (%P, percent point), which is defined as the absolute deviation of the simulated values from the experimental data, was similar: for example, CO, CO 2 and The absolute errors of H 2 conversion are 4.2, 5.4, and 4.9 %P, respectively. This indicates that the simulated results are consistent with the measured data and proves the validity of the developed model.

도 4는 기존의 다중 튜브형 고정층 반응기의 튜브 내에서 CO 전환율 및 온도 프로파일을 나타낸다. 시뮬레이션 조건은 메탄올의 생산율(production rate)이 50 kg/day이 되도록 결정되었다: 압력 및 GHSV가 각각 5 MPa 및 5000 mL/(gcat·h)로 지정되었으며, 주입구 및 벽 온도는 각각 150℃ 및 240℃로 설정되었다. 원료 조성은H2 : CO : CO2 : N2 = 66.7 : 19.6 : 9.1 : 4.6 몰%로 설정되었다. 본 발명에 있어서 지정된 물리적 성질은 공정 시뮬레이터로부터 제공되었으며, 하기 표 4에 나타난 바와 같다.4 shows the CO conversion rate and temperature profile in the tube of a conventional multi-tubular fixed bed reactor. Simulation conditions were determined such that the production rate of methanol was 50 kg/day: pressure and GHSV were specified as 5 MPa and 5000 mL/(gcat·h), respectively, and inlet and wall temperatures were 150°C and 240°C, respectively. was set to °C. The raw material composition was set to H 2 : CO : CO 2 : N 2 = 66.7 : 19.6 : 9.1 : 4.6 mol%. The physical properties specified in the present invention were provided from the process simulator, and are shown in Table 4 below.

SymbolSymbol UnitUnit ValueValue μμ Pa·sPa s 1.613×10-2 1.613×10 -2 εε PP -- 1.3971.397 κbr κ br m2 m 2 1.000×10-12 1.000×10 -12 κκ W/(m·K)W/(m·K) 0.12050.1205 CC PP J/(kg·K)J/(kg·K) 2.5252.525

전환율은 반응기를 따라 증가하였고 반응기 출구에서 43.2%(평균, 최대 전환율은 51.3%)에 이르렀다. z = 0.6 m에서의 단면에 나타난 바와 같이, 중심에서의 높은 선속도로 인해 중심에서의 전환율은 벽에 가까운 곳에 비해 더 낮았다.Conversion increased along the reactor and reached 43.2% (average, maximum conversion of 51.3%) at the reactor outlet. As shown in the cross-section at z = 0.6 m, the conversion rate at the center was lower than near the wall due to the high linear velocity at the center.

반응기 축의 중심을 따르는 온도 프로파일은 반응기 주입구로부터 증가하였고, 최대값(305.5℃)에 이른 후, 출구에서 288.1℃까지 감소하였다. 자세한 CFD 결과는 반응기 축을 따르는 다른 위치에서 방사방향(radial direction) 내에서 상이한 온도 구배 패턴을 나타내었다. 튜브의 유입구 근처에서, 벽에 가까운 원료 가스는 쉘 내의 매질과의 열전달에 의해 가열되었으나, 열은 튜브의 중심까지 충분히 전달되지 못하여 중심에서 더 낮은 온도를 나타내었다(도 4c 내의 좌측 도표에 나타난 바와 같이 convex down 포물선을 나타냄). z (packing depth) = 0.6 m에서, 방사방향에서 중심으로부터 벽으로의 전환율 증가로 인해, 가스 유속의 감소에도 불구하고 반응 속도 역시 증가하여(상기 속도는 전환율과 유속의 곱으로 결정됨), 중심으로부터의 온도 증가를 유도하였다. 이후, 온도는 쉘과의 열전달에 의해 감소하였다(도 4c 내의 중앙 도표에 나타난 바와 같이 이중노드 곡선(binodal curve)을 나타냄). 반응기 축의 후반부에서, 발생되는 열은 튜브 내에 축적되었고 중심에서의 온도는 최대치에 달하는 반면, 벽 근처에서의 온도는 벽 온도와 가까워졌다(도 4c 내의 우측 도표에 나타난 바와 같이 convex up 포물선을 나타냄).The temperature profile along the center of the reactor axis increased from the reactor inlet, reached a maximum (305.5° C.) and then decreased to 288.1° C. at the outlet. Detailed CFD results showed different temperature gradient patterns in the radial direction at different locations along the reactor axis. Near the inlet of the tube, the source gas close to the wall was heated by heat transfer with the medium in the shell, but the heat was not sufficiently transferred to the center of the tube, resulting in a lower temperature at the center (as shown in the left diagram in Fig. 4c) convex down to represent a parabola). At z (packing depth) = 0.6 m, due to the increase in the conversion rate from the center to the wall in the radial direction, the reaction rate also increases despite the decrease in the gas flow rate (the rate is determined by the product of the conversion rate and the flow rate), from the center induced an increase in temperature. Thereafter, the temperature decreased due to heat transfer with the shell (showing a binodal curve as shown in the central plot in Fig. 4c). At the second half of the reactor axis, the heat generated accumulated in the tube and the temperature at the center reached a maximum, while the temperature near the wall approached the wall temperature (showing a convex up parabola as shown in the plot on the right in Figure 4c). .

