KR20220124412A - Apparatus for manufacturing hydrogen and carbon product and a method using the same - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus and a method for manufacturing hydrogen and a carbon body, and more specifically, to an apparatus and a method for manufacturing hydrogen and a carbon body, which can continuously manufacture high-purity hydrogen and a high-quality carbon body. The apparatus of the present invention includes a reactor, a first recovery unit, a second recovery unit, a separation unit, and a combustion unit.

Description

수소 및 탄소체 제조장치 및 제조방법 {Apparatus for manufacturing hydrogen and carbon product and a method using the same}Apparatus for manufacturing hydrogen and carbon product and a method using the same}

본 발명은 수소 및 탄소체의 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 고순도의 수소 및 고품질의 탄소체를 연속적으로 생산할 수 있는 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for producing hydrogen and carbon, and more particularly, to a production apparatus and method for continuously producing high-purity hydrogen and high-quality carbon.

수소는 화학제품의 원료 및 화학공장의 공정가스로 널리 사용되고 있으며, 최근에는 미래의 에너지기술인 연료전지의 원료로서 그 수요가 증대되고 있다. 이와 같은 수소는 재생가능한 에너지원으로부터 제조되는 것이 이산화탄소를 발생시키지 않아 바람직한 것으로 평가되고 있으나, 현재로서는 석탄이나 천연가스로부터 제조되는 것이 가장 경제적이며, 화석연료의 청정화에도 기여한다는 점에서 바람직하다.Hydrogen is widely used as a raw material for chemical products and as a process gas for chemical plants, and its demand is increasing recently as a raw material for fuel cells, a future energy technology. Although it is evaluated that it is preferable to produce such hydrogen from a renewable energy source because it does not generate carbon dioxide, it is currently the most economical to produce hydrogen from coal or natural gas, and it is preferable in that it also contributes to the purification of fossil fuels.

한편, 탄소나노튜브(Carbon Nanotube)는 하나의 탄소 원자에 이웃하는 세 개의 탄소 원자가 결합되어 육각 환형을 이루고, 이러한 육각 환형이 벌집 형태로 반복된 평면이 말려 원통형 또는 튜브를 이룬 형태를 가진다. 이와 같은 탄소나노튜브는 그 구조에 따라 금속적인 도전성 또는 반도체적인 도전성을 나타낼 수 있는 성질의 재료로서 여러 기술 분야에 폭넓게 응용될 수 있어 미래의 신소재로 각광을 받고 있다. 예컨대, 탄소나노튜브는 이차 전지, 연료 전지 또는 수퍼 커패시터와 같은 전기 화학적 저장 장치의 전극, 전자파 차폐, 전계 방출 디스플레이, 또는 가스 센서 등에 적용 가능하다. On the other hand, a carbon nanotube (Carbon Nanotube) has a shape in which one carbon atom is bonded to three adjacent carbon atoms to form a hexagonal ring, and a plane in which the hexagonal ring is repeated in a honeycomb shape is rolled to form a cylinder or tube. The carbon nanotube is a material with properties that can exhibit metallic or semiconducting conductivity depending on its structure, and can be widely applied in various technical fields, and thus is spotlighted as a new material for the future. For example, carbon nanotubes may be applied to an electrode of an electrochemical storage device such as a secondary battery, a fuel cell, or a supercapacitor, electromagnetic wave shielding, a field emission display, or a gas sensor.

이처럼, 최근 들어 수소 및 탄소나노튜브의 대량생산이 이슈화되면서 대량 생산에 유리한 유동층 반응기(Fluidized bed reactor)를 이용한 기술이 부각되고 있다. 유동층 반응기를 이용한 기술은 고온의 반응기 안에 금속 촉매 입자와 탄화수소 계열의 소스 가스를 분산 및 흡열반응시켜서 수소 및 탄소나노튜브를 생성하는 방식이다. 즉, 반응기 안에서 금속 촉매를 소스 가스에 의해 부유시키면서 소스 가스를 열분해시켜 금속 촉매에 탄소나노튜브를 성장시킨다.As such, as mass production of hydrogen and carbon nanotubes has recently become an issue, a technology using a fluidized bed reactor advantageous for mass production has been highlighted. The technology using a fluidized bed reactor is a method of generating hydrogen and carbon nanotubes by dispersing and endothermic reaction of metal catalyst particles and hydrocarbon-based source gas in a high-temperature reactor. That is, while the metal catalyst is suspended by the source gas in the reactor, the source gas is thermally decomposed to grow carbon nanotubes on the metal catalyst.

이와 관련하여, 대한민국 등록특허공보 제10-0977147호에는 '유동층 탄소나노튜브 생성 장치 및 그것을 사용한 탄소 나노튜브 생성 설비 및 방법'이 개시되어 있다. 이처럼, 종래 유동층 탄소나노튜브 생성장치는 반응기인 유동층반응기의 외측에 히터가 설치되어 흡열반응 시 필요한 열에너지를 공급하였다. In this regard, Korean Patent No. 10-0977147 discloses 'a fluidized bed carbon nanotube generating apparatus and a carbon nanotube generating facility and method using the same'. As such, in the conventional fluidized bed carbon nanotube generator, a heater is installed outside the fluidized bed reactor, which is a reactor, to supply thermal energy necessary for the endothermic reaction.

그러나, 이와 같은 탄소나노튜브 생성 장치는 반응기 외측 표면에 설치된 히터를 이용하여 반응기를 가열시켜 반응기의 내부에 열에너지를 공급함에 따라, 온도구배를 가진다. 이에, 흡열반응에 필요한 열량 이상의 온도로 히터를 가열시켜야 함에 따라, 열에너지 사용에 있어 효율성이 떨어진다.However, such a carbon nanotube generating device has a temperature gradient as heat energy is supplied to the inside of the reactor by heating the reactor using a heater installed on the outer surface of the reactor. Accordingly, as the heater must be heated to a temperature higher than the amount of heat required for the endothermic reaction, the efficiency in using thermal energy is lowered.

또한, 반응기 내 중심부 온도와 반응기 내벽의 온도가 상이하여, 탄소나노튜브가 균질하게 성장되지 못해 비교적 저품질의 탄소나노튜브가 형성된다는 단점이 있으며, 공급량 대비 다량의 불량품이 발생하여 연속 생산성이 떨어진다.In addition, since the temperature of the inner wall of the reactor is different from the temperature of the center of the reactor, there is a disadvantage in that carbon nanotubes are not uniformly grown and thus relatively low-quality carbon nanotubes are formed.

그리고, 촉매공급 대비 고품질 탄소나노튜브의 수율이 좋지 못하는 단점이 있다.In addition, there is a disadvantage in that the yield of high-quality carbon nanotubes is not good compared to the catalyst supply.

이에, 반응시 필요한 반응열 공급 문제뿐만 아니라, 촉매의 적절한 활성화 및 전저리를 포함한 공급방법에 대한 연구가 필요하다. Accordingly, it is necessary to study not only the problem of supplying the reaction heat necessary for the reaction, but also the supply method including the proper activation and pre-treatment of the catalyst.

(특허 문헌1) : 대한민국 등록특허공보 제10-0977147호(Patent Document 1): Republic of Korea Patent Publication No. 10-0977147

본 발명의 목적은 고순도의 수소 및 고품질의 탄소체를 연속적으로 생산할 수 있는 제조장치 및 제조방법에 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide a manufacturing apparatus and a manufacturing method capable of continuously producing high-purity hydrogen and high-quality carbon material.

본 발명에 따른 수소 및 탄소체 제조장치는 촉매 존재 하 탄화수소계 소스가스가 흡열반응하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물이 생성되는 반응기; 상기 반응기로부터 기상의 반응생성물을 회수하는 제1회수부; 상기 반응기로부터 고상의 반응생성물을 회수하는 제2회수부; 상기 제2회수부로 회수되는 고상의 반응생성물을 일부 분리하여 연소부에 공급하는 분리부; 및 상기 분리부로부터 공급된 고상의 반응생성물을 연소시켜 상기 반응기로 반응열을 공급하는 연소부;를 포함한다.An apparatus for producing hydrogen and carbon according to the present invention comprises: a reactor in which a hydrocarbon-based source gas undergoes an endothermic reaction in the presence of a catalyst to generate a gaseous reaction product containing hydrogen and a solid reaction product containing a carbon body; a first recovery unit for recovering a gaseous reaction product from the reactor; a second recovery unit for recovering a solid reaction product from the reactor; a separation unit which partially separates the solid reaction product recovered to the second recovery unit and supplies it to the combustion unit; and a combustion unit for supplying reaction heat to the reactor by burning the solid reaction product supplied from the separation unit.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조장치에 있어서, 상기 반응기는 유동층반응기일 수 있다.In the apparatus for producing hydrogen and carbon according to an embodiment of the present invention, the reactor may be a fluidized bed reactor.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조장치에 있어서, 상기 반응기의 전단에 위치하며, 상기 촉매를 활성화시켜 활성화된 촉매를 상기 반응기에 연속적으로 공급하는 활성촉매공급부;를 더 포함할 수 있다.In the apparatus for producing hydrogen and carbon according to an embodiment of the present invention, an active catalyst supply unit located at the front end of the reactor and continuously supplying the activated catalyst to the reactor by activating the catalyst; may further include have.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조장치에 있어서, 상기 활성촉매공급부는 상향류식반응기(Upflow-reactor)일 수 있다.In the apparatus for producing hydrogen and carbon according to an embodiment of the present invention, the active catalyst supply unit may be an upflow-reactor.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조장치에 있어서, 상기 제1회수부로 회수되는 상기 기상의 반응생성물로부터 분리된 수소의 일부를 상기 활성촉매공급부의 하부로 공급하는 수소공급부;를 더 포함할 수 있다.In the hydrogen and carbon production apparatus according to an embodiment of the present invention, a hydrogen supply unit for supplying a portion of the hydrogen separated from the gaseous reaction product recovered to the first recovery unit to the lower portion of the active catalyst supply unit; may include

