WO2014069794A1 - 경유 재순환 장치 및 그를 갖는 합성연료 제조 시스템 - Google Patents

경유 재순환 장치 및 그를 갖는 합성연료 제조 시스템 Download PDF

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WO2014069794A1
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diesel
gas
oil
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양정훈
허영걸
정헌
이호태
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한국에너지기술연구원
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    • C10G2400/04—Diesel oil

Definitions

  • the present invention relates to a synthetic fuel production technology using a Fischer-Tropsch synthesis reaction, and more particularly to the diesel fuel containing alcohol produced in a slurry bubble column reactor (SBCR).
  • SBCR slurry bubble column reactor
  • the present invention relates to a diesel oil recycler and a synthetic fuel production system having the same.
  • Indirect coal liquefaction one of the representative synthetic petroleum manufacturing techniques, converts syngas (H 2 + CO) obtained through coal gasification and refining into liquid synthetic petroleum, a synthetic fuel, through Fischer-Tropsch synthesis.
  • syngas H 2 + CO
  • the process is a very promising technology in terms of clean utilization of coal and high value added products.
  • coal has abundant reserves, is distributed evenly throughout the world, and has a low price.
  • the Fischer-Tropsch synthesis reaction first began in 1923 when German chemists Fischer and Tropsch developed a technique for producing synthetic fuel from syngas by gasification of coal.
  • the Fischer-Tropsch synthesis reaction uses a catalyst to convert syngas into hydrocarbons, where the more active catalysts are used to increase the productivity of hydrocarbons with 5 or more carbons, which is an indicator of general productivity, and improve overall carbon efficiency. It can increase.
  • iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni) and ruthenium (Ru) have been reported as active materials in the Fischer-Tropsch synthesis reaction.
  • iron (Fe) -based catalysts are particularly active in Fischer-Tropsch synthesis reactions associated with coal indirect liquefaction due to their low production cost, excellent performance, and activity in water-gas shift (WGS). It looks good.
  • the main product of this Fischer-Tropsch synthesis reaction is a wax consisting of hydrocarbons of various chain lengths.
  • oxidizing compounds such as alcohols, ethers, esters, ketones, etc. are generated as by-products in addition to the main product wax.
  • Slurry bubble column reactors (hereinafter referred to as "reactors") are mainly used for the production of syngas using the Fischer-Tropsch synthesis reaction.
  • the reaction takes place as the gaseous reactants (synthesis gas) pass through a continuous phase consisting of a catalyst and a product.
  • the mass transfer rate through uniform contact and dispersion between the reactant (synthetic gas) and the catalyst is very important as a variable for determining the reaction efficiency.
  • the reaction efficiency can be improved by increasing the gas retention in the reactor.
  • the oxidized compound produced in the reactor since the oxidized compound produced in the reactor has the effect of improving the gas retention in the reactor, it may be considered to install an additional alcohol supply to add an alcohol component to the reactor.
  • an object of the present invention is to provide a diesel fuel recycling system and a synthetic fuel production system having the same that can be stably supplied to the reactor by recycling the diesel fuel containing the alcohol generated in the reactor through the Fischer-Tropsch synthesis reaction even if not provided separately To provide.
  • Another object of the present invention is to provide a diesel fuel recycling apparatus and a synthetic fuel production system having the same that can be supplied by precisely controlling the flow rate of the diesel fuel recycled to the reactor.
  • the present invention provides a diesel fuel recycling system of a synthetic fuel production system comprising a diesel fuel supply unit, a syngas supply unit and a chamber module.
  • the diesel fuel supply unit separates the diesel fuel containing alcohol from the gas product discharged from the reactor, and supplies the separated diesel fuel.
  • the syngas supply unit supplies the syngas.
  • the chamber module receives and stores light oil from the light oil supply part, evaporates the stored light oil, and includes a chamber for supplying the evaporated light oil with the syngas supplied from the syngas supply part to the reactor.
  • the diesel fuel recycling apparatus supplies gas oil from the gas oil supply unit to the chamber, evaporates the gas oil supplied to the chamber, and supplies syngas from the syngas supply unit to the chamber to produce the gas oil. And it may further include a control unit for controlling to supply from the chamber to the reactor.
  • the chamber module may include the chamber, a heating unit, a pressure measuring unit.
  • the chamber receives and stores light oil from the light oil supply unit and evaporates the stored light oil.
  • the heating unit heats the chamber to evaporate the diesel oil stored in the chamber.
  • the pressure measuring unit checks the internal pressure of the chamber. At this time, if the pressure measured by the pressure measuring unit is the same as the pressure of the reactor, the control unit supplies a synthesis gas containing gas oil evaporated in the chamber to the reactor.
  • control unit may control the evaporation rate of the diesel oil through the temperature control of the chamber through the heating unit.
  • control unit may determine the inflow rate of the diesel oil into the reactor through the temperature control of the chamber and the flow rate of the synthesis gas passing through the chamber.
  • the syngas supply unit may include a syngas storage unit, a first supply line, a second supply line and a mass flow controller (MFC).
  • the syngas storage unit stores the syngas.
  • the first supply line connects the syngas storage unit and the reactor, and supplies the syngas to the reactor.
  • the second supply line connects the syngas storage unit and the chamber, and supplies the syngas to the chamber.
  • the mass flow meter is installed in the first and second supply lines, respectively, to control the flow rate of the syngas passing through the first and second supply lines.
  • the control unit may supply the synthesis gas to the chamber through the second supply line so that the pressure of the chamber rises to the same pressure as the pressure of the reactor.
  • control unit may control the flow rate of the gas supplied to the chamber and the reactor through the control of the mass flow meter installed in the first and second supply lines, respectively.
  • control unit is to block the supply of the synthesis gas including the gas oil from the chamber to the reactor until the pressure measured in the pressure measuring unit is equal to the pressure of the reactor. Can be.
  • the chamber module may further include a third supply line connecting the chamber and the reactor.
  • the control unit may block the supply of the synthesis gas including the gas oil evaporated from the chamber through the third supply line to the reactor until the pressure measured by the pressure measuring unit is equal to the pressure of the reactor. .
  • the first supply valve and the second valve are sequentially installed in the third supply line toward the reactor.
  • the first supply line is connected to the third supply line between the first valve and the second valve.
  • the control unit when the pressure of the chamber is lower than the pressure of the reactor, the control unit shuts off the first valve and opens the second valve to discharge syngas through the first supply line. It can be fed to the reactor.
  • the control unit may include a synthesis gas including syngas through the first supply line and light oil evaporated through the third supply line by opening the first valve. It can be fed to the reactor.
  • control unit may maintain the total flow rate of the synthesis gas supplied through the second valve to the reactor regardless of whether the first valve is opened or closed.
  • the diesel fuel supply unit may be separated from the diesel fuel and water through the heat exchange and density difference between the gas product from which heavy oil is separated after discharged from the reactor.
  • the diesel fuel recycling apparatus may further include an inert gas supply unit for supplying an inert gas to the chamber.
  • the controller may supply the inert gas to the chamber through the inert gas supply unit.
  • the present invention also provides a synthetic fuel production system comprising the aforementioned diesel oil recycle device and a slurry bubble column reactor.
  • the slurry bubble column reactor receives a synthesis gas or a synthesis gas including diesel oil from the diesel oil recycling unit to generate a hydrocarbon compound through a Fischer-Tropsch synthesis reaction.
  • Synthetic fuel production system may further include a heavy oil separation unit for separating heavy oil from the gas product discharged from the slurry bubble column reactor.
  • the light oil supply unit may separate the gas product from which the heavy oil is separated into light oil and water through heat exchange and a density difference.