전술한 바와 같이, 기존의 튜브형 반응기는 제한된 전열용량(heat transfer capacity)으로 인해 튜브 중심 주위에서 열이 제거되는 문제를 나타내었다. 전열용량을 증가시키기 위하여, 내부 튜브(inner tube) 내의 냉각 원료 가스는 물론 쉘 내의 냉각 매질에 의해 냉각을 수행하는, 베이요넷 반응기(bayonet reactor)의 변형인 콤팩트 반응기(compact reactor)가 제안되었다(도 2b). 도 5에 나타난 바와 같이, 30℃의 원료 가스 온도를 제외하고 기존의 반응기와 동일한 시뮬레이션 조건 하에서 촉매 패킹 튜브(중앙 튜브, middle tube)에서의 CFD 결과를 나타낸다(cf. 주입구 온도는 촉매 패킹 튜브의 주입구에서의 온도를 나타내는 한편, 원료 가스 온도는 내부 튜브의 주입구에서의 온도를 나타냄).As described above, the conventional tubular reactor has a problem in that heat is removed around the tube center due to limited heat transfer capacity. In order to increase the heat transfer capacity, a compact reactor, a variant of the bayonet reactor, has been proposed, in which cooling is performed by a cooling medium in the shell as well as a cooling source gas in an inner tube ( 2b). As shown in FIG. 5, CFD results are shown in the catalyst packing tube (middle tube) under the same simulation conditions as the conventional reactor except for the raw material gas temperature of 30° C. (cf. The inlet temperature is the catalyst packing tube represents the temperature at the inlet, while the raw gas temperature represents the temperature at the inlet of the inner tube).

전환율과 관련하여, 평균 값은 촉매 베드의 축을 따라 증가하였다(출구에서의 평균 전환율은 48.4%이며, 국부 전환율의 최대값은 49.8%임). 방사 구배(radial gradient)는 최외각 및 내부 튜브 사이의 온도 차이로 인해 r = r i,middle에서의 전환율이 최외각 튜브(outermost tube, r o,middle) 근처에 비해 더 낮게 나타났다. 이러한 특징은 전체 촉매 베드에 걸쳐 유지되었다. 기존의 튜브에서는 선속도 분포에 의해 영향을 받는 반면, 콤팩트 반응기 내에서 방사 구배가 방사방향에서 선속도의 차이 보다 내부 및 최외각 튜브의 온도에 의해 보다 주도적으로 영향을 받는다는 점에 주목할 필요가 있다.Regarding the conversion, the average value increased along the axis of the catalyst bed (the average conversion at the outlet was 48.4%, and the maximum value of the local conversion was 49.8%). Radial gradient (radial gradient) was lower than that near the outermost layer and due to the temperature difference between the inner tube r = r i, the outermost tube of the conversion rate in the middle (outermost tube, r o, middle). This characteristic was maintained throughout the entire catalyst bed. It is worth noting that the radial gradient in the compact reactor is more predominantly influenced by the temperature of the inner and outermost tubes than the difference in the linear velocity in the radial direction, whereas in conventional tubes it is affected by the linear velocity distribution. .