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조장치에 있어서, 상기 제1회수부로 회수되는 상기 기상의 반응생성물로부터 수소를 분리 정제시키고, 잔여된 미반응 소스가스를 상기 반응기로 재공급하는 순환부;를 더 포함할 수 있다.In the hydrogen and carbon production apparatus according to an embodiment of the present invention, hydrogen is separated and purified from the gaseous reaction product recovered to the first recovery unit, and the remaining unreacted source gas is re-supplied to the reactor. It may further include;

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조장치에 있어서, 상기 반응기에 위치하여, 반응기의 내 상부 및 하부의 압력차, 반응기 내 온도 및 반응기에서 배출되는 미반응 소스가스의 농도로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 조건을 센싱하는 센싱부; 및 상기 센싱부에서 측정된 센싱값을 설정된 설계치와 비교하여 상기 분리부에서 분리되는 반응생성물의 양을 제어하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.In the apparatus for producing hydrogen and carbon according to an embodiment of the present invention, it is located in the reactor, the pressure difference between the upper and lower parts of the reactor, the temperature in the reactor, and the concentration of the unreacted source gas discharged from the reactor group a sensing unit for sensing one or two or more conditions selected from; and a control unit that compares the sensed value measured by the sensing unit with a set design value to control the amount of the reaction product separated by the separation unit.

본 발명에 따른 수소 및 탄소체 제조방법은 (S1) 반응기에 촉매 및 탄화수소계 소스가스를 공급하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과, 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물을 생성하는 단계; (S2) 상기 고상의 반응생성물 및 기상의 반응생성물을 각각 회수하는 단계; (S3) 상기 회수된 고상의 반응생성물의 일부를 연소부로 공급하여 연소시키는 단계; 및 (S4) 상기 연소부에서 생성된 열을 상기 반응기로 공급하는 단계; 를 포함한다.The method for producing hydrogen and carbon material according to the present invention comprises the steps of (S1) supplying a catalyst and a hydrocarbon-based source gas to a reactor to generate a gaseous reaction product containing hydrogen and a solid reaction product containing carbon; (S2) recovering the reaction product in the solid phase and the reaction product in the gas phase, respectively; (S3) supplying a portion of the recovered solid reaction product to a combustion unit and burning; and (S4) supplying the heat generated in the combustion unit to the reactor; includes

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조방법에 있어서, 상기 (S1) 단계 이전, (S0) 상기 촉매를 활성화하는 단계; 를 더 포함할 수 있다.In the method for producing hydrogen and carbon material according to an embodiment of the present invention, before the step (S1), (S0) activating the catalyst; may further include.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조방법에 있어서, 상기 (S0) 내지 (S4)단계는 연속적으로 수행될 수 있다.In the method for producing hydrogen and carbon material according to an embodiment of the present invention, the steps (S0) to (S4) may be continuously performed.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조방법에 있어서, 상기 반응기는 유동층반응기일 수 있다.In the method for producing hydrogen and carbon material according to an embodiment of the present invention, the reactor may be a fluidized bed reactor.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조방법에 있어서, 상기 (S2)단계에서 회수된 기상의 반응생성물로부터 수소를 분리하여 수득하고, 상기 수소가 분리된 기상의 반응생성물을 상기 반응기로 재공급하는 단계;를 더 포함할 수 있다.In the method for producing hydrogen and carbon according to an embodiment of the present invention, hydrogen is obtained by separating hydrogen from the gaseous reaction product recovered in step (S2), and the gaseous reaction product from which hydrogen is separated is transferred to the reactor Re-supplying; may further include.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조방법에 있어서, 상기 (S3) 단계는, 상기 반응기 내 상부 및 하부의 압력차, 반응기 내 온도 및 반응기에서 배출되는 미반응 소스가스의 농도로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조건을 센싱하여 상기 연소되는 고상의 반응생성물의 양을 조절할 수 있다.In the method for producing hydrogen and carbon material according to an embodiment of the present invention, the step (S3) includes a pressure difference between the upper and lower sides of the reactor, a temperature in the reactor, and a concentration of unreacted source gas discharged from the reactor. By sensing any one or two or more conditions selected from the group, the amount of the combustion solid reaction product may be controlled.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조방법에 있어서, 상기 (S1)단계에서, 촉매는 (Fe), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 납(Pd), 은(Ag), 백금(Pt) 및 금(Au) 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금일 수 있다.In the method for producing hydrogen and carbon according to an embodiment of the present invention, in the step (S1), the catalyst is (Fe), molybdenum (Mo), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), Manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), copper (Cu), cadmium (Cd), zinc (Zn), ruthenium (Ru), lead (Pd), silver (Ag), platinum (Pt) and It may be any one of gold (Au) or an alloy thereof.

본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조방법에 있어서, 상기 소스가스는 메탄가스를 포함할 수 있다.In the method for producing hydrogen and carbon material according to an embodiment of the present invention, the source gas may include methane gas.

본 발명에 따른 수소 및 탄소체 제조장치는 촉재 존재 하에 탄화수소계 가스가 흡열반응할 시 필요한 열량을 반응기 내부로 직접 공급할 수 있어, 고순도의 수소 및 고품질의 탄소체를 생성할 수 있다.The apparatus for producing hydrogen and carbon according to the present invention can directly supply the amount of heat required when the hydrocarbon-based gas undergoes an endothermic reaction in the presence of a catalyst, thereby producing high-purity hydrogen and high-quality carbon.

또한, 본 발명은 생성물의 일부를 연소시켜 필요 열량을 공급함에 따라 외부 물질을 투입할 필요 없이 효율적으로 필요 열량을 반응기 내부로 공급할 수 있다.In addition, the present invention can efficiently supply the required amount of heat to the inside of the reactor without the need to input an external material as the required amount of heat is supplied by burning a part of the product.

아울러, 본 발명은 반응기로 공급되는 열량을 조절하여 탄화수소계 가스의 전환율을 조절할 수 있으며, 생성되는 탄소체의 수율 및 특성 등을 조절할 수 있다. In addition, the present invention can control the conversion rate of hydrocarbon-based gas by controlling the amount of heat supplied to the reactor, and can control the yield and characteristics of the carbon body produced.

그리고, 촉매가 일정 온도 범위로 유지되는 공간 속에서 환원성 가스(수소 또는 수소가 풍부한 가스) 등에 의해 활성화된 후 반응기로 전달되어, 고품질 탄소체의 수율을 높일 수 있으며, 공정의 경제성을 향상시킬 수 있다.In addition, the catalyst is activated by a reducing gas (hydrogen or hydrogen-rich gas) in a space maintained at a certain temperature range and then transferred to the reactor, so that the yield of high-quality carbon material can be increased, and the economic feasibility of the process can be improved. have.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조장치를 모식화한 모식도이다.1 is a schematic diagram schematically illustrating an apparatus for producing hydrogen and carbon according to an embodiment of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다. Unless otherwise defined in technical terms and scientific terms used in this specification, those of ordinary skill in the art to which this invention belongs have the meanings commonly understood, and in the following description and accompanying drawings, the subject matter of the present invention Descriptions of known functions and configurations that may unnecessarily obscure will be omitted.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.Also, the singular form used herein may be intended to include the plural form as well, unless the context specifically dictates otherwise.

또한, 본 명세서에서 특별한 언급 없이 사용된 단위는 중량을 기준으로 하며, 일 예로 % 또는 비의 단위는 중량% 또는 중량비를 의미하고, 중량%는 달리 정의되지 않는 한 전체 조성물 중 어느 하나의 성분이 조성물 내에서 차지하는 중량%를 의미한다.In addition, in the present specification, the unit used without special mention is based on the weight, for example, the unit of % or ratio means weight % or weight ratio, and weight % means any one component of the entire composition unless otherwise defined. It means % by weight in the composition.

또한, 본 명세서에서 사용되는 수치 범위는 하한치와 상한치와 그 범위 내에서의 모든 값, 정의되는 범위의 형태와 폭에서 논리적으로 유도되는 증분, 이중 한정된 모든 값 및 서로 다른 형태로 한정된 수치 범위의 상한 및 하한의 모든 가능한 조합을 포함한다. 본 발명의 명세서에서 특별한 정의가 없는 한 실험 오차 또는 값의 반올림으로 인해 발생할 가능성이 있는 수치범위 외의 값 역시 정의된 수치범위에 포함된다. In addition, the numerical range used herein includes the lower limit and upper limit and all values within the range, increments logically derived from the form and width of the defined range, all values defined therein, and the upper limit of the numerical range defined in different forms. and all possible combinations of lower limits. Unless otherwise defined in the specification of the present invention, values outside the numerical range that may occur due to experimental errors or rounding of values are also included in the defined numerical range.

본 명세서의 용어, '포함한다'는 '구비한다', '함유한다', '가진다' 또는 '특징으로 한다' 등의 표현과 등가의 의미를 가지는 개방형 기재이며, 추가로 열거되어 있지 않은 요소, 재료 또는 공정을 배제하지 않는다. As used herein, the term 'comprising' is an open-ended description having an equivalent meaning to expressions such as 'comprising', 'containing', 'having' or 'characterized', and elements not listed in addition; Materials or processes are not excluded.

