KR20240000215A - Catalytic reactor and preparation method for bubbler for the catalytic reactor - Google Patents

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Abstract

본 발명은 촉매반응장치 및 촉매반응장치용 버블러의 제조방법을 개시한다. 본 발명의 촉매반응장치는 용융합금촉매 반응장치로, 용융합금촉매 내에 원료가스를 버블 형태로 공급하는 버블러를 포함하며, 상기 버블러는 단층의 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)로 배열된 구형의 세라믹 입자들을 구비하는 세라믹 입자 배열체 및 상기 세라믹 입자 배열체의 상부측 및 하부측 중 하나 이상에 형성된 세라믹 코팅층을 포함하고, 상기 세라믹 입자들 중 인접하게 배치된 3개의 사이에는 상기 세라믹 코팅층에 의해 기공이 형성된 것을 특징으로 한다.The present invention discloses a catalytic reaction device and a method of manufacturing a bubbler for the catalytic reaction device. The catalytic reaction device of the present invention is a molten alloy catalyst reaction device, and includes a bubbler that supplies raw material gas in the form of bubbles within the molten alloy catalyst, and the bubbler is arranged in a single-layer closest packing structure. A ceramic particle array comprising spherical ceramic particles and a ceramic coating layer formed on at least one of the upper and lower sides of the ceramic particle array, and a ceramic coating layer between three adjacent ceramic particles. It is characterized by the formation of pores by.

Description

촉매반응장치 및 촉매반응장치용 버블러의 제조방법{CATALYTIC REACTOR AND PREPARATION METHOD FOR BUBBLER FOR THE CATALYTIC REACTOR}Method for manufacturing a catalytic reaction device and a bubbler for a catalytic reaction device {CATALYTIC REACTOR AND PREPARATION METHOD FOR BUBBLER FOR THE CATALYTIC REACTOR}

본 발명은 고온 용융금속합금 촉매에 천연가스를 기포 형태로 주입하여 천연가스로부터 탄소와 수소를 효과적으로 생산하는 촉매반응장치와 촉매반응장치에서 천연가스를 기포 형태로 발생시키는 버블러의 제조 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a catalytic reaction device that effectively produces carbon and hydrogen from natural gas by injecting natural gas in the form of bubbles into a high-temperature molten metal alloy catalyst, and a method of manufacturing a bubbler that generates natural gas in the form of bubbles in the catalytic reaction device. will be.

수소경제에 대한 요구와 함께 수소 수요가 증가함에 따라 CO2 배출을 억제할 수 있는 수소 생산 공정에 대한 관심이 높아지고 있다. 기존 산업에서 요구되는 수소에 대한 수요는 대부분 잘 확립된 메탄 개질 공정에 의해 충족된다. 그러나 전 지구적 기후 변화에 대한 관심 증가로 인해 CO2와 같은 온실 가스 배출을 줄일 수 있는 새로운 공정 개발이 필요하게 되었다. 이러한 측면에서 촉매 메탄 열분해는 궁극적인 최종 반응 생성물이 고체 탄소와 수소 가스라는 점에서 유망한 친환경 기술 중 하나로 보인다.As the demand for hydrogen increases along with the demand for a hydrogen economy, interest in hydrogen production processes that can suppress CO 2 emissions is increasing. The demand for hydrogen from existing industries is largely met by the well-established methane reforming process. However, increasing interest in global climate change has led to the need to develop new processes that can reduce greenhouse gas emissions such as CO 2 . In this respect, catalytic methane pyrolysis appears to be one of the promising green technologies in that the ultimate final reaction products are solid carbon and hydrogen gas.

최근 CO2 배출량이 낮은 수소 생산 방법에 대한 기술 경제 분석에 따르면, 메탄 열분해는 상업적인 재생 에너지를 사용하는 전기화학적 물 분해보다 경제적이며 탄소 포집 및 저장(carbon capture and sequestration, CCS)을 사용하는 수증기 메탄 개질(SMR)과도 경쟁할 수 있는 것으로 제안되었다. 생성된 수소의 평준화 비용(The Levelized Cost of Hydrogen)은 평균 약 1.76$/kg H2로 추정되며, 이는 전기분해(6.79??12.00$/kg H2) 뿐만 아니라 CCS를 사용한 SMR의 경우(2.09$/kg H2)보다 더 우수하다. A recent techno-economic analysis of hydrogen production methods with low CO2 emissions found that methane pyrolysis is more economical than electrochemical water splitting using commercial renewable energy and vapor methane using carbon capture and sequestration (CCS). It has been suggested that it can also compete with reforming (SMR). The Levelized Cost of Hydrogen is estimated to be about 1.76$/kg H 2 on average, which is not only for electrolysis (6.79??12.00$/kg H 2 ) but also for SMR using CCS (2.09 $/kg H 2 ) is superior.

메탄 열분해는 일반적으로 C-H 결합 해리의 높은 활성화 에너지(~ 415 kJ/mol)와 관련된 반응속도 한계를 극복하기 위해 고온(> 1200 ℃)을 요구하지만, 열역학적으로는 엔트로피 기여에 의해, 300℃ 이상에서 자발적반응이 가능하며 1000℃ 이상이면 97%이상 수소와 탄소로 전환이 가능하다.환될 수 있다. 따라서 높은 활성과 장기간 안정성을 지닌 적절한 촉매를 사용하여 전체 전환율을 크게 희생하지 않고 공정 온도를 산업적으로 접근 가능한 1000℃ 이내의 범위로 낮출 수 있다면, 대규모 수소 생산을 위한 산업 공정으로 개발이 가능하다. 이와 관련하여 최근 액체 금속 합금 촉매에 대한 새로운 관심은, 탄소를 용해하지 않는 용융 금속이 고체 부산물 탄소로부터 자발적으로 분리되고 용융 상태에서 재순환되어 용융된 상이 유지되는 한 장기적인 촉매활성과 안정성을 제공할 수 있다는 점에서 매력적으로 보인다. Methane pyrolysis generally requires high temperatures (> 1200 °C) to overcome the reaction rate limitations associated with the high activation energy of C-H bond dissociation (~ 415 kJ/mol), but thermodynamically, due to the entropic contribution, above 300 °C. Spontaneous reaction is possible, and at temperatures above 1000℃, more than 97% can be converted to hydrogen and carbon. It can be converted. Therefore, if the process temperature can be lowered to an industrially accessible range of 1000°C or less without significantly sacrificing the overall conversion rate by using an appropriate catalyst with high activity and long-term stability, it can be developed as an industrial process for large-scale hydrogen production. In this regard, the recent renewed interest in liquid metal alloy catalysts suggests that molten metal, which does not dissolve carbon, can spontaneously separate from the solid by-product carbon and recycle in the molten state, providing long-term catalytic activity and stability as long as the molten phase is maintained. It looks attractive in that it exists.

액체 금속 합금 촉매에서 메탄 버블(또는 메탄 기포)은 일반적으로 저융점 금속(예: Sn, Bi)과 촉매 활성 전이 금속(예: Ni, Cu)과 같은 적어도 두 개의 성분으로 구성된 용융합금촉매로 채워진 기둥을 통과한다. 최근의 연구에 따르면, Bi-Ni계 용융물이 가장 좋은 촉매 활성을 보이는 것으로 제시되었다. CH4가 H2로 변환되는 것은 메탄 버블이 약 800 내지 1000℃의 온도 범위에서 액상을 통과할 때 발생한다. 저융점 금속(Bi, Sn 등)은 촉매로서의 역할이 제한적이지만 열 메탄 열분해를 위한 효율적인 열 전달 매체로 작용한다. 또한, 1000 ℃ 이하의 온도에서는 Ni, Cu 등의 전이금속이 자발적으로 용융되지 않지만, Bi 또는 Sn 등의 용융 상태의 액상 금속에 용해되어 균질한 액상합금상을 만들 수 있고, 이러한 용융 상태의 액상 합금이 낮은 활성화 에너지 장벽을 갖는 CH4 해리용 촉매로 작용할 수 있다. 이러한 촉매 시스템에서, 촉매 반응은 기포 형태의 기상 반응물과 액체 합금 사이의 기체-액체 계면에서 주로 일어나는 것으로 여겨진다.In liquid metal alloy catalysts, methane bubbles (or methane bubbles) are typically filled with a molten alloy catalyst consisting of at least two components, such as a low melting point metal (e.g. Sn, Bi) and a catalytically active transition metal (e.g. Ni, Cu). pass through the pillar. Recent studies have shown that Bi-Ni based melts exhibit the best catalytic activity. The conversion of CH 4 to H 2 occurs when methane bubbles pass through the liquid phase at a temperature range of about 800 to 1000°C. Low melting point metals (Bi, Sn, etc.) have a limited role as catalysts, but act as efficient heat transfer media for thermal methane pyrolysis. In addition, at temperatures below 1000°C, transition metals such as Ni and Cu do not melt spontaneously, but can be dissolved in molten liquid metals such as Bi or Sn to create a homogeneous liquid alloy phase, and the liquid phase in this molten state The alloy can act as a catalyst for CH 4 dissociation with a low activation energy barrier. In these catalytic systems, the catalytic reaction is believed to occur primarily at the gas-liquid interface between the gaseous reactants in the form of bubbles and the liquid alloy.

