WO2012144796A4 - 합성가스로부터 탄화수소를 제조하기 위한 반응장치 - Google Patents

합성가스로부터 탄화수소를 제조하기 위한 반응장치 Download PDF

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곽근재
정재훈
천주영
전기원
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    • F28F2280/02—Removable elements

Definitions

  • the present invention relates to a reactor system for producing hydrocarbons from syngas, and more particularly, to a reactor system for synthesizing hydrocarbons and oxygenates on a Fischer-Tropsch catalyst using syngas. To a reaction apparatus in which the catalyst can be easily replaced.
  • CO, H 2 , - [CH 2 ] - n , and H 2 O are carbon monoxide, hydrogen, hydrocarbons having a chain length of n (carbon number n), and water.
  • the selectivity of methane is increased and the selectivity of C 5+ (hydrocarbon having 5 or more carbon atoms) is relatively reduced, which is not suitable.
  • Olefins, oxygenates (molecules containing oxygen atoms such as alcohols, aldehydes, ketones, etc.) as well as hydrocarbons in the form of paraffins having the above-described linear chains are also produced as by-products.
  • One of the main objectives of the XTL process is to obtain liquid fuel, so it is important to optimize the ratio of cobalt-based catalyst, synthesis gas, temperature, pressure, etc. to produce linear hydrocarbons, especially C5 + Trend.
  • iron-based catalysts are mainly used at an early stage. They are cheaper than cobalt, have low methane selectivity at high temperatures, have high olefin selectivity in hydrocarbons, and are used to produce olefinic products in addition to liquid fuels.
  • Cobalt catalysts are mainly used to produce liquid fuels, produce less carbon dioxide, and have a longer lifetime. However, it is very expensive compared to iron, and the methane selectivity at high temperature is high, so it must be reacted at a relatively low temperature, and since it is expensive, a small amount should be dispersed on the surface of the support. Alumina, silica, titania and the like are used as supports, and the performance is improved by using precious metals such as Ru, Pt, and Re as a cocatalyst.
  • the types of reactor considered to date include tubular fixed bed reactors, fluidized bed reactors, slurry phase reactors, micro-channel reactors equipped with heat exchangers, And multi-channel reactors.
  • a circulating fluidized bed reactor and a fixed fluidized bed reactor are representative.
  • the reaction characteristics and the distribution of the products vary depending on the reactor type, and accordingly, it should be appropriately selected according to the target end product.
  • SASOL fluidized bed reactor
  • Shell multitubular fixed bed reactor
  • FPSO floating production, storage and offloading
  • the catalytic reaction part and the heat exchange part are alternately stacked, and at least one part of the microchannel is composed of microchannels.
  • the catalytic reacting part may be constituted by a slab type fixed bed while the heat exchanging part is constituted by a microchannel, or the reaction part may be constituted by a microchannel.
  • a catalyst may be inserted into the channel and charged or may be attached to the inner wall of the reactor by a coating method or the like.
  • These FT reactors are mainly suitable for producing diesel, lube oil, wax and the like, and the low-temperature F-T process is mainly operated.
  • hydrocarbons having a boiling point higher than that of the diesel are produced in an amount of more than 60%. Therefore, a diesel is further produced through a subsequent process such as hydrocracking, and after a dewaxing process, Switch to use.
  • the multitubular fixed-bed reactor and the slurry-phase reactor which are representative of the low-temperature F-T reaction, have various advantages, but they have a higher volume burden than the micro or multi-channel reactors.
  • the multi-tubular fixed bed reactor is advantageous in that it does not have a burden of scale-up and has a small mechanical loss of the catalyst.
  • the reactor since it is the reactor having the largest volume relative to the production volume, the volume occupied in the process is very large and the equipment cost and construction cost are large. And the heat and mass transfer efficiency is relatively low in the catalyst layer, which makes it difficult to control the reaction.
  • the slurry-phase reactor is inexpensive in equipment cost and construction cost, and has good heat and mass transfer efficiency. However, it is difficult to design because it can be scaled up by interpreting the dynamics in a complex reactor, and there is mechanical loss of the catalyst due to friction or collision.
  • a multi-channel reactor (hereinafter referred to as a microchannel reactor) is a reactor having a maximized heat transfer efficiency to allow reaction at a high space velocity.
  • the reactor is relatively small in volume (1/5 to 1/2 of the conventional reaction process)
  • the apparatus cost and the construction cost are reduced and the production amount can be increased by the concept of number-up, so that the scale-up is easy and the mechanical loss due to the friction or collision of the catalyst is insignificant.