본 명세서에서, '탄소체'는 탄소나노튜브, 탄소 나노파이버, 풀러렌, 탄소 나노콘, 탄소 나노호른, 탄소 나노로드 등 다양한 형상을 갖는 나노 크기의 탄소구조물을 의미한다.As used herein, the term 'carbon body' refers to a nano-sized carbon structure having various shapes, such as carbon nanotubes, carbon nanofibers, fullerenes, carbon nanocones, carbon nanohorns, and carbon nanorods.

본 발명은 수소 및 탄소체 제조방법으로, (S1) 반응기에 촉매 및 탄화수소계 소스가스를 공급하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과, 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물을 생성하는 단계; (S2) 고상의 반응생성물 및 기상의 반응생성물을 각각 회수하는 단계; (S3) 회수된 고상의 반응생성물의 일부를 연소부로 공급하여 연소시키는 단계; 및 (S4) 연소부에서 생성된 열을 반응기로 공급하는 단계; 를 포함한다.The present invention provides a method for producing hydrogen and carbon, comprising the steps of: (S1) supplying a catalyst and a hydrocarbon-based source gas to a reactor to produce a gaseous reaction product containing hydrogen and a solid reaction product containing carbon; (S2) recovering the reaction product in the solid phase and the reaction product in the gas phase, respectively; (S3) supplying a part of the recovered solid reaction product to a combustion unit to burn it; and (S4) supplying heat generated in the combustion unit to the reactor; includes

종래 수소 및 탄소체 제조방법은 소스가스의 예비가열 단계 및 반응기 가열단계를 통해 촉매 존재 하 소스가스의 흡열반응 시 필요한 열량을 공급하였다. 이에, 흡열반응에 필요한 열량 공급 설계가 복잡하고, 정밀하게 조절되기 어려웠으며, 필요 이상으로 열량이 공급되어야함 따라 열에너지 사용에 있어 효율성이 떨어졌다. 또한, 반응기 내 열공급이 균일하게 이루어지지 못해 비교적 저품질의 탄소나노튜브가 형성된다는 단점이 있다.In the conventional method for producing hydrogen and carbon, the amount of heat required for the endothermic reaction of the source gas in the presence of a catalyst is supplied through the preliminary heating step of the source gas and the reactor heating step. Accordingly, the design of supplying the amount of heat required for the endothermic reaction was complicated, and it was difficult to precisely control it, and the efficiency in using heat energy was lowered as the amount of heat had to be supplied more than necessary. In addition, there is a disadvantage in that relatively low-quality carbon nanotubes are formed because heat supply in the reactor is not uniformly made.

그러나, 본 발명에 따른 수소 및 탄소체 제조방법은 회수된 고상의 반응생성물의 일부를 연소부로 공급하여 연소시킨 후, 생성된 열을 반응기로 공급함에 따라, 흡열반응 시 필요한 열량을 반응기 내부로 직접 공급할 수 있어 열에너지 사용 효율이 매우 높으며, 탄화수소계 수소가스의 흡열반응이 균일하게 일어나, 고순도의 수소 및 고품질의 탄소체를 생성할 수 있다.However, in the method for producing hydrogen and carbon according to the present invention, a portion of the recovered solid reaction product is supplied to the combustion unit and burned, and then the generated heat is supplied to the reactor, so that the amount of heat required for the endothermic reaction is directly transferred into the reactor. It can be supplied, so the efficiency of using heat energy is very high, and the endothermic reaction of hydrocarbon-based hydrogen gas occurs uniformly, so that high-purity hydrogen and high-quality carbon can be produced.

또한, 생성물의 일부를 연소시켜 필요 열량을 공급함에 따라 별도로 연소물질을 투입 및 연소하기 위한 단계가 필요가 없으며, 소스가스의 예비 가열단계 및 반응기 가열단계가 필요가 없어 제조방법이 비교적 간단하다.In addition, as a necessary amount of heat is supplied by burning a part of the product, there is no need for separately inputting and burning combustion materials, and since there is no need for a preliminary heating step of the source gas and a reactor heating step, the manufacturing method is relatively simple.

바람직하게, 수소 및 탄소체 제조방법은 후술할 수소 및 탄소체 제조장치에 의해 이루어질 수 있으나 이에 한정되진 않는다.Preferably, the hydrogen and carbon material production method may be performed by a hydrogen and carbon material production apparatus, which will be described later, but is not limited thereto.

구체적으로, (S1) 반응기에 촉매 및 탄화수소계 소스가스를 공급하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과, 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물을 생성하는 단계는, 촉매 존재 하 탄화수소계 소스가스를 흡열반응시켜 기상 및 고상의 반응생성물을 수득하는 단계이다.Specifically, (S1) the step of supplying a catalyst and a hydrocarbon-based source gas to the reactor to produce a gaseous reaction product containing hydrogen and a solid reaction product containing a carbon body, the hydrocarbon-based source gas in the presence of a catalyst It is a step of obtaining a gaseous and solid phase reaction product by endothermic reaction.

촉매는 금속촉매일 수 있으며, 구체적으로 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 납(Pd), 은(Ag), 백금(Pt) 및 금(Au) 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 촉매는 반응기 내 촉매 공급을 위해 당업계에 알려진 실리카, 제올라이트 등 지지체를 더 포함할 수 있음은 물론이다.The catalyst may be a metal catalyst, specifically iron (Fe), molybdenum (Mo), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), Copper (Cu), cadmium (Cd), zinc (Zn), ruthenium (Ru), lead (Pd), silver (Ag), platinum (Pt) and gold (Au) any one metal or alloys thereof It can be any one. In addition, of course, the catalyst may further include a support such as silica, zeolite, etc. known in the art for supplying the catalyst in the reactor.

탄화수소계 소스가스는 생성물인 탄소체를 제조하기 위한 탄소원을 포함하는 것으로, 구체적으로, 탄소수 6개 이하, 또는 탄소수 4개 이하의 화합물 또는 탄소수 2개 이하의 화합물을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠 및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 바람직하게는 메탄을 포함할 수 있으며, 일 구체예로, 메탄을 포함하는 천연가스 또는 석유화학/정유 공정의 배가스일 수 있다. 이와 같은 탄화수소계 소스가스는 상술한 촉매 존재 하 반응기 내에서 흡열반응 하여, 수소 및 탄소나노튜브 등과 같은 탄소체의 고부가가치의 생성물로 전환될 수 있다.The hydrocarbon-based source gas includes a carbon source for producing a carbon body as a product, and specifically, may include a compound having 6 or less carbon atoms, or a compound having 4 or less carbon atoms, or a compound having 2 or less carbon atoms. More specifically, one or two or more selected from the group consisting of carbon monoxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, propylene, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene and toluene may include Preferably, it may include methane, and in one embodiment, it may be a natural gas containing methane or an off-gas of a petrochemical/refining process. Such hydrocarbon-based source gas may undergo an endothermic reaction in the reactor in the presence of the above-described catalyst, and may be converted into high value-added products of carbon such as hydrogen and carbon nanotubes.

(S1) 단계에서 반응기는 촉매와 탄화수소계 소스가스의 접촉이 효율이 우수한 유동층 반응기인 것이 바람직하다.In step (S1), the reactor is preferably a fluidized bed reactor in which the contact between the catalyst and the hydrocarbon-based source gas is excellent.

(S1) 단계에서, 반응기 내부압력은 상압 또는 0.2~20 barg(게이지 압력)일 수 있으며, 바람직하게는 0.5~5 barg일 수 있다. 또한, (S1) 단계에서, 반응기 내부 온도는 500 내지 1200℃, 구체적으로 600 내지 900℃일 수 있으나 이에 한정되진 않는다. 또한, 반응기 내 흡열반응은 1 내지 120분, 구체적으로 30 내지 80분 동안 수행될 수 있으나 이에 한정되진 않는다. In step (S1), the reactor internal pressure may be normal pressure or 0.2 ~ 20 barg (gauge pressure), preferably 0.5 ~ 5 barg. In addition, in step (S1), the reactor internal temperature may be 500 to 1200 ℃, specifically 600 to 900 ℃, but is not limited thereto. In addition, the endothermic reaction in the reactor may be performed for 1 to 120 minutes, specifically 30 to 80 minutes, but is not limited thereto.

(S2)단계는, (S1) 단계에서 생성된 고상의 반응생성물 및 기상의 반응생성물을 각각 회수하는 단계로, 고상의 반응생성물은 탄소체를 포함하며, 기상의 반응생성물은 수소를 포함한다. Step (S2) is a step of recovering the reaction product in the solid phase and the reaction product in the gas phase generated in the step (S1), respectively. The reaction product in the solid phase contains carbon, and the reaction product in the gas phase contains hydrogen.

본 발명의 일 실시예에 있어서, (S2)단계에서 회수된 기상의 반응생성물로부터 수소를 분리하여 수득하고, 수소가 분리된 기상의 반응생성물을 반응기로 재공급할 수 있다. 수소가 분리된 기상의 반응생성물은 미반응 소스가스, 즉 원료로, 원료를 재사용함에 따라, 원료 투입량 대비 고수율의 생성물은 수득할 수 있도록 하며, 전체 공정에 있어 경제적인 효율성을 높일 수 있도록 한다. In one embodiment of the present invention, it is obtained by separating hydrogen from the gaseous reaction product recovered in step (S2), and the hydrogen-separated gaseous reaction product may be re-supplied to the reactor. The reaction product in the gas phase from which hydrogen is separated is an unreacted source gas, that is, as a raw material. .