일반적으로 주어진 액체 촉매 시스템에서 순 전환율을 향상시키기 위해 넓은 표면적과 긴 체류 시간이 고려된다. 촉매 시스템의 수직 길이와 기포의 상승 속도는 기포의 체류 시간을 결정하며, 기포의 크기와 유속은 기포가 접촉하는 액체 촉매의 전체 표면적을 결정한다. 작은 기포는 느린 속도로 상승하는 경향이 있어 체류 시간이 길며, 비표면적 비율(surface-to-volume ratio)의 증가 효과로 큰 접촉 또는 표면적이 달성된다. 용융 합금 시스템에서 기포 크기의 영향을 조사하는 연구는, 용융 합금의 촉매 역할을 이해하는 데 중요한 반응속도 매개 변수 (또는 반응 속도 상수)를 결정하는 데 매우 중요하다는 사실에도 불구하고 많이 보고되지 않았다.Typically, large surface areas and long residence times are considered to improve net conversion in a given liquid catalyst system. The vertical length of the catalyst system and the rate at which the bubbles rise determine the residence time of the bubbles, while the size and flow rate of the bubbles determine the total surface area of the liquid catalyst with which the bubbles contact. Small bubbles tend to rise at a slow rate, resulting in long residence times, and a large contact or surface area is achieved due to the increased surface-to-volume ratio. Studies investigating the effect of bubble size in molten alloy systems have not been reported much, despite the fact that they are very important in determining reaction rate parameters (or reaction rate constants), which are important for understanding the catalytic role of molten alloys.

통상의 촉매 금속과 저융점 금속의 밀도 (5000 - 9000 kg/m3)는 일반적으로 크고 점성이 약 0.8 - 1.2 mPa·s 정도이므로, 일반적으로 사용되는 수 mm (1 - 3 mm) 크기의 원료가스 주입구를 사용하는 경우에 약 10 mm 전후의 큰 지름의 크기를 갖는 기포가 생성된다. 생성된 기포는 빠르게 상승(통상 30 - 50 cm/s)하는 경향이 있어서 용융금속 촉매가 10 - 20 cm 정도의 높이를 갖는 경우 0.5초 이내의 짧은 반응 잔류 시간을 갖게 된다.The density (5000 - 9000 kg/m 3 ) of common catalytic metals and low melting point metals is generally large and the viscosity is about 0.8 - 1.2 mPa·s, so commonly used raw materials with a size of several millimeters (1 - 3 mm) When a gas inlet is used, bubbles with a large diameter of approximately 10 mm are generated. The generated bubbles tend to rise quickly (usually 30 - 50 cm/s), so when the molten metal catalyst has a height of about 10 - 20 cm, it has a short reaction residence time of less than 0.5 seconds.

일반적으로 기포의 크기를 작게 가져가면 (1) 액체 촉매와의 접촉 단면적을 향상시키고 (2) 반응 잔류 시간을 길게 (상승속도 감소) 가져가서 반응 전환율 향상을 도모할 수 있으나, 기체 가스의 크기를 제어하여 고온의 액상 촉매에 작은 기포를 주입하는 일은 쉬운 일이 아니다. 작은 기포를 만들기 위해 기공이 작은 버블러(수포석)와 같은 소재를 기포발생장치로 사용할 수도 있겠으나, 이때 수포석 표면에 생성된 작은 기포들이 액상촉매의 물리적 성질(높은 밀도, 표면장력)에 의해 (1) 이웃하는 기포 간에 뭉침 현상이 일어나 큰 기포로 성장하거나, (2) 수포석 내의 수십 내지 수백 μm 크기의 기공들 사이로 원료가스가 지나가면서 고온의 세라믹 소재의 수포석 표면에서 메탄이 분해 탄소가 침착되어 기공을 막아버려 반응기의 동작이 멈추는 일이 발생한다.In general, reducing the size of the bubbles can improve the reaction conversion rate by (1) improving the cross-sectional area of contact with the liquid catalyst and (2) lengthening the reaction residence time (reducing the rate of rise); however, by reducing the size of the gas, the reaction conversion rate can be improved. Controlling and injecting small bubbles into a high-temperature liquid catalyst is not an easy task. To create small bubbles, a material such as a bubbler with small pores can be used as a bubble generator, but in this case, the small bubbles created on the surface of the bubble stone are affected by the physical properties (high density, surface tension) of the liquid catalyst. 1) agglomeration occurs between neighboring bubbles and they grow into large bubbles, or (2) as the raw material gas passes between pores measuring tens to hundreds of μm in the blister stone, methane decomposes on the surface of the blister stone made of high-temperature ceramic material and carbon is deposited. The operation of the reactor may stop due to blocking the pores.

본 발명의 일 목적은 고온의 액상 용융합금촉매 내에 천연가스를 기포(버블) 형태로 주입함에 있어서, 1) 수십 내지 수백 μm크기의 작은 기포를 형성할 수 있도록 하고, 2) 기포생성단계에서 기포들이 서로 뭉치는 현상을 방지할 수 있도록 하며, 3) 기포가 발생하는 과정에서 천연가스와 세라믹 소재의 버블러의 접촉단면적을 최소화할 수 있도록 하고, 4) 탄소가 기공에 침착되어 기공을 막는 것을 방지할 수 있도록 하며, 5) 액상의 용융합금이 흘러내려 기공을 막는 것을 방지할 수 있는 촉매반응장치 및 촉매반응장치용 버블러를 제공하는 것이다.One purpose of the present invention is to inject natural gas in the form of bubbles into a high-temperature liquid molten alloy catalyst, 1) to form small bubbles of tens to hundreds of μm in size, and 2) to form bubbles in the bubble generation step. 3) to minimize the contact cross-sectional area between the natural gas and the ceramic bubbler during the process of generating bubbles, and 4) to prevent carbon from depositing in the pores and blocking the pores. 5) To provide a catalytic reaction device and a bubbler for the catalytic reaction device that can prevent liquid molten alloy from flowing down and blocking pores.

본 발명의 일 목적을 위한 촉매반응장치는 내부 공간을 구비하고 상기 내부 공간의 온도를 제어할 수 있도록 구성된 반응 챔버, 상기 반응 챔버 내부 공간에 배치된 용융합금촉매, 상기 반응 챔버 내부 공간에 배치되고, 상기 용융합금촉매의 하단부에 구비되어 상기 용융합금촉매 내에 원료가스를 버블 형태로 공급하는 버블러 및 상기 버블러에 원료가스를 투입하는 가스 주입부와 상기 용융합금촉매와 원료가스가 반응하여 생성된 생성물을 회수하는 가스 배출부를 포함하고, 상기 버블러는 단층의 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)로 배열된 구형의 세라믹 입자들을 구비하는 세라믹 입자 배열체 및 상기 세라믹 입자 배열체의 상부측 및 하부측 중 하나 이상에 형성된 세라믹 코팅층을 포함하고, 상기 최조밀 쌓임 구조로 규칙적인 배열을 갖는 세라믹 입자들 사이의 빈 공간에 상기 세라믹 코팅층에 의해 형성된 기공이 일정한 거리를 두고 기공의 크기가 제어된 형태로 배열된 것을 특징으로 한다.A catalytic reaction device for one purpose of the present invention includes a reaction chamber having an interior space and configured to control the temperature of the interior space, a molten alloy catalyst disposed in the interior space of the reaction chamber, and disposed in the interior space of the reaction chamber. , a bubbler provided at the lower end of the molten alloy catalyst to supply raw material gas into the molten alloy catalyst in the form of bubbles, and a gas injection part for injecting raw material gas into the bubbler, and the molten alloy catalyst reacts with the raw material gas to produce and a gas outlet for recovering the product, wherein the bubbler includes a ceramic particle array including spherical ceramic particles arranged in a single-layer closest packing structure, and an upper side of the ceramic particle array and It includes a ceramic coating layer formed on one or more of the lower sides, and the pores formed by the ceramic coating layer are spaced at a certain distance in the empty space between the ceramic particles having a regular arrangement in the densest stacked structure, and the size of the pores is controlled. It is characterized by being arranged in a shape.

일 실시예에서, 상기 세라믹 입자 및 상기 세라믹 코팅층은 각각 SiO2, Al2O3 및 ZrO2 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상 물질로 형성된 것일 수 있다. In one embodiment, the ceramic particles and the ceramic coating layer may each be formed of one or more materials selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 , and ZrO 2 .

일 실시예에서, 상기 세라믹 입자의 크기는 0.3 mm 내지 1.0 mm 일 수 있다. In one embodiment, the size of the ceramic particles may be 0.3 mm to 1.0 mm.

일 실시예에서, 상기 기공의 지름은 30 μm 내지 200 μm 이고, 상기 기공의 간격은 1 mm 내지 10 mm 일 수 있다.In one embodiment, the diameter of the pores may be 30 μm to 200 μm, and the spacing of the pores may be 1 mm to 10 mm.

일 실시예에서, 상기 버블의 크기는 50 내지 500 μm 일 수 있다.In one embodiment, the size of the bubble may be 50 to 500 μm.

일 실시예에서, 상기 버블러는 다공성 지지체를 더 포함하고, 상기 다공성 지지체는 상기 세라믹 입자 배열체 및 세라믹 코팅층을 지지하도록 구비될 수 있다.In one embodiment, the bubbler further includes a porous support, and the porous support may be provided to support the ceramic particle array and the ceramic coating layer.

일 실시예에서, 상기 가스 주입부는 상기 반응 챔버의 하부에 배치되며, 상기 버블러에 주입되는 원료가스를 예열시킬 수 있는 예열부를 포함하고, 상기 원료가스는 상기 반응 챔버의 하부에서 예열되어 상기 버블러로 주입될 수 있다.In one embodiment, the gas injection unit is disposed at the lower part of the reaction chamber and includes a preheating unit capable of preheating the raw material gas injected into the bubbler, and the raw material gas is preheated at the lower part of the reaction chamber to form the bubble. It can be injected as:

일 실시예에서, 상기 가스 주입부는 상기 반응 챔버의 상부에 배치되며, 상기 반응 챔버 내부를 관통하도록 형성된 기체 유입관을 포함하고, 상기 원료가스는 상기 반응 챔버의 상부에서 기체 유입관을 통해 상기 버블러로 주입될 수 있다.In one embodiment, the gas injection unit is disposed at an upper part of the reaction chamber and includes a gas inlet pipe formed to penetrate the inside of the reaction chamber, and the raw material gas bubbles through the gas inlet pipe at the upper part of the reaction chamber. It can be injected as:

본 발명의 다른 목적은 촉매반응장치용 버블러의 제조방법은 구형의 세라믹 입자들을 이용하여 단층의 최조밀 쌓임 구조를 갖는 세라믹 입자 배열체를 형성하는 제1 단계 및 세라믹 페이스트를 이용하여 상기 세라믹 입자 배열체의 상부측 및 하부측 중 하나 이상에 세라믹 코팅층을 형성하는 제2 단계를 포함하고, 상기 제2 단계 동안, 상기 세라믹 입자들 중 인접하게 배치된 3개의 세라믹 볼 사이에는 상기 세라믹 코팅층에 의해 기공이 형성된 것을 특징으로 한다.Another object of the present invention is a method of manufacturing a bubbler for a catalytic reaction device, which includes a first step of forming a ceramic particle array with a single-layer, densely packed structure using spherical ceramic particles, and the ceramic particles using a ceramic paste. A second step of forming a ceramic coating layer on at least one of the upper and lower sides of the array, wherein during the second step, a space between three adjacent ceramic balls among the ceramic particles is formed by the ceramic coating layer. It is characterized by the formation of pores.