  • the present invention provides a reaction apparatus structured in a prefabricated manner in order to solve the problem of catalyst replacement, which is a disadvantage of a wall-coated multi-channel reactor in the reactor wall.
  • the present invention provides a reaction apparatus for producing hydrocarbon from syngas, comprising: a heat exchanger for injecting a heat transfer medium, exchanging heat through a plurality of heat exchange plates, A dispersing device for distributing the injected heat transfer medium to each of the heat exchange plates; A cell in which one side is opened to insert heat exchange plates of the heat exchange unit into an internal reaction space, a reaction channel partitioned by the inserted heat exchange plates is formed, a reactant is injected into the reaction channel, and a reaction mixture is discharged; A fixing groove for fixing the inserted heat exchange plate on the opposite side of the reaction space into which the heat exchange plates are inserted; And a flange for fastening the heat exchange unit to the cell, and a catalyst material is attached to the heat exchange plate of the heat exchange unit before assembling the heat exchange unit and the cell.
  • the heat exchanger is a plate-like type in which a heat transfer passage is formed, and a plurality of fins may be provided at regular intervals to increase the heat transfer area of each heat exchange plate, or a corrugated plate may be manufactured.
  • the surface of the heat exchange plate is preferably subjected to an oxide film treatment so as to facilitate attachment of the catalyst material.
  • An inert material may be filled in the upper and lower spaces of the reaction channel to distribute the injected reactant and the reaction mixture, or a dispersing plate may be installed to distribute the reaction mixture and the reaction mixture injected into the upper and lower portions of the reaction channel, An inert material is filled in the upper and lower spaces of the channel, and a dispersion plate can be installed at the upper and lower portions of the reaction channel.
  • the catalytic material is adhered to the reaction channel at both ends of the reaction channel only on the side facing the heat exchange plate, and the width of the reaction channel may be less than 1/2 of the width of the reaction channel on which the catalytic material is attached.
  • the reactors of the present invention can be connected in series or in parallel to form a module.
  • an apparatus capable of inserting a heat exchange unit comprising a plurality of plate-shaped or corrugated plate-shaped heat exchange plates into a detachable form and inserting the heat exchange unit into a reaction unit,
  • the heat transfer efficiency is maximized, and the heat exchanger is detached at the end of the catalyst life, so that the catalyst can be easily removed or reattached.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view illustrating a prefabricated multi-channel reactor according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a partial detail view showing a fixing groove portion engaged with an end portion of the heat exchange plate.
  • the reaction apparatus of the present invention for producing hydrocarbons from syngas comprises a heat exchange unit 10 in which a heat transfer medium is injected and heat-exchanged through a plurality of heat exchange plates 1 and then flows out; A dispersing device (5) for distributing the injected heat transfer medium to each of the heat exchange plates (1); And the reaction channels 8 (see FIG. 2) partitioned by the inserted heat exchange plates 1 are constituted by the heat exchange plates 1 of the heat exchange unit 10 inserted into the reaction space inside, A cell 20 into which a reactant is injected into the reaction channel 8 and into which a reaction mixture is discharged; A fixing groove 21 (see FIG.
  • the heat exchange unit 1 of the heat exchange unit 10 is assembled before the heat exchange unit 10 and the cell 20 are assembled, The catalytic material is adhered thereto.
  • the heat exchange plate 1 of the heat exchange unit 10 to which the catalyst is to be attached is inserted in the reaction space of the cell 20 in the direction of the arrow and then the flange 40 of the heat exchange unit 10 and the cell 20 are fastened to each other to constitute a reaction device.
  • the heat exchange plate 1 of the heat exchange unit 10 is a heat exchange surface where substantial heat exchange takes place and a plurality of fins 2 are provided at equal intervals in the heat exchange plate 1 in order to increase the heat transfer area.
  • a heat transfer path is formed in a suitable shape so that heat transfer medium can be uniformly transferred to the heat transfer medium.
  • the heat transfer medium includes, for example, cooling water, steam, solid molten salt, silicon or fluorine-containing oil, and a mixture of biphenyl and biphenyl ether.
  • the solid molten salt include a mixture of sodium nitrate and sodium nitrite in an appropriate ratio, but a variety of solid molten salts suitable for a desired temperature range can be selected and used.
  • the above examples are a part of a typical heat transfer medium, and the present invention is not limited to the above examples.
  • the heat exchanging part 10 is provided at one side of the flange 40 with an inlet 3 for a heat transfer medium into which the heat transfer medium is injected and an outlet 4 through which the heat transfer medium flows.