(S3) 단계는 회수된 고상의 반응생성물의 일부를 연소부로 공급하여 연소시키는 단계이다. 고상의 반응생성물을 연소시킴에 따라 열이 생성될 수 있으며, 연소부로 이동되는 고상의 반응생성물의 양은 반응기 내에서 이루어지는 흡열반응의 필요 열량에 비례하여 적절히 조절될 수 있다. 이때, 고상의 반응생성물은 탄소체 뿐만 아니라, 촉매를 일부 포함할 수 있다.Step (S3) is a step of supplying a part of the recovered solid reaction product to the combustion unit to burn it. As the solid reaction product is burned, heat may be generated, and the amount of the solid reaction product moved to the combustion unit may be appropriately adjusted in proportion to the amount of heat required for the endothermic reaction in the reactor. In this case, the solid reaction product may include a part of the catalyst as well as the carbon body.

본 발명의 일 실시예에 있어서, (S3) 단계는 반응기 내 상부 및 하부의 압력차, 반응기 내 온도 및 반응기에서 배출되는 미반응 소스가스의 농도로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조건을 센싱하여 연소부로 이동하는 고상의 반응생성물의 양이 조절될 수 있으며, 이에, 연소부에서 연소되는 고상의 반응생성물의 양을 조절할 수 있다.In an embodiment of the present invention, in step (S3), any one or two or more conditions selected from the group consisting of the pressure difference between the upper and lower parts of the reactor, the temperature in the reactor, and the concentration of the unreacted source gas discharged from the reactor are sensed. Thus, the amount of the solid reaction product moving to the combustion unit may be controlled, and thus, the amount of the solid reaction product combusted in the combustion unit may be adjusted.

일 예로, 반응기에서 배출되는 미반응 소스가스의 농도값이 설계치 보다 낮을 경우, 연소부로 이동하는 고상의 반응생성물의 양을 줄여 연소되는 반응생성물의 양을 줄일 수 있으며, 미반응 소스가스의 농도값이 설계치보다 높을 경우, 연소부로 이동하는 고상의 반응생성물의 양을 늘려 연소되는 반응생성물의 양을 늘릴 수 있다. For example, when the concentration value of the unreacted source gas discharged from the reactor is lower than the design value, it is possible to reduce the amount of the combustion reaction product by reducing the amount of the solid reaction product moving to the combustion unit, and the concentration value of the unreacted source gas If it is higher than this design value, it is possible to increase the amount of reaction products to be burned by increasing the amount of solid reaction products moving to the combustion unit.

(S4) 단계는 연소부에서 생성된 열을 반응기로 공급하는 단계로, (S1) 단계에서 필요한 열을 제공한다. (S4) 단계는 (S1) 단계의 흡열반응 시 필요한 열량을 반응기 내부로 직접 공급할 수 있어 열에너지 사용 효율을 매우 높일 수 있다. Step (S4) is a step of supplying the heat generated in the combustion unit to the reactor, and provides the heat required in step (S1). In step (S4), the amount of heat required for the endothermic reaction of step (S1) can be directly supplied into the reactor, so that the efficiency of using heat energy can be very high.

구체적으로, (S4) 단계는 연소부에서 연소된 고상의 반응생성물을 포함하는 열매체를 반응기에 공급함으로써 수행될 수 있다. 열매체는 탄소체 및 촉매를 포함하는 고상의 반응생성물 뿐만 아니라, 효율적인 열공급을 위해 유동입자를 더 포함할 수 있다. 구체적으로 유동입자는 알루미나, 지르코니아 및 실리카 등의 층물질를 포함할 수 있다.Specifically, step (S4) may be performed by supplying a heating medium including a solid reaction product burned in the combustion unit to the reactor. The heating medium may further include flowing particles for efficient heat supply as well as a solid reaction product including a carbon medium and a catalyst. Specifically, the fluid particles may include a layer material such as alumina, zirconia and silica.

(S4) 단계에서, 열매체의 공급은 종래 알려진 공급방법이라면 구체적으로 한정되지 않으나, 비한정적인 일예로 루프실(loop seal)을 통해 공급할 수 있다.In step (S4), the supply of the heating medium is not specifically limited as long as it is a conventionally known supply method, but may be supplied through a loop seal as a non-limiting example.

또한, (S4) 단계에서, 열매체의 원활한 이송을 위해 캐리어 가스로서, 환원성 기체를 더 공급할 수 있다. In addition, in the step (S4), a reducing gas may be further supplied as a carrier gas for smooth transfer of the heating medium.

본 발명의 일 실시예에 있어서, (S1) 단계 이전, (S0)촉매를 활성화하는 단계를 더 포함할 수 있다. (S0) 단계에 의해 활성화된 촉매가 반응기에 공급됨에 따라, (S1)단계에서 촉매 존재 하 이루어지는 탄화수소계 소스가스의 흡열반응을 촉진시킬 수 있다. 이에, 비교적 단시간 내에 대량의 생성물을 제조할 수 있도록 한다. In one embodiment of the present invention, before step (S1), the step of (S0) activating the catalyst may be further included. As the catalyst activated by the step (S0) is supplied to the reactor, the endothermic reaction of the hydrocarbon-based source gas in the presence of the catalyst in step (S1) can be promoted. Accordingly, it is possible to manufacture a large amount of product within a relatively short time.

(S0) 단계의 촉매의 활성화는 환원성 기체에 의해 촉매가 환원되어 이루어질 수 있다. 환원성 기체는 투입되는 금속촉매를 환원시킬 수 있는 기체라면 한정되지 않으나, 바람직하게는 수소일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 (S2) 단계에서 회수된 기상의 생성물로부터 분리된 수소를 일부 사용할 수 있다. Activation of the catalyst in step (S0) may be achieved by reducing the catalyst by a reducing gas. The reducing gas is not limited as long as it is a gas capable of reducing the input metal catalyst, but may be preferably hydrogen, and more preferably hydrogen separated from the gaseous product recovered in step (S2) may be partially used.

(S0)단계의 촉매의 활성화는 상향류식반응기에 수행되는 것이 촉매 및 환원성 기체의 접촉효율에 있어 바람직하며, 촉매 활성화는 1 내지 60초동안 수행될 수 있으나 이에 한정되지 않는다.The activation of the catalyst in step (S0) is preferably performed in an upflow reactor in view of the contact efficiency of the catalyst and the reducing gas, and the catalyst activation may be performed for 1 to 60 seconds, but is not limited thereto.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상술한 (S0) 내지 (S4) 단계는 연속적으로 수행될 수 있어, 탄소나노튜브와 같은 고부가가치의 탄소체 및 고순도의 수소의 대량생산이 가능하여, 산업이용가능성이 매우 높다. In one embodiment of the present invention, the above-described steps (S0) to (S4) can be performed continuously, so that high-value-added carbon bodies such as carbon nanotubes and high-purity hydrogen can be mass-produced for industrial use. Very likely.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 수소 및 탄소체 제조장치에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, an apparatus for producing hydrogen and carbon according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소 및 탄소체 제조장치의 모식도가 도시되어 있다.1 is a schematic diagram of an apparatus for producing hydrogen and carbon according to an embodiment of the present invention.

도 1을 참조하면, 수소 및 탄소체 제조장치(1)는 촉매 존재 하 탄화수소계 소스가스가 흡열반응하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물이 생성되는 반응기(10); 반응기(10)로부터 기상의 반응생성물을 회수하는 제1회수부(30); 반응기(10)로부터 고상의 반응생성물을 회수하는 제2회수부(35), 제2회수부(35)로 회수되는 고상의 반응생성물을 일부 분리하여 연소부(70)에 공급하는 분리부(50); 및 분리부(50)로부터 공급된 고상의 반응생성물을 연소시켜 반응기(10)로 열에너지를 공급하는 연소부(70);를 포함한다.Referring to FIG. 1, the hydrogen and carbon body manufacturing apparatus 1 is a reactor in which a hydrocarbon-based source gas undergoes an endothermic reaction in the presence of a catalyst to generate a gaseous reaction product containing hydrogen and a solid reaction product containing a carbon body ( 10); a first recovery unit 30 for recovering a gaseous reaction product from the reactor 10; The second recovery unit 35 for recovering the solid reaction product from the reactor 10, the separation unit 50 for partially separating the solid reaction product recovered to the second recovery unit 35 and supplying it to the combustion unit 70 ); and a combustion unit 70 for supplying thermal energy to the reactor 10 by burning the solid reaction product supplied from the separation unit 50 .

종래 수소 및 탄소체 제조장치는 반응기로 사용한 유동층반응기의 외측에 히터가 설치되어 탄화수소계 소스 가스가 흡열반응할 시 필요한 열에너지를 공급하였다. 그러나, 이와 같은 제조장치는 반응기(10) 외측 표면에 설치된 히터를 이용하여, 반응기의 내부에 열에너지를 공급함에 따라, 온도구배를 가진다. 이에, 흡열반응에 필요한 열량 이상의 온도로 히터를 가열시켜야 함에 따라, 열에너지 사용에 있어 효율성이 떨어진다. 또한, 반응기 내 중심부 온도와 반응기(10) 내벽의 온도가 상이하여, 반응기 내부에서 탄소체가 균질하게 성장되지 못해 비교적 저품질의 탄소체가 형성된다는 단점이 있다. In the conventional hydrogen and carbon body manufacturing apparatus, a heater is installed outside a fluidized bed reactor used as a reactor to supply thermal energy necessary for an endothermic reaction of a hydrocarbon-based source gas. However, such a manufacturing apparatus uses a heater installed on the outer surface of the reactor 10 to supply thermal energy to the inside of the reactor, thereby having a temperature gradient. Accordingly, as the heater must be heated to a temperature higher than the amount of heat required for the endothermic reaction, the efficiency in using thermal energy is lowered. In addition, since the temperature of the inner wall of the reactor 10 is different from the temperature of the center of the reactor, there is a disadvantage in that the carbon body is not uniformly grown inside the reactor, so that a carbon body of relatively low quality is formed.