일 실시예에서, 상기 세라믹 입자 및 상기 세라믹 페이스트는 각각 SiO2, Al2O3 및 ZrO2 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상 물질로 형성된 것인,In one embodiment, the ceramic particles and the ceramic paste are each formed of one or more materials selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 and ZrO 2 ,

일 실시예에서, 상기 세라믹 입자의 크기는 0.3㎜ 내지 1.0㎜ 일 수 있다.In one embodiment, the size of the ceramic particles may be 0.3 mm to 1.0 mm.

일 실시예에서, 상기 제2 단계 동안, 형성된 기공의 지름은 30 μm 내지 200 μm 이고, 상기 기공의 간격은 1 mm 내지 10 mm 일 수 있다.In one embodiment, during the second step, the diameter of the pores formed may be 30 μm to 200 μm, and the spacing of the pores may be 1 mm to 10 mm.

본 발명에 따르면, 버블러의 기공의 크기와 간격을 세라믹 코팅층으로 용이하게 제어함으로써 이웃하여 형성되는 기포 간의 뭉침을 방지하여 작은 기포의 생성을 용이하게 한다. 작은 크기의 기포는 기포와 액상촉매의 계면의 접촉단면적을 최대화함으로써 원료가스의 높은 전환율을 제공할 수 있다. 또한 세라믹 코팅층의 독특한 구조에 의해 종래 기술 대비 원료가스와 버블러의 접촉 단면적을 최소화하여 버블러의 기공들 사이로 원료가스가 지나가면서 분해된 탄소가 버블러의 기공에 침착되는 문제를 방지할 수 있다. 또한 세라믹 코팅층의 독특한 구조와 액상촉매와의 표면장력의 차이는 액상촉매가 기공으로 스며드는 것을 억제하는데 도움을 준다. 따라서 본 발명의 촉매반응장치는 종래 기술 대비 동일 조건(동일 반응기, 촉매, 원료가스의 양 등)에서 높은 전환율과 장시간 안정적인 반응을 제공할 수 있다.According to the present invention, the size and spacing of the pores of the bubbler are easily controlled with a ceramic coating layer, thereby preventing agglomeration between neighboring bubbles and facilitating the creation of small bubbles. Small-sized bubbles can provide a high conversion rate of raw material gas by maximizing the contact cross-sectional area of the interface between the bubbles and the liquid catalyst. In addition, the unique structure of the ceramic coating layer minimizes the cross-sectional area of contact between the raw material gas and the bubbler compared to the prior art, preventing the problem of carbon decomposed as the raw material gas passes between the pores of the bubbler being deposited on the pores of the bubbler. . Additionally, the unique structure of the ceramic coating layer and the difference in surface tension from the liquid catalyst help prevent the liquid catalyst from seeping into the pores. Therefore, the catalytic reaction device of the present invention can provide a high conversion rate and a stable reaction for a long time under the same conditions (same reactor, catalyst, amount of raw material gas, etc.) compared to the prior art.

도 1 및 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매반응장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 4는 본 발명의 실시예에 따른 촉매반응장치의 버블러 및 버블러를 이용한 버블의 형성 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 버블러 및 촉매반응장치의 일 부분을 나타내는 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치에서 생성된 기포의 크기와 상승 속도의 상관관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치를 이용하여 고온의 용융합금촉매와 반응시키기 전 증류수를 통해 버블러를 통해 형성되는 버블 모양의 관찰을 위한 도면이다. (a) 쿼츠 튜브만 사용한 경우, (b) 와 (c) 본 발명의 실시예에 따른 버블러를 사용한 경우를 각각 나타내는데, (b)의 경우 기공의 크기를 크게 하여 평균적으로 큰 기포 (~ mm)가 생성된 예이고, (c)의 경우는 기공의 크기를 작게 제어 (< 200 um) 하여 0.6 mm이하의 크기를 갖는 기포를 다량 생성시킨 경우를 나타낸다.
도 8은 기포의 크기가 제어되었을 때 기포가 액상에 잔류하는 시간과 액상에 존재하는 기포들의 총 단면적 그리고 그 곱이 어떻게 변하는지 액상촉매의 높이가 약 12 cm이고, 가스의 유량이 5 - 200 sccm의 범위인 조건에서 계산한 결과를 나타낸다. (c)를 보면, 유량이 10 sccm일 때, 기포의 크기가 2 mm에서 0.5 mm로 작아질 경우, 총표면단면적과 잔류시간의 곱은 약 100배 증가한다는 것을 알 수 있다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치를 이용하여 메탄의 수소 전환율을 평가한 도면이다. (a)는 실제 반응조건에서 메탄 열분해가 진행되고 있는 촉매반응장치의 실시예를 보여주고 있고, (b)-(c)는 각각 쿼츠 튜브만 사용한 장치(b) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 버블러를 포함한 장치(c)를 이용한 경우, 메탄 열분해 전환율의 시간에 따른 변화를 보여주는 그래프를 나타낸다.
도 10은 일반 다공성 기공을 갖는 수포석을 버블러로 이용하였을때의 예를 설명하는 도면이다. 일반 다공성 수포석(a)의 기공은 기공의 크기가 균일하지 않고, (b) 상대적으로 큰 기공을 통해 나오는 기포가 서로 뭉쳐서 (c) 기공 크기보다 10배 이상 큰 크기의 기포가 다량 발생한 예를 보여주는 도면으로 본 발명에서처럼 기공의 크기를 제어하고 또 일정 간격 이상으로 배치하는 것이 중요함을 보여주는 예이다. 상용 다공성 수포석을 사용하여 촉매 반응에 적용한 경우 실제 1000도씨 용융촉매 하에서 메탄의 전환율의 향상 효과가 없고 (약 25% 이하로 제한) 장시간 반응 시 기공에 탄소가 침착되어 기공을 막아 공정 진행이 어려울 수 있다. 도 10은 본 발명의 실시예와 비교 평가하기 위한 도면이다.
1 and 2 are diagrams for explaining a catalytic reaction device according to an embodiment of the present invention.
Figures 3 and 4 are diagrams to explain the bubbler of the catalytic reaction device according to an embodiment of the present invention and the concept of forming bubbles using the bubbler.
Figure 5 is an image showing a portion of a bubbler and a catalytic reaction device according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 is a graph showing the correlation between the size and rising speed of bubbles generated in a catalytic reaction device according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram for observing the shape of bubbles formed through a bubbler through distilled water before reacting with a high-temperature molten alloy catalyst using a catalytic reaction device according to an embodiment of the present invention. (a) shows the case of using only the quartz tube, (b) and (c) shows the case of using the bubbler according to the embodiment of the present invention, respectively. In the case of (b), the size of the pores is increased to produce large bubbles on average (~ mm ) is an example of creation, and (c) shows a case where the size of the pores was controlled to be small (< 200 um) and a large amount of bubbles with a size of 0.6 mm or less were generated.
Figure 8 shows how the time the bubbles remain in the liquid phase, the total cross-sectional area of the bubbles present in the liquid phase, and the product change when the size of the bubbles is controlled. The height of the liquid catalyst is about 12 cm, and the gas flow rate is 5 - 200 sccm. Indicates the results calculated under conditions within the range. Looking at (c), it can be seen that when the flow rate is 10 sccm and the size of the bubbles decreases from 2 mm to 0.5 mm, the product of the total surface area and residence time increases by about 100 times.
Figure 9 is a diagram evaluating the conversion rate of methane to hydrogen using a catalytic reaction device according to an embodiment of the present invention. (a) shows an example of a catalytic reaction device in which methane thermal decomposition is in progress under actual reaction conditions, and (b)-(c) show an example of a device (b) using only a quartz tube and an embodiment of the present invention, respectively. When using a device (c) including a bubbler, a graph showing the change in methane pyrolysis conversion rate over time is shown.
Figure 10 is a diagram illustrating an example when a blister stone with general porous pores is used as a bubbler. The pores of a typical porous blister stone (a) are not uniform in size, (b) the bubbles coming out of relatively large pores are clumped together, and (c) show an example of a large number of bubbles more than 10 times larger than the pore size. The drawing is an example showing the importance of controlling the size of pores and arranging them at a certain interval or more, as in the present invention. When applied to a catalytic reaction using commercially available porous blisters, there is no effect of improving the conversion rate of methane under a molten catalyst at 1000 degrees Celsius (limited to about 25% or less), and during long-term reaction, carbon is deposited in the pores and blocks the pores, making it difficult to proceed with the process. You can. Figure 10 is a diagram for comparative evaluation with an embodiment of the present invention.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. Since the present invention can be subject to various changes and have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail in the text. However, this is not intended to limit the present invention to a specific disclosed form, and should be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention. While describing each drawing, similar reference numerals are used for similar components.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in this application are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In this application, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate the presence of features, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features or steps. , it should be understood that it does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of operations, components, parts, or combinations thereof.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by a person of ordinary skill in the technical field to which the present invention pertains. Terms defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and unless explicitly defined in the present application, should not be interpreted in an ideal or excessively formal sense. No.

