KR20220026965A - 유동층 반응기용 분산판 및 이를 포함하는 유동층 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 반응기용 분산판 및 이를 포함하는 유동층 반응기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 유동층 반응기용 분산판은 반응 기체가 통과되는 다수개의 관통홀이 형성된 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트의 관통홀에 대응되는 위치에 형성되어, 상기 관통홀을 통과하는 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시키는 기체 분산부를 포함하고, 상기 기체 분산부는, 통형으로 형성되고, 상기 관통홀을 통과한 상기 반응 기체가 이동되는 유동통로가 내부에 형성되며, 상기 유동통로에 위치된 상기 유동 기체가 상기 기체 분산부의 외부로 배출되도록 다수개의 기체 배출홀이 형성된다.

Description

유동층 반응기용 분산판 및 이를 포함하는 유동층 반응기{DISTRIBUTOR FOR FLUIDIZED BED REACTOR AND FLUIDIZED BED REACTOR COMPRISING THE SAME}

본 발명은 유동층 반응기용 분산판 및 이를 포함하는 유동층 반응기에 관한 것이다.

유동층 반응기는 다양한 다중상(multiphase) 화학 반응을 수행하도록 이용될 수 있는 반응기 장치이다. 유동층 반응기에서는 유체(기체 또는 액체)가 미립자 상태의 고체 물질과 반응하게 되는데, 통상적으로 상기 고체 물질은 작은 구(sphere)의 형상을 가지는 촉매이고, 유체는 고체 물질을 부유시키기에 충분한 속도로 유동함으로써 고체 물질이 유체와 유사하게 거동하게 된다.

한편, 탄소나노구조물(carbon nanostructures, CNS)은 나노튜브, 나노파이버, 풀러렌, 나노콘, 나노호른, 나노로드 등 다양한 형상을 갖는 나노크기의 탄소구조물을 지칭하며, 여러 가지 우수한 성질을 보유하기 때문에 다양한 기술분야에서 활용도가 높다. 대표적인 탄소나노구조물인 탄소나노튜브(Carbon nanotubes; CNT)는 서로 이웃하는 3 개의 탄소 원자가 육각형의 벌집 구조로 결합되어 탄소 평면을 형성하고, 상기 탄소 평면이 원통형으로 말려서 튜브의 형상을 가지는 소재이다. 탄소나노튜브는 구조에 따라서, 즉, 튜브의 지름에 따라서 도체가되거나 또는 반도체가 되는 특성이 있으며, 다양한 기술 분야에서 광범위하게 응용될 수 있어서 신소재로 각광을 받는다. 예를 들어, 탄소나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 슈퍼 커패서티(super capacity)와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 기체 센서 등에 적용될 수 있다.

탄소나노구조물은 예를 들어 아크 방전법, 레이저 증발법, 화학 기상 성장법을 통하여 제조될 수 있다. 상기 열거된 제조 방법 중 화학 기상 성장법에서는 통상적으로 고온의 유동층 반응기 안에서 금속 촉매 입자와 탄화수소 계열의 원료 기체를 분산 및 반응됨으로써 탄소나노튜브가 생성된다. 즉, 금속 촉매는 원료 기체에 의해 유동층 반응기 안에서 부유(浮游)하면서 원료 기체와 반응하여 탄소나노튜브를 성장시킨다.

종래에는 탄소나노튜브(CNT) 유동층 반응 시 온도 확보를 위해 반응기 지름의 1.5배 높이의 베드(Bed, 열전달물질)가 필요하였다. 하지만, 베드가 반응기 내부의 공간을 많이 차지할수록 반응물의 생성 공간이 작아지는 문제가 있다.

한본 공개특허 제10-2010-0108599호

본 발명의 하나의 관점은 반응 기체를 균일하게 분산시키고, 반응물의 생성 공간을 최대한 확보할 수 있는 유동층 반응기용 분산판 및 이를 포함하는 유동층 반응기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판은 반응 기체가 통과되는 다수개의 관통홀이 형성된 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트의 관통홀에 대응되는 위치에 형성되어, 상기 관통홀을 통과하는 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시키는 기체 분산부를 포함하고, 상기 기체 분산부는, 통형으로 형성되고, 상기 관통홀을 통과한 상기 반응 기체가 이동되는 유동통로가 내부에 형성되며, 상기 유동통로에 위치된 상기 유동 기체가 상기 기체 분산부의 외부로 배출되도록 다수개의 기체 배출홀이 형성될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기는 내부에 수용부가 형성된 반응기 본체; 및 상기 반응기 본체의 수용부 하부에 위치되고 금속 촉매가 적층되는 유동층 반응기용 분산판을 포함하며, 상기 유동층 반응기용 분산판은, 상기 금속 촉매와 반응하는 반응 기체가 통과되는 다수개의 관통홀이 형성되고, 상기 금속 촉매가 상부에 적층되는 베이스 플레이트; 및 상기 베이스 플레이트의 관통홀에 대응되는 위치에 형성되어, 상기 관통홀을 통과하는 상기 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시키는 기체 분산부를 포함하고, 상기 기체 분산부는, 통형으로 형성되고, 상기 관통홀을 통과한 상기 반응 기체가 이동되는 유동통로가 내부에 형성되며, 상기 유동통로에 위치된 상기 유동 기체가 상기 기체 분산부의 외부로 배출되도록 다수개의 기체 배출홀이 형성될 수 있다.