  • the present invention also provides a synthetic fuel production system comprising a slurry bubble column reactor and a diesel oil recycle device.
  • the sludge bubble column reactor produces a hydrocarbon compound by Fischer-Tropsch synthesis.
  • the diesel oil recycling unit separates the light oil containing alcohol from the gas product discharged from the slurry bubble column reactor, and evaporates the separated light oil to be supplied to the slurry bubble column reactor along with syngas.
  • the diesel fuel recycling apparatus can be stably supplied to the reactor by recirculating the diesel fuel containing alcohol produced in the reactor by using the steam inlet through the Fischer-Tropsch synthesis reaction.
  • the diesel oil recycling apparatus according to the present invention may separate the gas oil containing alcohol from the gas product generated through the Fischer-Tropsch synthesis reaction, and evaporate the separated gas oil to be supplied to the reactor together with the synthesis gas.
  • the reactor can be continuously driven through the recycling of the diesel.
  • the diesel oil recycling apparatus can stably control and supply the flow rate of the diesel oil supplied by being recycled to the reactor, thereby inducing a stable Fischer-Tropsch synthesis reaction to stabilize the production of synthetic fuel.
  • the diesel oil recycling apparatus can precisely control the flow rate of the diesel oil supplied to the reactor through the chamber through the control of the temperature of the chamber and the flow rate of the synthesis gas flowing into the chamber.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a synthetic fuel production system having a diesel oil recycle system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a view showing the synthetic fuel production system of FIG.
  • FIG. 3 is a view showing the diesel oil recycle apparatus of FIG.
  • Figure 4 is a flow chart according to the synthetic fuel production method through the diesel fuel recycled synthetic fuel production system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a detailed flowchart illustrating a diesel fuel recycling method using the diesel fuel recycling apparatus of FIG. 4.
  • the oxygen concentration contained in the hydrocarbon compound produced through the Fischer-Tropsch synthesis reaction is as follows.
  • TOS means time on stream.
  • the oxygen concentration contained in the wax remaining in the reactor increases in proportion to the reaction time, but it can be seen that the constant becomes about 0.60% after a certain time has elapsed. On the other hand, it can be seen that the oxygen concentration in the diesel fuel of the hydrocarbon compound contains much more than 3.65% of the wax.
  • the present invention is to provide a diesel fuel recycling system and a synthetic fuel production system having the same that can be stably supplied to the reactor by recycling the diesel fuel containing alcohol generated in the reactor through the Fischer-Tropsch synthesis reaction.
  • liquid pumps have many limitations in their practical use. In other words, since the liquid pump must be operated continuously, it may cause the complexity of the process and hinder the stability of the process. In addition, because even a small amount of alcohol greatly affects the performance of the reactor, unnecessarily recycling large amounts of diesel oil through the liquid pump can cause problems. In this respect, it should be possible to precisely control the flow rate of diesel oil, there is a limit to the liquid pump that is operated at a general high pressure.
  • the embodiment of the present invention is used to recycle the diesel fuel containing the alcohol produced in the reactor, it can be supplied by precisely controlling the flow rate of the diesel fuel is supplied to the reactor, as shown in Figures 1 to 3 To provide a diesel oil recirculation apparatus 90 and a synthetic fuel production system 100 having the same.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a synthetic fuel production system 100 having a diesel oil recycle apparatus 90 according to an embodiment of the present invention.
  • the synthetic fuel production system 100 includes a reactor 10 and a diesel oil recycle device 90, and vapor inflows of diesel oil separated from a gas product generated in the reactor 10. Recycle to the reactor (10).
  • the reactor 10 here generates hydrocarbon compounds by Fischer-Tropsch synthesis.
  • the diesel oil recycling unit 90 separates the gas oil from the gas product discharged from the reactor 10, and evaporates the separated gas oil to be supplied to the reactor 10 together with the synthesis gas. At this time, the diesel contains alcohol.
  • the diesel fuel recycling apparatus 90 separates the diesel fuel from the gas product generated in the reactor 10, and evaporates the separated diesel fuel to be supplied to the reactor 10 together with the synthesis gas to recycle the diesel fuel.
  • the diesel oil recycling unit 90 may include a diesel oil supply unit 40, a syngas supply unit 60, and a chamber module 50, and may further include an inert gas supply unit 70 and a controller 80.
  • the controller 80 may perform an overall control operation of the synthetic fuel manufacturing system 100 including the diesel oil recycling unit 90 and the reactor 10.
  • the synthetic fuel production system 100 may further include a heavy oil separator 30 for separating heavy oil from the gas product discharged from the reactor (10).
  • the gaseous product that has passed through the heavy oil separator 30 is provided to the diesel oil feed 40 of the diesel oil recycle device 90.
  • the synthetic fuel production system 100 including the diesel oil recycling apparatus 90 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3 as follows.
  • 2 is a view showing the synthetic fuel production system 100 of FIG. 3 is a view showing the diesel oil recirculation apparatus 90 of FIG.
  • the reactor 10 includes a reactor body 11, a gas disperser 13, a filtering member 15, a heating member 17 and a cooling member 19.
  • the gas disperser 13 is installed inside the reactor main body 11 and receives the syngas provided from the gas oil recycle unit 90 or a synthetic gas containing diesel oil, and converts the gas into uniform bubble particles. To disperse into slurry. At this time, the gas disperser 13 is preferably installed at the bottom of the reactor main body 11 so that the provided gas can be converted into uniform bubble particles through bubbling.
  • the reactor body 11 stores a slurry (oil, wax) containing a synthesis gas and a catalyst for Fischer-Tropsch synthesis reaction.
  • the catalyst contained in the slurry stored in the reactor body 11 is active for Fischer-Tropsch synthesis reaction and water gas shift reaction, depending on the components of the synthetic fuel obtained, iron, cobalt, copper, Potassium, cesium, sodium, molybdenum, tungsten, zinc, nickel, rubidium, rhodium, palladium from the group consisting of one or a mixture of two or more may be configured.
  • the catalyst may have a particle size distribution of 0.1 ⁇ m to 200 ⁇ m in order to evenly spray the reactor body 11. This may cause the outflow of the catalyst when the particle size is smaller than 0.1 mu m because it is not filtered out by the filtering member 15. On the contrary, when larger than 200 micrometers, since the precipitation phenomenon of a catalyst appears strong and evenly dispersing catalyst particle in the reactor main body 11, it is unpreferable.
  • the filtering member 15 serves to discharge the synthetic fuel produced by the Fischer-Tropsch synthesis reaction and to filter the catalyst.
  • the filtering member 15 is disposed above the inside of the reactor body 11 to filter the catalyst and to discharge only the wax including the syngas generated by the reaction to the wax storage unit 20.
  • Opening and closing valve 18 may be installed in the pipe 16 connecting the filtering member 15 and the wax storage unit 20.
  • the filtering member 15 may be made of a general stainless steel material, the pore size may be configured in the range of 0.1 ⁇ m to 10 ⁇ m, most preferably the pore size of 1 ⁇ m. When the filtering member 15 having a pore size of 1 ⁇ m is used, the catalyst particles in the reactor body 11 may be filtered out and only synthetic fuel may be selectively collected.
  • the heating member 17 and the cooling member 19 heat or cool the reactor body 11 so that the reactor body 11 can maintain a temperature suitable for producing synthetic fuel, such as 250 ° C to 300 ° C.
  • the unreacted syngas and the gas product generated by the reaction in the reactor body 11 are provided to the heavy oil separator 30 through an outlet pipe connected to the upper end of the reactor body 11.
  • the gaseous product and the wax are both similar in that they are hydrocarbon products by Fischer-Tropsch synthesis, except that the gaseous product has a gaseous form under the reaction conditions, and the wax takes a liquid form.