그러나, 본 발명에 따른 수소 및 탄소체 제조장치는 연소부(70)를 포함함에 따라, 촉매 존재 하에 탄화수소계 가스가 흡열반응할 시 필요한 열량을 반응기(10) 내부로 직접 공급할 수 있다. 즉, 필요한 열량만큼 만을 반응기(10) 내 직접 공급함에 따라, 열에너지 사용 효율이 매우 높다. 또한, 필요 열량을 반응기(10) 내부로 직접 공급함에 따라, 반응기(10) 내 온도차가 거의 없어 반응기(10) 내 어느 위치에서도 탄화수소계 수소가스의 흡열반응이 균일하게 일어나, 고순도의 수소 및 고품질의 탄소체를 생성할 수 있다. 또한, 본 발명은 분리부(50)를 통해 분리된 생성물의 일부를 연소시켜 필요 열량을 공급함에 따라 별도로 외부 물질을 투입하기 위한 설비가 필요가 없으며, 소스가스의 예비 가열장치 및 히터가 필요가 없어 제조장치 시설이 비교적 간단하다. 아울러, 본 발명은 반응기(10)로 공급되는 열량을 조절하여 탄화수소계 가스의 전환율을 조절할 수 있어, 생성되는 탄소체의 수율 및 특성 등을 조절할 수 있다.However, since the apparatus for producing hydrogen and carbon according to the present invention includes the combustion unit 70 , it is possible to directly supply the amount of heat required when the hydrocarbon-based gas undergoes an endothermic reaction in the presence of a catalyst into the reactor 10 . That is, as only the required amount of heat is directly supplied into the reactor 10, the efficiency of using heat energy is very high. In addition, as the required amount of heat is directly supplied to the inside of the reactor 10, there is almost no temperature difference in the reactor 10, so the endothermic reaction of hydrocarbon-based hydrogen gas occurs uniformly at any position in the reactor 10, so that high-purity hydrogen and high-quality of carbon bodies can be produced. In addition, in the present invention, there is no need for a facility for separately inputting an external material as the required heat is supplied by burning a portion of the product separated through the separation unit 50, and a preliminary heating device and a heater for the source gas are not required. The manufacturing equipment facility is relatively simple. In addition, the present invention can control the conversion rate of the hydrocarbon-based gas by controlling the amount of heat supplied to the reactor 10, it is possible to control the yield and characteristics of the carbon body produced.

구체적으로, 반응기(10)는 촉매 및 소스가스가 내부에 수용될 수 있는 수용공간을 제공하며, 촉매 존재 하 탄화수소계 소스가스가 흡열반응하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물이 생성된다. Specifically, the reactor 10 provides an accommodating space in which the catalyst and the source gas can be accommodated therein, and the hydrocarbon-based source gas undergoes an endothermic reaction in the presence of the catalyst to form a gaseous reaction product containing hydrogen and carbon. A solid reaction product is formed.

반응기(10)는 내부에서 탄화수소계 소스가스가 흡열반응할 수 있는 수용공간을 제공하는 것으로, 화학기상증착 반응기(10) (chemical vapor deposition reactor)이며, 바람직하게는 유동층 반응기(10)(Fluidized Bed reactor) 일 수 있다. The reactor 10 provides an accommodation space in which the hydrocarbon-based source gas can undergo an endothermic reaction, and is a chemical vapor deposition reactor 10, preferably a fluidized bed reactor 10 (Fluidized Bed). reactor) can be

화학기상증착(CVD) 방식에 의해 탄소체를 생성하기 위해서는, 소스기체와 촉매의 반응 시간이 일정 시간 이상 필요하여, 반응기(10) 내에서 생산하고자 하는 탄소체와 촉매의 체류시간이 탄소체의 순도 및 수율에 주요한 영향을 미친다. In order to generate a carbon body by the chemical vapor deposition (CVD) method, a reaction time between the source gas and the catalyst is required for a certain amount of time or more. It has a major impact on purity and yield.

유동층 반응기(10)는 기체인 소스가스가 미립자 상태의 고체물질인 촉매와 접촉되며 소스가스가 촉매를 부유시키기에 충분한 속도로 유동함으로써 고체인 촉매가 기체인 소스가스와 유사하게 거동하게 될 수 있다. 이에, 소스가스와 촉매가 비교적 균질하게 혼합 및 접촉될 수 있으며, 반응기(10) 내 탄소체의 성장시간 확보가 가능하여 촉매 투입량 대비 탄소체의 생성비율이 높아 고수율로 탄소체의 제조가 가능할 수 있다. In the fluidized bed reactor 10, the gas source gas is in contact with the particulate solid material catalyst, and the source gas flows at a speed sufficient to suspend the catalyst, so that the solid catalyst may behave similarly to the gas source gas. . Accordingly, the source gas and the catalyst can be mixed and contacted relatively homogeneously, and it is possible to secure the growth time of the carbon body in the reactor 10, so that the carbon body production ratio is high compared to the catalyst input amount, so that the carbon body can be produced with a high yield can

반응기(10)는 지면에 수직하는 방향으로 길이방향을 가질 수 있으며, 상부에 촉매공급포트(11)가 구비되어 촉매가 반응기(10) 내부로 공급될 수 있다.The reactor 10 may have a longitudinal direction in a direction perpendicular to the ground, and a catalyst supply port 11 is provided at the upper portion so that the catalyst can be supplied into the reactor 10 .

촉매공급포트(11)로 공급되는 촉매는 금속촉매일 수 있으며, 구체적으로 철(Fe), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 납(Pd), 은(Ag), 백금(Pt) 및 금(Au) 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금으로부터 선택된 어느 하나일 수 있다.The catalyst supplied to the catalyst supply port 11 may be a metal catalyst, specifically iron (Fe), molybdenum (Mo), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), nickel Any of (Ni), cobalt (Co), copper (Cu), cadmium (Cd), zinc (Zn), ruthenium (Ru), lead (Pd), silver (Ag), platinum (Pt), and gold (Au) It may be any one selected from one metal or an alloy thereof.

반응기(10)는 하부에 가스공급포트(13)가 구비되어 하부로부터 상부를 향하는 상향 유동방식으로 소스가스를 공급할 수 있다. The reactor 10 may be provided with a gas supply port 13 at the lower portion to supply the source gas in an upward flow manner from the lower part to the upper part.

가스공급포트(13)로 공급되는 탄화수소계 소스가스는 생성물인 탄소체를 제조하기 위한 탄소원을 포함하는 것으로, 구체적으로, 탄소수 6개 이하, 또는 탄소수 4개 이하의 화합물 또는 탄소수 2개 이하의 화합물을 포함할 수 있다. 더욱 구체적으로, 일산화탄소, 메탄, 에탄, 에틸렌, 에탄올, 아세틸렌, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부타디엔, 펜탄, 펜텐, 사이클로펜타디엔, 헥산, 사이클로헥산, 벤젠및 톨루엔으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상을 포함할 수 있다. 일 구체예로, 메탄을 포함하는 천연가스일 수 있다. 이와 같은 탄화수소계 소스가스는 촉매 존재 하 반응기(10) 내에서 흡열반응 하여, 수소 및 탄소나노튜브 등과 같은 탄소체의 고부가가치의 생성물로 전환될 수 있다.The hydrocarbon-based source gas supplied to the gas supply port 13 contains a carbon source for producing a carbon body as a product, and specifically, a compound having 6 or less carbon atoms, or a compound having 4 carbon atoms or less, or a compound having 2 carbon atoms or less may include More specifically, one or two or more selected from the group consisting of carbon monoxide, methane, ethane, ethylene, ethanol, acetylene, propane, propylene, butane, butadiene, pentane, pentene, cyclopentadiene, hexane, cyclohexane, benzene and toluene may include In one embodiment, it may be natural gas containing methane. Such hydrocarbon-based source gas may undergo an endothermic reaction in the reactor 10 in the presence of a catalyst, and may be converted into high value-added products of carbon such as hydrogen and carbon nanotubes.

소스가스는 불활성 기체 또는 환원성 기체 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다. 불활성 기체로는 질소, 헬륨, 아르곤, 네온 등을 사용할 수 있고, 환원성 기체로는 수소 등을 사용할 수 있다. 이와 같은 불활성 기체 또는 환원성 기체는 탄소나노튜브가 성장함에 따른 무게 증가로 인해 중력방향으로 떨어지는 것을 방지하며, 반응기(10) 내 유동화 지역을 확대시켜 촉매와 탄화수소계 소스가스의 흡열반응을 활성화시킬 수 있다. 특히, 환원성 기체를 포함할 경우, 반응기 내 촉매 활성도를 높여 탄소생성물의 수율을 더욱 향상시킬 수 있다.The source gas may further include one or more of an inert gas or a reducing gas. Nitrogen, helium, argon, neon, etc. may be used as an inert gas, and hydrogen etc. may be used as a reducing gas. Such an inert gas or reducing gas prevents the carbon nanotubes from falling in the gravity direction due to the increase in weight as they grow, and expands the fluidization area in the reactor 10 to activate the endothermic reaction between the catalyst and the hydrocarbon-based source gas. have. In particular, when a reducing gas is included, it is possible to further improve the yield of carbon products by increasing the catalyst activity in the reactor.