도 1 및 2는 본 발명의 실시예에 따른 촉매반응장치를 설명하기 위한 도면이다.1 and 2 are diagrams for explaining a catalytic reaction device according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 촉매반응장치(100)는 내부 공간을 구비하고 상기 내부 공간의 온도를 제어할 수 있도록 구성된 반응 챔버(200), 상기 반응 챔버(200) 내부 공간에 배치된 용융합금촉매, 상기 반응 챔버(200) 내부 공간에 배치되고, 상기 용융합금촉매(300)의 하단부에 구비되어 상기 용융합금촉매(300) 내에 원료가스를 버블 형태로 공급하는 버블러(400) 및 상기 버블러(400)에 원료가스를 투입하는 가스 주입부(500)와 상기 용융합금촉매(300)와 원료가스가 반응하여 생성된 생성물을 회수하는 가스 배출부(600)를 포함한다.Referring to FIGS. 1 and 2, the catalytic reaction device 100 of the present invention includes a reaction chamber 200 having an internal space and configured to control the temperature of the internal space, and is disposed in the internal space of the reaction chamber 200. A molten alloy catalyst, a bubbler 400 disposed in the inner space of the reaction chamber 200 and provided at the lower end of the molten alloy catalyst 300 to supply raw material gas in the form of bubbles into the molten alloy catalyst 300. And a gas injection unit 500 that injects raw material gas into the bubbler 400 and a gas discharge unit 600 that recovers a product generated by the reaction between the molten alloy catalyst 300 and the raw material gas.

상기 촉매반응장치(100)는 원료가스를 반응 챔버(200) 내에 투입하는 가스 주입부(500)의 위치에 따라 두 가지 실시 형태를 포함할 수 있다.The catalytic reaction device 100 may include two embodiments depending on the location of the gas injection unit 500 that introduces the raw material gas into the reaction chamber 200.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 상기 촉매반응장치(100)는 반응 챔버(200) 및 이의 하부에 배치된 가스 주입부(500)를 포함한다. 상기 가스 주입부(500)가 반응 챔버(200)의 하부에 배치되는 경우, 상기 가스 주입부(500)는 원료가스를 예열시키기 위한 예열부를 포함할 수 있다. 원료가스는 예열부에 의해 예열되어 상기 버블러(400)로 주입될 수 있다. 또한, 상기 가스 주입부(500)는 원료가스의 유량을 제어할 수 있는 제어부를 추가로 포함할 수 있다.Referring to FIG. 1, the catalytic reaction apparatus 100 according to an embodiment of the present invention includes a reaction chamber 200 and a gas injection unit 500 disposed below the reaction chamber 200. When the gas injection unit 500 is disposed below the reaction chamber 200, the gas injection unit 500 may include a preheating unit for preheating the raw material gas. The raw material gas may be preheated by the preheating unit and injected into the bubbler 400. Additionally, the gas injection unit 500 may further include a control unit capable of controlling the flow rate of the raw material gas.

도 2를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 상기 촉매반응장치(100)는 반응 챔버(200) 및 이의 상부에 배치된 가스 주입부(500)를 포함한다. 상기 가스 주입부(500)가 반응 챔버(200)의 상부에 배치되는 경우, 반응 챔버(200) 내부를 관통도록 형성된 기체 유입관(510)을 포함할 수 있다. 상기 원료가스는 상기 반응 챔버(200)의 상부에서 기체 유입관(510)을 통해 챔버의 하단부에 배치된 버블러(400)로 주입될 수 있다. 이 경우, 원료가스는 반응 챔버(200) 내 용융합금촉매(300)에 의해 기체 유입관(510)을 통과하면서 간접적으로 예열 또는 가열될 수 있다. 또한, 상기 가스 주입부(500)는 원료가스가 장시간 기체 유입관(510)에 잔류되지 않도록 가스의 유량을 제어하는 유량 제어부 및 온도 범위를 조절할 수 있는 온도 제어부가 추가로 구비될 수 있다.Referring to FIG. 2, the catalytic reaction device 100 according to another embodiment of the present invention includes a reaction chamber 200 and a gas injection unit 500 disposed above the reaction chamber 200. When the gas injection unit 500 is disposed at the upper part of the reaction chamber 200, it may include a gas inlet pipe 510 formed to penetrate the inside of the reaction chamber 200. The raw material gas may be injected from the upper part of the reaction chamber 200 through the gas inlet pipe 510 into the bubbler 400 disposed at the lower end of the chamber. In this case, the raw material gas may be indirectly preheated or heated while passing through the gas inlet pipe 510 by the molten alloy catalyst 300 in the reaction chamber 200. In addition, the gas injection unit 500 may be further equipped with a flow rate control unit that controls the flow rate of the gas so that the raw material gas does not remain in the gas inlet pipe 510 for a long time and a temperature control unit that can adjust the temperature range.

상기 용융합금촉매(300)는 저융점 금속 및 촉매 활성 전이 금속의 혼합물을 포함하는 물질로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 저융점 금속은 Sn, Bi, Sb, Ga 및 In 등에서 선택된 어느 하나일 수 있고, 상기 전이 금속은 Ni, Co 및 Fe 등에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 또한, 상기 용융합금촉매(300)는 추가적으로 Li, K, Ca, Mg 및 Zn 등과 같은 물질을 첨가제로 포함할 수 있다. The molten alloy catalyst 300 may be made of a material containing a mixture of a low melting point metal and a catalytically active transition metal. For example, the low melting point metal may be any one selected from Sn, Bi, Sb, Ga, In, etc., and the transition metal may be any one selected from Ni, Co, Fe, etc. Additionally, the molten alloy catalyst 300 may additionally include materials such as Li, K, Ca, Mg, and Zn as additives.

일 실시예에 있어서, 상기 용융합금촉매(300)는 Sn 및 Ni의 혼합물을 포함할 수 있고, 바람직하게는 Sn 및 Ni가 8:2의 몰비로 혼합된 혼합물을 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 원료가스가 메탄(CH4)을 포함하고, 상기 용융합금촉매가 Sn 및 Ni의 혼합물을 포함하는 경우, 상기 원료가스는 본 발명의 장치를 통해 탄소 및 수소로 분해될 수 있다. In one embodiment, the molten alloy catalyst 300 may include a mixture of Sn and Ni, and preferably may include a mixture in which Sn and Ni are mixed at a molar ratio of 8:2. In one embodiment, when the raw material gas contains methane (CH 4 ) and the molten alloy catalyst contains a mixture of Sn and Ni, the raw material gas can be decomposed into carbon and hydrogen through the device of the present invention. there is.

상기 버블러(400)는 원료가스를 용융합금촉매(300)와 반응할 수 있도록 용융합금촉매(300) 내에 버블 형태(700)로 공급하기 위한 구성으로, 기공을 포함한다. 원료가스는 기공을 통과하면서 용융합금촉매(300) 내에 버블 형태(700)로 유입될 수 있다. The bubbler 400 is configured to supply raw material gas in the form of bubbles 700 into the molten alloy catalyst 300 so that it can react with the molten alloy catalyst 300, and includes pores. The raw material gas may flow into the molten alloy catalyst 300 in the form of bubbles 700 while passing through the pores.

일 실시예에 있어서, 상기 버블러(400)는 다공성 지지체를 더 포함하고, 상기 다공성 지지체는 세라믹 입자 배열체 및 세라믹 코팅층을 지지하도록 이들의 하부에 구비될 수 있다. 상기 다공성 지지체는 SiO2, Al2O3 및 ZrO2 등과 같은 세라믹 소재로 형성될 수 있다.In one embodiment, the bubbler 400 further includes a porous support, and the porous support may be provided below the ceramic particle array and the ceramic coating layer to support them. The porous support may be formed of ceramic materials such as SiO 2 , Al 2 O 3 and ZrO 2 .

상기 버블러(400)에 대한 구체적인 설명은 도 3 및 4를 참조하여 이하에서 구체적으로 설명하기로 한다.A detailed description of the bubbler 400 will be provided below with reference to FIGS. 3 and 4.

상기 원료가스 버블(700)은 원료가스가 버블러(400)를 통과하면서 형성되는 것으로, 수 mm 미만의 크기 (지름의 크기)를 가질 수 있고, 바람직하게는, 상기 원료가스 버블(700)은 50 내지 500 μm 일 수 있다. 상기 원료가스 버블(700)의 지름이 1 mm이내의 영역에서는, 지름의 크기가 작아짐에 따라 상승 속도가 감소하여 용융합금촉매(300)와 반응하는 시간이 늘어나 원료가스가 분해되는 반응시간 (용융촉매 내의 잔류시간)이 증가하는 효과와 총반응단면적이 증가하는 효과에 기인하여 반응 속도가 증가하는 효과를 줄 수 있다. 1 mm 이상에서는 버블 크기가 커짐에 따른 상승 속도의 증가는 제한적이나, 총 반응단면적이 감소하여 반응속도가 감소하는 효과를 줄 수 있다. 따라서, 버블 크기가 1 mm 이하의 영역에서 작아질수록 전환율을 극대화하는데 용이하나, 버블크기가 너무 작은 경우 상승속도가 너무 낮아 액상촉매 내의 잔류시간 동안 버블간의 뭉침 등에 의한 효과에 의해 버블크기가 커져서, 버블크기 제어에 따른 반응속도 측면에서의 상승효과가 제한될 수 있다. 따라서 약 50 내지 500 μm 정도의 지름의 크기를 갖는 버블이 반응속도를 극대화하는데 최적의 지름의 크기일 수 있다. The raw material gas bubble 700 is formed as the raw material gas passes through the bubbler 400, and may have a size (size of diameter) of less than several mm. Preferably, the raw material gas bubble 700 is It may be 50 to 500 μm. In the area where the diameter of the raw material gas bubble 700 is less than 1 mm, as the diameter decreases, the rising speed decreases, and the reaction time with the molten alloy catalyst 300 increases, and the reaction time for the raw material gas to decompose (melt) Due to the effect of increasing the residence time in the catalyst and the effect of increasing the total reaction cross-sectional area, the reaction rate can be increased. Above 1 mm, the increase in rising speed as the bubble size increases is limited, but the total reaction cross-sectional area decreases, which can have the effect of reducing the reaction speed. Therefore, the smaller the bubble size is in the region of 1 mm or less, the easier it is to maximize the conversion rate. However, if the bubble size is too small, the rising speed is too low and the bubble size increases due to the effect of agglomeration between bubbles during the residence time in the liquid catalyst. , the synergistic effect in terms of reaction speed due to bubble size control may be limited. Therefore, bubbles with a diameter of about 50 to 500 μm may be the optimal diameter size for maximizing the reaction rate.