  • the wax produced in the reactor body 11 is filtered by the filtering member 15 to be discharged out of the reactor body 11, and the wax storage unit 20 receives and stores the wax discharged to the outside.
  • the heavy oil separator 30 separates heavy oil from the gas product discharged from the reactor body 11.
  • the heavy oil contained in the gas product discharged from the reactor body 11 is separated by using a break point. That is, the gas product is condensed between 150 ° C. and 300 ° C. to separate heavy oil.
  • the diesel oil recycling unit 90 receives the gas product from which the heavy oil is separated from the heavy oil separator 30, separates the diesel fuel, and then evaporates the separated diesel oil to supply the reactor body 11 together with the synthesis gas.
  • the diesel oil recirculation device 90 includes a diesel oil supply unit 40, a syngas supply unit 60, and a chamber module 50.
  • the diesel fuel supply unit 40 separates the diesel fuel from the gas product discharged from the reactor 10, and supplies the separated diesel fuel to the chamber module 50.
  • the syngas supply unit 60 supplies the syngas to the reactor 10 or the chamber module 50.
  • the chamber module 50 receives and stores light oil from the light oil supply unit 40, evaporates the stored light oil, and supplies the evaporated light oil to the reactor 10 together with the syngas supplied from the syngas supply unit 60. .
  • the chamber module 50 includes a chamber 51 to which light oil, syngas and inert gas are supplied.
  • the diesel oil recycling unit 90 may further include a control unit 80 and an inert gas supply unit 70.
  • the controller 80 performs an overall control operation of the synthetic fuel production system 100 including the diesel oil recycle unit 90.
  • the controller 80 is a device with a built-in microprocessor, and may be implemented as a general computer or a dedicated device.
  • the control unit 80 supplies light oil from the light oil supply unit 40 to the chamber 51, evaporates the light oil supplied to the chamber 51, and supplies synthesis gas from the syngas supply unit 60 to the chamber 51.
  • the vaporized light oil may be controlled to be supplied to the reactor body 11 from the chamber 51 together with the synthesis gas.
  • the diesel oil supply 40 includes a heat exchanger 41, a diesel oil storage 43, a water reservoir 45, a filter 47, a back pressure regulator (BPR) 48, and a discharge valve 49. It includes.
  • the heat exchanger 41 drops the temperature of the gaseous product provided by the heavy oil supply part 30 to 150 degrees C or less, and isolates a gaseous product into light oil and water.
  • the diesel oil separated by passing through the heat exchanger 41 is stored in the diesel oil storage unit 43, and water is stored in the water storage unit 45. And the rest is discharged to the outside via the filter 47, the back pressure regulator valve 49 and the discharge valve (49).
  • the separated diesel oil contains alcohol.
  • the diesel fuel supply unit 40 condenses and separates the diesel fuel contained in the gas product at 150 ° C. or less, and stores the separated diesel fuel in the diesel fuel storage unit 43.
  • the diesel fuel supply unit 40 provides the diesel fuel stored in the diesel fuel storage unit 43 to the chamber 51 of the chamber module 50 under the control of the controller 80.
  • the syngas supply unit 60 provides the syngas to the reactor 10 or the chamber 51 required for the production of the synthetic fuel under the control of the controller 80.
  • the syngas supply unit 60 includes a syngas storage unit 69, a first supply line 61, a second supply line 63, and first and second mass flow meters 65 and 67 mass flow controller (MFC). It includes.
  • the syngas storage unit 69 stores syngas to be supplied to the reactor 10 and the chamber 51.
  • the first supply line 61 connects the synthesis gas storage unit 61 and the reactor 10 and supplies the synthesis gas to the reactor 10.
  • the second supply line 63 connects the synthesis gas storage unit 61 and the chamber 51 and supplies the synthesis gas to the chamber 51.
  • the first and second mass flowmeters 65 and 67 are installed in the first and second supply lines 61 and 63, respectively, to control the flow rates of the syngas supplied to the reactor 10 and the chamber 51.
  • the controller 80 supplies the synthesis gas to the chamber 51 through the second supply line 63 so that the pressure of the chamber 51 rises to the same pressure as the pressure of the reactor 10.
  • the controller 80 supplies the syngas supplied to the chamber 51 and the reactor 10 through control of the first and second mass flowmeters 65 and 67 installed in the first and second supply lines 61 and 63, respectively. To control the flow rate.
  • the chamber module 50 includes a chamber 51, a heating unit 53, and a pressure measuring unit 55.
  • the chamber 51 receives and stores light oil from the light oil supplier 40, and evaporates the stored light oil.
  • the heating unit 53 heats the chamber 51 to evaporate the diesel oil stored in the chamber 51.
  • the pressure measuring unit 55 checks the internal pressure of the chamber 51. At this time, the heating unit 53 receives power from the power supply unit 59 under the control of the controller 80 and heats the chamber 51.
  • the controller 80 receives a temperature sensed by a thermocouple 57 installed in the chamber 51 and controls the driving of the heating unit 53 to adjust the temperature of the chamber 51.
  • the chamber 51 is connected to the gas distributor 13 of the reactor 10 via a third supply line 52.
  • the first valve 54 and the second valve 56 are sequentially installed from the chamber 51 toward the reactor main body 11.
  • the first supply line 61 is connected to the third supply line 52 between the first valve 54 and the second valve 56.
  • control unit 80 closes the first valve 54 until the pressure measured by the pressure measuring unit 55 is equal to the pressure of the reactor 10 to receive the gas oil evaporated from the chamber 51 to the reactor 10. Block the supply of syngas containing.
  • the controller 80 opens the first valve 54 and is evaporated from the chamber 51 to the gas disperser 13. Refuel with diesel.
  • the controller 80 may control the evaporation rate of diesel fuel through temperature control of the chamber 51 through the heating unit 53.
  • the controller 80 may determine the inflow rate of the diesel diesel reactor 10 through the temperature of the chamber 51 and the flow rate control of the synthesis gas passing through the chamber 51.
  • the inert gas supply unit 70 supplies an inert gas to the chamber 51.
  • the inert gas supply unit 70 includes an inert gas storage unit 71, a fourth supply line 73, and a third valve 75.
  • the inert gas storage unit 71 stores the inert gas to be supplied to the chamber 51.
  • the fourth supply line 73 connects the inert gas storage 71 and the chamber 51 and supplies the inert gas to the chamber 51.
  • the third valve 75 is installed in the fourth supply line 73 to open and close the supply of the inert gas from the inert gas storage unit 71 to the chamber 51.
  • the controller 80 may supply the inert gas to the chamber 51 through the inert gas supply unit 70 when supplying the synthesis gas to the chamber 51 through the syngas supply unit 60.
  • the inert gas may perform a function of increasing the pressure of the chamber 51 and controlling a content of syngas and diesel oil discharged from the chamber 51.
  • Helium, neon, argon, nitrogen and the like may be used as the inert gas.
  • the fourth supply line 73 connecting the inert gas supply unit 70 and the chamber 51 is provided with a third valve 75 for controlling the supply amount of the inert gas.
  • the third supply line 52 connecting the chamber 51 and the reactor 10 the first valve 54 and the second valve 56 are sequentially installed from the chamber 51 toward the reactor 10.
  • the first supply line 61 is connected to the third supply line 52 between the first valve 54 and the second valve 56.
  • the controller 80 controls the flow rate and the flow rate of the total syngas to be provided to the reactor 10 through the control of the first to third valves 54, 56, 75, and the first and second mass flowmeters 65, 67. To control the flow rate.
  • the wax storage unit 20, the heavy oil separation unit 30, the diesel fuel storage unit 43, and the water storage unit 45 are discharge valves 20a and 30a capable of discharging the stored substances to the outside, respectively.
