KR20240060289A - 촉매반응장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 촉매반응장치는, 기준방향을 따라 연장된 파이프형의 반응몸체; 반응물질의 반응을 위해 상기 반응몸체의 내부에 채워지는 촉매부; 반응몸체의 외측에 감겨진 가열용 코일; 및 전기가 흐르는 상기 가열용 코일에 의해 유도가열되고, 상기 반응몸체의 내부에 상기 반응몸체의 내측면으로부터 이격되어 배치되는 가열부를 포함한다.

Description

촉매반응장치{CATALYST REACTOR}
본 발명은 촉매를 이용하는 촉매반응장치에 관한 것이다.
화학반응이 일어나기 위해서는 활성화에너지 이상의 에너지가 공급되어야 하고, 이러한 에너지는 열을 가하여 공급이 될 수 있다. 그 중 특히 흡열반응이 일어나기 위해서는 다량의 열이 제공되어야 한다. 그러나 다량의 열을 제공한다는 것은 곧 많은 에너지의 공급을 의미하는 것이므로, 촉매를 이용하여 활성화에너지를 낮춤으로써 반응에 필요한 에너지를 줄여 반응이 보다 용이하게 일어나도록 할 수 있다.
개질반응의 경우 반응물질을 분해함으로써 수소를 생산하는 흡열반응이다. 이러한 개질반응을 위해서 기체상의 반응물질을 반응기로 통과시킬 수 있는데, 반응물질이 반응기를 통과하는 동안 가열이 이루어질 수 있다.
반응기에서 반응물질을 가열하는 방법으로 반응기 외부에 배치된 가스/오일 버너를 이용하는 방법이 사용될 수 있다. 그러나 화석연료를 이용하여 열을 생산하는 것이므로 탄소배출 저감을 위해 주로 사용되는 개질반응의 본 목적을 저해한다는 문제가 있다.
이외에도 열선을 반응기 외부에 두어 열선으로부터 발생한 열을 반응기에 공급하는 퍼니스 방식이 사용될 수 있는데, 버너를 사용하는 경우와 같이 이러한 외부 가열 방식을 이용하는 경우, 반응기 내부에서의 온도구배가 불균형하게 이루어져, 반응기 내부에서의 위치에 따라 균질하지 않고 효율적이지 않은 반응이 이루어질 수 있다.
본 발명은 이와 같은 문제들을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 반응물질과 촉매를 균일하게 가열하여 반응을 효율적으로 일으킬 수 있는 촉매반응장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 촉매반응장치는, 기준방향을 따라 연장된 파이프형의 반응몸체; 반응물질의 반응을 위해 상기 반응몸체의 내부에 채워지는 촉매부; 반응몸체의 외측에 감겨진 가열용 코일; 및 전기가 흐르는 상기 가열용 코일에 의해 유도가열되고, 상기 반응몸체의 내부에 상기 반응몸체의 내측면으로부터 이격되어 배치되는 가열부를 포함한다.
이에 따라, 반응물질과 촉매를 균일하게 가열하여 반응을 효율적으로 일으킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치의 내부가 외부로 나타나도록 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치의 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매반응장치의 횡단면도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치(1)의 사시도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치(1)의 내부가 외부로 나타나도록 도시한 사시도이다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치(1)의 횡단면도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치(1)는, 반응몸체(10), 촉매부(20), 가열용 코일(30) 및 가열부(40)를 포함한다. 기준방향(D)은 반응몸체(10)를 반응물질이 통과하는 방향으로, 도 1, 2에서 하방으로 도시되었으나, 이는 촉매반응장치(1)가 배치되는 자세에 따라 상대적으로 결정될 수 있다.
촉매반응장치(1)는 촉매를 이용해 반응을 촉진하는 장치로, 반응물질의 개질에 사용될 수 있다. 특히, 촉매반응장치(1)는 암모니아를 수소로 개질하는 반응에 사용될 수 있다. 따라서 반응물질은 암모니아일 수 있다. 촉매반응장치(1)를 거쳐서 촉매반응장치(1)로부터 배출되는 생성물질은 수소일 수 있고, 질소일 수 있다. 또한 미처 반응을 일으키지 않은 암모니아가 촉매반응장치(1) 밖으로 더 배출될 수도 있다.