  • the other end of the flange 40 is provided with a dispersing device 5 in which the heat transfer medium flowing from the injection port 3 is dispersed and a distributor is installed in the inner space of the dispersing device 5, And serves to evenly distribute the heat transfer fluid to the heat exchange surfaces inside the heat exchange plate (1).
  • the distribution device 5 also serves to prevent the reaction gas from leaking when fastened to the cell 20, and a gasket may be installed around the front or rear of the distribution device 5 if necessary.
  • the heat exchanging part 10 is filled with a heat transfer fluid from the first heat transfer plate 1 and is discharged through the outlet 4 after heat exchange in the first heat transfer plate 1.
  • the catalyst material for the reaction is attached to each surface of the heat exchange plate 1 by a method such as a wash coat.
  • the cell 20 includes an upper space 7 and a lower space 9 in the form of a tetrahedron cone formed in an opposite direction to the reaction channels 8 and upper and lower portions of the reaction channel 8, (7) is provided with an inlet (6) for injecting a reactant into a vertex of the cone, and an outlet (11) through which the reaction mixture exits from the vertex of the cone is formed in the lower space (9).
  • the upper space 7 and the lower space 9 can be filled with a particle layer of inert material for dispersion of the reaction mixture.
  • inert material for example, alumina, Raschig ring, glass bead and the like can be filled.
  • the dispersing plates 12 and 13 may be additionally provided, and if necessary, both of the inert material and the dispersion plates 12, 13 may be used.
  • the dispersion plates 12 and 13 may be made of, for example, a metal foam, a plate-like filter (metal or ceramic), or the like.
  • the reaction channel 8 is a reaction space partitioned by the heat transfer plates 1, and catalyst materials are attached to both sides of the reaction channel 8 on both sides except for both ends thereof.
  • the reaction channels 8 at both ends are attached to the catalytic material only on the side facing the heat exchange plate 1.
  • the widths of the reaction channels 8 at both the left and right ends are designed to be equal to or less than half the width of the other reaction channels in the middle.
  • the reaction between the heat exchange plates 1 and the reaction channel 8 is not completely blocked, and channeling of the unreacted mixture may occur between the open spaces.
  • the opposite side of the reaction space of the cell 20 into which the heat exchange plates 1 are inserted that is, the opposite side of the reaction channel 8 on the side to insert the heat exchange plate 1
  • the fixing groove 21 into which the tip of the heat exchange plate 1 is inserted and fixed can be elongated to prevent channeling.
  • the heat exchange plate 1 is not limited to a plate type in which a plurality of fins 2 are provided as shown in Fig. Any shape that can increase the heat transfer area, such as a corrugated plate, may be used.
  • FIG. 1 one cell unit of the entire reaction system is shown, and the reaction unit of the present invention may be configured as one module by connecting the cells in series or in parallel.
  • the module thus configured is relatively easy to scale-up with the concept of number-up.
  • the reactivity is very high compared to the reactor volume, so that a high-performance, compact reactor configuration is possible. Therefore, it is suitable for a small to medium-sized gas field having a limited amount of gas, and can sufficiently exhibit its functions even in specialized applications such as FPSO.
  • a catalyst material is adhered to a heat transfer surface and reacted rather than filling the catalyst particles to maximize heat transfer efficiency.
  • the path has a large heat transfer resistance in the order of catalytic phase (reaction heat generation) ⁇ gas phase ⁇ heat transfer surface ⁇ heat transfer medium, in particular, thermal efficiency is low due to low thermal conductivity in the vapor phase.
  • the heat transfer path is simplified to a catalyst phase (reaction heat generation) ⁇ heat transfer surface ⁇ heat transfer medium, .

Abstract

반응 장치는 열교환부와 반응부가 조립식으로 구조화된다. 열교환부는 판상형 혹은 주름(corrugated) 판상형 열교환기가 복수개로 구성되며 탈부착이 가능한 형태로 만들어 반응부 내에 삽입할 수 있다. 따라서, 열교환기의 열전달 면에 촉매를 워시 코트(wash coat) 등의 방법으로 부착하여 사용하면, 열전달 효율이 극대화될 뿐만 아니라, 촉매 수명 종료 시 열교환부를 탈착하여, 촉매를 용이하게 제거하거나 다시 부착시킬 수 있는 효과를 가진다.