본 발명에 따르면, 분산판의 하부에서 공급되는 반응 기체를 기체 분산부의 기체 배출홀를 통해 분산판의 상부로 균일하게 분산시켜, 촉매와의 반응력을 향상시키고, 반응물의 품질 균일성이 향상될 수 있다.

또한, 촉매와의 반응력이 향상됨에 따라 반응기 몸체의 수용부에 수용된 촉매의 부피를 줄여 반응물이 생성될 수 있는 공간이 증가됨에 따라 반응물의 생산량이 증가될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기를 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판을 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2에서 A-A'선을 따라 절개한 단면도이다.
도 4는 도 2에서 B영역을 확대하여 나타낸 단면도이다.
도 5는 반응기 본체 및 유동층 반응기용 분산판을 나타낸 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동층 반응기에서의 분산판을 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 6에서 C-C'선을 따라 절개한 단면도이다.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.

일 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 유동층 반응기를 예시적으로 나타낸 단면도이고, 도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판을 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 2에서 A-A'선을 따라 절개한 단면도이고, 도 4는 도 2에서 B영역을 확대하여 나타낸 단면도이다.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판(110)은 다수개의 관통홀(111a)이 형성된 베이스 플레이트(111) 및 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)에 대응되는 위치에 형성되어 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시키는 기체 분산부(112)를 포함한다.

보다 상세히, 도 1 내지 도 3을 참고하면, 베이스 플레이트(Base plate) (111)는 반응 기체가 통과되는 다수개의 관통홀(111a)이 형성된다.

또한, 베이스 플레이트(111)는 원판 형태로 형성되고, 다수개의 관통홀(111a)은 원형으로 형성될 수 있다.

아울러, 베이스 플레이트(111)는 반응기 본체(120)의 내부에 설치되어 하측에서 공급되는 반응 기체를 관통홀(111a)을 통해 상측에 형성된 반응기 본체(120)의 수용부(121)로 공급되도록 구비될 수 있다.

그리고, 베이스 플레이트(111)의 지름(p)은 예를 들어 1.4m로 형성될 수 있다.

기체 분산부(112)는 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)에 대응되는 위치에 형성되어, 관통홀(111a)을 통과하는 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시킬 수 있다.

또한, 기체 분산부(112)는 베이스 플레이트(111)의 상부에 다수개로 구비될 수 있다. 여기서, 기체 분산부(112)는 예를 들어 베이스 플레이트(111)에 8개 이상 구비될 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)는 구체적으로 예를 들어 베이스 플레이트(111)에 16개로 구비될 수 있다.

아울러, 기체 분산부(112)는 통형으로 형성되고, 관통홀(111a)을 통과한 반응 기체가 이동되는 유동통로(112d)가 내부에 형성될 수 있다. 여기서, 기체 분산부(112)는 원통형으로 형성될 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)는 상면(112c) 및 측면(112b)을 포함하고, 하부가 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)을 향해 개구될 수 있다.

그리고, 기체 분산부(112)의 지름(x)은 예를 들어 0.1m로 형성될 수 있다.

또한, 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 일례로 0.35~0.85m로 형성될 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)는 높이(h1)는 구체적으로 예를 들어 0.7m로 형성될 수 있다. 한편, 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 다른 예로 0.35~1.5m로 형성될 수 있다.

아울러, 기체 분산부(112)는 유동통로(112d)에 위치된 유동 기체가 기체 분산부(112)의 외부로 배출되도록 다수개의 기체 배출홀(112a)이 형성될 수 있다. 여기서, 기체 배출홀(112a)은 원형으로 형성될 수 있다. 그리고, 기체 배출홀(112a)의 지름(D)은 예를 들어 2.5~7.5mm로 형성될 수 있다. 이때, 기체 배출홀(112a)의 지름(D)은 구체적으로 예를 들어 5mm로 형성될 수 있다.

다수개의 기체 배출홀(112a)은 기체 분산부(112)의 상면(112c) 및 측면(112b)에 형성될 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)의 상면(112c)에 형성된 기체 배출홀(112a)은 상부 방향을 향해 형성되고, 기체 분산부(112)의 측면(112b)에 형성된 기체 배출홀(112a)은 측면 방향을 향해 형성될 수 있다. 여기서, 측면 방향은 예를 들어 베이스 플레이트(111)와 나란한 방향일 수 있다.

아울러, 다수개의 기체 배출홀(112a)은 복수개의 열과 행으로 배열 될 수 있다.

그리고, 다수개의 기체 배출홀(112a)의 상호 간격(w)은 기체 배출홀(112a)의 지름(D)에 대응할 수 있다. 즉, 기체 배출홀(112a)의 복수개의 열 끼리의 상호 간격(w) 및 행 끼리의 상호 간격(w)은 기체 배출홀(112a)의 지름(D)에 대응할 수 있다. 그리고, 기체 배출홀(112a)의 상호 간격(w)은 예를 들어 2.5~7.5mm로 형성될 수 있다. 이때, 기체 배출홀(112a)의 상호 간격(w)은 구체적으로 예를 들어 5mm로 형성될 수 있다.