반응몸체(10)
반응몸체(10)는 기준방향(D)을 따라 연장된 파이프형의 구성요소이다. 반응몸체(10)는 단면이 원형의 프로파일을 가지는 파이프형으로 형성될 수 있다. 반응몸체(10)의 내부에는 원통형의 반응공간(100)이 형성될 수 있다. 기준방향(D)을 따라 반응몸체(10)가 개방된 형상을 가져, 반응몸체(10)의 외부로부터 반응공간(100)으로 기준방향(D)을 따라 유입구를 통해 반응물질이 진입하고, 반응공간(100)으로부터 기준방향(D)을 따라 반응물질이 배출구를 통해 반응몸체(10)의 외부로 배출될 수 있다.
반응몸체(10)는 전기가 통하지 않는 재질로 형성되어, 가열용 코일(30)에 의해서 유도가열 되지 않을 수 있다. 또한 반응몸체(10)는 단열재로 형성되어 반응기 외부로의 발열을 줄일 수 있다. 반응몸체(10)는 단열과 절연을 위해 세라믹을 포함하는 단열재로 형성될 수 있으나, 그 재질이 이에 제한되지는 않는다.
반응몸체(10)의 기준방향(D) 반대측 단부는 반응물질이 진입하는 유입구가 형성되는 유입구측 단부(11)로, 반응몸체(10)의 기준방향(D)측 단부는 반응물질이 배출되는 배출구가 형성되는 배출구측 단부(12)로 지칭한다.
촉매부(20)
촉매부(20)는 반응물질의 반응을 위해 반응몸체(10)의 내부의 반응공간(100)에 채워진다. 촉매부(20)는 반응공간(100)에 채워지되, 반응물질이 지나갈 수 있도록 공극을 가지며 채워진다. 따라서 촉매부(20)는 복수의 촉매 펠렛을 포함하여, 촉매 펠렛이 채워짐에 따라 촉매 펠렛들 사이의 공극으로 반응물질이 지나갈 수 있으나, 촉매부(20)를 구성하는 방식이 이에 제한되지는 않고, 다공성의 촉매 덩어리 또는 촉매 프레임에 촉매를 코팅한 촉매 모듈이 사용될 수도 있다.
촉매부(20)는 가열부(40)의 내부에도 채워질 수 있다. 따라서 촉매부(20)는 가열부(40) 내부에 채워지는 내측촉매부(22)와, 가열부(40)와 반응몸체(10) 사이의 공간에 채워지는 외측촉매부(21)를 포함할 수 있다. 가열부(40)가 발열함에 따라, 내측촉매부(22)와 외측촉매부(21)가 모두 가열될 수 있다.
촉매부(20)는 암모니아 개질반응을 촉진하는 루테늄(Ru), 니켈(Ni) 또는 그 조합 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
가열용 코일(30)
가열용 코일(30)은 반응몸체(10)의 외측에 감겨진다. 가열용 코일(30)을 따라 전류가 흘러, 가열부(40)에 와전류(eddy current)가 유도되어, 가열부(40)의 저항에 의해 줄열(Joule heating)에 의한 발열이 일어날 수 있다. 가열용 코일(30)은 전류가 흐를 수 있도록 금속 도선을 포함할 수 있고, 반응몸체(10)의 외측에 나선을 그리며 감길 수 있다. 가열용 코일(30)에 교류전원이 제공될 수 있다.
가열용 코일(30)은 반응몸체(10)의 유입구측 단부(11)에 감기는 부분인 유입구측 코일(31)과, 반응몸체(10)의 배출구측 단부(11)에 감기는 부분인 배출구측 코일(32)을 포함할 수 있다. 유입구측 코일(31)과 배출구측 코일(32)은 각각 반응몸체(10)의 기준방향(D) 반대측 절반과, 기준방향(D)측 절반에 걸쳐 감겨있을 수 있다.