도 3 및 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치의 버블러 및 버블러를 이용한 버블의 형성 개념을 설명하기 위한 도면이다.Figures 3 and 4 are diagrams for explaining the bubbler of the catalytic reaction device and the concept of forming bubbles using the bubbler according to an embodiment of the present invention.

먼저, 도 3을 참조하면, 본 발명의 촉매반응장치(100)의 버블러(400)는 단층의 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)로 배열된 구형의 세라믹 입자들을 구비하는 세라믹 입자 배열체(410) 및 상기 세라믹 입자 배열체(410)의 상부측 및 하부측 중 하나 이상에 형성된 세라믹 코팅층(420)을 포함하고, 상기 세라믹 입자들 중 인접하게 배치된 3개의 사이에는 상기 세라믹 코팅층에 의해 기공(430)이 형성된 것을 특징으로 한다.First, referring to FIG. 3, the bubbler 400 of the catalytic reaction device 100 of the present invention is a ceramic particle array having spherical ceramic particles arranged in a single-layer closest packing structure ( 410) and a ceramic coating layer 420 formed on at least one of the upper and lower sides of the ceramic particle array 410, and pores are formed between three adjacently arranged ceramic particles by the ceramic coating layer. (430) is characterized in that it is formed.

도 3의 (a)를 참조하면, 세라믹 입자 배열체(410)는 세라믹 입자가 단층으로 구성될 수 있는 배열 중 가장 밀집되고 조밀하게 형성된 구조를 포함할 수 있다. 일 실시예에 있어서, 상기 세라믹 입자는 SiO2, Al2O3 및 ZrO2 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상 물질로 형성된 것일 수 있다. 상기 세라믹 입자는 0.3 - 수 mm 의 크기를 가질 수 있다. Referring to (a) of FIG. 3, the ceramic particle array 410 may include the most dense and dense structure among arrays in which ceramic particles can be composed of a single layer. In one embodiment, the ceramic particles may be formed of one or more materials selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 and ZrO 2 . The ceramic particles may have a size of 0.3 to several millimeters.

도 3의 (b)를 참조하면, 세라믹 코팅층(420)은 상부측 및 하부측 중 하나 이상에 형성될 수 있다. 세라믹 코팅층(420)은 세라믹 소재로 인해 표면장력이 최소화되어 높은 표면장력을 갖는 고온의 용융합금촉매(300)와의 젖음(wetting)을 방지할 수 있어, 이로 인해 용융합금촉매(300)가 버블러(400)로 흘러내리는 것을 방지하는 효과를 제공한다. 일 실시예에 있어서, 상기 세라믹 코팅층(420)은 SiO2, Al2O3 및 ZrO2 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상 물질로 형성된 것일 수 있다.Referring to (b) of FIG. 3, the ceramic coating layer 420 may be formed on one or more of the upper side and the lower side. The ceramic coating layer 420 has minimal surface tension due to the ceramic material, thereby preventing wetting with the high-temperature molten alloy catalyst 300 having high surface tension, which causes the molten alloy catalyst 300 to act as a bubbler. (400) Provides the effect of preventing flowing down. In one embodiment, the ceramic coating layer 420 may be formed of one or more materials selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 and ZrO 2 .

상기 기공(430)은 상기 세라믹 코팅층(420)이 세라믹 입자들 중 서로 인접하게 배치된 3개의 사이에 형성된 공간 사이를 코팅함으로써 형성된 것일 수 있다. The pores 430 may be formed by coating the space formed between three ceramic particles arranged adjacent to each other with the ceramic coating layer 420.

[수학식 1][Equation 1]

상기의 수학식 1과 도 3의 (b)를 참조하면, 세라믹 입자의 반지름이 R인 경우, 기공(430)의 반지름 r은 0.155R 임을 알 수 있다. 따라서 본 발명에서 형성되는 기공(430)의 반지름 r은 0.155R 미만의 범위 내에서 제어될 수 있다. 예를 들면, 2mm의 지름을 갖는 세라믹 입자를 사용하는 경우(R = 1mm), 기공의 반지름은 세라믹 코팅층의 두께에 따라 0.155mm 미만으로 제어될 수 있다. Referring to Equation 1 above and (b) of FIG. 3, when the radius of the ceramic particle is R, it can be seen that the radius r of the pore 430 is 0.155R. Therefore, the radius r of the pores 430 formed in the present invention can be controlled within a range of less than 0.155R. For example, when using ceramic particles with a diameter of 2 mm (R = 1 mm), the pore radius can be controlled to less than 0.155 mm depending on the thickness of the ceramic coating layer.

일 실시예에 있어서, 상기 기공(430)의 간격은 세라믹 입자의 크기에 의해 제어될 수 있고, 기공의 반지름(r)은 세라믹 코팅의 두께에 따라 제어될 수 있다. 상기 기공(430)의 크기(2r) 대비 간격 (1.155R)의 비는 최소 (1.155R/2×0.155R = 3.7) 이상에서 제어될 수 있고, 바람직하게는 세라믹코팅의 두께를 제어하여 통상 10 이상의 값을 갖도록 제어될 수 있다. 기공(430)에 의해 형성된 원료가스의 버블들이 서로 뭉치지 않게 하기 위해서는, 상기 기공(430)은 30 내지 200 um의 지름을 갖는 크기를 가질 수 있고, 상기 기공(430)들의 간격은 0.5 mm 내지 5 mm 일 수 있다. In one embodiment, the spacing of the pores 430 may be controlled by the size of the ceramic particle, and the radius (r) of the pore may be controlled by the thickness of the ceramic coating. The ratio of the distance (1.155R) to the size (2r) of the pores 430 can be controlled at a minimum of (1.155R/2×0.155R = 3.7), and preferably by controlling the thickness of the ceramic coating, usually 10 It can be controlled to have a value equal to or higher. In order to prevent the bubbles of the raw material gas formed by the pores 430 from clumping together, the pores 430 may have a diameter of 30 to 200 um, and the spacing between the pores 430 is 0.5 mm to 5 mm. It can be mm.

도 4의 (a)를 참조하면, 본 발명의 기공(430)은 세라믹 코팅층(420)의 두께를 제어하여 기공(430)의 크기를 용이하게 변화시킬 수 있다. 일 실시예에서, 상기 기공(430)의 지름은 200 μm 이하, 바람직하게는, 30 μm 내지 200 μm 일 수 있다. Referring to (a) of FIG. 4, the size of the pores 430 of the present invention can be easily changed by controlling the thickness of the ceramic coating layer 420. In one embodiment, the diameter of the pores 430 may be 200 μm or less, preferably 30 μm to 200 μm.

도 4의 (b)를 참조하면, 본 발명의 원료가스 버블은 원료가스가 상기 기공(430)을 통과함으로써 형성되는데, 본 발명의 기공(430)은 세라믹 코팅층(420)에 의해 형성되므로, 종래 기술의 버블러(400)의 기공에 비해, 원료가스과 기공이 접촉하는 면적이 매우 작아, 버블을 형성하는 기공 표면(세라믹 소재)에서 원료가스가 분해되어 기공에 탄소가 침착되는 문제를 효과적으로 방지할 수 있고, 표면장력이 큰 액상용융합금과 기공간의 접촉단면적을 최소화하여 액상합금이 기공으로 스며들어가는 것을 방지할 수 있다. Referring to (b) of FIG. 4, the raw material gas bubble of the present invention is formed when the raw material gas passes through the pore 430. The pore 430 of the present invention is formed by the ceramic coating layer 420, so that the raw material gas bubble passes through the pore 430. Compared to the pores of the technological bubbler (400), the contact area between the raw material gas and the pores is very small, effectively preventing the problem of the raw material gas decomposing on the pore surface (ceramic material) forming bubbles and carbon being deposited in the pores. It is possible to prevent the liquid alloy from seeping into the pores by minimizing the contact cross-sectional area between the liquid molten alloy, which has high surface tension, and the pore space.

본 발명의 촉매반응장치(100)용 버블러(400)의 제조방법은 구형의 세라믹 입자들을 이용하여 단층의 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)를 갖는 세라믹 입자 배열체를 형성하는 제1 단계 및 세라믹 페이스트를 이용하여 상기 세라믹 입자 배열체(410)의 상부측 및 하부측 중 하나 이상에 세라믹 코팅층(420)을 형성하는 제2 단계를 포함하며, 상기 제2 단계 동안, 상기 세라믹 입자들 중 인접하게 배치된 3개의 사이에는 상기 세라믹 코팅층(420)에 의해 기공(430)이 형성된 것을 특징으로 한다.The manufacturing method of the bubbler 400 for the catalytic reaction device 100 of the present invention includes a first step of forming a ceramic particle array with a single-layer closest packing structure using spherical ceramic particles, and A second step of forming a ceramic coating layer 420 on one or more of the upper and lower sides of the ceramic particle array 410 using a ceramic paste, and during the second step, adjacent ones of the ceramic particles A pore 430 is formed between the three arranged pores by the ceramic coating layer 420.