Description

합성가스로부터 탄화수소를 제조하기 위한 반응장치
본 발명은 합성가스로부터 탄화수소를 제조하기 위한 반응장치(reactor system)에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 합성가스를 이용하여 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 촉매상에서 탄화수소와 옥시게네이트(oxygenate) 등을 제조하되, 촉매의 교체가 용이한 반응장치에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 1923년 독일의 화학자인 피셔(Fischer)와 트롭시(Tropsch)에 의하여 개발된 F-T 합성법으로 인하여, 석탄, 천연가스, 바이오매스 등으로부터 합성가스를 거쳐 액체 탄화수소를 제조하는 것이 가능해졌다. 석탄으로부터 탄화수소를 제조하는 공정을 CTL(Coal-to-liquids, 석탄 액화기술) 공정, 천연가스로부터 탄화수소를 제조하는 공정을 GTL(Gas-to-liquids, 천연가스 액화기술) 공정, 바이오매스로부터 탄화수소를 제조하는 공정을 BTL(Biomass-to-liquids, 바이오매스 액화기술) 공정이라고 하며, 최근에는 유사한 공정을 통칭하여 XTL 공정이라고도 부른다.
이러한 공정들은 우선 각각의 원료물질(석탄, 천연가스, 바이오매스 등)을 가스화, 개질(reforming) 등의 방법을 이용하여 합성가스로 전환시킨다. 액체 연료를 제조하기 위해 XTL 공정에 적합한 합성가스 조성은 아래 식과 같이 수소와 일산화탄소의 비가 대략 2 정도인 것이 좋다.
CO + 2H2 + -[CH2]-n → -[CH2]-n+1 + H2O
CO, H2, -[CH2]-n, H2O 는 각각 일산화탄소, 수소, 사슬길이 n 인 탄화수소 (탄소수 n), 그리고 물이다. 하지만, 수소의 비율이 높으면 메탄의 선택도가 높아져 C5+ (탄소수 5 이상의 탄화수소) 선택도가 상대적으로 줄어들기 때문에 적합하지 않다. 상기 형태의 선형 사슬을 갖는 파라핀 형태의 탄화수소뿐만 아니라, 올레핀, 옥시게네이트(oxygenate, 알코올, 알데히드, 케톤 등 산소원자 포함 분자) 등도 부산물로서 생성된다.
XTL 공정의 주 목적 중 하나는 액체 연료를 얻고자 하는 것이므로, 코발트 계열의 촉매, 합성가스의 비율, 온도, 압력 등을 최적화하여 선형탄화수소, 특히 C5+의 선형탄화수소를 높은 선택도로 제조하는 것이 최근의 추세이다.
코발트 계열의 촉매 이외에 가장 많이 쓰이는 촉매로는 철 계열의 촉매가 있다. 철 계열의 촉매는 초기에 주로 사용되었으며, 코발트 계열에 비하여 저렴하고, 고온에서 메탄 선택도가 낮고, 탄화수소 중 올레핀 선택도가 높고, 액체 연료 이외에 올레핀 계열의 제품을 생성하는데 사용된다.
이에 비해 코발트 촉매는 액체 연료를 주로 생성하는데 사용하며, 이산화탄소를 적게 생성시키고, 수명이 길다. 하지만, 철에 비해 매우 고가이고, 고온에서 메탄 선택도가 높아져 상대적으로 저온에서 반응시켜야 하며, 고가이므로 소량을 지지체 표면에 잘 분산시켜서 사용해야 한다. 지지체로는 알루미나, 실리카, 티타니아 등이 사용되며 조촉매로 Ru, Pt, Re 등의 귀금속을 사용하여 성능을 향상시킨다.
현재까지 고려되고 있는 반응기의 형태는 다관식 고정층 반응기(tubular fixed bed reactor), 유동층 반응기(fluidized bed reactor), 슬러리상 반응기(slurry phase reactor), 열교환기가 갖춰진 마이크로 채널 반응기(micro-channel reactor) 혹은 다중 채널 반응기(multi-channel reactor) 등으로 나뉘며, 유동층 반응기에는 순환 유동층 반응기(circulating fluidized bed reactor)와 고정 유동층 반응기(Fixed fluidized bed reactor)가 대표적이다. 반응기 형태에 따라 반응 특성과 생성물의 분포가 달라지므로 목표로 하는 최종생성물에 따라 적절히 선택해야 한다.
기존의 10,000 BPD 이상의 상용화된 공정에서는 주로 유동층 반응기(SASOL사)와 다관식 고정층 반응기(Shell사)가 사용되어 왔다.
하지만, 이러한 반응기 형태는 비교적 규모가 큰 가스전에 적당한 형태라서 규모가 훨씬 작은 가스전이나 플레어 가스(flare gas)를 사용해야 하는 공정을 위해서라면 좀 더 콤팩트하면서 효율이 높은 반응기가 필요하다.