  • 43a, 43b, 43c and 45a are provided.
  • the diesel oil storage unit 43 is connected to the discharge pipe 42 and the diesel fuel supply pipe 44 branched from the discharge pipe 42 and connected to the chamber 51.
  • the discharge pipe 42 is provided with first and second discharge valves 43a and 43b on both sides of the branch point of the branched diesel oil supply pipe 44.
  • the diesel oil supply pipe 44 is provided with a third discharge valve 43c.
  • the first and third discharge valves 43a and 43b are opened under the control of the controller 80, and the second discharge valve 43b is opened. Close it.
  • the first and second discharge valves 43a and 43b are opened and the third discharge valve 43c is closed under the control of the controller 80.
  • the synthetic fuel production system 100 manufactures synthetic fuel while recycling diesel fuel under the control of the controller 80.
  • the control unit 80 directly controls the first gas supply line 61 and the third supply line 52 through the control of the first mass flow meter (65). It is provided to the gas disperser 13 of the reactor 10 through. At this time, the first valve 54 is closed and the second valve 56 is kept open. The controller 80 is synthesized through the control of the first mass flow meter 65 so that the pressure of the first supply line 61 and the third supply line 52 can be maintained at the same state as that of the reactor body 11. Control the flow of gas.
  • the gas oil supply unit 40 separates the gas oil from the gas product, and stores the separated gas oil in the gas oil storage unit 43.
  • the control unit 80 provides a predetermined amount of diesel oil from the diesel storage unit 43 to the chamber 51.
  • the control unit 80 operates the heating unit 53 to heat the chamber 51 to a predetermined temperature to evaporate light oil.
  • the controller 80 supplies the syngas and the inert gas to the chamber 51 through the syngas supply unit 60 and the inert gas supply unit 70 to increase the pressure of the chamber 51.
  • the control unit 80 supplies the synthesis gas to the chamber 51 through the control of the second mass flow meter 67, opens the third valve 75 to chamber the inert gas through the fourth supply line 73. Supply to (51). Since the controller 80 may adjust the temperature of the chamber 51 through the control of the heating unit 53, the controller 80 may adjust the evaporation rate of the diesel fuel.
  • the controller 80 determines whether the measured pressure is the same as the pressure of the reactor body (11). At this time, the pressure of the chamber 51 is measured by the pressure measuring unit 55, the measured pressure is transmitted to the controller 80. As a result of the determination, when the pressure in the chamber 51 does not reach the pressure in the reactor main body 11, the controller 80 maintains the closed state of the first valve 54. On the other hand, if the determination result is the same, the controller 80 opens the first valve 54 to the gas disperser 13 of the reactor 10 through the third supply line 52. Supply. At this time, since the synthesis gas is provided to the reactor 10 through the first supply line 61, the synthesis gas including the gas oil vaporized in the chamber 51 is opened by opening the first valve 54.
  • the flow rate of the synthesis gas supplied through the first supply line 61 may be supplied by subtracting the flow rate of the synthesis gas supplied through the first valve 54. That is, the gas oil evaporated in the chamber 51 is supplied to the gas disperser 13 of the reactor together with the syngas. Since the controller 80 can adjust the inflow rate of the evaporated diesel oil flowing into the reactor 10 to the temperature of the chamber 51 and the flow rate of syngas passing through the chamber 51, Precision control is possible.
  • the diesel fuel recycling device 90 may stably supply the diesel fuel containing alcohol generated in the reactor 10 through a Fischer-Tropsch synthesis reaction and recycle the same to the reactor 10. . That is, the diesel oil recycling apparatus 90 according to the present embodiment separates the diesel fuel containing alcohol from the hydrocarbon compound produced through the Fischer-Tropsch synthesis reaction, and evaporates the separated diesel fuel to the reactor 10 together with the synthesis gas. Can supply In addition, since diesel is continuously generated while the reactor 10 is driven, the synthetic fuel production system 100 according to the present exemplary embodiment may continuously drive the reactor 10 through recycling of the diesel fuel.
  • the diesel oil recycling apparatus 100 can stably control and supply the flow rate of the diesel oil recycled and supplied to the reactor 10, the stable Fischer-Tropsch synthesis reaction is induced to stabilize the production of synthetic fuel. You can. That is, since the alcohol greatly affects the performance of the reactor 10 even in a very small amount, unnecessarily a large amount of light oil supplied to the reactor 10 may cause a problem.
  • the diesel oil recirculation apparatus 80 according to the present embodiment is supplied to the reactor 10 through the chamber 51 through controlling the temperature of the chamber 51 and the flow rate of the syngas flowing into the chamber 51. The flow rate of diesel oil can be precisely controlled.
  • FIGS. 1 to 5 Such a diesel fuel recycling method and a synthetic fuel manufacturing method using the same will be described with reference to FIGS. 1 to 5 as follows.
  • 4 is a flow chart according to the synthetic fuel production method through the diesel fuel recycle of the synthetic fuel production system 100 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a detailed flowchart of a diesel fuel recycling method using the diesel fuel recycling device 90 of FIG. 4.
  • step S10 the diesel oil recycle device 90 directly supplies the synthesis gas from the syngas supply unit 60 to the reactor 10. That is, the controller 80 supplies the synthesis gas to the reactor 10 through the control of the first mass flow meter 65 while the second valve 56 is opened. The first valve 54 is closed.
  • step S20 the reactor 10 generates a hydrocarbon compound including a wax and a gas product by a Fischer-Tropsch synthesis reaction using the supplied synthesis gas.
  • the generated wax is filtered through the filtering member 15 and discharged and stored in the wax storage unit 20 outside the reactor 10.
  • the resulting gaseous product is supplied to the gas oil separator 30 through the discharge pipe at the top of the reactor 10.
  • the Fischer-Tropsch synthesis reaction in the reactor 10 is a generally known technique, detailed descriptions related to the generation of wax and gas products are omitted.
  • step S30 the heavy oil separator 30 separates the heavy oil from the gas product discharged from the reactor (10). That is, the heavy oil separator 30 separates heavy oil from the gas product by using a difference between the break points between heavy oil and light oil.
  • step S40 the diesel fuel recycling unit 90 separates the diesel fuel oil from the gas product from which the heavy oil is separated, and supplies the diesel fuel generated in the reactor 10 by evaporating the separated diesel fuel and supplying it to the reactor 10 together with the synthesis gas. Can be recycled to use.
  • the diesel fuel recycling unit 90 determines whether the synthetic fuel manufacturing process including recycling of diesel fuel is terminated. For example, whether or not the termination signal is input to the controller 80 of the diesel oil recycling unit 90 can be determined.
  • step S50 When the end signal is not input as a result of the determination in step S50, the synthetic fuel production system 100 starts again from step S20.
  • the synthetic fuel production system 100 ends the manufacturing process of the synthetic fuel.
  • step S40 the recycling process of diesel fuel according to step S40 will be described in detail with reference to FIG. 5.
  • step S41 the diesel oil recycling unit 90 separates the gas product from which heavy oil is separated by heat exchange with gas and water. That is, the heat exchanger 41 separates the gaseous product into light oil and water by lowering the temperature of the gaseous product provided by the heavy oil supply unit 30 to 150 ° C. or less.
  • the diesel oil separated by passing through the heat exchanger 41 is stored in the diesel oil storage unit 43, and water is stored in the water storage unit 45. And the rest is discharged to the outside of the synthetic fuel production system 100 via the filter 47 and the back pressure regulator valve 49.
  • the separated diesel oil contains alcohol.
  • step S43 the diesel oil recycling device 90 supplies the separated diesel oil to the chamber 51. That is, the diesel fuel supply unit 40 provides the diesel fuel stored in the diesel fuel storage unit 43 to the chamber 41 under the control of the controller 80. At this time, the first valve 54 maintains the closed state.