상기 버블러(400)의 구성은 상기에서 설명한 본 발명의 촉매반응장치(100)의 구성과 실질적으로 동일하므로, 이들에 대한 중복된 상세한 설명은 생략하고, 이하에서는 제조방법을 중심으로 설명한다.Since the configuration of the bubbler 400 is substantially the same as the configuration of the catalytic reaction device 100 of the present invention described above, redundant detailed descriptions thereof will be omitted, and the following will focus on the manufacturing method.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계에서 세라믹 코팅층(120)의 형성은 세라믹 페이스트를 세라믹 입자 배열체(410)에 분사하는 방법을 통해 수행될 수 있다. 예를 들어, 상온에서 노즐을 이용하여 분사하는 방법, 저온 분사 코팅 방법, 초음파 분사 코팅 방법 등을 통해 수행될 수 있다. 본 발명에서는 코팅 분사 방법을 특별하게 한정하지는 않으나, 바람직하게는, 상기 상온 분사 코팅 방법을 수행하여 세라믹 코팅층(120)을 형성할 수 있고, 이를 통해 매끄러운 기공(430)을 형성할 수 있다. 일 실시예에서, 세라믹 코팅은 세라믹 분말이 유기용제에 분산되어 있는 콜로이드 형태의 액상 페이스트를 사용하여 수행될 수 있다. 세라믹 페이스트의 점도와 분사량을 제어함으로써, 세라믹 입자들 사이에 형성되는 기공(430)의 크기를 제어할 수 있다. 기공(430)의 구조적 안정성을 향상시키고, 표면장력을 낮추기 위해 기공 상부에 마이크로미터 패턴을 갖는 세라믹 코팅층(420)을 형성할 수 있다.In one embodiment, the formation of the ceramic coating layer 120 in the second step may be performed by spraying ceramic paste onto the ceramic particle array 410. For example, it may be performed through a method of spraying using a nozzle at room temperature, a low-temperature spray coating method, or an ultrasonic spray coating method. In the present invention, the coating spraying method is not specifically limited, but preferably, the ceramic coating layer 120 can be formed by performing the room temperature spray coating method, and through this, smooth pores 430 can be formed. In one embodiment, ceramic coating may be performed using a colloidal liquid paste in which ceramic powder is dispersed in an organic solvent. By controlling the viscosity and injection amount of the ceramic paste, the size of the pores 430 formed between ceramic particles can be controlled. To improve the structural stability of the pores 430 and lower the surface tension, a ceramic coating layer 420 with a micrometer pattern may be formed on the top of the pores.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계 수행 동안 형성되는 기공(430)은 지름이 200 μm 이하, 바람직하게는, 지름이 30 μm 내지 200 μm 로 형성될 수 있다. In one embodiment, the pores 430 formed during the second step may have a diameter of 200 μm or less, preferably 30 μm to 200 μm.

일 실시예에 있어서, 상기 제2 단계 수행 후, 세라믹 코팅층(420)을 건조하는 제3 단계를 수행할 수 있다. 상기 제2 및 제3 단계의 시간을 제어하여 본 발명의 기공(430)의 구조적 안정성과 표면특성을 고온액상촉매공정 적용에 용이하게 제어할 수 있다.In one embodiment, after performing the second step, a third step of drying the ceramic coating layer 420 may be performed. By controlling the times of the second and third steps, the structural stability and surface characteristics of the pores 430 of the present invention can be easily controlled for application to the high-temperature liquid catalyst process.

본 발명의 촉매반응장치(100) 및 촉매반응장치(100)용 버블러(400)를 적용한 메탄 열분해 촉매반응 공정은, 종래 기술 대비 원료가스 버블과 액체 촉매의 더 넓은 접촉 단면적과 더 긴 잔류시간을 제공하여 원료가스의 전환율을 현저하게 높일 수 있다. The methane thermal decomposition catalytic reaction process using the catalytic reaction device 100 and the bubbler 400 for the catalytic reaction device 100 of the present invention has a wider contact cross-sectional area and longer residence time between the raw material gas bubbles and the liquid catalyst compared to the prior art. By providing , the conversion rate of raw material gas can be significantly increased.

이하에서, 구체적인 실시예들 및 비교예를 통해서 본 발명의 촉매반응장치(100) 및 촉매반응장치(100)용 버블러(400)를 적용한 메탄 열분해 촉매반응 공정에 대해서 보다 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명의 실시예들은 본 발명의 일부 실시 형태에 불과한 것으로서, 본 발명의 범위가 하기 실시예들에 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the methane thermal decomposition catalytic reaction process using the catalytic reaction device 100 and the bubbler 400 for the catalytic reaction device 100 of the present invention will be described in more detail through specific examples and comparative examples. However, the embodiments of the present invention are only some embodiments of the present invention, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예Example

도 5는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 촉매반응장치(100)용 버블러(400)의 핵심 부분을 나타내는 이미지이다.Figure 5 is an image showing the core part of the bubbler 400 for the catalytic reaction device 100 manufactured according to an embodiment of the present invention.

도 5를 참조하면, (a)-(b)는 본 발명의 실시예에 따라 제조된 버블러(400)의 실시예를 참고하여 제조한 버블러의 실시예로, 지르코니아 입자(1.0, 0.5 및 0.3 mm) 배열체의 상단측에 세라믹 페이스트를 도포하고, 최조밀 쌓임 구조로 배열된 지르코니아 입자 사이의 공간에, 크기가 200 μm 이하로 제어된 기공을 형성하여 제조하였다. 도 5(c)는 본 발명의 촉매반응장치(100)의 실시예 도 2의 방식을 따라 구성한 촉매반응장치의 실시예로, 반응 챔버로 사용할 쿼츠 튜브는 반응내경(I.D) 12 mm 및 외경(O.D) 16mm의 쿼츠(Quartz) 튜브를 사용하였고, 반응챔버의 상단에서 원료가스를 주입하기 위해 상기에서 제조된 버블러(400)와 원료가스 주입부(500)인 유로(쿼츠 튜브(Quartz tube))를 결합하여 제조하였다. 가스 주입부(500)로 사용된 쿼츠 튜브는 길이 70 cm, 내경(I.D) 2 mm 및 외경(O.D) 6 mm 으로 구성되었다.Referring to Figure 5, (a)-(b) are examples of a bubbler manufactured with reference to the example of the bubbler 400 manufactured according to an embodiment of the present invention, and zirconia particles (1.0, 0.5 and 0.3 mm), ceramic paste was applied to the upper side of the array, and pores whose size was controlled to 200 μm or less were formed in the space between zirconia particles arranged in the most densely packed structure. Figure 5(c) is an example of the catalytic reaction device 100 of the present invention constructed according to the method of Figure 2. The quartz tube to be used as the reaction chamber has a reaction inner diameter (I.D.) of 12 mm and an outer diameter ( A quartz tube with an O.D. of 16 mm was used, and the bubbler 400 manufactured above and the flow path (quartz tube) as the raw material gas injection part 500 were used to inject raw material gas from the top of the reaction chamber. ) was prepared by combining. The quartz tube used as the gas injection unit 500 had a length of 70 cm, an inner diameter (I.D.) of 2 mm, and an outer diameter (O.D.) of 6 mm.

실험예 1Experimental Example 1

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 촉매반응장치(100)용 버블러(400)에서 생성된 기포의 크기와 상승 속도의 상관관계를 실험적으로 구한 것으로, 상온의 증류수와 1000 ℃ 용융촉매상에서 각각의 경우에 메탄 가스의 버블 크기에 따른 상승 속도를 나타내는 그래프이다.Figure 6 is an experimental result of the correlation between the size and rising speed of bubbles generated in the bubbler 400 for the catalytic reaction device 100 manufactured according to an embodiment of the present invention, in distilled water at room temperature and melt at 1000°C. This is a graph showing the rising speed according to the bubble size of methane gas in each case on the catalyst.

도 6을 참조하면, 원료가스 기포의 크기가 약 1 -2 mm 까지 증가함에 따라, 기포의 상승 속도가 증가하는 경향이 실험으로 검증되었고, 그 이상에서는 상승 속도가 제한되어 약 10 mm 크기의 기포 까지 30 cm/s 수준에서 제한되는 것을 관찰할 수 있다. 기포의 크기가 1 mm 이하의 영역에서는, 기포 크기가 작게 형성될수록 기포의 상승 속도가 감소하므로, 액상용융합금 내에 기포가 잔류하는 시간 (잔류 시간)을 반응전환율이 최대에 도달하도록 제어하기 위해서는 기포의 크기를 약 0.5 mm 이하가 되도록 제어해야 한다. 이 실험을 통해 실제 버블 크기에 따른 잔류 시간의 관계를 실험으로 구할 수 있고, 유량 (mL/min)과 액상용융촉매의 부피와 높이가 정해졌을 때 연속적으로 버블이 생성되고 소멸되는 조건에서 액상에 유지되는 버블의 수와 버블의 크기로 부터 총 반응단면적 (버블 수 x 버블 표면적)을 구할 수 있다. 주어진 액상촉매의 조성에 따라 촉매 활성이 정해질 수 있고, 촉매 활성이 정해졌을 때, 반응전환율은 잔류시간과 총 반응단면적의 곱에 비례하여 증가하는 경향이 있다. 따라서 기포의 크기를 제어하여 연속적으로 용융 촉매에 공급하는 역할을 하는 버블러(400)의 구조를 제어하여, 반응전환율을 획기적으로 향상시킬 수 있다.Referring to FIG. 6, as the size of the raw material gas bubbles increases up to about 1 -2 mm, the tendency for the rising speed of the bubbles to increase has been experimentally verified, and beyond that, the rising speed is limited to bubbles of about 10 mm in size. It can be observed that it is limited at the level of 30 cm/s. In the area where the bubble size is 1 mm or less, the rising speed of the bubbles decreases as the bubble size becomes smaller. Therefore, in order to control the time for which the bubbles remain in the liquid molten alloy (residence time) so that the reaction conversion rate reaches the maximum, the bubbles must be controlled to reach the maximum. The size should be controlled to be less than about 0.5 mm. Through this experiment, the relationship between the residence time according to the actual bubble size can be experimentally obtained, and when the flow rate (mL/min) and the volume and height of the liquid molten catalyst are determined, bubbles are continuously created and destroyed in the liquid phase. The total reaction cross-sectional area (number of bubbles x bubble surface area) can be obtained from the number of bubbles maintained and the size of the bubbles. Catalytic activity can be determined depending on the composition of a given liquid catalyst, and when the catalyst activity is determined, the reaction conversion rate tends to increase in proportion to the product of the residence time and the total reaction cross-sectional area. Therefore, the reaction conversion rate can be dramatically improved by controlling the structure of the bubbler 400, which plays the role of controlling the size of bubbles and continuously supplying them to the molten catalyst.