원료 가스의 온도는 촉매 베드로부터의 열전달로 인해 30℃로부터 약 130℃까지(기존의 반응기에서 주입구 온도에 근접) 증가하였다. 베드의 초반부에서, 방사 온도 구배의 패턴은 전환율 구배에서의 패턴과 유사한 반면, 베드의 중앙(z = 1.1 m)에서, 축적된 열은 최외각 튜브 내의 냉각수 및 내부 튜브 내의 원료 가스 모두에 의해 제거되어, r i,middler o,middle 사이의 최대 온도를 유도하였다. 냉각 원료 가스의 도입과 더불어, 기존의 반응기에 비해 콤팩트 반응기의 보다 높은 전열용량은 콤팩트 반응기의 보다 넓은 전열면적(heat transfer area)에 기인한다(13.1 m2 vs. 7.72 m2). 그 결과, 최대 온도는, 기존 반응기에서 305.5℃에 비해, 284℃로 감소하였다. 종합적으로, 상기 반응은 속도론적 체계(kinetic regime) 보다는 오히려 열역학적 체계(thermodynamic regime)에 있으므로, 콤팩트 반응기의 보다 낮은 최대 온도는, 동일한 공간 속도에 대해 기존의 반응기에 비해, 보다 높은 전환율 및 보다 큰 메탄올 생산율을 나타내었다.The temperature of the feed gas increased from 30° C. to about 130° C. (close to the inlet temperature in conventional reactors) due to heat transfer from the catalyst bed. At the beginning of the bed, the pattern of the radial temperature gradient is similar to that in the conversion gradient, whereas at the center of the bed (z = 1.1 m), the accumulated heat is removed by both the coolant in the outermost tube and the source gas in the inner tube. , leading to the maximum temperature between r i,middle and ro ,middle. With the introduction of cooling feed gas, the higher heat transfer capacity of the compact reactor compared to the conventional reactor is attributed to the larger heat transfer area of the compact reactor (13.1 m 2 vs. 7.72 m 2 ). As a result, the maximum temperature was reduced to 284 °C compared to 305.5 °C in the conventional reactor. Collectively, since the reaction is in the thermodynamic regime rather than the kinetic regime, the lower maximum temperature of the compact reactor results in a higher conversion and greater than conventional reactors for the same space velocity. Methanol production rate was shown.

본 발명에 따른 반응기의 전열용량이 기존의 반응기에 비해 더 크므로, 전환율에 대한 증가된 열 생성의 효과 및 온도 프로파일을 평가하기 위하여 공간 속도를 증가시켰다. 도 6a에 나타난 바와 같이, 콤팩트 반응기의 CO 전환율은 SV 증가에 따라 기존의 반응기(conventional로 표지된 회색 막대)에서 보다 더 유의하게 감소하였다(Comp-30으로 표지된 스카이블루 막대). 한편, 콤팩트 반응기의 CO2 전환율은 SV 증가에 따라 증가한 반면, 기존의 반응기는 CO2 전환율에서 유의미한 변화를 나타내지 않았다(도 6b). CO2의 양이 CO 보다 더 적으므로, H2 전환율에 대한 SV의 효과는 CO 전환율에 대한 효과와 유사하였다(도 6c). 이러한 특성은 콤팩트 반응기에서 원료 가스의 증가된 유속(유량)에 기인할 수 있으며, 이는 촉매 베드에서 생성되는 열의 보다 많은 흡수를 유도하여 열역학적 거동의 결과로서 주입구 온도를 감소시킬 수 있다(도 6e). 기존의 반응기의 경우, 주입구 온도는 모든 SV에 대해 고정되었으며, 최대 온도는 거의 동일하였다(최대 온도의 위치는 SV가 증가함에 따라 주입구로부터 배출구로 이동함). 결과로서, 기존의 반응기의 메탄올 생산성은 유속(유량)의 증가율이 전환율에서의 감소율에 비해 더 높으므로 증가하였다. 반대로, 콤팩트 반응기에서 메탄올 생산은 SV 증가에 따라 다소 감소하였다.Since the heat transfer capacity of the reactor according to the present invention is larger than that of the conventional reactor, the space velocity was increased to evaluate the effect of increased heat production on conversion and the temperature profile. As shown in FIG. 6a , the CO conversion rate of the compact reactor decreased more significantly than that of the conventional reactor (gray bars labeled conventional) with increasing SV (sky blue bars labeled Comp-30). On the other hand, the CO 2 conversion rate of the compact reactor increased with increasing SV, whereas the conventional reactor did not show a significant change in the CO 2 conversion rate (FIG. 6b). Since the amount of CO 2 was smaller than that of CO, the effect of SV on H 2 conversion was similar to the effect on CO conversion ( FIG. 6c ). This characteristic can be attributed to the increased flow rate (flow rate) of the feed gas in the compact reactor, which can lead to more absorption of the heat generated in the catalyst bed, thereby reducing the inlet temperature as a result of the thermodynamic behavior (Fig. 6e). . For the conventional reactor, the inlet temperature was fixed for all SVs, and the maximum temperature was almost the same (the position of the maximum temperature shifted from the inlet to the outlet as the SV increased). As a result, the methanol productivity of the conventional reactor increased because the rate of increase in the flow rate (flow rate) was higher than the rate of decrease in the conversion rate. Conversely, methanol production in the compact reactor decreased somewhat with increasing SV.