그리고 최근에는 자원을 찾아 다니며 생산이 가능하고, 수요가 있는 곳에 하역이 가능하도록 설계된 FPSO(floating production, storage and offloading) 공정에 대한 관심이 매우 높아지면서 규모는 작으면서 고효율의 공정에 대한 연구가 전 세계적으로 진행되고 있다. 이러한 GTL(gas-to-liquids) FPSO는 공간이 제한된 선상에 GTL 공장을 짓는 것이라서 생산량 대비 반응기의 부피가 작을수록 유리하므로 상기 언급된 반응기 중에 마이크로 채널 반응기 혹은 다중 채널 반응기 형태가 가장 유망한 반응기 형태로 고려되고 있다.
마이크로 채널 반응기는 촉매 반응부와 열교환부가 교대로 적층된 구조로 제작되며 이 중 적어도 하나의 부분이 마이크로 채널로 구성되어 있다. 열교환부를 마이크로 채널로 구성하면서 촉매 반응부를 슬랩형태(slab type)의 고정층으로 구성할 수도 있고, 반응부도 마이크로 채널로 구성하는 경우도 있다. 마이크로 채널로 구성된 반응부에서는 채널 내부에 촉매를 삽입하여 충전하거나 반응기 내벽에 코팅 등의 방법으로 부착할 수도 있다.
이러한 FT 반응기는 주로 디젤, 윤활기유, 왁스 등을 생산하는데 적합하며 저온 F-T 공정이 주로 운전되고 있다.
저온 F-T 공정에서는 60% 이상이 디젤보다 고비점인 탄화수소가 생성되므로 수소화 분해(hydrocracking) 등의 후속 공정을 거쳐 디젤을 추가로 제조하고, 디왁싱(dewaxing) 공정을 거쳐서 왁스 성분은 고품질의 윤활기유로 전환하여 사용한다.
저온 F-T 반응에 대표적인 다관식 고정층 반응기와 슬러리상 반응기는 여러 가지 장점이 있지만, 마이크로 혹은 다중 채널 반응기에 비하여 부피에 대한 부담이 크다.
다관식 고정층 반응기는 스케일업(scale-up)에 대한 부담이 적고, 촉매의 기계적 손실이 적은 장점이 있지만, 생산량 대비 부피가 제일 큰 반응기이므로 공정에서 차지하는 부피가 매우 크고 장치비 및 건설비가 많이 든다. 그리고 촉매층 내부에 열 및 물질전달 효율이 상대적으로 낮아 반응을 제어하는데 어려움이 크다.
슬러리상 반응기는 장치비 및 건설비가 저렴하고 열 및 물질전달 효율이 좋긴 하지만, 복잡한 반응기 내부의 동력학을 해석해야만 스케일업할 수 있으므로 설계에 어려움이 있고, 마찰이나 충돌에 의한 촉매의 기계적 손실이 있다.
다중 채널 반응기(이하 마이크로 채널 반응기를 포함하여 지칭함)는 고공간 속도에서의 반응이 가능하도록 열전달 효율이 극대화된 반응기로서 생산량 대비 부피가 적어(기존 반응공정의 1/5~1/2 수준) 상대적으로 장치비 및 건설비가 적게 들고, 넘버-업(number-up)에 의한 개념으로 생산량을 늘일 수 있으므로 스케일업이 용이하고, 촉매의 마찰이나 충돌에 의한 기계적 손실이 미미하다. 또한 장치의 이동시 발생할 수 있는 반응거동의 변화나 촉매의 흔들림에 의한 손실도 미미하다.
하지만, 벽 반응기(wall reactor)처럼 반응기 벽에 워시 코트(wash coat)한 경우 촉매의 비활성화로 인해 수명이 다했을 때 촉매 교체가 아주 어렵거나 거의 불가능한 단점이 있다. 촉매 입자를 충전하는 타입에서는 촉매 교체는 비교적 용이하나 열전달 효율이 반응기 벽에 워시 코트(wall coat)한 반응기에 비해 떨어지는 단점이 있다.