실험예 2Experimental Example 2

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치(100)의 기포 생성 특성을 검증하기 위해 고온의 용융합금촉매(300)와 반응시키기 전 버블러(400)를 통해 증류수에 메탄 가스를 공급하고 이때 형성되는 버블 모양의 관찰을 위한 도면이다. (a)는 쿼츠 튜브만 사용한 경우, (b)-(c)는 본 발명의 실시 예에 따라 제조된 버블러(400)를 사용한 경우이다. (b)는 기공이 상대적으로 크게 제어된 버블러(400)를 사용한 경우이고, (c)는 기공의 크기가 상대적으로 최적화된 버블러(400)를 사용한 경우를 나타낸다.Figure 7 shows that methane gas is supplied to distilled water through the bubbler 400 before reacting with the high-temperature molten alloy catalyst 300 to verify the bubble generation characteristics of the catalytic reaction device 100 according to an embodiment of the present invention. This is a drawing for observing the bubble shape formed at this time. (a) is a case where only a quartz tube is used, and (b)-(c) is a case where a bubbler 400 manufactured according to an embodiment of the present invention is used. (b) shows a case where the bubbler 400 with relatively large pores was used, and (c) shows a case where the bubbler 400 with relatively optimized pore sizes was used.

도 7을 참조하면, 실제로 일정한 유량의 메탄 가스를 증류수에서 흘리는 조건에서 생성되는 기포의 크기를 실험으로 구현한 결과를 비교할 수 있다. (a) 버블러(400)를 사용하지 않은 장치의 경우 크기가 매우 큰 (지름의 크기가 6 - 10 mm인) 버블이 형성된 것을 관찰할 수 있는 반면, (b) 기공의 크기가 충분히 제어되지 않은 버블러 장치의 경우 작은 크기의 (지름이 1 - 3 mm인, 그러나 충분히 작지 않은) 버블이 다량 형성된 것을 관찰할 수 있다. 이들과 비교하여, (c) 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 버블러(400)를 사용한 경우, 200 μm 이하의 기공 직경을 갖는 버블러(400)를 통해 매우 작은 크기의 (지름이 500 - 600 μm 이하인) 버블이 다수개로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 도 7의 실시예를 통해서 실제로 기포의 크기가 본 발명의 실시예에 따라 제조한 버블러를 사용하여 500 μm 이하로 기포의 크기를 제어 가능함을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 7, it is possible to compare experimental results of the size of bubbles generated under conditions where a constant flow rate of methane gas is actually flowed in distilled water. (a) In the case of a device that does not use the bubbler 400, it can be observed that very large bubbles (with a diameter of 6 - 10 mm) are formed, whereas (b) the size of the pores is not sufficiently controlled. In the case of a non-bubbler device, it can be observed that a large number of small-sized bubbles (1-3 mm in diameter, but not small enough) are formed. Compared to these, (c) when using the bubbler 400 manufactured according to an embodiment of the present invention, very small size (diameter 500 μm) is generated through the bubbler 400 having a pore diameter of 200 μm or less. - It can be seen that multiple bubbles (less than 600 μm) are formed. Therefore, through the embodiment of FIG. 7, it can be confirmed that the size of the bubbles can actually be controlled to 500 μm or less using the bubbler manufactured according to the embodiment of the present invention.

실험예 3Experimental Example 3

도 8은 기포의 크기가 제어되었을 때 기포의 크기에 따른 용융합금촉매내의 기포의 잔류시간 (a)과 총표면단면적 (b), 그리고 잔류시간과 표면단면적의 곱(c)이 어떻게 변하는지를 계산한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 계산을 위해 Sn-Ni 촉매의 높이가 12cm라고 가정하고, 반응 조건은 1000 ℃ 상압 조건, 메탄의 유량은 약 5 - 200 sccm범위에서 변화시켰으며, 촉매의 높이에 의한 압력증가분, 유량의 크기에 따른 기포의 성장시간과 반응전환율에 따른 기포의 크기의 변화도 계산에 고려되었다. 단, 기포의 모양을 구형으로 가정하였는데 약 2 mm이상의 크기를 갖는 기포의 경우 실제 기포의 모양은 구형에서 벗어난 형태를 갖기 때문에 그에 따른 이론 예측치가 실험과 벗어날 수 있다. Figure 8 calculates how the residence time (a), the total surface cross-sectional area (b), and the product of the residence time and surface cross-sectional area (c) of the bubbles in the molten alloy catalyst change according to the size of the bubbles when the size of the bubbles is controlled. The results are shown graphically. For the calculation, it was assumed that the height of the Sn-Ni catalyst was 12cm, the reaction conditions were 1000°C normal pressure conditions, the methane flow rate was varied in the range of about 5 - 200 sccm, and the pressure increase due to the height of the catalyst and the size of the flow rate were adjusted. Changes in bubble size according to bubble growth time and reaction conversion rate were also considered in the calculations. However, the shape of the bubble was assumed to be spherical, but in the case of bubbles larger than about 2 mm, the actual bubble shape deviates from a sphere, so the theoretical predictions may deviate from the experiment.

도 8을 참조하면, 기포의 크기가 2 mm 정도에서 0.5 mm 정도로 작아지면 총반응단면적과 잔류시간의 곱이 약 100배 정도 증가할 수 있으므로 반응속도를 열역학적 최대치까지 향상시킬 수 있다는 것을 보여주기 위한 것이다. Referring to Figure 8, when the size of the bubble decreases from about 2 mm to about 0.5 mm, the product of the total reaction cross-sectional area and residence time can increase by about 100 times, thereby showing that the reaction rate can be improved to the thermodynamic maximum. .

실험예 4Experimental Example 4

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 버블러를 1000 도씨의 고온 용융합금반응로인 촉매반응장치(100)의 가스주입부 버블러(400)에 적용한 경우와 적용하지 않은 경우의 메탄의 수소 전환율을 평가한 도면이다.Figure 9 shows the case where the bubbler manufactured according to an embodiment of the present invention is applied to the gas injection part bubbler 400 of the catalytic reaction device 100, which is a high temperature molten alloy reaction furnace at 1000 degrees Celsius, and when it is not applied. This is a diagram evaluating the conversion rate of methane to hydrogen.

도 9(a)는 버블러(400)와 용융합금 촉매를 포함한 촉매반응장치(100)가 1000 ℃의 반응조건하에서 메탄가스를 버블형태로 주입하여 촉매반응을 진행시키는 실시예를 나타내며, (b)-(c)는 서로 다른 버블러(400)를 사용하여 반응을 진행하는 경우, 시간에 따른 전환율의 변화를 실험을 통해 얻은 결과를 그래프로 나타내어 서로 비교한 것이다. (b)는 버블러(400)를 제외하고 쿼츠 튜브만 사용한 장치의 경우로 전환율이 20% 미만인 것으로 관찰된 반면, (c)는 버블러(400)와 쿼츠 튜브를 포함하는 본 발명의 장치는 전환율이 약 90% 이상인 것으로 관찰되었다. Figure 9 (a) shows an example in which the catalytic reaction device 100 including a bubbler 400 and a molten alloy catalyst injects methane gas in the form of bubbles under reaction conditions of 1000 ° C to proceed with the catalytic reaction, (b) )-(c) shows the results obtained through experiments on the change in conversion rate over time when the reaction is carried out using different bubblers (400) and compares them. In (b), the conversion rate was observed to be less than 20% in the case of the device using only the quartz tube excluding the bubbler (400), while (c) is the device of the present invention including the bubbler (400) and the quartz tube. It was observed that the conversion rate was approximately 90% or higher.

실험예 5Experimental Example 5

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따라 제조된 버블러(400)를 사용하지 않고 (수-수십 μm 크기의 불규칙한 기공이 복잡하게 형성된 구조의) 일반 다공성 세라믹 수포석을 버블러(400)로 이용하여 생성된 버블을 비교 평가하기 위한 도면이다. Figure 10 does not use the bubbler 400 manufactured according to an embodiment of the present invention, but uses a general porous ceramic blister stone (with a complex structure of irregular pores of several to tens of μm in size) as the bubbler 400. This is a drawing for comparing and evaluating the bubbles created.