유입구측 코일(31)이, 배출구측 코일(32)보다 밀집하게 감겨질 수 있다. 따라서 반응몸체(10)의 기준방향(D)측에서 보다 반응몸체(10)의 기준방향(D) 반대측에서 더 많은 발열이 일어나도록 할 수 있다. 반응몸체(10)의 유입구측 단부(11)에 형성된 유입구를 통해 기준방향(D)을 따라 반응물질이 반응몸체(10) 내부로 진입하므로, 반응의 초기 단계는 반응몸체(10)의 유입구측 단부(11)에서 이루어질 것이다. 반응의 초기 단계에서 많은 열이 필요하므로, 보다 많은 양의 열을 유입구측 단부(11)에서 제공할 수 있도록 하는 것이다. 그러나 그 변형예에서, 유입구측 코일(31)과 배출구측 코일(32)이 균일하고 동일한 밀도로 감겨질 수도 있다.
가열부(40)
가열부(40)는 전기가 흐르는 가열용 코일(30)에 의해 유도가열될 수 있는 구성요소이다. 가열부(40)는 반응몸체(10)의 내부의 반응공간(100)에 배치되되, 반응몸체(10)의 내측면으로부터 내측으로 이격되어 배치된다. 가열부(40)는 기준방향(D)을 따라 연장된 파이프형으로 형성될 수 있다. 가열부(40)는 단면이 원형의 프로파일을 가지는 파이프형으로 형성될 수 있다. 따라서 기준방향(D)을 따라 봤을 때 가열부(40)의 단면적은 반응몸체(10)의 단면적보다 작을 수 있고, 가열부(40)의 직경은 반응몸체(10)의 직경보다 작을 수 있다. 가열부(40)는 기준방향(D)을 따라 봤을 때 반응몸체(10)와 동심원을 이루도록 배치될 수 있다.
가열부(40)의 내부에는 원통형의 가열공간(400)이 형성될 수 있다. 기준방향(D)을 따라 가열부(40)가 개방된 형상을 가져, 가열부(40)의 외부로부터 가열공간(400)으로 기준방향(D)을 따라 반응물질이 진입하고, 가열공간(400)으로부터 기준방향(D)을 따라 반응물질이 가열몸체의 외부로 배출될 수 있다.
가열부(40)는 가열용 코일(30)에 의해 유도가열이 일어날 수 있도록, 인코넬, 스테인리스 스틸 또는 그 조합 중 적어도 하나의 소재를 포함하는 재질로 형성될 수 있다.
상술한 것과 같은 유입구측 코일(31)과 배출구측 코일(32)의 밀도차로 인해, 가열부(40)의 기준방향(D)측 말단에서 보다 가열부(40)의 기준방향(D) 반대측 말단에서 더 많은 열이 발생할 수 있다.
가열부(40)가 발열하여 가열부(40) 주변의 촉매부(20)를 가열할 수 있다. 가열부(40)가 발열하여 내측촉매부(22) 및 외측촉매부(21)를 가열할 수 있다. 내측촉매부(22)와 외측촉매부(21)를 가열부(40)가 반응몸체(10)의 내측에서 가열하도록 가열부(40)를 배치하여, 외부가열 방식을 이용하는 경우보다 열전달 경로가 짧아져 고르게 온도구배가 촉매부(20) 내에서 형성되도록 할 수 있다. 따라서 균일한 가열에 의해 반응물질에 대한 효율적인 촉매반응을 촉진할 수 있다. 또한 유도가열 방식을 이용함에 따라 원하는 온도까지 도달하는데 있어 짧은 시간이 필요하다. 또한 반응몸체(10) 내부에서 발열이 이루어지므로, 반응몸체(10) 외부로 발열되는 열량이 줄어듦에 따라 촉매반응장치(1)를 용이하게 다룰 수 있다.
다른 실시예
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매반응장치(1b)의 횡단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매반응장치(1b)는 반응몸체(10b), 촉매부(20b), 가열용 코일(30b) 및 가열부(40b)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 촉매반응장치(1b)는 가열부(40b)가 복수로 구성된다는 것 외에는 본 발명의 일 실시예에 따른 촉매반응장치(1b)와 동일하므로, 차이가 있는 부분에 대해서만 더 설명하고, 그 외의 부분에 대해서는 본 발명의 일 실시예에 대한 설명이 적용된다.