콤팩트 반응기에서 메탄올 생산성을 증가시키기 위하여, 주입구 온도를 60℃까지 증가시키고(Comp-60로 표지된 오렌지색 막대), 전환율이, SV/SVref = 1.0에 대한 전환율이 최대 온도가 너무 많아 계산되지 않는 것을 제외하고, Tfeed = 30℃인 경우에 비해 증가하는 것을 관찰하였다. 나아가, 원료 온도의 증가는 메탄올 선택성을 증가시켰다. 최대값이 가장 높은 SV 및 원료 온도에서 얻어졌음에도 불구하고, 이러한 조건 하에서 너무 낮은 전환율은 분리 비용을 현저히 상승시켰다. 따라서, 적정 조건은 SV/SVref = 2.0 및 Tfeed = 90℃였으며, 이는 기존의 반응기의 참조 조건 하에서와 유사한 CO 및 H2 전환율을 제공하는 한편(cf. 도 6a 및 6c에서 빨간색 점선), 생산성은 SV/SVref = 3.0 및 Tfeed = 120℃인 경우와 유사하다.To increase methanol productivity in the compact reactor, the inlet temperature was increased to 60 °C (orange bar labeled Comp-60), and the conversion was not calculated for SV/SV ref = 1.0 because the maximum temperature was too high. Except that, it was observed that T feed = increased compared to the case of 30 ℃. Furthermore, the increase in the raw material temperature increased the methanol selectivity. Although the maximum was obtained at the highest SV and feed temperature, too low conversion under these conditions significantly increased the separation cost. Thus, the titration conditions were SV/SV ref = 2.0 and T feed = 90° C., which gave similar CO and H 2 conversions as under the reference conditions of the conventional reactor (cf. red dashed lines in FIGS. 6a and 6c), The productivity is similar to that for SV/SV ref = 3.0 and T feed = 120°C.

생산성을 증가시키기 위하여, SV의 증가와 더불어, 촉매 베드의 직경을 증가시키는 것을 고려할 수 있다. 도 7은 콤팩트 반응기의 성능에 대한 직경의 효과를 나타낸다. 이로부터 CO 및 H2 전환율이 5000 mL/(gcat·h)에서 고정된 SV 값을 가질때 직경 증가에 따라 감소하는 반면, CO2 전환율은 다소 증가함을 확인하였다(도 7a). 이러한 특성은 일정한 SV에 대해 직경이 증가함에 따라 유속이 증가할 때 주입구 온도의 감소에 기인한다(도 7b). 그러나, 감소된 전환율에도 불구하고, 원료 가스에서의 증가로 인해 생산성은 증가하였다. 보다 나은 반응기 효율성 평가를 위하여, CO 전환율 당 생산성을 계산하여 도 7b에 나타내었으며, 이는 튜브 직경의 증가가 효율성을 향상시킴을 명확히 나타내었다.In order to increase the productivity, it may be considered to increase the diameter of the catalyst bed in addition to increasing the SV. 7 shows the effect of diameter on the performance of a compact reactor. From this, it was confirmed that CO and H 2 conversion decreased with an increase in diameter when the SV value was fixed at 5000 mL/(g cat ·h), whereas the CO 2 conversion rate slightly increased ( FIG. 7a ). This characteristic is due to a decrease in the inlet temperature when the flow rate increases with increasing diameter for a constant SV (Fig. 7b). However, despite the reduced conversion, productivity increased due to the increase in the source gas. For better reactor efficiency evaluation, the productivity per CO conversion was calculated and shown in Figure 7b, which clearly indicated that increasing the tube diameter improved the efficiency.