본 발명은 이와 같이 반응기 벽에 워시 코트한(wall-coated) 다중 채널 반응기의 단점인 촉매 교체의 문제를 해결하고자 열전달부와 반응부가 조립식으로 구조화된 반응장치를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명은 합성가스로부터 탄화수소를 제조하기 위한 반응장치로서, 열전달 매체가 주입되어 다수의 열교환판을 거쳐 열교환된 후 유출되는 열교환부; 상기 주입된 열전달 매체를 상기 열교환판의 각각으로 배분하는 분산장치; 일측이 개방되어 내부의 반응 공간으로 상기 열교환부의 열교환판들이 삽입되며, 상기 삽입된 열교환판들에 의해 구획된 반응채널이 구성되며, 상기 반응채널로 반응물이 주입되고, 반응 혼합물이 배출되는 셀; 상기 열교환판들이 삽입되는 상기 반응공간의 맞은 편에 상기 삽입된 열교환판을 고정하는 고정홈; 및 상기 열교환부와 상기 셀을 체결하는 플랜지를 포함하며, 상기 열교환부와 셀의 조립 이전에 상기 열교환부의 열교환판에 촉매물질이 부착된다.
열교환기는 내부에 열전달 유로를 형성하는 판상형으로, 각각의 열교환판의 열전달 면적을 증가시키고자 등간격으로 복수의 핀이 설치되거나, 또는 주름 판상형(corrugated plate) 형태로 제작될 수 있다.
열교환판의 표면은 촉매물질의 부착이 용이하도록 산화막 처리하는 것이 바람직하다.
반응채널의 상부와 하부의 공간에는 주입된 반응물과 반응 혼합물의 분배를 위해 불활성 물질이 채워지거나, 반응채널의 상부와 하부에 주입된 반응물과 반응 혼합물의 분배를 위해 분산판이 설치될 수 있고, 반응채널의 상부와 하부의 공간에 불활성 물질이 채워지고, 반응채널의 상부와 하부에 분산판이 설치될 수 있다.
반응채널 중 양쪽 끝의 반응채널은 열교환판과 면하는 쪽에만 촉매물질이 부착되며, 이때의 폭은 상기 촉매물질이 양쪽에 부착된 반응채널의 폭보다 1/2 이하 일 수 있다.
본 발명의 반응장치를 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈로 구성할 수 있다.
본 발명에 의하면, 판상형 혹은 주름(corrugated) 판상형 열교환판이 복수개로 구성된 열교환부를 탈부착이 가능한 형태로 만들어 반응부내에 삽입할 수 있는 장치를 제공하며, 또한 열교환기의 열교환판의 열전달면에 촉매를 워시 코트(wash coat) 등의 방법으로 부착하여 사용함에 따라, 열전달 효율이 극대화될 뿐만 아니라, 촉매 수명 종료 시 열교환부를 탈착하여, 촉매를 용이하게 제거하거나 다시 부착시킬 수 있는 효과를 가진다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 조립식 다중 채널 반응 장치를 나타내는 분해 사시도이다.
도 2는 조립된 다중 채널 반응 장치를 선 II-II를 따라서 절취한 단면도이다.
도 3은 열교환판의 끝부분과 결착되는 고정홈 부분을 나타내는 일부 상세도이다.
이하 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 더욱 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 조립식 다중 채널 반응 장치의 사시도를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이 합성가스로부터 탄화수소를 제조하기 위한 본 발명의 반응장치는 열전달 매체가 주입되어 다수의 열교환판(1)을 거쳐 열교환된 후 유출되는 열교환부(10); 상기 주입된 열전달 매체를 상기 열교환판(1)의 각각으로 배분하는 분산장치(5); 일측이 개방되어 내부의 반응 공간으로 상기 열교환부(10)의 열교환판(1)들이 삽입되며, 상기 삽입된 열교환판(1)들에 의해 구획된 반응채널(8)(도 2 참조)이 구성되며, 상기 반응채널(8)로 반응물이 주입되고, 반응 혼합물이 배출되는 셀(20); 상기 열교환판(1)들이 삽입되는 상기 반응공간의 맞은 편에 상기 삽입된 열교환판(1)을 고정하는 고정홈(21)(도 3 참조); 및 상기 열교환부(10)와 상기 셀(20)을 체결하는 플랜지(40)를 포함하며, 상기 열교환부(10)와 셀(20)의 조립 이전에 열교환부(10)의 열교환판(1)에 촉매물질이 부착된다.
이와 같이 본 발명은 촉매가 부착될 열교환부(10)의 열교환판(1)이 셀(20)의 반응공간에 화살표의 방향으로 삽입된 후, 열교환부(10)의 플랜지(40)와 셀(20)의 플랜지(40)가 서로 체결됨에 따라 반응장치를 구성하게 된다.