  • step S45 the diesel oil recycling device 90 heats the chamber 51 to match the flow rate of the diesel oil to be supplied to the reactor 10 from the chamber 51 to evaporate the diesel oil. That is, the controller 80 controls the evaporation rate of the diesel fuel evaporated in the chamber 51 by adjusting the heating temperature of the chamber 51 through the heating unit 53. The controller 80 controls the flow rate of the diesel oil to be supplied to the chamber 51, that is, the flow rate of the diesel oil, by adjusting the evaporation rate of the diesel oil.
  • step S47 the diesel oil recycling device 90 adjusts the flow rates of the synthesis gas and the inert gas to supply the chamber 51 in accordance with the flow rates of the diesel oil supplied from the chamber 51 to the reactor 10. That is, the controller 80 increases the pressure of the chamber 51 by supplying the syngas and the inert gas to the chamber 51 through the syngas supply unit 60 and the inert gas supply unit 70. At this time, the control unit 80 supplies the synthesis gas to the chamber 51 through the control of the second mass flow meter 67, opens the third valve 75 to chamber the inert gas through the fourth supply line 73. Supply to (51). Helium, neon, argon, nitrogen gas, etc. may be used as the inert gas, and in this embodiment, an example of using nitrogen gas has been disclosed. Of course, the controller 80 maintains the closed state of the first valve 54 as it is.
  • step S48 the diesel oil recycle device 90 determines whether the pressure of the chamber 51 is equal to the pressure of the reactor 10. That is, since the synthesis gas and the inert gas are supplied to the chamber 51 through the synthesis gas supply unit 60 and the inert gas supply unit 70, the internal pressure of the chamber 51 is increased.
  • the controller 80 determines whether the internal pressure of the chamber 51 reaches the internal pressure of the reactor 10. The reason for checking the pressure in this way is that the internal pressure of the chamber 51 and the internal pressure of the reactor 10 must be reached to provide the reactor 10 with synthesis gas containing light oil evaporated from the chamber 51. Because.
  • step S48 If the determination result of step S48 is not the same, that is, when the pressure in the chamber 51 is lower than the pressure of the reactor 10, the diesel oil recirculation apparatus 90 repeats the step S47. That is, the diesel oil recycling unit 90 continuously performs step S47 of increasing the internal pressure of the chamber 51.
  • step S48 When the determination result of step S48 is the same, that is, when the pressure of the chamber 51 reaches the pressure of the reactor 10, the diesel fuel recycling device 90 includes the gas oil evaporated from the chamber 51 in step S49. Gas is supplied to the reactor 10. At this time, the controller 80 opens the first valve 54 to supply the synthesis gas including the gas oil evaporated from the chamber 51 to the gas distributor 13 of the reactor 10 through the third supply line 52. do.
  • the flow rate of the synthesis gas supplied through the first supply line 61 may be supplied by subtracting the flow rate of the synthesis gas supplied through the first valve 54. That is, regardless of opening and closing of the first valve 54, the controller 80 may control the first and the first flows so that the total flow rate of the syngas supplied to the reactor 10 through the second valve 56 may be constantly supplied. 2 Mass flowmeters 65,67 can be controlled.
  • the amount of alcohol contained in the diesel fuel to be recycled can be precisely controlled and continuously provided to the reactor 10.

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Abstract

본 발명은 경유 재순환 장치 및 그를 갖는 합성연료 제조 시스템에 관한 것으로, 슬러리 기포탑 반응기(slurry bubble column reactor; SBCR)에서 생성되는 경유를 재순환시켜 반응기로 안정적으로 공급하면서 경유의 유량을 정밀하게 제어하면서 공급하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 합성연료 제조 시스템은 슬러리 기포탑 반응기와 경유 재순환 장치를 포함한다. 슬러리 기포탑 반응기는 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성반응으로 탄화수소 화합물을 생성한다. 그리고 경유 재순환 장치는 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 기체 생성물로부터 경유를 분리하고, 분리한 경유를 증발시켜 합성가스와 함께 슬러리 기포탑 반응기로 공급한다.

Description

경유 재순환 장치 및 그를 갖는 합성연료 제조 시스템
본 발명은 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성반응을 이용하여 합성연료 제조 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 슬러리 기포탑 반응기(slurry bubble column reactor; SBCR)에서 생성되는 알코올을 포함하는 경유를 재순환시켜 사용하는 경유 재순환 장치 및 그를 갖는 합성연료 제조 시스템에 관한 것이다.
산업화 이후로 석유에 대한 수요는 꾸준히 증가하고 있는 반면, 석유의 매장량은 제한되어 있기 때문에, 석유의 공급이 수요를 따라가지 못하는 시점(피크오일, peak oil)이 필연적으로 도래하게 되며, 많은 학자들이 이러한 피크오일이 이미 도래했거나 조만간 도래할 것으로 예측하고 있다. 따라서 피크오일이 도래한 이후 발생할 경제/사회적 위기 및 충격을 최소화하기 위해, 원유 의존도를 줄이는 기술의 개발과 더불어 원유의 부족한 부분을 원유 이외의 원료에서 제조하여 보충하기 위한 합성석유 제조기술의 개발에 대한 관심이 커지고 있다.
대표적인 합성석유 제조기술 중의 하나인 석탄간접액화(indirect coal liquefaction)는 석탄가스화 및 정제를 통해 얻어진 합성가스(H2+CO)를 피셔-트롭쉬 합성반응을 통해 합성연료인 액상합성석유로 전환하는 공정으로, 석탄의 청정활용이라는 측면과 고부가가치산물을 얻을 수 있다는 측면에서 매우 유망한 기술이다. 특히 석탄은 매장량이 풍부하고, 전세계적으로 고루 분포해 있을 뿐만 아니라, 가격이 싸다는 장점을 지니고 있다.
피셔-트롭쉬 합성반응은 1923년 독일의 화학자 피셔(Fischer)와 트롭쉬(Tropsch)가 석탄의 가스화에 의해 합성가스로부터 합성연료를 제조하는 기술을 개발한데서 처음 시작되었다. 피셔-트롭쉬 합성반응은 촉매를 사용하여 합성가스를 탄화수소로 전환하는 반응인데, 여기서 사용되는 촉매는 활성도가 높은 촉매일수록 일반적인 생산성의 지표인 탄소 수가 5 이상인 탄화수소의 생산성을 높이고, 전체적인 탄소 효율을 높일 수 있다.
피셔-트롭쉬 합성반응에 활성을 보이는 물질로는 철(Fe), 코발트(Co), 니켈(Ni), 루테늄(Ru) 등의 VIII그룹 금속물질이 보고되고 있다. 그 중에서 철(Fe)계 촉매는 낮은 제조단가, 우수한 성능, 수성-가스전환반응(WGS, Water-Gas Shift)에도 활성을 보인다는 점 때문에 석탄간접액화와 연계된 피셔-트롭쉬 합성반응에 특히 장점을 보인다.
이러한 피셔-트롭쉬 합성반응의 주생성물로 다양한 사슬길이의 탄화수소로 이루어진 왁스가 생성된다. 특히 철 촉매를 이용하는 경우에는 주생성물인 왁스 이외에 부산물로서 알코올, 에테르(ether), 에스테르(ester), 케톤(ketone) 등과 같은 산화 화합물이 다량 발생한다.