여기서, 기체 배출홀(112a)의 지름(D) 및 기체 배출홀(112a)의 상호 간격(w)이 2.5mm 이상으로 형성되어 반응 기체를 용이하게 잘 배출시킬 수 있다. 또한, 기체 배출홀(112a)의 지름(D) 및 기체 배출홀(112a)의 상호 간격(w)이 7.5mm 이하로 형성되어 반응 기체를 효과적으로 배출 및 분산시킬 수 있고, 반응물이 기체 배출홀(112a)을 통해 기체 분산부(112)의 내부로 유입되어 유동통로(112d) 및 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)을 막는 것을 방지할 수 있다.

한편, 다수개의 기체 배출홀(111b)이 베이스 플레이트(111)에도 더 형성되어, 반응 기체가 배출될 수 있다. 즉, 베이스 플레이트(111)의 상부로 기체를 배출하는 기체 배출홀(111b)이 베이스 플레이트(111)의 상,하부를 관통하여 형성되어, 베이스 플레이트(111)의 하부에서 공급되는 반응 기체를 베이스 플레이트(111)의 상부로 배출시킬 수 있다. 이때, 베이스 플레이트(111)에 형성된 기체 배출홀(111b)과 기체 분산부(112)에 형성된 기체 배출홀(112a)의 크기와 간격은 동일할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판(110)은 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)을 통과하는 반응 기체를 기체 분산부(112)를 통해 분산시켜 분산판(110)에 적층된 금속 촉매(T)와 용이하게 반응시킬 수 있다. 이때, 반응 기체를 기체 분산부(112)의 기체 배출홀(112a)을 통해 보다 균일하게 분산시켜 금속 촉매(T)와의 반응력을 보다 향상 시킬 수 있어 품질 균일성이 향상될 수 있다.

또한, 촉매와의 반응력이 향상됨에 따라 반응기 몸체의 수용부(121)에 수용되어 분산판(110)의 상부에 적층된 촉매의 부피를 줄일 수 있게 되어 반응물의 생산량이 증가될 수 있다. 즉, 반응기 본체(120)에서 촉매가 차지하는 부피(Volume)가 줄어든량 만큼 수용부(121)에서 반응물이 더 생성될 수 있는 공간을 확보할 수 있어 생산량이 현저히 향상될 수 있다.

아울러, 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)의 상부에 기체 배출홀(112a)이 형성된 기체 분산부(112)를 통해 반응 기체를 배출시킴에 따라, 분산판(110)의 상부에서 생성된 반응물이 낙하하여 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)을 막거나, 반응물이 반응판의 하부로 낙하하여 반응 기체의 공급 통로를 막는 문제를 방지할 수 있다.

다른 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판

이하에서는 다른 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판을 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동층 반응기에서의 분산판을 예시적으로 나타낸 단면도이고, 도 7은 도 6에서 C-C'선을 따라 절개한 단면도이다.

도 1, 도 6 및 도 7을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판(210)은 다수개의 관통홀(211a)이 형성된 베이스 플레이트(211) 및 베이스 플레이트(211)의 관통홀(211a)에 대응되는 위치에 형성되어 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시키는 기체 분산부(212)를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판(210)은 전술한 일 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판과 비교할 때, 기체 분산부(212)의 형태에 차이가 있다. 따라서, 본 실시예는 일 실시예와 중복되는 내용은 생략하거나, 간략히 기술하고, 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.

보다 상세히, 도 1, 도 6, 및 도 7을 참고하면, 베이스 플레이트(211)(Base plate)는 반응 기체가 통과되는 다수개의 관통홀(211a)이 형성된다.

또한, 베이스 플레이트(211)는 원판 형태로 형성되고, 다수개의 관통홀(211a)은 원형으로 형성될 수 있다.

아울러, 베이스 플레이트(211)는 반응기 본체(120)의 내부에 설치되어 하측에서 공급되는 반응 기체를 관통홀(211a)을 통해 상측에 형성된 반응기 본체(120)의 수용부(121)로 공급되도록 구비될 수 있다.

기체 분산부(212)는 베이스 플레이트(211)의 관통홀(211a)에 대응되는 위치에 형성되어, 관통홀(211a)을 통과하는 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시킬 수 있다.

이때, 기체 분산부(212)는 베이스 플레이트(211)의 상부에 다수개로 구비될 수 있다.

아울러, 기체 분산부(212)는 통형으로 형성되고, 관통홀(211a)을 통과한 반응 기체가 이동되는 유동통로(212d)가 내부에 형성될 수 있다.

여기서, 기체 분산부(212)는 원추형으로 형성될 수 있다. 즉, 기체 분산부(212)는 내부가 중공된 원뿔형태로 형성되어, 하부로 관통홀(211a)을 향해 개구될 수 있다.

또한, 기체 분산부(212)는 유동통로(212d)에 위치된 유동 기체가 기체 분산부(212)의 외부로 배출되도록 다수개의 기체 배출홀(212a)이 형성될 수 있다. 여기서, 기체 배출홀(212a)은 원형으로 형성될 수 있다.

기체 배출홀(212a)은 기체 분산부(212)의 상측부(212c) 및 측면(212b)에 형성될 수 있다. 이때, 기체 분산부(212)의 상측부(212c)에 형성된 기체 배출홀(212a)은 상부 방향을 향해 형성되고, 기체 분산부(212)의 측면(212b)에 형성된 기체 배출홀(212a)은 측면 방향을 향해 형성될 수 있다. 다수개의 기체 배출홀(212a)은 기체 분산부(212)의 외면을 따라 형성될 수 있다. 여기서, 기체 배출홀(212a)은 상측부(212c)인 원추형 꼭지점 부분 및 측면(212b)의 외면을 따라 형성될 수 있다.