도 7c 및 7d는 상이한 직경을 갖는 기존의 반응기 및 콤팩트 반응기에 대한 CO 전환율 및 온도의 축방향 프로파일을 나타낸다. 기존의 반응기의 경우, 촉매 베드의 초반부가 연료 가스를 예열하는 역할을 하므로, 반응이 약 z = 0.5 m에서 시작되었다. 반면, 콤팩트 반응기의 주입구 온도는 기존의 반응기의 그것에 비해 더 낮음에도 불구하고, 반응은 약 z = 0.2 m에서 시작되었는데, 이는 최외각 튜브의 벽 근처 온도가 벽 온도(240℃)에 가깝게 유지되었기 때문이다(도 7e). 콤팩트 반응기의 높은 전열용량으로 인해, 축방향 및 방사방향 모두에서의 최대 온도는 기존의 반응기의 그것보다 낮게 유지되었다. 종합적으로, 유사한 CO 전환율을 가정할 때, 촉매 베드의 직경은 기준 케이스(reference case)에 대해 40%까지 증가될 수 있고 생산성은 기준 케이스에 비해 약 1.7배(기존의 반응기에 대해 2배) 증가하였다.7c and 7d show the axial profiles of CO conversion and temperature for conventional and compact reactors with different diameters. In the case of a conventional reactor, the reaction started at about z = 0.5 m, as the initial part of the catalyst bed serves to preheat the fuel gas. On the other hand, although the inlet temperature of the compact reactor was lower than that of the conventional reactor, the reaction started at about z = 0.2 m, which means that the temperature near the wall of the outermost tube was kept close to the wall temperature (240 °C). Because (Fig. 7e). Due to the high heat transfer capacity of the compact reactor, the maximum temperature in both the axial and radial directions was kept lower than that of the conventional reactor. Overall, assuming similar CO conversion rates, the diameter of the catalyst bed can be increased by up to 40% for the reference case and the productivity is increased by about 1.7 times compared to the reference case (2 times for the conventional reactor) did

기준 직경을 갖는 기존의 반응기 및 콤팩트 반응기에 있어서, 반응은 촉매 베드의 중앙에서 평형에 도달하였으며, 이후로는 열역학적으로 조절되었다(도 7f). 이는 전환율이 평형에 의해 제한되었으며, 베드가 완전히 이용되지 않았음을 나타내는 것이다. 직경이 20%만큼 증가했을 때, 반응은 베드의 출구 근처에서 평형에 이르렀으며, 추가적인 증가는 전체 베드에 걸쳐 반응속도론적 체계에서 반응을 유지하였다. 이러한 특성 또한 콤팩트 반응기가 기존의 반응기에 비해 보다 유리함을 알 수 있다.In conventional and compact reactors with reference diameters, the reaction reached equilibrium in the center of the catalyst bed and was thereafter thermodynamically controlled ( FIG. 7f ). This indicates that the conversion was limited by equilibrium and the bed was not fully utilized. When the diameter increased by 20%, the reaction reached equilibrium near the exit of the bed, and further increases kept the reaction in a kinetic regime across the entire bed. It can be seen that the compact reactor is also more advantageous than the conventional reactor.

Claims (12)