피셔-트롭쉬 합성반응을 이용한 합성가스의 제조에는 주로 슬러리 기포탑 반응기(이하 '반응기'라 함)가 사용되고 있다. 이러한 반응기에서는 기상의 반응물(합성가스)이 촉매 및 생성물로 구성되어 있는 연속 상을 통과하면서 반응이 이루어진다. 이 때 반응물(합성가스)과 촉매간의 균일한 접촉 및 분산을 통한 물질전달 속도는 반응 효율을 결정하는 변수로서 매우 중요시된다. 또한 반응기 내에서의 기체 체류량을 증진시킴으로써 반응 효율을 향상시킬 수 있다.
한편 반응기에서 생성되는 산화 화합물은 반응기 내부에서의 기체 체류량을 증진시키는 효과가 있기 때문에, 알코올 공급기를 추가적으로 설치하여 반응기에 추가적으로 알코올 성분을 넣어주는 방법을 고려해 볼 수 있다.
하지만 이 경우 반응기에 알코올 성분을 넣어줄 수 있는 알코올 공급기를 별도로 구비해야 했다. 반응기가 동작하는 동안 알코올 공급기를 통하여 연속적으로 알코올을 공급해 주어야 하지만, 한정된 양을 갖고 있는 알코올 공급기는 주기적으로 교체해 주어야 하기 때문에, 알코올 공급기의 교체 시 반응기의 동작을 잠시 중단해야 하는 문제가 발생된다.
따라서 본 발명의 목적은 알코올 공급기를 별도로 구비하지 않더라도 피셔-트롭쉬 합성반응을 통하여 반응기에서 생성되는 알코올이 포함된 경유를 재순환시켜 반응기로 안정적으로 공급할 수 있는 경유 재순환 장치 및 그를 갖는 합성연료 제조 시스템을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 반응기로 재순환되어 공급되는 경유의 유량을 정밀하게 제어하여 공급할 수 있는 경유 재순환 장치 및 그를 갖는 합성연료 제조 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 경유 공급부, 합성가스 공급부 및 챔버 모듈을 포함하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치를 제공한다. 상기 경유 공급부는 반응기에서 배출되는 기체 생성물로부터 알코올을 함유하는 경유를 분리하고, 분리한 경유를 공급한다. 상기 합성가스 공급부는 합성가스를 공급한다. 그리고 상기 챔버 모듈은 상기 경유 공급부로부터 경유를 공급받아 저장하며, 저장된 경유를 증발시키고, 증발된 경유를 상기 합성가스 공급부로부터 공급되는 합성가스와 함께 상기 반응기로 공급하는 챔버를 구비한다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치는, 상기 경유 공급부로부터 경유를 상기 챔버로 공급하고, 상기 챔버로 공급된 경유를 증발시키고, 상기 합성가스 공급부로부터 상기 챔버로 합성가스를 공급하여 증발된 경유를 합성가스와 함께 상기 챔버에서 상기 반응기로 공급하도록 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 챔버 모듈은 상기 챔버, 가열부, 압력 측정부를 포함할 수 있다. 상기 챔버는 상기 경유 공급부로부터 경유를 공급받아 저장하며, 저장된 경유의 증발이 이루어진다. 상기 가열부는 상기 챔버를 가열하여 상기 챔버에 저장된 경유를 증발시킨다. 그리고 상기 압력 측정부는 상기 챔버의 내부 압력을 체크한다. 이때 상기 제어부는 상기 압력 측정부에서 측정된 압력이 상기 반응기의 압력과 동일하면, 상기 챔버에서 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 상기 반응기로 공급한다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 가열부를 통한 상기 챔버의 온도 제어를 통하여 상기 경유의 증발 속도를 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 경유의 상기 반응기로의 유입속도를 상기 챔버의 온도와 상기 챔버를 통과하는 합성가스의 유속 제어를 통해 결정할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 합성가스 공급부는 합성가스 저장부, 제1 공급라인, 제2 공급라인 및 질량유량계(mass flow controller; MFC)를 포함할 수 있다. 상기 합성가스 저장부는 합성가스를 저장한다. 상기 제1 공급라인은 상기 합성가스 저장부와 상기 반응기를 연결하며, 상기 합성가스를 상기 반응기로 공급한다. 상기 제2 공급라인은 상기 합성가스 저장부와 상기 챔버를 연결하며, 상기 챔버로 상기 합성가스를 공급한다. 그리고 상기 질량유량계는 상기 제1 및 제2 공급라인에 각각 설치되어 상기 제1 및 제2 공급라인을 통과하는 합성가스의 유량을 제어한다. 이때 상기 제어부는 상기 챔버의 압력이 상기 반응기의 압력과 동일한 압력으로 상승하도록 상기 제2 공급라인을 통하여 합성가스를 상기 챔버로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 제1 및 제2 공급라인에 각각 설치된 상기 질량유량계의 제어를 통하여 상기 챔버 및 상기 반응기로 공급되는 가스의 유량을 제어할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 압력 측정부에서 측정된 압력이 상기 반응기의 압력과 동일할 때까지 상기 챔버에서 상기 반응기로의 증발된 경유를 포함하는 합성가스의 공급을 차단할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 챔버 모듈은 상기 챔버와 상기 반응기를 연결하는 제3 공급라인을 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제어부는 상기 압력 측정부에서 측정된 압력이 상기 반응기의 압력과 동일할 때까지 상기 제3 공급라인을 통한 상기 챔버에서 상기 반응기로의 증발된 경유를 포함하는 합성가스의 공급을 차단할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 제3 공급라인에는 상기 챔버에서 상기 반응기 쪽으로 제1 밸브와 제2 밸브가 순차적으로 설치된다. 상기 제1 밸브와 제2 밸브 사이의 상기 제3 공급라인에 상기 제1 공급라인이 연결되어 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 챔버의 압력이 상기 반응기의 압력보다 낮으면, 상기 제1 밸브는 차단하고 상기 제2 밸브를 개방하여 상기 제1 공급라인을 통하여 합성가스를 상기 반응기로 공급할 수 있다. 상기 제어부는 상기 챔버의 압력이 상기 반응기의 압력과 동일하면, 상기 제1 공급라인을 통한 합성가스와, 상기 제1 밸브를 개방하여 상기 제3 공급라인을 통하여 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 상기 반응기로 공급할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 제어부는 상기 제2 밸브를 통과하여 상기 반응기로 공급되는 합성가스의 총 유량을 제1 밸브의 개폐 여부와 무관하게 일정하게 유지할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치에 있어서, 상기 경유 공급부는 상기 반응기에서 배출된 후 중유가 분리된 기체 생성물을 열교환 및 밀도차를 통하여 경유와 물로 분리할 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치는 상기 챔버로 불활성가스를 공급하는 불활성가스 공급부를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 제어부는 상기 합성가스 공급부를 통하여 합성가스가 챔버로 공급될 때, 상기 불활성가스 공급부를 통하여 상기 챔버로 상기 불활성가스를 공급할 수 있다.
본 발명은 또한 전술된 경유 재순환 장치와, 슬러리 기포탑 반응기를 포함하는 합성연료 제조 시스템을 제공한다. 이때 상기 슬러리 기포탑 반응기는 상기 경유 재순환 장치로부터 합성가스 또는 경유가 포함된 합성가스를 공급받아 피셔-트롭쉬 합성반응으로 탄화수소 화합물을 생성한다.
본 발명에 따른 합성연료 제조 시스템은 상기 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 상기 기체 생성물로부터 중유를 분리하는 중유 분리부를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 경유 공급부는 상기 중유가 분리된 기체 생성물을 열교환 및 밀도차를 통하여 경유와 물로 분리할 수 있다.