아울러, 다수개의 기체 배출홀(212a)은 복수개의 열과 행으로 배열 될 수 있다.

그리고, 다수개의 기체 배출홀(212a)의 상호 간격은 기체 배출홀(212a)의 지름에 대응할 수 있다. 즉, 기체 배출홀(212a)의 복수개의 열 끼리의 상호 간격 및 행 끼리의 상호 간격은 기체 배출홀(212a)의 지름에 대응할 수 있다.

한편, 다수개의 기체 배출홀(211b)이 베이스 플레이트(211)에도 더 형성되어, 반응 기체가 배출될 수 있다. 즉, 베이스 플레이트(211)의 상부로 기체를 배출하는 기체 배출홀(211b)이 베이스 플레이트(211)의 상,하부를 관통하여 형성되어, 베이스 플레이트(211)의 하부에서 공급되는 반응 기체를 베이스 플레이트(211)의 상부로 배출시킬 수 있다. 이때, 베이스 플레이트(211)에 형성된 기체 배출홀(211b)과 기체 분산부(212)에 형성된 기체 배출홀(212a)의 크기와 간격은 동일할 수 있다.

일 실시예에 따른 유동층 반응기

이하에서는 일 실시예에 따른 유동층 반응기를 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 4를 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기는 내부에 수용부(121)가 형성된 반응기 본체(120) 및 반응기 본체(120)의 수용부(121) 하부에 위치되고 금속 촉매(T)가 적층되는 유동층 반응기용 분산판(110)을 포함한다. 여기서, 유동층 반응기용 분산판(110)은 다수개의 관통홀(111a)이 형성된 베이스 플레이트(111) 및 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)에 대응되는 위치에 형성되어 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시키는 기체 분산부(112)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기는 반응 기체를 공급하는 기체 공급부(130)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기는 전술한 일 실시예에 따른 유동층 반응기용 분산판(110)이 적용되는 유동층 반응기이다. 따라서, 본 실시예는 전술한 실시예들과 중복되는 내용은 생략하거나, 간략히 기술하고, 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.

반응기 본체(120)는 내부에 반응이 일어나는 공간인 수용부(121)가 형성된다. 여기서, 수용부(121)는 분산판(110)으로부터 천정면까지의 내부 공간일 수 있다. 이때, 반응기 본체(120)의 수용부(121) 높이는 예를 들어 3m로 구비될 수 있다.

또한, 일례로 수용부(121)의 하부에는 금속 촉매(T)가 수용되어, 수용부(121) 내부로 유입되는 반응 기체와 반응할 수 있다.

한편, 다른 예로 수용부(121)의 하부에는 열 전달 효율을 증가시키기 위해 열 전달 물질이 더 수용될 수 있다. 이때, 열 전달 물질은 제조 완료된(완제품인) 탄소 나노튜브일 수 있다. 즉, 분산판(110)의 상부에 금속 촉매(T)로 적층된 층을 형성하거나, 금속 촉매(T) 및 제조 완료된 탄소 나노튜브를 혼합하여 적층된 층을 형성할 수 있다. 여기서, 적층된 층은 베드층일 수 있다. 이때, 금속 촉매(T) 및 제조 완료된 탄소 나노튜브의 적층 높이는 동일하거나, 금속 촉매(T) 보다 제조 완료된 탄소 나노튜브의 적층 높이가 더 높을수 있다.

아울러, 반응기 본체(120)는 원통형으로 형성될 수 있다.

분산판(110)은 베이스 플레이트(111) 및 베이스 플레이트(111)의 상부에 구비된 기체 분산부(112)를 포함한다.

베이스 플레이트(111)는 반응 기체가 통과되는 다수개의 관통홀(111a)이 형성되고, 상부에 금속 촉매(T)가 적층될 수 있다.

베이스 플레이트(111)는 원판 형태로 형성되고, 다수개의 관통홀(111a)은 원형으로 형성될 수 있다.

베이스 플레이트(111)는 반응기 본체(120)의 내부에 설치되어 하측에서 공급되는 반응 기체를 관통홀(111a)을 통해 상측에 형성된 반응기 본체(120)의 수용부(121)로 공급되도록 구비될 수 있다. 즉, 베이스 플레이트(111)는 반응기 본체(120)의 내부에 수평방향으로 설치되되, 베이스 플레이트(111)의 외주면은 반응기 본체(120)의 내주면을 따라 구비될 수 있다. 이에 따라, 베이스 플레이트(111)의 하측으로 공급되는 반응 기체가 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)을 통해서만 베이스 플레이트(111)의 상측으로 이동되도록 수 있다.

기체 분산부(112)는 베이스 플레이트(111)의 관통홀(111a)에 대응되는 위치에 형성되어, 관통홀(111a)을 통과하는 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시킬 수 있다. 이에 따라, 반응 기체와 촉매 사이에 균일한 반응을 유도할 수 있다.

그리고, 기체 분산부(112)는 베이스 플레이트(111)에서 상부 방향으로 연장될 수 있다. 즉, 금속 촉매(T)가 적층된 방향으로 연장될 수 있다.

한편, 기체 분산부(112)는 베이스 플레이트(111)의 상부에 다수개로 구비될 수 있다. 여기서, 기체 분산부(112)는 예를 들어 베이스 플레이트(111)에 8개 이상 구비될 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)는 구체적으로 예를 들어 베이스 플레이트(111)에 16개로 구비될 수 있다.