도 10을 참조하면, (a) 일반 수포석에서 더 작은 기공의 크기로 인해 작은 방울을 기대할 수 있지만 (b) 실제로는 수포석 표면에 생성된 기포들이 서로 합쳐져 최종 생성되는 기포의 크기가 수 mm 크기 영역에서 생성됨을 실험으로 확인할 수 있고 (c) 유량이 증가하면 더 큰 기포를 만드는 것을 볼 수 있다. 따라서 불규칙한 크기와 기공의 간격을 모두 제어하여 이를 세라믹 소재로 구현하여야만, 기포의 크기를 선택적으로 생성할 수 있고, 고온의 액상 용융촉매의 기체-액체 계면에서의 반응전환율을 극대화할 수 있다. (b)-(c)에서 보여준 기포 생성 특성을 갖는 수포석을 버블러(400)로 사용하여 구성한 촉매반응장치(100)의 경우, 도 9의 실시예와 같은 크기의 반응기와 반응 조건 (상압, 1000℃)에서 같은 용융합금 (SnNi)을 사용하여 메탄을 반응시켰을때 약 25%의 전환율을 얻었는데 이는 기포 크기 제어가 제한적인데 (평균적으로 수 mm 이상의 크기를 갖는 기포를 주로 생성하는데) 그 원인이 있다. 또한, 복잡한 미로와 같은 기공의 구조를 메탄이 통과하면서 탄소가 기공 내부에 침착되어 10 - 20 시간 이내에 기공이 막히는 결과를 얻기도 하였다. 따라서 이 실험결과는 기공의 크기와 간격 구조를 제어하여 메탄가스를 용융합금촉매내에 기포의 크기를 제어하여 분사하는 기술이 높은 메탄 분해 전환율과 장시간 안정적 공정운전을 가능하게 하는데 핵심 요소임을 보여주는 실험 결과이다.Referring to FIG. 10, (a) small droplets can be expected due to the smaller pore size in ordinary blister stones, but (b) in reality, the bubbles created on the surface of blister stones merge with each other, and the final bubble size is several mm in size. It can be confirmed experimentally that it is created in (c), and it can be seen that larger bubbles are created as the flow rate increases. Therefore, only by controlling both the irregular size and pore spacing and implementing it as a ceramic material can the size of bubbles be selectively created and the reaction conversion rate at the gas-liquid interface of a high-temperature liquid melt catalyst can be maximized. In the case of the catalytic reaction device 100 constructed using the bubbler 400 having the bubble generation characteristics shown in (b)-(c), a reactor of the same size as the embodiment of FIG. 9 and reaction conditions (normal pressure, When methane was reacted using the same molten alloy (SnNi) at 1000℃, a conversion rate of about 25% was obtained, which is due to limited control of bubble size (on average, bubbles with a size of several mm or more are mainly generated). There is. In addition, as methane passes through the complex maze-like pore structure, carbon is deposited inside the pores, resulting in pores becoming clogged within 10 to 20 hours. Therefore, this experimental result shows that the technology of spraying methane gas by controlling the size of the bubbles within the molten alloy catalyst by controlling the pore size and gap structure is a key element in enabling a high methane decomposition conversion rate and stable process operation for a long time. am.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments, those skilled in the art can make various modifications and changes to the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following patent claims. You will understand that it is possible.

100 촉매반응장치
200 반응 챔버
300 용융합금촉매
400 버블러
410 세라믹 입자 배열체
420 세라믹 코팅층
430 기공
500 가스 주입부
510 기체 유입관
600 가스 배출부
700 원료가스 버블
100 Catalytic reaction device
200 reaction chamber
300 Molten alloy catalyst
400 bubbler
410 ceramic particle array
420 ceramic coating layer
430 Qigong
500 gas inlet
510 gas inlet pipe
600 gas outlet
700 raw material gas bubbles

Claims (12)

내부 공간을 구비하고 상기 내부 공간의 온도를 제어할 수 있도록 구성된 반응 챔버;
상기 반응 챔버 내부 공간에 배치된 용융합금촉매;
상기 반응 챔버 내부 공간에 배치되고, 상기 용융합금촉매의 하단부에 구비되어 상기 용융합금촉매 내에 원료가스를 버블 형태로 공급하는 버블러; 및
상기 버블러에 원료가스를 투입하는 가스 주입부와 상기 용융합금촉매와 원료가스가 반응하여 생성된 생성물을 회수하는 가스 배출부;를 포함하고,
상기 버블러는 단층의 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)로 배열된 구형의 세라믹 입자들을 구비하는 세라믹 입자 배열체 및 상기 세라믹 입자 배열체의 상부측 및 하부측 중 하나 이상에 형성된 세라믹 코팅층을 포함하고, 상기 세라믹 입자들 중 인접하게 배치된 3개의 사이에는 상기 세라믹 코팅층에 의해 기공이 형성된 것을 특징으로 하는,
촉매반응장치.
A reaction chamber having an internal space and configured to control the temperature of the internal space;
A molten alloy catalyst disposed in the inner space of the reaction chamber;
A bubbler disposed in the inner space of the reaction chamber and provided at a lower end of the molten alloy catalyst to supply raw material gas in the form of bubbles into the molten alloy catalyst; and
It includes a gas injection unit for injecting raw material gas into the bubbler and a gas discharge unit for recovering a product generated by the reaction of the molten alloy catalyst and the raw material gas,
The bubbler includes a ceramic particle array including spherical ceramic particles arranged in a single-layer, closest packing structure, and a ceramic coating layer formed on at least one of the upper and lower sides of the ceramic particle array. And, characterized in that pores are formed by the ceramic coating layer between three adjacently arranged ceramic particles.
Catalytic reaction device.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 입자 및 상기 세라믹 코팅층은 각각 SiO2, Al2O3 및 ZrO2 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상 물질로 형성된 것인,
촉매반응장치.
According to paragraph 1,
The ceramic particles and the ceramic coating layer are each formed of one or more materials selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 and ZrO 2 ,
Catalytic reaction device.
제1항에 있어서,
상기 세라믹 입자의 크기는 0.3 mm 내지 1.0 mm 인,
촉매반응장치.
According to paragraph 1,
The size of the ceramic particles is 0.3 mm to 1.0 mm,
Catalytic reaction device.
제1항에 있어서,
상기 기공의 지름은 30 μm 내지 200 μm 이고,
상기 기공의 간격은 1 mm 내지 10 mm 인,
촉매반응장치.
According to paragraph 1,
The diameter of the pore is 30 μm to 200 μm,
The spacing of the pores is 1 mm to 10 mm,
Catalytic reaction device.
제1항에 있어서,
상기 버블의 크기는 50 내지 500 μm인,
촉매반응장치.
According to paragraph 1,
The size of the bubble is 50 to 500 μm,
Catalytic reaction device.
제1항에 있어서,
상기 버블러는 다공성 지지체를 더 포함하고,
상기 다공성 지지체는 상기 세라믹 입자 배열체 및 세라믹 코팅층을 지지하도록 구비된 것을 특징으로 하는,
촉매반응장치.
According to paragraph 1,
The bubbler further includes a porous support,
The porous support is provided to support the ceramic particle array and the ceramic coating layer,
Catalytic reaction device.
제1항에 있어서,
상기 가스 주입부는 상기 반응 챔버의 하부에 배치되며, 상기 버블러에 주입되는 원료가스를 예열시킬 수 있는 예열부를 포함하고,
상기 원료가스는 상기 반응 챔버의 하부에서 예열되어 상기 버블러로 주입되는 것을 특징으로 하는,
촉매반응장치.
According to paragraph 1,
The gas injection unit is disposed at a lower portion of the reaction chamber and includes a preheating unit capable of preheating the raw material gas injected into the bubbler,
Characterized in that the raw material gas is preheated at the bottom of the reaction chamber and injected into the bubbler.
Catalytic reaction device.
제1항에 있어서,
상기 가스 주입부는 상기 반응 챔버의 상부에 배치되며, 상기 반응 챔버 내부를 관통도록 형성된 기체 유입관을 포함하고,
상기 원료가스는 상기 반응 챔버의 상부에서 기체 유입관을 통해 상기 버블러로 주입되는 것을 특징으로 하는,
촉매반응장치.
According to paragraph 1,
The gas injection unit is disposed at an upper part of the reaction chamber and includes a gas inlet pipe formed to penetrate the inside of the reaction chamber,
Characterized in that the raw material gas is injected into the bubbler through a gas inlet pipe at the top of the reaction chamber.
Catalytic reaction device.
구형의 세라믹 입자들을 이용하여 단층의 최조밀 쌓임 구조(closest packing structure)를 갖는 세라믹 입자 배열체를 형성하는 제1 단계 및 세라믹 페이스트를 이용하여 상기 세라믹 입자 배열체의 상부측 및 하부측 중 하나 이상에 세라믹 코팅층을 형성하는 제2 단계를 포함하고,
상기 제2 단계 동안, 상기 세라믹 입자들 중 인접하게 배치된 3개의 세라믹 볼들 사이에 상기 세라믹 코팅층에 의해 기공이 형성된 것을 특징으로 하는,
촉매반응장치용 버블러의 제조방법.
A first step of forming a ceramic particle array having a single-layer closest packing structure using spherical ceramic particles and at least one of the upper and lower sides of the ceramic particle array using ceramic paste. It includes a second step of forming a ceramic coating layer,
During the second step, pores are formed by the ceramic coating layer between three adjacent ceramic balls among the ceramic particles.
Method for manufacturing a bubbler for a catalytic reaction device.
제9항에 있어서,
상기 세라믹 입자 및 상기 세라믹 페이스트는 각각 SiO2, Al2O3 및 ZrO2 으로 이루어진 군으로부터 선택된 어느 하나 이상 물질로 형성된 것인,
촉매반응장치용 버블러의 제조방법.
According to clause 9,
The ceramic particles and the ceramic paste are each formed of one or more materials selected from the group consisting of SiO 2 , Al 2 O 3 and ZrO 2 ,
Method for manufacturing a bubbler for a catalytic reaction device.
제9항에 있어서,
상기 세라믹 입자의 크기는 0.3 mm 내지 1.0 mm 인,
촉매반응장치용 버블러의 제조방법.
According to clause 9,
The size of the ceramic particles is 0.3 mm to 1.0 mm,
Method for manufacturing a bubbler for a catalytic reaction device.
제9항에 있어서,
상기 제2 단계 동안, 형성된 기공의 지름은 30 μm 내지 200 μm 이고, 상기 기공의 간격은 1 mm 내지 10 mm 인,
촉매반응장치용 버블러의 제조방법.
According to clause 9,
During the second step, the diameter of the pores formed is 30 μm to 200 μm, and the spacing of the pores is 1 mm to 10 mm,
Method for manufacturing a bubbler for a catalytic reaction device.
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