내부로부터 차례로 공동의 중심을 갖도록 배치된 상이한 직경의 내부 튜브, 촉매 튜브 및 쉘을 포함하는, 다층 구조의 튜브형 반응기로서,
쉘의 내부에는 냉각 매질을 함유하며,
내부 튜브에 직접 또는 간접적으로 연결된 원료 가스 주입부가 구비되고,
상기 촉매 튜브에는 메탄올 합성용 촉매가 충진되고,
내부 튜브의 하부는 폐쇄되고 상부는 개방된 원통형으로써,
내부 튜브와 촉매 튜브의 하부는 차단되고 상부는 서로 연결된 것인,
합성 가스(syngas)로부터 메탄올 제조용 반응기.
A tubular reactor of multi-layer structure comprising inner tubes, catalyst tubes and shells of different diameters arranged to have a center of a cavity in turn from the inside, comprising:
The inside of the shell contains a cooling medium,
A source gas injection unit directly or indirectly connected to the inner tube is provided,
The catalyst tube is filled with a catalyst for methanol synthesis,
The lower part of the inner tube is closed and the upper part is an open cylindrical shape,
The lower part of the inner tube and the catalyst tube is blocked and the upper part is connected to each other,
A reactor for the production of methanol from syngas.
제1항에 있어서,
상기 촉매 튜브는 내부 튜브에 비해 1.5 내지 3배의 직경을 갖는 것인, 반응기.
According to claim 1,
wherein the catalyst tube has a diameter of 1.5 to 3 times that of the inner tube.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 반응기의 하단에 구비되어 내부 튜브에 직접 연결된 원료 가스 주입부를 구비한 3중층 구조의 튜브형 반응기인 것인, 반응기.
According to claim 1,
The reactor is a tubular reactor of a triple layer structure provided at the bottom of the reactor and having a source gas injection part directly connected to an inner tube.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 내부 튜브의 중심에 공동의 중심을 갖도록 배치된 내부 튜브의 내경보다 작은 직경을 갖는 원료 가스 주입 튜브를 추가로 구비한 4중층 구조의 튜브형 반응기로서, 상기 원료 가스 주입 튜브의 상부는 반응기의 상단에 구비된 원료 가스 주입부와 연결되며, 하부는 개방되고 내부 튜브의 폐쇄된 하단보다 높이 위치하여 이를 통해 내부 튜브의 하단으로 원료 가스를 전달하는 것인, 반응기.
According to claim 1,
The reactor is a tubular reactor of a quadruple layer structure further comprising a source gas injection tube having a diameter smaller than the inner diameter of the inner tube disposed to have a center of the cavity at the center of the inner tube, wherein the upper portion of the source gas injection tube is the reactor It is connected to the source gas injection unit provided at the upper end of the reactor, the lower portion is open and located higher than the closed lower end of the inner tube to deliver the source gas to the lower end of the inner tube through this.
제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 반응기는 내부 튜브 및 촉매 튜브, 선택적으로 내부 튜브의 중심에 위치한 원료 가스 주입 튜브로 구성된 서브세트 하나 이상을 하나의 쉘 내에 구비한 다층 구조의 원통형 반응기인 것인, 반응기.
5. The method according to claim 3 or 4,
The reactor is a multi-layered cylindrical reactor having in one shell at least one subset consisting of an inner tube and a catalyst tube, optionally a source gas injection tube located at the center of the inner tube.
제1항에 있어서,
상기 내부 튜브에서는 주입된 원료 가스가 하단으로부터 상부로 이동하면서 촉매 튜브에서의 반응으로부터 발생하는 열에 의해 예열되는 것인, 반응기.
According to claim 1,
In the inner tube, the injected raw material gas is preheated by heat generated from the reaction in the catalyst tube while moving from the bottom to the top, the reactor.
제6항에 있어서,
상기 내부 튜브를 통과하면서 예열된 연료 가스는 촉매 튜브를 통과하면서 CO 수소화 반응, CO2 수소화 반응 및 역수성가스전환(Reverse water-gas shift; RWGS) 반응이 수행되는 것인, 반응기.
7. The method of claim 6,
The fuel gas preheated while passing through the inner tube passes through the catalyst tube while CO hydrogenation reaction, CO 2 hydrogenation reaction and reverse water-gas shift (RWGS) reaction are performed, the reactor.
제1항에 있어서,
상기 촉매 튜브에 충진된 메탄올 합성용 촉매는 구리/아연/알루미늄 계열의 촉매, 크롬산화물계 촉매, 구리계 촉매, 또는 이들의 조합인 것인, 반응기.
According to claim 1,
The catalyst for methanol synthesis filled in the catalyst tube is a copper/zinc/aluminum-based catalyst, a chromium oxide-based catalyst, a copper-based catalyst, or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 쉘의 내부에는 냉각 매질은 촉매 튜브에서의 반응으로부터 생성되는 열을 흡수하여 기화하는 것인, 반응기.
According to claim 1,
In the interior of the shell, the cooling medium will absorb and vaporize the heat generated from the reaction in the catalyst tube.
제1항에 있어서,
상기 쉘은 상부에 형성된 기체 배출구 및 하단에 형성된 액체 주입구를 통해 외부에 구비된 수조와 연결되어 형성된 닫힌 냉각 루프 시스템을 통해 상기 기체 배출구를 통해 기화된 냉각 매질을 외부로 배출하고 다시 냉각되어 액화된 매질은 수조에 저장하였다가 액체 주입구를 통해 쉘 내부로 공급하는 것인, 반응기.
According to claim 1,
The shell discharges the vaporized cooling medium to the outside through the gas outlet through a closed cooling loop system formed in connection with a water tank provided outside through a gas outlet formed at the upper portion and a liquid inlet formed at the lower end, and is cooled again to liquefy The reactor, wherein the medium is stored in a water bath and fed into the shell through a liquid inlet.
제1항에 있어서,
원료 가스의 예열을 위한 별도의 장치를 구비하지 않는 것인, 반응기.
According to claim 1,
The reactor, which does not have a separate device for preheating the raw material gas.
제1항에 있어서,
메탄올의 제조는 열역학적 체계(thermodynamic regime)에서 수행되는 것인, 반응기.
According to claim 1,
wherein the production of methanol is carried out in a thermodynamic regime.
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