이처럼, 반응기(10)의 상부에 위치한 촉매공급포트(11) 및 반응기(10)의 하부에 위치한 가스공급포트(13)를 통해, 반응기(10) 내부로 각각 공급된 촉매 및 소스가스는 반응기(10) 내 수용공간에서 혼합되고, 촉매 존재 하, 소스가스가 흡열반응하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과, 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물이 생성될 수 있다.As such, the catalyst and the source gas respectively supplied into the reactor 10 through the catalyst supply port 11 located at the upper portion of the reactor 10 and the gas supply port 13 located at the lower portion of the reactor 10 are transferred to the reactor ( 10) Mixed in the inner accommodation space and in the presence of a catalyst, the source gas undergoes an endothermic reaction to form a gaseous reaction product including hydrogen and a solid reaction product including carbon.

반응기(10) 내 수용공간은 상부공간과 하부공간으로 구분될 수 있다. 구체적으로, 하부공간은 바닥면과 인접하며, 소스가스 및 후술할 열에너지(열량)이 공급될 수 있다. 한편, 상부공간은 하부공간에서 충분한 열에너지를 공급받은 소스가스와, 촉매가 접촉되며, 소스가스의 흡열반응이 일어날 수 있다. 반응기(10)는 상부공간과 하부공간의 경계에 위치하여 상부공간과 하부공간을 구획하도록 설치되며 다수의 홀이 형성된 분산판(미도시)을 구비할 수 있다. 분산판을 통해 소스가스가 상부공간으로 분산될 수 있다. 또한, 분산판은 촉매 또는 반응에 의해 생성된 탄소체가 유동층 반응기(10)의 바닥면으로 낙하하는 것을 방지하는 역할을 수행할 수 있다. The receiving space in the reactor 10 may be divided into an upper space and a lower space. Specifically, the lower space is adjacent to the floor surface, and a source gas and heat energy (heat amount) to be described later may be supplied. On the other hand, in the upper space, the source gas supplied with sufficient thermal energy from the lower space is in contact with the catalyst, and an endothermic reaction of the source gas may occur. The reactor 10 is located at the boundary between the upper space and the lower space, is installed to partition the upper space and the lower space, and may include a dispersion plate (not shown) in which a plurality of holes are formed. The source gas may be distributed to the upper space through the dispersion plate. In addition, the dispersion plate may serve to prevent the carbon body generated by the catalyst or reaction from falling to the bottom of the fluidized bed reactor 10 .

반응기(10)는 상부에 배기포트(15)가 구비되어 기상의 반응생성물이 반응기(10)의 외부로 배출될 수 있으며, 상부, 하부 또는 측면 중 적어도 어느 한 일측에 배출포트(17)가 구비되어 고상의 반응생성물이 반응기(10) 외부로 배출될 수 있다. 그리고, 반응기(10)는 또 다른 일측에 후술할 연소부(70)로부터 열에너지를 공급받을 수 있도록 연결포트(19)가 구비될 수 있다. The reactor 10 is provided with an exhaust port 15 at the top so that the gaseous reaction product can be discharged to the outside of the reactor 10, and the discharge port 17 is provided on at least one side of the upper part, the lower part, or the side The solid reaction product can be discharged to the outside of the reactor (10). In addition, the reactor 10 may be provided with a connection port 19 to receive thermal energy from the combustion unit 70 to be described later on the other side.

흡열반응에 의해 생성된 기상의 반응생성물은 제1회수부(30)에 의해 배기포트(15)를 통하여 반응기(10) 외부로 배출될 수 있으며, 고상의 반응생성물은 제2회수부(35)에 의해 배출포트(17)를 통하여 반응기(10) 외부로 배출될 수 있다.The gaseous reaction product generated by the endothermic reaction may be discharged to the outside of the reactor 10 through the exhaust port 15 by the first recovery part 30, and the solid reaction product is the second recovery part 35 may be discharged to the outside of the reactor 10 through the discharge port 17 by the

제1회수부(30)는 반응기(10)로부터 기상의 반응생성물을 회수하는 것으로, 반응기(10)의 배기포트(15)와 연결된 회수라인(31) 및 회수라인(31)에 위치하는 기체정제장치(미도시)등을 포함할 수 있으며, 반응기(10)에서 생성된 고순도의 수소를 회수라인(31)을 통해 회수할 수 있다. 또한, 제1회수부는 반응기 상단 내에 설치되는 사이클론(cyclone)등을 더 포함하여, 기상의 반응생성물을 원활히 회수할 수 있다.The first recovery unit 30 recovers a gaseous reaction product from the reactor 10 , and a recovery line 31 connected to the exhaust port 15 of the reactor 10 and a gas purification located in the recovery line 31 . It may include a device (not shown) and the like, and high-purity hydrogen generated in the reactor 10 may be recovered through the recovery line 31 . In addition, the first recovery unit further includes a cyclone installed in the upper end of the reactor, so that the reaction product in the gas phase can be smoothly recovered.

제2회수부(35)는 반응기(10)로부터 고상의 반응생성물을 회수하는 것으로, 반응기(10)의 배출포트(17)와 연결된 배출회수라인(36) 및 배출회수라인(36)에 위치하는 기상분리기(미도시)를 포함할 수 있다. 기상분리기는 미반응 소스가스와 같이, 배출회수라인(36)을 통해 회수되는 고상의 반응생성물에 혼합된 기체성분을 제거할 수 있다. The second recovery unit 35 recovers the solid reaction product from the reactor 10, and is located in the discharge recovery line 36 and the discharge recovery line 36 connected to the discharge port 17 of the reactor 10. It may include a gas phase separator (not shown). The gas phase separator may remove gas components mixed with the solid reaction product recovered through the exhaust recovery line 36, such as unreacted source gas.

분리부(50)는 제2회수부(35)를 통해 회수된 고상의 반응생성물을 일부 분리하여 연소부(70)로 공급한다. 분리부(50)에 의해 연소부(70)로 공급된 일부 고상의 반응생성물을 제외한 나머지 생성물은 최종생산물로, 외부로 배출될 수 있다.The separation unit 50 partially separates the solid reaction product recovered through the second recovery unit 35 and supplies it to the combustion unit 70 . The remaining products except for some solid reaction products supplied to the combustion unit 70 by the separation unit 50 are final products, and may be discharged to the outside.

연소부(70)는 분리부(50)로부터 공급된 고상의 반응생성물을 연소시켜 반응기(10)로 열에너지를 공급한다. 연소부(70)는 종래 알려진 연소기로, 탄소체 및 촉매를 포함하는 고상의 반응생성물을 연료로 열에너지를 생성시킬 수 있다. 연소기는 산소를 포함하는 공기 또는 산소 자체를 외부로부터 공급받을 수 있는 산소공급포트와, 연소 후 생성된 이산화탄소를 배출할 수 있는 이산화탄소배출포트가 구비되어 있을 수 있다. The combustion unit 70 burns the solid reaction product supplied from the separation unit 50 to supply thermal energy to the reactor 10 . The combustion unit 70 is a conventionally known combustor, and may generate thermal energy using a solid reaction product including a carbon body and a catalyst as a fuel. The combustor may be provided with an oxygen supply port through which air containing oxygen or oxygen itself can be supplied from the outside, and a carbon dioxide discharge port through which carbon dioxide generated after combustion can be discharged.

연소부(70)에 의해 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물이 연소됨에 따라 발생한 열에너지는 열매체를 통해 반응기(10)로 공급되어, 촉매 존재 하에 탄화수소계 가스가 흡열반응할 시 필요한 열량을 반응기(10) 내부로 직접 공급할 수 있다. The thermal energy generated as the solid reaction product containing carbon is burned by the combustion unit 70 is supplied to the reactor 10 through the heating medium, and the amount of heat required for the endothermic reaction of the hydrocarbon-based gas in the presence of a catalyst is returned to the reactor ( 10) It can be supplied directly inside.

구체적으로, 열매체는 연소된 고상의 반응생성물 및 유동입자를 포함할 수 있으며, 연소기와 반응기(10)를 연결하는 열매체공급관(71)을 통해 공급될 수 있다. 열매체공급관(71)은 루프실 구조로, 배출부분이 반응기(10) 방향으로 하향 경사져 중력을 이용하여 공급될 수 있다. 이때, 연소부(70)는 열매체의 공급이 원활하도록 열매체공급관에 환원성 기체를 공급할 수 있는 유동기체공급부(미도시)를 더 포함할 수 있다. Specifically, the heating medium may include a combustion solid reaction product and flowing particles, and may be supplied through a heating medium supply pipe 71 connecting the combustor and the reactor 10 . The heat medium supply pipe 71 has a loop seal structure, and the discharge portion is inclined downward in the direction of the reactor 10 to be supplied using gravity. In this case, the combustion unit 70 may further include a fluidized gas supply unit (not shown) capable of supplying a reducing gas to the heating medium supply pipe to facilitate the supply of the heating medium.