가열부(40b)는 복수로 구성된다. 촉매반응장치(1b)의 스케일이 커질 경우, 일 실시예와 같이 장치를 구성해도 자칫 온도구배가 커질 수 있으나, 복수로 가열부(40b)를 구성함에 따라 보다 균일하게 촉매부(20b)를 가열하여 온도구배를 줄일 수 있다. 복수의 가열부(40b) 내에 복수의 내측촉매부(22b)가 형성되고, 그 외측으로 외측촉매부(21b)가 형성된다.
복수의 가열부(40b)는 서로 이격될 수 있다. 복수의 가열부(40b) 중 임의의 하나는 인접한 다른 가열부와 서로 동일한 간격을 가지도록 이격될 수 있다. 복수의 가열부(40b)는 가상의 격자 상에 하나씩 배치될 수 있다. 도시된 것과 같이 복수의 가열부(40b)가 6각형의 각 꼭지점과 그 중심에 위치하도록 배치될 수 있으나, 그 배치가 이에 제한되는 것은 아니다. 복수의 가열부(40b) 중, 기준방향(D)을 따라 바라봤을 때 반응몸체(10b)의 중심에 위치하지 않는 일부 가열부들을 연결한 프로파일이 반응몸체(10b)와 동심원을 형성하도록, 복수의 가열부(10b)가 배치될 수 있다. 복수의 가열부(10b) 중 반응몸체(10b)의 중심에 위치한 가열부는 반응몸체(10b)와 동심원을 형성할 수 있다. 가열부(40b)가 서로 이격되어, 보다 고르게 촉매부(20b)를 가열해 온도구배를 낮출 수 있다.
이상에서, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1, 1b : 촉매반응장치
10, 10b : 반응몸체
11 : 유입구측 단부
12 : 배출구측 단부
20, 20b : 촉매부
21, 21b : 외측촉매부
22, 22b : 내측촉매부
30, 30b : 가열용 코일
31 : 유입구측 코일
32 : 배출구측 코일
40, 40b : 가열부
100 : 반응공간
400 : 가열공간
D : 기준방향

Claims (12)

  1. 기준방향을 따라 연장된 파이프형의 반응몸체;
    반응물질의 반응을 위해 상기 반응몸체의 내부에 채워지는 촉매부;
    반응몸체의 외측에 감겨진 가열용 코일; 및
    전기가 흐르는 상기 가열용 코일에 의해 유도가열되고, 상기 반응몸체의 내부에 상기 반응몸체의 내측면으로부터 이격되어 배치되는 가열부를 포함하는, 촉매반응장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응물질이 기준방향을 따라 상기 반응몸체를 통과할 때,
    상기 가열용 코일은, 상기 반응몸체의 배출구측 단부 보다 유입구측 단부에서 보다 밀집하게 감겨져 있는, 촉매반응장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는 기준방향을 따라 연장된 파이프형으로 형성되는, 촉매반응장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 촉매부는 상기 가열부의 내부에도 채워지는, 촉매반응장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는, 기준방향을 따라 봤을 때 상기 반응몸체와 동심원을 이루도록 배치되는, 촉매반응장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는 복수로 구성되는, 촉매반응장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 가열부는 서로 이격되는, 촉매반응장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 가열부 중, 기준방향을 따라 바라봤을 때 상기 반응몸체의 중심에 위치하지 않는 일부 가열부들을 연결한 프로파일이, 상기 반응몸체와 동심원을 형성하도록, 상기 복수의 가열부가 배치되는, 촉매반응장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 촉매부는, 복수의 촉매 펠렛을 포함하는, 촉매반응장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 가열부는, 인코넬, 스테인리스 스틸 또는 그 조합 중 적어도 하나의 소재를 포함하는 재질로 형성되는, 촉매반응장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 촉매부는, 루테늄, 니켈 또는 그 조합 중 적어도 하나의 원소를 포함하는 재질로 형성되는, 촉매반응장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 반응몸체는, 단열재로 형성되는, 촉매반응장치.
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