열교환부(10)의 열교환판(1)은 실질적인 열교환이 일어나는 열교환면이며, 이 열교환판(1)에는 열전달 면적을 증가시키기 위해 복수의 핀(fin)(2)이 등간격으로 설치된다. 열교환판(1)의 내부에는 열전달 매체가 골고루 흐르면서 열전달 시킬 수 있도록 열전달 유로를 적당한 형태로 구성한다. 열전달 매체는 예를 들면 냉각수, 스팀, 고체 용융염, 규소 혹은 불소가 함유된 오일, 비페닐과 비페닐 에테르의 혼합물 등이 있다. 상기 고체 용융염의 예로는 나트륨 나이트레이트와 나트륨 나이트라이트를 적정비율로 혼합한 것이 대표적이지만, 원하는 온도범위에 맞는 다양한 고체 용융염을 선택하여 사용할 수 있다. 상기의 예들은 대표적인 열전달 매체의 일부분이며, 본 발명은 상기 예들에 한정되지 않는다.
열교환부(10)에는 플랜지(40)의 일측에 열전달 매체가 주입되는 열전달 매체의 주입구(3)와 열전달 매체가 유출되는 유출구(4)가 각각 설치된다. 플랜지(40)의 타측에는 주입구(3)로부터 유입된 열전달 매체가 분산되는 분산장치(5)가 구성되며, 분산 장치(5)의 내부 공간에는 분배기가 설치되어 있거나 고체 입자 등이 채워져서 각각의 열교환판(1)의 내부의 열교환면들에 열전달 유체를 골고루 배분하는 역할을 한다. 또한, 분배장치(5)는 셀(20)과의 체결시 반응 가스가 새지 않도록 하는 역할도 하며, 필요하다면 분배장치(5)의 주위 혹은 앞부분에 가스켓을 설치하여 사용할 수 있다.
열교환부(10)는 제일 앞의 열전달판(1)부터 열전달 유체가 채워져서, 제일 마지막 열전달판(1)에서 열교환을 한 후 유출구(4)를 통해 배출된다.
반응을 위한 촉매 물질은 열교환판(1)의 각각의 표면에 워시 코트(wash coat) 등의 방법으로 부착된다.
한편, 셀(20)은 중간의 반응채널(8)과 이 반응채널(8)의 상하부에 서로 반대 방향으로 형성된 사면체 콘 형상의 상부 공간(7) 및 하부공간(9)으로 이루어지며, 상부 공간(7)에는 콘의 꼭지점에 반응물이 주입되는 입구(6)가 형성되고, 하부 공간(9)에는 콘의 꼭지점에 반응 혼합물이 나가는 출구(11)가 형성된다.
도 2는 조립된 다중 채널 반응 장치를 선 II-II을 따라서 절취한 단면도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상부 공간(7) 및 하부 공간(9)에는 반응 혼합물의 분산을 위하여 불활성 물질의 입자층을 채워 넣을 수 있다. 불활성 물질로서 예를 들면, 알루미나, 라시히링(Raschig ring), 글라스 비드(glass bead) 등을 채울 수 있다.
이와 달리, 기체 혼합물의 분산을 위한 불활성 입자층의 분산효과가 충분하지 않거나, 불활성 입자층을 사용하지 않는 경우에 기체의 분산 성능을 더 높이기 위하여 반응채널(8)의 상부와 하부에 분산판(12 및 13)을 추가로 설치할 수도 있으며, 필요하다면 불활성 물질과 분산판(12)(13) 둘 다 사용할 수도 있다. 분산판(12 및 13)은 예를 들면, 메탈폼(foam), 판상형 필터 (금속 혹은 세라믹) 등으로 구성될 수도 있다.
반응채널(8)은 열전달판(1)들에 의하여 구획된 반응 공간으로서, 이러한 반응채널(8) 중 양쪽 끝을 제외하고는 좌우에 모두 촉매물질이 부착되어 있다. 양쪽 끝의 반응채널(8)은 열교환판(1)과 면하는 쪽에만 촉매물질이 부착되어 있다.
필요하다면, 도 2에서, 좌우 양쪽 끝에 있는 반응채널(8)의 폭은 중간에 있는 다른 반응채널의 폭의 1/2 이하가 되도록 설계하는 것이 바람직하다. 상기와 같이 체결하게 되면, 열교환판(1)들과 반응채널(8)의 사이가 완전히 막히지 않아, 뜬 공간 사이로 미반응 혼합물의 채널링이 일어날 소지가 있다. 이를 미연에 방지하기 위하여 도 3에서와 같이 열교환판(1)들이 삽입되는 셀(20)의 반응공간의 맞은 편, 즉 반응채널(8)의 열교환판(1) 삽입측의 반대측 내측 벽면(22)에 열교환판(1)의 선단이 삽입되어 고정되는 고정홈(21)을 길게 설치하여 채널링이 일어나지 않도록 할 수 있다.