또한, 기체 분산부(112)는 통형으로 형성되고, 관통홀(111a)을 통과한 반응 기체가 이동되는 유동통로(112d)가 내부에 형성될 수 있다. 여기서, 기체 분산부(112)는 원통형으로 형성될 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)는 상면(112c) 및 측면(112b)을 포함하고, 하부가 관통홀(111a)을 향해 개구될 수 있다.

아울러, 기체 분산부(112)는 유동통로(112d)에 위치된 유동 기체가 기체 분산부(112)의 외부로 배출되도록 다수개의 기체 배출홀(112a)이 형성될 수 있다. 여기서, 기체 배출홀(112a)은 원형으로 형성될 수 있다.

다수개의 기체 배출홀(112a)은 기체 분산부(112)의 상면(112c) 및 측면(112b)에 형성될 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)의 상면(112c)에 형성된 기체 배출홀(112a)은 상부 방향을 향해 형성되고, 기체 분산부(112)의 측면(112b)에 형성된 기체 배출홀(112a)은 측면 방향을 향해 형성될 수 있다.

아울러, 다수개의 기체 배출홀(112a)은 복수개의 열과 행으로 배열 될 수 있다.

그리고, 다수개의 기체 배출홀(112a)의 상호 간격(w)은 기체 배출홀(112a)의 지름(D)에 대응할 수 있다. 즉, 기체 배출홀(112a)의 복수개의 열 끼리의 상호 간격(w) 및 행 끼리의 상호 간격(w)은 기체 배출홀(112a)의 지름(D)에 대응할 수 있다.

한편, 다수개의 기체 배출홀(111b)이 베이스 플레이트(111)에도 더 형성되어, 반응 기체가 배출될 수 있다. 즉, 베이스 플레이트(111)의 상부로 기체를 배출하는 기체 배출홀(111b)이 베이스 플레이트(111)의 상,하부를 관통하여 형성되어, 베이스 플레이트(111)의 하부에서 공급되는 반응 기체를 베이스 플레이트(111)의 상부로 배출시킬 수 있다. 이때, 베이스 플레이트(111)에 형성된 기체 배출홀(111b)과 기체 분산부(112)에 형성된 기체 배출홀(112a)의 크기와 간격은 동일할 수 있다.

도 5는 반응기 본체 및 유동층 반응기용 분산판을 나타낸 단면도이다.

한편, 도 1 및 도 5를 참고하면, 일례로 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 베이스 플레이트(111)에 적층된 반응 전 금속 촉매(T)의 적층 높이와 대응될 수 있다. 여기서, 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 베이스 플레이트(111)로부터 반응기 본체(120)의 수용부(121) 높이(h2)에 대하여 12 ~ 28%일 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 구체적으로 예를 들어 베이스 플레이트(111)로부터 반응기 본체(120)의 수용부(121) 높이(h2)에 대하여 23.33%일 수 있다.

그리고, 금속 촉매(T)의 적층높이(h1)에 대응되는 기체 분산부(112)의 높이(h1)를 12% 이상으로 형성하여 반응물을 생성하기 위한 금속 촉매(T)의 최소 부피를 확보할 수 있다. 또한, 금속 촉매(T)의 적층높이에 대응되는 기체 분산부(112)의 높이(h1)를 28% 이하로 형성하여 촉매가 차지하는 공간이 줄어듬에 따라 반응물의 생성 공간을 최대로 확보하여 반응물 생산량이 증대될 수 있다.

한편, 다른 예로 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 베이스 플레이트(111)에 적층된 반응 전 금속 촉매(T)의 적층 높이와 다를 수 있다. 여기서, 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 베이스 플레이트(111)로부터 반응기 본체(120)의 수용부(121) 높이(h2)에 대하여 12 ~ 50%일 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)의 높이(h1)를 12% 이상으로 형성하여 반응 기체를 균일하게 분산시키기 위한 높이를 확보할 수 있다. 그리고, 또한, 금속 촉매(T)의 적층높이에 대응되는 기체 분산부(112)의 높이(h1)를 50% 이하로 형성하여 기체 분산부(112)가 차지하는 공간이 줄어듬에 반응물 생산량이 증대될 수 있다. 이때, 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 일례로 촉매의 높이 보다 낮을 수 있다. 그리고, 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 다른 예로 촉매의 높이 보다 높게 형성되어, 반응물이 뭉치지 않고 균일하게 생성되도록 할 수 있다. 여기서, 기체 분산부(112)의 높이(h1)는 촉매의 높이 보다 높게 형성될 때, 예를 들어 기체 분산부(112)에 형성된 기체 배출홀(112a)은 촉매 높이 보다 높은 부분에는 형성되지 않을 수 있다.

기체 공급부(130)는 반응기 본체(120)의 하부에 위치되어 반응기 본체(120)의 수용부(121)로 반응 기체를 공급할 수 있다. 이때, 공급되는 반응 기체는 분산판(110)을 통해 분산되며 반응기 본체(120)의 수용부(121)로 공급될 수 있다.

기체 공급부(130)는 탄화 수소 계열 원료 기체를 포함하는 반응 기체를 공급함에 따라 반응기 본체(120) 수용부(121) 내에서 탄소 구조물이 제조될 수 있다. 이때, 탄소 구조물은 예를 들어 탄소나노튜브(CNT; Carbon nanotubes)일 수 있다.