그리고 본 발명은 또한, 슬러리 기포탑 반응기와 경유 재순환 장치를 포함하는 합성연료 제조 시스템을 제공한다. 상기 슬러기 기포탑 반응기는 피셔-트롭쉬 합성반응으로 탄화수소 화합물을 생성한다. 그리고 상기 경유 재순환 장치는 상기 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 상기 기체 생성물로부터 알코올을 함유하는 경유를 분리하고, 분리한 경유를 증발시켜 합성가스와 함께 상기 슬러리 기포탑 반응기로 공급한다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치는 피셔-트롭쉬 합성반응을 통하여 반응기에서 생성되는 알코올이 포함된 경유를 증기 유입을 이용하여 재순환시켜 반응기로 안정적으로 공급할 수 있다. 즉 본 발명에 따른 경유 재순환 장치는 피셔-트롭쉬 합성반응을 통해 생성된 기체 생성물로부터 알코올이 포함된 경유를 분리하고, 분리한 경유를 증발시켜 합성가스와 함께 반응기로 공급할 수 있다. 또한 반응기가 구동하는 동안 경유가 계속적으로 생성되기 때문에, 경유의 재순환을 통하여 반응기를 연속적으로 구동시킬 수 있다.
본 발명에 따른 경유 재순환 장치는 반응기로 재순환되어 공급되는 경유의 유량을 안정적으로 제어하여 공급할 수 있기 때문에, 안정적인 피셔-트롭쉬 합성반응을 유도하여 합성연료의 생산을 안정화시킬 수 있다. 즉 알코올은 극소량으로도 반응기 성능에 크게 영향을 미치기 때문에, 불필요하게 다량의 경유가 반응기로 공급되는 것도 문제를 초래할 수 있다. 이러한 측면에 본 발명에 따른 경유 재순환 장치는 챔버의 온도와 챔버에 유입되는 합성가스의 유속 제어를 통하여, 챔버를 통하여 반응기로 공급되는 경유의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 경유 재순환 장치를 갖는 합성연료 제조 시스템을 보여주는 블록도이다.
도 2는 도 1의 합성연료 제조 시스템을 보여주는 도면이다.
도 3은 도 1의 경유 재순환 장치를 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환을 통한 합성연료 제조 방법에 따른 흐름도이다.
도 5는 도 4의 경유 재순환 장치를 이용한 경유 재순환 방법에 따른 상세 흐름도이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
먼저 피셔-트롭쉬 합성반응을 통하여 생성된 탄화수소 화합물에 포함된 산소 농도를 살펴보면 표 1과 다음과 같다. 여기서 TOS는 스트림 상의 시간(time on stream)을 의미한다.
표 1
샘플 왁스 경유(196 TOS)
25 TOS 48 TOS 96 TOS 164 TOS 192 TOS
산소농도(%) 0.43 0.52 0.58 0.60 0.57 3.65
먼저 반응기 내부에 잔류하고 있는 왁스에 포함된 산소 농도는 반응 시간에 비례하여 증가하나, 일정 시간이 경과된 이후에 0.60% 정도로 일정해 짐을 알 수 있다. 반면에 탄화수소 화합물 중 경유에 포함된 산소 농도는 왁스보다 훨씬 많은 3.65%를 함유하고 있는 것을 확인할 수 있다.
이것은 알코올과 같은 산화 화합물이 대부분 저분자량(낮은 끓는점)의 형태로 분포하고 있음을 시사한다. 즉 대부분의 산화 화합물은 왁스와 함께 반응기 내부에 체류하기 보다는 경유의 형태로 기체 생성물과 함께 반응기 밖으로 유출된다.
따라서 본 발명에서는 피셔-트롭쉬 합성반응을 통하여 반응기에서 생성되는 알코올이 포함된 경유를 재순환시켜 반응기로 안정적으로 공급할 수 있는 경유 재순환 장치 및 그를 갖는 합성연료 제조 시스템을 제공하고자 한다.
경유 재순환 장치로서 고압으로 운전되는 반응기로 경유를 제공해야 하기 때문에, 먼저 고압에서 운전 가능한 액체 펌프(liquid pump)를 사용하는 방안을 고려하였다. 이러한 액체 펌프는 합성연료 제조 시스템에 추가되는 형태로서 간단하게 연결하여 사용할 수 있는 이점이 있다.
하지만 액체 펌프는 실제 공정에서의 활용에는 많은 제약이 따른다. 즉 액체 펌프는 연속적으로 운전해야 한다는 점에서 공정의 복잡성을 초래하고 공정의 안정성을 저해하는 요인이 될 수 있다. 또한 알코올은 극소량으로도 반응기의 성능에 크게 영향을 미치기 때문에, 액체 펌프를 통하여 불필요하게 다량의 경유를 재순환시키는 것은 문제를 초래할 수 있다. 이러한 측면에서 경유의 유량을 정밀하게 제어할 수 있어야 하는데, 일반적인 고압으로 운전되는 액체 펌프로 한계가 있다.
따라서 본 발명의 실시예에서는 반응기에서 생성되는 알코올이 포함된 경유를 재순환시켜 사용하되, 반응기로 재순환되어 공급되는 경유의 유량을 정밀하게 제어하여 공급할 수 있는, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은, 경유 재순환 장치(90) 및 그를 갖는 합성연료 제조 시스템(100)을 제공하고자 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 경유 재순환 장치(90)를 갖는 합성연료 제조 시스템(100)을 보여주는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 합성연료 제조 시스템(100)은 반응기(10) 및 경유 재순환 장치(90)를 포함하며, 반응기(10)에서 생성된 기체 생성물로부터 분리한 경유를 증기 유입을 이용하여 반응기(10)로 재순환시킨다. 여기서 반응기(10)는 피셔-트롭쉬 합성반응으로 탄화수소 화합물을 생성한다. 그리고 경유 재순환 장치(90)는 반응기(10)에서 배출되는 기체 생성물로부터 경유를 분리하고, 분리한 경유를 증발시켜 합성가스와 함께 반응기(10)로 공급한다. 이때 경유에는 알코올이 포함되어 있다.
본 실시예에 따른 경유 재순환 장치(90)는 반응기(10)에서 생성된 기체 생성물로부터 경유를 분리하고, 분리한 경유를 증발시켜 합성가스와 함께 반응기(10)로 공급하여 경유를 재순환시킨다. 이러한 경유 재순환 장치(90)는 경유 공급부(40), 합성가스 공급부(60) 및 챔버 모듈(50)을 포함하며, 불활성가스 공급부(70) 및 제어부(80)를 더 포함할 수 있다. 제어부(80)는 경유 재순환 장치(90)와, 반응기(10)를 포함하여 합성연료 제조 시스템(100)의 전반적인 제어 동작을 수행할 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 합성연료 제조 시스템(100)은 반응기(10)에서 배출되는 기체 생성물로부터 중유를 분리하는 중유 분리부(30)를 더 포함할 수 있다. 중유 분리부(30)를 통과한 기체 생성물은 경유 재순환 장치(90)의 경유 공급부(40)로 제공된다.
이와 같은 본 실시예에 따른 경유 재순환 장치(90)를 포함하는 합성연료 제조 시스템(100)에 대해서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 합성연료 제조 시스템(100)을 보여주는 도면이다. 그리고 도 3은 도 1의 경유 재순환 장치(90)를 보여주는 도면이다.
반응기(10)는 반응기 본체(11), 가스 분산기(13), 필터링 부재(15), 가열 부재(17) 및 냉각 부재(19)를 포함한다.
가스 분산기(13)는 반응기 본체(11)의 내부에 설치되어 경유 재순환 장치(90)로부터 제공되는 합성가스 또는 경유를 함유하는 합성가스를 제공받아 균일한 기포 입자로 변환시켜 반응기 본체(11) 내부의 슬러리 안으로 분산시켜 제공한다. 이때 가스 분산기(13)는 제공받은 가스를 버블링을 통해 균일한 기포 입자로 변환시킬 수 있도록, 반응기 본체(11)의 저부에 설치하는 것이 바람직하다.