열교환판(1)은 도 1과 같이 복수의 핀(fin)(2)이 설치되어 있는 판상형뿐만 아니라. 주름 판상형(corrugated plate)과 같이 열전달 면적을 늘일 수 있는 형태이면 어떤 것이라도 좋다.
이상의 도 1에서는 전체 반응시스템 중의 하나의 세포 (cell) 단위를 보인 것으로서, 이를 직렬, 병렬로 연결하여 본 발명의 반응장치를 하나의 모듈로 구성할 수도 있다. 이렇게 구성된 모듈은 넘버-업(number-up)이라는 개념으로 비교적 용이하게 스케일업(scale-up)이 가능하다.
또한 향상된 열전달 성능으로 인하여, 반응기 부피에 비하여 반응성이 매우 높으므로 고성능의 콤팩트한 반응장치 구성이 가능해진다. 따라서, 가스량이 제한된 중소규모의 가스전에 적합하며, FPSO 등의 특화된 용도에도 그 기능을 충분히 발휘할 수 있다.
한편, 마이크로 채널 혹은 다중 채널 반응장치에서는 촉매입자를 충전하는 것보다 촉매물질을 열전달 면에 부착하여 반응시키는 것이 열전달 효율을 극대화하는 방법으로서, 촉매입자를 채널형태의 반응부에 충전하는 경우, 열전달 경로는 촉매상(반응열 발생)→기상→열전달면→열전달 매체의 순으로 열전달 저항이 많고, 특히 기상에서의 열전도도가 낮으므로 열효율이 떨어진다.
하지만 이상 설명한 바와 같은 본 발명에 의하면, 열전달면에 직접 촉매를 부착하여 반응을 진행하는 경우, 열전달 경로는 촉매상(반응열 발생)→열전달면 →열전달 매체로 단순화되어 기상에서의 열전달 저항을 생략할 수 있다.
뿐만 아니라, 촉매가 부착된 열교환부가 탈착이 가능한 형태이므로 촉매의 비활성화로 수명이 다한 경우, 분리하여 물리화학적인 방법으로 촉매를 전부 혹은 일부 제거한 뒤, 새로운 촉매를 부착하여 다시 반응장치를 조립하면 다시 공정운전이 가능하게 된다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 합성가스로부터 탄화수소를 제조하기 위한 반응장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. 합성가스로부터 탄화수소를 제조하기 위한 반응장치로서,
    열전달 매체가 주입되어 촉매 물질이 부착된 다수의 열교환판을 거쳐 열교환된 후 유출되는 열교환부;
    상기 주입된 열전달 매체를 상기 열교환판의 각각으로 배분하는 분산장치;
    일측이 개방되어 내부의 반응 공간으로 상기 열교환부의 열교환판들이 삽입되며, 상기 삽입된 열교환판들에 의해 구획된 반응채널이 구성되며, 상기 반응채널로 반응물이 주입되고, 반응 혼합물이 배출되는 셀;
    상기 열교환판들이 삽입되는 상기 반응공간의 맞은 편에 상기 삽입된 열교환판을 고정하는 고정홈; 및
    상기 열교환부와 상기 셀을 체결하는 플랜지
    를 포함하는 반응장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 내부에 열전달 유로를 형성하는 판상형으로, 등간격으로 핀이 설치되거나, 또는 주름 판상형(corrugated plate) 형태로 제작되는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환판의 표면은 촉매물질의 부착이 용이하도록 산화막 처리한 것을 특징으로 하는 반응장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 열교환판의 표면은 촉매물질의 부착이 용이하도록 산화막 처리한 것을 특징으로 하는 반응장치.
    　
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응채널의 상부와 하부의 공간에는 상기 주입된 반응물과 반응 혼합물의 분배를 위해 불활성 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응채널의 상부와 하부에 상기 주입된 반응물과 반응 혼합물의 분배를 위해 분산판이 설치되는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응채널의 상부와 하부의 공간에는 상기 주입된 반응물과 반응 혼합물의 분배를 위해 불활성 물질이 채워지고,
    상기 반응채널의 상부와 하부에 상기 주입된 반응물과 반응 혼합물의 분배를 위해 분산판이 설치되는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응채널 중 양쪽 끝의 반응채널은 상기 열교환판과 면하는 쪽에만 상기 촉매물질이 부착되며, 이때의 폭은 다른 반응채널의 폭보다 1/2 이하 인 것을 특징으로 하는 반응장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응장치를 직렬 또는 병렬로 연결하여 모듈로 구성한 것을 특징으로 하는 반응장치.
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