여기서, 반응 기체는 예를 들어 에틸렌, 아세틸렌, 메탄, 또는 일산화탄소 등일 수 있다.

한편, 도 1을 참고하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기는 예열기(S1), 가열기(S2), 신장부(S3), 여과기(S4), 분리기(S5), 회수기(S6), 및 촉매 공급기(S7)를 더 포함할 수 있다.

보다 상세히, 반응 기체는 반응기 본체(120)의 내부로 공급되기 전에 예열기(S1)에서 예열될 수 있다. 이때, 예열기(S1)에서 예열된 반응 기체는 기체 공급관(P1)을 통해 기체 공급부(130)로 전달될 수 있다.

또한, 도 1 및 도 2를 참고하면, 반응기 본체(120)를 고온으로 가열하기 위해 가열기(S2)가 반응기 본체(120)의 외부에 구비될 수 있다. 이때, 반응기 본체(120)가 가열되면 반응기 본체(120)의 내측에 구비된 분산판(110)으로 열이 전달되어 분산판(110)이 가열될 수 있다. 이에 따라, 분산판(110)에 구비된 기체 분산부(112)를 통해 주변 반응물질이 가열되어 열전달 효율이 좋아질 수 있다. 따라서, 일례로 반응 전에 분산판(110)에 금속 촉매(T)가 적층될 때, 적층된 금속 촉매(T)의 부피를 줄일 수 있고, 금속 촉매(T)가 차지하는 공간이 줄어든 만큼 반응물의 생산량이 증가될 수 있다. 이에 따라, 완료된 탄소나노튜브 더 포함하는 베드층 없이도 반응물을 생성할 수 있다.

그리고, 다른 예로 반응 전에 분산판(110)에 금속 촉매(T)와 함께 제조 완료된 탄소나노튜브가 적층되어 베드층을 형성할때, 베드층의 부피를 줄일 수 있어, 반응물의 생산량이 증가될 수 있다.

아울러, 반응기 본체(120)의 상부에는 신장부(expander)(S3)가 구비될 수 있다. 신장부에는 반응기 본체(120)로부터의 금속 촉매(T)와 반응 생성물이 외부로 배출되는 것을 막기 위한 분리기(미도시)등이 구비될 수 있다.

신장부(S3)에는 여과기(S4)가 연결되며, 여과기(S4)에서 여과된 성분 기체는 이송관(P3)을 통해 이송될 수 있다. 한편, 신장부(S3)에는 재순환 배관(P2)이 연결되어, 신장부(S3)에서 배출된 혼합 기체의 일부를 재순환 배관(P2)을 통해 기체 공급관(P1)으로 재순환시킬 수 있다.

반응기 본체(120)의 일측에는 배관(P4)을 통하여 분리기(S5)가 연결되어 있다. 분리기(S5)는 반응기 본체(120)로부터 배출된 혼합 기체로부터 생성물을 분리하기 위한 것으로서, 예를 들어 탄소나노튜브와 혼합 기체를 분리하기 위한 것이다. 분리기(S5)의 일측에는 탄소나노튜브와 같은 생성물을 회수하기 위한 회수기(S6)가 연결되며, 분리기(S5)는 배관(P5)을 통해 반응기 본체(120)의 하부 일측에 연결된다. 한편, 촉매 공급기(190)는 배관(P6)에 연결됨으로써 금속 촉매(T) 입자가 배관(P6)을 통해 반응기 본체(120)의 내부로 공급될 수 있다.

다른 실시예에 따른 유동층 반응기

이하에서는 다른 실시예에 따른 유동층 반응기를 설명하기로 한다.

도 1, 도 6 및 도 7을 참고하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 유동층 반응기는 내부에 수용부(121)가 형성된 반응기 본체(120) 및 반응기 본체(120)의 수용부(121) 하부에 위치되고 금속 촉매(T)가 적층되는 유동층 반응기용 분산판(210)을 포함한다. 여기서, 유동층 반응기용 분산판(210)은 다수개의 관통홀(211a)이 형성된 베이스 플레이트(211) 및 베이스 플레이트(211)의 관통홀(211a)에 대응되는 위치에 형성되어 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시키는 기체 분산부(212)를 포함한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 유동층 반응기는 반응 기체를 공급하는 기체 공급부(130)를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 유동층 반응기는 전술한 일 실시예에 따른 유동층 반응기와 비교할 때, 기체 분산부(212)의 형태에 차이가 있다. 따라서, 본 실시예는 전술한 실시예들과 중복되는 내용은 생략하거나, 간략히 기술하고, 차이점을 중심으로 기술하도록 한다.

반응기 본체(120)는 내부에 반응이 일어나는 공간인 수용부(121)가 형성된다. 여기서, 수용부(121)는 분산판(210)으로부터 천정면까지의 내부 공간일 수 있다.

또한, 수용부(121)의 하부에는 촉매가 수용되어, 수용부(121) 내부로 유입되는 반응 기체와 반응할 수 있다.

아울러, 반응기 본체(120)는 원통형으로 형성될 수 있다.

분산판(210)은 베이스 플레이트(211) 및 기체 분산부(212)를 포함한다.

베이스 플레이트(211)는 반응 기체가 통과되는 다수개의 관통홀(211a)이 형성되고, 상부에 금속 촉매(T)가 적층될 수 있다.

베이스 플레이트(211)는 원판 형태로 형성되고, 다수개의 관통홀(211a)은 원형으로 형성될 수 있다.