종래기술은 반응기(10) 외부에 설치된 히터 및 예비 가열장치를 통해 열에너지를 공급함에 따라 필요 열량을 공급하기 위해 대량의 열에너지를 소모하였으나, 본 발명은 연소부(70)를 포함함에 따라, 필요한 열량만큼 만을 반응기(10) 내 직접 공급하여, 열에너지 사용 효율이 매우 높다. 또한, 반응기(10) 내 온도차가 거의 없어 반응기(10) 내 어느 위치에서도 탄화수소계 수소가스의 흡열반응이 균일하게 일어나며, 탄소나노튜브와 같은 탄소체의 균일한 성장이 일어나 고순도의 수소 및 고품질의 탄소체를 생성할 수 있다. 또한, 연소부(70)는 분리부(50)를 통해 분리된 생성물의 일부를 연소시켜 반응기(10) 내 필요 열량을 공급함에 따라 별도로 외부 물질을 투입하기 위한 설비가 필요가 없고, 효율적으로 열에너지를 공급할 수 있도록 한다.The prior art consumes a large amount of thermal energy to supply the required amount of heat as the heat energy is supplied through the heater and the preliminary heating device installed outside the reactor 10, but the present invention includes the combustion unit 70, the required amount of heat Only as much as it is directly supplied in the reactor 10, the efficiency of using heat energy is very high. In addition, since there is almost no temperature difference in the reactor 10, the endothermic reaction of hydrocarbon-based hydrogen gas occurs uniformly at any position in the reactor 10, and uniform growth of carbon bodies such as carbon nanotubes occurs to produce high-purity hydrogen and high-quality Carbon bodies can be formed. In addition, the combustion unit 70 burns a portion of the product separated through the separation unit 50 to supply the required amount of heat in the reactor 10 , so there is no need for a facility for separately inputting an external material, and heat energy efficiently to be able to supply

본 발명의 일 실시예에 있어서, 도면에 도시된 바와 같이 회수라인(31)에 위치하는 순환부(90)를 더 포함할 수 있다. 순환부(90)는 제1회수부(30)로 회수되는 기상의 반응생성물로부터 수소를 분리 정제시키고, 잔여된 미반응 소스가스를 반응기(10)로 재공급한다. 이에, 더욱 고순도의 수소를 수득할 수 있을 뿐만 아니라, 미반응된 소스가스를 재활용하여, 소스가스 투입량 대비 고수율로 생성물을 수득할 수 있다. 구체적으로, 순환부(90)는 PSA(Pressure swing adsorption) 또는 고분자 분리막을 통해 수소를 분리 정제할 수 있다. PSA는 혼합기체를 분리시 반응기(10)체의 냉각을 위해 필수적으로 요구되는 열교환기(heat exchanger)가 필요 없어 설비 투자비의 절감 및 제조장치의 크기도 줄일 수 있다. 또한 냉각 없이 고온의 반응생성물을 반응기(10)와 연결된 재순환라인을 통해 재순환시킴으로써 예열기의 필요열량 절감 및 크기를 줄일 수 있다. PSA 장치 및 고분자 분리막은 당업계에 공지된 수단을 제한없이 사용할 수 있다.In one embodiment of the present invention, as shown in the drawing, it may further include a circulation unit 90 located in the recovery line 31 . The circulation unit 90 separates and purifies hydrogen from the gaseous reaction product recovered by the first recovery unit 30 , and re-supply the remaining unreacted source gas to the reactor 10 . Accordingly, not only can hydrogen of higher purity be obtained, but also the unreacted source gas can be recycled to obtain a product with a high yield compared to the input amount of the source gas. Specifically, the circulation unit 90 may separate and purify hydrogen through pressure swing adsorption (PSA) or a polymer membrane. PSA does not require a heat exchanger essential for cooling the reactor 10 when separating the mixed gas, thereby reducing the investment cost of equipment and reducing the size of the manufacturing apparatus. In addition, by recirculating the high-temperature reaction product through the recirculation line connected to the reactor 10 without cooling, it is possible to reduce the amount of heat required and the size of the preheater. The PSA device and the polymer separation membrane may be used without limitation by means known in the art.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 도면에 도시된 바와 같이, 반응기(10) 전단에 위치하는 활성촉매공급부(20)를 더 포함할 수 있다. 활성촉매공급부(20)는 촉매를 활성화시켜 활성화된 촉매를 반응기(10)에 연속적으로 공급하는 것으로, 활성화된 촉매가 반응기(10)에 공급됨에 따라 흡열반응을 촉진시킬 수 있다. 이에, 비교적 단시간 내에 대량의 생성물을 제조할 수 있도록 한다. 촉매의 활성화는 환원성 기체에 의해 환원되어 이루어질 수 있다.In one embodiment of the present invention, as shown in the drawings, the active catalyst supply unit 20 located in front of the reactor 10 may be further included. The active catalyst supply unit 20 activates the catalyst and continuously supplies the activated catalyst to the reactor 10 , and as the activated catalyst is supplied to the reactor 10 , the endothermic reaction can be promoted. Accordingly, it is possible to manufacture a large amount of product within a relatively short time. Activation of the catalyst may be achieved by reduction with a reducing gas.

활성촉매공급부(20)는 당업계에 알려진 촉매활성반응기라면 한정되지 않으나, 바람직하게는 상향류식-반응기(Upflow-reactor)일 수 있다. 상항류식반응기는 하부에서부터 상부방향으로 유동하는 환원성 기체에 의해 촉매가 하부에서 상부방향으로 유동하며 환원되어 활성화된다. 하향류식반응기 대비 상향류식반응기는 반응기(10) 내 유동하는 촉매의 체류시간 조절이 용이하여, 촉매의 활성화 정도를 용이하게 조절하여, 반응기(10)내 촉매를 통해 성장되는 탄소체의 물성(예를 들어 전도성)조절이 가능할 수 있다. 또한, 연속적인 촉매 투입이 용이하여, 생성물의 연속생산이 용이하다. 이때, 활성촉매공급부(20)의 상부와 반응기의 상부에 위치하는 촉매공급포트(11)가 촉매공급라인(21)에 의해 연결되어 활성화된 촉매가 반응기(10) 내로 공급될 수 있다. The active catalyst supply unit 20 is not limited as long as it is a catalytically active reactor known in the art, but preferably an upflow-reactor. In the upflow reactor, the catalyst is reduced and activated by flowing from the bottom to the top by the reducing gas flowing from the bottom to the top. Compared to the downflow reactor, the upflow reactor facilitates control of the residence time of the catalyst flowing in the reactor 10, and thus the degree of activation of the catalyst can be easily controlled. For example, conductivity) may be adjustable. In addition, since continuous catalyst input is easy, continuous production of the product is easy. At this time, the catalyst supply port 11 positioned above the upper portion of the active catalyst supply unit 20 and the reactor is connected by the catalyst supply line 21 so that the activated catalyst can be supplied into the reactor 10 .

본 발명의 일 실시예에 있어서, 회수라인(31)에 위치하는 수소공급부(40)를 더 포함할 수 있다. 수소공급부(40)는 제1회수부(30)로 회수되는 기상의 반응생성물로부터 분리된 수소의 일부를 활성촉매공급부(20)의 하부로 공급할 수 있다. 구체적으로, 수소공급부(40)는 기체분리기(41) 및, 기체분리기(41)와 촉매활성공급부(30)의 하단을 연결하는 수소공급라인(43)을 포함할 수 있다. 활성촉매공급부(20)는 촉매를 활성화하기 위한 환원성 기체를 별도로 필요하지 않고, 반응 후 생성된 생성물의 일부를 활용가능하도록 하여 제조장치의 제조효율을 더욱 높일 수 있도록 한다.In one embodiment of the present invention, it may further include a hydrogen supply unit 40 located in the recovery line (31). The hydrogen supply unit 40 may supply a portion of hydrogen separated from the gaseous reaction product recovered to the first recovery unit 30 to the lower portion of the active catalyst supply unit 20 . Specifically, the hydrogen supply unit 40 may include a gas separator 41 and a hydrogen supply line 43 connecting the gas separator 41 and the lower end of the catalytic activity supply unit 30 . The active catalyst supply unit 20 does not require a separate reducing gas for activating the catalyst, and makes it possible to utilize a part of the product generated after the reaction, thereby further increasing the manufacturing efficiency of the manufacturing apparatus.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 반응기(10)에 위치하는 센싱부(80) 및 이를 통하여 분리부(50)에서 분리되는 반응생성물의 양을 제어하는 제어부(85)를 더 포함할 수 있다. 센싱부(80)는 반응기(10) 내 다양한 조건을 센싱하는 센서로, 구체적으로 반응기(10) 내 상부 및 하부의 압력차, 반응기(10) 내 온도 및 반응기(10)에서 배출되는 미반응 소스가스의 농도로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 조건을 센싱한다. In one embodiment of the present invention, the sensing unit 80 located in the reactor 10 and the control unit 85 for controlling the amount of the reaction product separated from the separation unit 50 through this may further include. The sensing unit 80 is a sensor for sensing various conditions in the reactor 10 , specifically, the pressure difference between the upper and lower portions in the reactor 10 , the temperature in the reactor 10 , and the unreacted source discharged from the reactor 10 . One or more conditions selected from the group consisting of a concentration of a gas are sensed.

제어부(85)는 센싱부(80)에서 측정된 센싱값을 설정된 설계치와 비교하여 분리부(50)에서 분리되는 반응생성물의 양을 제어할 수 있다.The control unit 85 may control the amount of the reaction product separated by the separation unit 50 by comparing the sensing value measured by the sensing unit 80 with a set design value.

예를 들면, 반응기(10)에 설치된 온도센서를 통해 센싱한 반응기(10) 내 온도가 설계치 보다 높을 경우 분리부(50)에서 분리되어 연소부(70)로 전달되는 반응생성물의 양을 줄일 수 있으며, 반응기(10) 내 온도가 설계치 보다 낮을 경우 분리부(50)에서 분리되어 연소부(70)로 전달되는 반응생성물의 양을 늘릴 수 있다. 이에, 연소부(70)에 의해 연소되는 반응생성물의 양의 조절할 수 있어, 최종적으로 반응기(10) 내 전달되는 열량을 조절할 수 있다.For example, when the temperature in the reactor 10 sensed through the temperature sensor installed in the reactor 10 is higher than the design value, the amount of reaction products separated from the separation unit 50 and delivered to the combustion unit 70 can be reduced. In addition, when the temperature in the reactor 10 is lower than the design value, the amount of reaction products separated from the separation unit 50 and delivered to the combustion unit 70 may be increased. Accordingly, it is possible to control the amount of the reaction product combusted by the combustion unit 70, and finally it is possible to control the amount of heat transferred in the reactor (10).