베이스 플레이트(211)는 반응기 본체(120)의 내부에 설치되어 하측에서 공급되는 반응 기체를 관통홀(211a)을 통해 상측에 형성된 반응기 본체(120)의 수용부(121)로 공급되도록 구비될 수 있다. 즉, 베이스 플레이트(211)는 반응기 본체(120)의 내부에 수평방향으로 설치되되, 베이스 플레이트(211)의 외주면은 반응기 본체(120)의 내주면을 따라 구비될 수 있다. 이에 따라, 베이스 플레이트(211)의 하측으로 공급되는 반응 기체가 베이스 플레이트(211)의 관통홀(211a)을 통해서만 베이스 플레이트(211)의 상측으로 이동되도록 수 있다.

기체 분산부(212)는 베이스 플레이트(211)의 관통홀(211a)에 대응되는 위치에 형성되어, 관통홀(211a)을 통과하는 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시킬 수 있다. 여기서, 기체 분산부(212)는 베이스 플레이트(211)에서 상부 방향으로 연장될 수 있다.

이때, 기체 분산부(212)는 베이스 플레이트(211)의 상부에 다수개로 구비될 수 있다.

또한, 기체 분산부(212)는 통형으로 형성되고, 관통홀(211a)을 통과한 반응 기체가 이동되는 유동통로(212d)가 내부에 형성될 수 있다. 여기서, 기체 분산부(212)는 원통형으로 형성될 수 있다. 이때, 기체 분산부(212)는 상측부(212c) 및 측면(212b)을 포함하고, 하부로 관통홀(211a)을 향해 개구될 수 있다.

또한, 기체 분산부(212)는 유동통로(212d)에 위치된 유동 기체가 기체 분산부(212)의 외부로 배출되도록 다수개의 기체 배출홀(212a)이 형성될 수 있다. 여기서, 기체 배출홀은(212a) 원형으로 형성될 수 있다.

기체 배출홀(212a)은 기체 분산부(212)의 상측부(212c) 및 측면(112b)에 형성될 수 있다. 이때, 기체 분산부(212)의 상측부(212c)에 형성된 기체 배출홀(212a)은 상부 방향을 향해 형성되고, 기체 분산부(212)의 측면(112b)에 형성된 기체 배출홀(212a)은 측면 방향을 향해 형성될 수 있다. 다수개의 기체 배출홀(212a)은 기체 분산부(212)의 외면을 따라 형성될 수 있다. 여기서, 기체 배출홀(212a)은 상측부(212c)인 원추형 꼭지점 부분 및 측면(112b)의 외면을 따라 형성될 수 있다.

아울러, 다수개의 기체 배출홀(212a)은 복수개의 열과 행으로 배열 될 수 있다.

그리고, 다수개의 기체 배출홀(212a)의 상호 간격은 기체 배출홀(212a)의 지름에 대응할 수 있다. 즉, 기체 배출홀(212a)의 복수개의 열 끼리의 상호 간격 및 행 끼리의 상호 간격은 기체 배출홀(212a)의 지름에 대응할 수 있다.

한편, 다수개의 기체 배출홀(211b)이 베이스 플레이트(211)에도 더 형성되어, 반응 기체가 배출될 수 있다. 즉, 베이스 플레이트(211)의 상부로 기체를 배출하는 기체 배출홀(211b)이 베이스 플레이트(211)의 상,하부를 관통하여 형성되어, 베이스 플레이트(211)의 하부에서 공급되는 반응 기체를 베이스 플레이트(211)의 상부로 배출시킬 수 있다. 이때, 베이스 플레이트(211)에 형성된 기체 배출홀(211b)과 기체 분산부(212)에 형성된 기체 배출홀(212a)의 크기와 간격은 동일할 수 있다.

한편, 일례로 기체 분산부(212)의 높이는 베이스 플레이트(211)에 적층된 반응 전 금속 촉매(T)의 적층 높이와 대응될 수 있다. 여기서, 기체 분산부(212)의 높이는 베이스 플레이트(211)로부터 반응기 본체(120)의 수용부(121) 높이에 대하여 12 ~ 28%일 수 있다. 이때, 기체 분산부(212)의 높이는 구체적으로 예를 들어 베이스 플레이트(211)로부터 반응기 본체(120)의 수용부(121) 높이에 대하여 23.33%일 수 있다.

한편, 다른 예로 기체 분산부(212)의 높이는 베이스 플레이트(211)에 적층된 반응 전 금속 촉매(T)의 적층 높이와 다를 수 있다. 여기서, 기체 분산부(212)의 높이는 베이스 플레이트(211)로부터 반응기 본체(120)의 수용부(121) 높이에 대하여 12 ~ 50%일 수 있다.

기체 공급부(130)는 반응기 본체(120)의 하부에 위치되어 반응기 본체(120)의 수용부(121)로 반응 기체를 공급할 수 있다. 이때, 공급되는 반응 기체는 분산판(210)을 통해 분산되며 반응기 본체(120)의 수용부(121)로 공급될 수 있다.

기체 공급부(130)는 탄화 수소 계열 원료 기체를 포함하는 반응 기체를 공급함에 따라 반응기 본체(120) 수용부(121) 내에서 탄소나노튜브(CNT)가 제조될 수 있다.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 실시가 가능하다고 할 것이다.

또한, 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.

1: 유동층 반응기
110,210: 분산판
111,211: 베이스 플레이트
111a,211a: 관통홀
112,212: 기체 분산부
112a,212a: 기체 배출홀
112b,212b: 측면
112c: 상면
112d,212d: 유동통로
120: 반응기 본체
121: 수용부
130: 기체 공급부
S1: 예열기
S2: 가열기
S3: 신장부
S4: 여과기
S5: 분리기
S6: 회수기
S7: 촉매 공급기
212c: 상측부
T: 금속 촉매

Claims (19)

1. 반응 기체가 통과되는 다수개의 관통홀이 형성된 베이스 플레이트; 및
   상기 베이스 플레이트의 관통홀에 대응되는 위치에 형성되어, 상기 관통홀을 통과하는 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시키는 기체 분산부를 포함하고,
   상기 기체 분산부는, 통형으로 형성되고, 상기 관통홀을 통과한 상기 반응 기체가 이동되는 유동통로가 내부에 형성되며, 상기 유동통로에 위치된 상기 유동 기체가 상기 기체 분산부의 외부로 배출되도록 다수개의 기체 배출홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 분산판.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 기체 분산부는 원통형 또는 원추형으로 형성되는 유동층 반응기용 분산판.
3. 청구항 1에 있어서,
   다수개의 상기 기체 배출홀은 상기 기체 분산부의 상면 및 측면에 형성되는 유동층 반응기용 분산판.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 기체 분산부의 상면에 형성된 상기 기체 배출홀은 상부 방향을 향해 형성되고,
   상기 기체 분산부의 측면에 형성된 상기 기체 배출홀은 측면 방향을 향해 형성되는 유동층 반응기용 분산판.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 기체 분산부의 상기 기체 배출홀은 원형으로 형성되는 유동층 반응기용 분산판.
6. 청구항 1에 있어서,
   다수개의 상기 기체 배출홀은 복수개의 열과 행으로 배열되는 유동층 반응기용 분산판.
7. 청구항 6에 있어서,
   다수개의 상기 기체 배출홀의 상호 간격은 상기 기체 배출홀의 지름에 대응하는 유동층 반응기용 분산판.
8. 청구항 1에 있어서,
   다수개의 상기 기체 배출홀은 상기 베이스 플레이트에 더 형성되어, 상기 반응 기체가 배출되는 유동층 반응기용 분산판.
9. 내부에 수용부가 형성된 반응기 본체; 및
   상기 반응기 본체의 수용부 하부에 위치되고 금속 촉매가 적층되는 유동층 반응기용 분산판을 포함하며,
   상기 유동층 반응기용 분산판은,
   상기 금속 촉매와 반응하는 반응 기체가 통과되는 다수개의 관통홀이 형성되고, 상기 금속 촉매가 상부에 적층되는 베이스 플레이트; 및
   상기 베이스 플레이트의 관통홀에 대응되는 위치에 형성되어, 상기 관통홀을 통과하는 상기 반응 기체를 복수의 방향으로 분산시키는 기체 분산부를 포함하고,
   상기 기체 분산부는, 통형으로 형성되고, 상기 관통홀을 통과한 상기 반응 기체가 이동되는 유동통로가 내부에 형성되며, 상기 유동통로에 위치된 상기 유동 기체가 상기 기체 분산부의 외부로 배출되도록 다수개의 기체 배출홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 기체 분산부는 원통형 또는 원추형으로 형성되는 유동층 반응기.
11. 청구항 9에 있어서,
    다수개의 상기 기체 배출홀은 상기 기체 분산부의 상면 및 측면에 형성되는 유동층 반응기.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 기체 분산부의 상면에 형성된 상기 기체 배출홀은 상부 방향을 향해 형성되고,
    상기 기체 분산부의 측면에 형성된 상기 기체 배출홀은 측면 방향을 향해 형성되는 유동층 반응기.
13. 청구항 9에 있어서,
    상기 기체 분산부는 상기 베이스 플레이트에서 상부 방향으로 연장되는 유동층 반응기.
14. 청구항 9에 있어서,
    상기 반응기 본체의 하부에 위치되어 상기 반응기 본체의 수용부로 상기 반응 기체를 공급하는 기체 공급부를 더 포함하고,
    상기 기체 공급부는 탄화 수소 계열 원료 기체를 포함하는 상기 반응 기체를 공급함에 따라 상기 반응기 본체 수용부 내에서 탄소나노튜브(CNT)가 제조되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기.
15. 청구항 9에 있어서,
    다수개의 상기 기체 배출홀의 상호 간격은 상기 기체 배출홀의 지름에 대응하는 유동층 반응기.
16. 청구항 9에 있어서,
    상기 기체 분산부의 높이는 상기 베이스 플레이트에 적층된 반응 전 상기 금속 촉매의 적층 높이와 대응되는 유동층 반응기.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 기체 분산부의 높이는 상기 베이스 플레이트로부터 상기 반응기 본체의 수용부 높이에 대하여 12 ~ 28%인 유동층 반응기.
18. 청구항 9에 있어서,
    상기 기체 분산부의 높이는 상기 베이스 플레이트로부터 상기 반응기 본체의 수용부 높이에 대하여 12 ~ 50%인 유동층 반응기.
19. 청구항 9에 있어서,
    다수개의 상기 기체 배출홀은 상기 베이스 플레이트에 더 형성되어, 상기 반응 기체가 배출되는 유동층 반응기.
    

Images