이처럼, 센싱부(80) 및 제어부(85)를 포함하는 수소 및 탄소체 제조장치는 온도 등과 같은 반응기(10) 내 조건을 통해 연소부(70)로 전달되는 반응생성물의 양을 조절하여, 반응기(10) 내 공급되는 열량을 용이하게 조절할 수 있다. In this way, the hydrogen and carbon body manufacturing apparatus including the sensing unit 80 and the control unit 85 adjusts the amount of the reaction product delivered to the combustion unit 70 through the conditions in the reactor 10 such as temperature, etc., so that the reactor (10) You can easily control the amount of heat supplied inside.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with specific matters and limited examples and drawings, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments, and the present invention is not limited to the above embodiments. Various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다. Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims described below, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

10 : 반응기 11 : 촉매공급포트
13 : 가스공급포트 15 : 배기포트
17 : 배출포트 19 : 연결포트
20 : 촉매활성공급부 21 : 촉매공급라인
30 : 제1회수부 31 : 회수라인
35 : 제2회수부 36 : 배출회수라인
40 : 수소공급부 41 : 기체분리기
43 : 수소공급라인 50 : 분리부
70 : 연소부 71 : 열매체공급관
90 : 순환부
10: reactor 11: catalyst supply port
13: gas supply port 15: exhaust port
17: exhaust port 19: connection port
20: catalytic activity supply unit 21: catalyst supply line
30: first recovery unit 31: recovery line
35: second recovery unit 36: exhaust recovery line
40: hydrogen supply unit 41: gas separator
43: hydrogen supply line 50: separation unit
70: combustion part 71: heat medium supply pipe
90: circulation part

Claims (15)

촉매 존재 하 탄화수소계 소스가스가 흡열반응하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물이 생성되는 반응기;
상기 반응기로부터 기상의 반응생성물을 회수하는 제1회수부;
상기 반응기로부터 고상의 반응생성물을 회수하는 제2회수부;
상기 제2회수부로 회수되는 고상의 반응생성물을 일부 분리하여 연소부에 공급하는 분리부; 및
상기 분리부로부터 공급된 고상의 반응생성물을 연소시켜 상기 반응기로 반응열을 공급하는 연소부; 를 포함하는 수소 및 탄소체 제조장치.
a reactor in which a hydrocarbon-based source gas undergoes an endothermic reaction in the presence of a catalyst to produce a gaseous reaction product containing hydrogen and a solid reaction product containing a carbon body;
a first recovery unit for recovering a gaseous reaction product from the reactor;
a second recovery unit for recovering a solid reaction product from the reactor;
a separation unit which partially separates the solid reaction product recovered to the second recovery unit and supplies it to the combustion unit; and
a combustion unit for supplying reaction heat to the reactor by burning the solid reaction product supplied from the separation unit; Hydrogen and carbon body manufacturing apparatus comprising a.
제1항에 있어서,
상기 반응기는 유동층반응기인 수소 및 탄소체 제조 장치.
According to claim 1,
The reactor is a fluidized bed reactor, an apparatus for producing hydrogen and carbon.
제2항에 있어서,
상기 반응기의 전단에 위치하며, 상기 촉매를 활성화시켜 활성화된 촉매를 상기 반응기에 연속적으로 공급하는 활성촉매공급부;를 더 포함하는 수소 및 탄소체 제조 장치.
3. The method of claim 2,
The apparatus for producing hydrogen and carbon body further comprising a; located at the front end of the reactor, the active catalyst supply unit for continuously supplying the activated catalyst to the reactor by activating the catalyst.
제2항에 있어서,
상기 활성촉매공급부는 상향류식반응기(Upflow-reactor)인 수소 및 탄소체 제조 장치.
3. The method of claim 2,
The active catalyst supply unit is an upflow-reactor, an apparatus for producing hydrogen and carbon.
제4항에 있어서,
상기 제1회수부로 회수되는 상기 기상의 반응생성물로부터 분리된 수소의 일부를 상기 활성촉매공급부의 하부로 공급하는 수소공급부;를 더 포함하는 수소 및 탄소체 제조 장치.
5. The method of claim 4,
Hydrogen and carbon body production apparatus further comprising a; hydrogen supply unit for supplying a portion of the hydrogen separated from the gaseous reaction product recovered to the first recovery unit to the lower portion of the active catalyst supply unit.
제1항에 있어서,
상기 제1회수부로 회수되는 상기 기상의 반응생성물로부터 수소를 분리 정제시키고, 잔여된 미반응 소스가스를 상기 반응기로 재공급하는 순환부;를 더 포함하는 수소 및 탄소체 제조 장치.
According to claim 1,
and a circulation unit for separating and purifying hydrogen from the gaseous reaction product recovered to the first recovery unit and re-supplying the remaining unreacted source gas to the reactor.
제1항에 있어서,
상기 반응기에 위치하여, 반응기의 내 상부 및 하부의 압력차, 반응기 내 온도 및 반응기에서 배출되는 미반응 소스가스의 농도로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 또는 둘 이상의 조건을 센싱하는 센싱부; 및
상기 센싱부에서 측정된 센싱값을 설정된 설계치와 비교하여 상기 분리부에서 분리되는 반응생성물의 양을 제어하는 제어부;를 더 포함하는 수소 및 탄소체 제조 장치.
According to claim 1,
a sensing unit positioned in the reactor to sense one or more conditions selected from the group consisting of a pressure difference between the upper and lower portions of the reactor, a temperature in the reactor, and a concentration of an unreacted source gas discharged from the reactor; and
The apparatus for producing hydrogen and carbon body further comprising; a control unit for controlling the amount of the reaction product separated by the separation unit by comparing the sensed value measured by the sensing unit with a set design value.
(S1) 반응기에 촉매 및 탄화수소계 소스가스를 공급하여 수소를 포함하는 기상의 반응생성물과, 탄소체를 포함하는 고상의 반응생성물을 생성하는 단계;
(S2) 상기 고상의 반응생성물 및 기상의 반응생성물을 각각 회수하는 단계;
(S3) 상기 회수된 고상의 반응생성물의 일부를 연소부로 공급하여 연소시키는 단계; 및
(S4) 상기 연소부에서 생성된 열을 상기 반응기로 공급하는 단계; 를 포함하는 수소 및 탄소체 제조방법.
(S1) supplying a catalyst and a hydrocarbon-based source gas to the reactor to generate a gaseous reaction product containing hydrogen and a solid reaction product containing carbon;
(S2) recovering the solid reaction product and the gas phase reaction product, respectively;
(S3) supplying a portion of the recovered solid reaction product to a combustion unit to burn it; and
(S4) supplying the heat generated in the combustion unit to the reactor; A method for producing hydrogen and a carbon body comprising a.
제8항에 있어서,
상기 (S1) 단계 이전,
(S0) 상기 촉매를 활성화하는 단계; 를 더 포함하는 수소 및 탄소체 제조방법.
9. The method of claim 8,
Before step (S1),
(S0) activating the catalyst; Hydrogen and carbon body production method further comprising a.
제9항에 있어서,
상기 (S0) 내지 (S4)단계는 연속적으로 수행되는 수소 및 탄소체 제조방법.
10. The method of claim 9,
The step (S0) to (S4) is a method for producing hydrogen and carbon body is carried out continuously.
제8항에 있어서,
상기 반응기는 유동층반응기인 수소 및 탄소체 제조방법.
9. The method of claim 8,
The reactor is a fluidized bed reactor, hydrogen and carbon body production method.
제8항에 있어서,
상기 (S2)단계에서 회수된 기상의 반응생성물로부터 수소를 분리하여 수득하고, 상기 수소가 분리된 기상의 반응생성물을 상기 반응기로 재공급하는 단계;를 더 포함하는 수소 및 탄소체 제조방법.
9. The method of claim 8,
Hydrogen and carbon body production method further comprising a; separating and obtaining hydrogen from the gaseous reaction product recovered in step (S2), and re-supplying the gaseous reaction product from which the hydrogen is separated to the reactor.
제8항에 있어서,
상기 (S3) 단계는,
상기 반응기 내 상부 및 하부의 압력차, 반응기 내 온도 및 반응기에서 배출되는 미반응 소스가스의 농도로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 또는 둘 이상의 조건을 센싱하여 상기 연소되는 고상의 반응생성물의 양을 조절하는 수소 및 탄소체 제조방법.
9. The method of claim 8,
The step (S3) is,
Controlling the amount of the combustion solid reaction product by sensing any one or two or more conditions selected from the group consisting of the pressure difference between the upper and lower parts of the reactor, the temperature in the reactor, and the concentration of the unreacted source gas discharged from the reactor Method for producing hydrogen and carbon body.
제8항에 있어서,
상기 (S1)단계에서, 촉매는 (Fe), 몰리브덴(Mo), 티타늄(Ti), 바나듐(V), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 코발트(Co), 구리(Cu), 카드뮴(Cd), 아연(Zn), 루테늄(Ru), 납(Pd), 은(Ag), 백금(Pt) 및 금(Au) 중 어느 하나의 금속 또는 이들의 합금인 수소 및 탄소체 제조방법.
9. The method of claim 8,
In the step (S1), the catalyst is (Fe), molybdenum (Mo), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), copper ( Cu), cadmium (Cd), zinc (Zn), ruthenium (Ru), lead (Pd), silver (Ag), platinum (Pt), and gold (Au) of any one metal or alloys thereof hydrogen and carbon sieve manufacturing method.
제8항에 있어서,
상기 소스가스는 메탄가스를 포함하는 수소 및 탄소체 제조방법.

9. The method of claim 8,
The source gas is a method for producing hydrogen and a carbon body including methane gas.

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