반응기 본체(11)는 합성가스와 피셔-트롭쉬 합성반응하는 촉매를 함유하는 슬러리(오일, 왁스)가 저장되어 있다. 반응기 본체(11)에 저장된 슬러리에 포함된 촉매는 피셔-트롭쉬 합성반응 및 워터 가스 쉬프트(water gas shift) 반응에 대해 활성을 갖는 것으로, 획득되는 합성연료의 성분에 따라 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종이상 혼합되어 구성될 수 있다.
또한 촉매는 반응기 본체(11) 내에 고르게 분사되기 위해서 0.1㎛ 내지 200㎛의 입도 분포를 가질 수 있다. 이는 입자 크기가 0.1㎛보다 작을 경우, 필터링 부재(15)에 의해서 걸러지지 않기 때문에 촉매의 유출을 야기할 수 있다. 반대로 200㎛보다 클 경우에는, 촉매의 침전 현상이 강하게 나타나고 반응기 본체(11) 내에 촉매 입자의 고른 분산이 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
필터링 부재(15)는 피셔-트롭쉬 합성반응에 의해 생성된 합성연료를 배출시키고 촉매는 필터링하는 기능을 한다. 필터링 부재(15)는 반응기 본체(11)의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응에 의해 생성된 합성가스를 포함하는 왁스만을 왁스 저장부(20)로 유출시키는 기능을 한다. 필터링 부재(15)와 왁스 저장부(20)를 연결하는 배관(16)에는 개폐용 밸브(18)가 설치될 수 있다.
이러한 필터링 부재(15)는 일반 스테인리스 재질로 구성될 수 있으며, 기공크기가 0.1㎛ 내지 10㎛ 범위로 구성될 수 있으며, 가장 바람직하게는 기공 크기 1㎛인 것이 바람직하다. 기공 크기 1㎛의 필터링 부재(15)를 사용하였을 경우, 반응기 본체(11) 내에 촉매입자는 거르고 선택적으로 합성연료만을 수거할 수 있다.
가열 부재(17) 및 냉각 부재(19)는 반응기 본체(11)가 합성연료 생성에 적합한 온도, 예컨대 250℃ 내지 300℃를 유지할 수 있도록, 반응기 본체(11)를 가열 또는 냉각한다.
그리고 반응기 본체(11) 내에서 미반응 합성가스 및 반응에 의해 생성된 기체 생성물은 반응기 본체(11)의 상단에 연결된 유출관을 통하여 중유 분리부(30)로 제공한다. 여기서 기체 생성물과 왁스는 모두 피셔-트롭쉬 합성반응에 의한 탄화수소 생성물이라는 점에서 유사하지만, 기체 생성물은 반응조건에서 기상의 형태를 갖고, 왁스는 액상의 형태를 취한다는 점에서 차이가 있다.
반응기 본체(11)에서 생성된 왁스는 필터링 부재(15)에 의해 필터링되어 반응기 본체(11) 밖으로 배출되며, 왁스 저장부(20)는 필터링되어 외부로 배출되는 왁스를 제공받아 저장한다.
중유 분리부(30)는 반응기 본체(11)에서 배출된 기체 생성물에서 중유를 분리한다. 즉 반응기 본체(11)에서 배출된 기체 생성물에 포함된 중유를 끊는점을 이용하여 분리한다. 즉 기체 생성물을 150℃ 내지 300℃ 사이에서 응축시켜 중유를 분리한다.
그리고 경유 재순환 장치(90)는 중유 분리부(30)로부터 중유가 분리된 기체 생성물을 공급받아 경유를 분리한 후, 분리한 경유를 증발시켜 합성가스와 함께 반응기 본체(11)로 공급한다.
이러한 경유 재순환 장치(90)는 경유 공급부(40), 합성가스 공급부(60) 및 챔버 모듈(50)을 포함한다. 경유 공급부(40)는 반응기(10)에서 배출되는 기체 생성물로부터 경유를 분리하고, 분리한 경유를 챔버 모듈(50)로 공급한다. 합성가스 공급부(60)는 합성가스를 반응기(10) 또는 챔버 모듈(50)로 공급한다. 그리고 챔버 모듈(50)은 경유 공급부(40)로부터 경유를 공급받아 저장하며, 저장된 경유를 증발시키고, 증발된 경유를 합성가스 공급부(60)로부터 공급되는 합성가스와 함께 반응기(10)로 공급한다. 챔버 모듈(50)은 경유, 합성가스 및 불활성가스가 공급되는 챔버(51)를 포함한다. 그 외 경유 재순환 장치(90)는 제어부(80) 및 불활성가스 공급부(70)를 더 포함할 수 있다.
제어부(80)는 경유 재순환 장치(90)를 포함한 합성연료 제조 시스템(100)의 전반적인 제어 동작을 수행한다. 제어부(80)는 마이크로프로세서를 내장한 장치로서, 일반적인 컴퓨터로 구현되거나 전용 장치로 구현될 수 있다. 이러한 제어부(80)는 경유 공급부(40)로부터 경유를 챔버(51)로 공급하고, 챔버(51)로 공급된 경유를 증발시키고, 합성가스 공급부(60)로부터 챔버(51)로 합성가스를 공급하여 증발된 경유를 합성가스와 함께 챔버(51)에서 반응기 본체(11)로 공급하도록 제어할 수 있다.
경유 공급부(40)는 열교환기(41), 경유 저장부(43), 물 저장부(45), 필터(47), 배압 조절기 밸브(48; back pressure regulator(BPR)) 및 배출 밸브(49)를 포함한다. 열교환기(41)는 중유 공급부(30)에서 제공된 기체 생성물의 온도를 150℃ 이하로 떨어뜨려 기체 생성물을 경유와 물로 분리한다. 열교환기(41)를 통과하여 분리된 경유는 경유 저장부(43)에 저장되고, 물은 물 저장부(45)에 저장된다. 그리고 나머지는 필터(47), 배압 조절기 밸브(49) 및 배출 밸브(49)를 거쳐 외부로 배출된다. 이때 분리된 경유에는 알코올이 포함되어 있다.
이와 같이 경유 공급부(40)는 기체 생성물에 포함된 경유를 150℃ 이하에서 응축시켜 분리하고, 분리한 경유는 경유 저장부(43)에 저장한다. 경유 공급부(40)는 제어부(80)의 제어에 따라 경유 저장부(43)에 저장된 경유를 챔버 모듈(50)의 챔버(51)로 제공한다.
합성가스 공급부(60)는 제어부(80)의 제어에 따라 합성연료의 제조에 필요한 합성가스를 반응기(10) 또는 챔버(51)로 제공한다. 이러한 합성가스 공급부(60)는 합성가스 저장부(69), 제1 공급라인(61), 제2 공급라인(63) 및 제1 및 제2 질량유량계(65,67; Mass Flow Controller; MFC)를 포함한다. 합성가스 저장부(69)는 반응기(10) 및 챔버(51)로 공급할 합성가스를 저장한다. 제1 공급라인(61)은 합성가스 저장부(61)와 반응기(10)를 연결하며, 합성가스를 반응기(10)로 공급하는 라인이다. 제2 공급라인(63)은 합성가스 저장부(61)와 챔버(51)를 연결하며, 합성가스를 챔버(51)로 공급하는 라인이다. 그리고 제1 및 제2 질량유량계(65,67)는 제1 및 제2 공급라인(61,63)에 각각 설치되어 반응기(10) 및 챔버(51)로 공급되는 합성가스의 유량을 제어한다.
이때 제어부(80)는 챔버(51)의 압력이 반응기(10)의 압력과 동일한 압력으로 상승하도록 제2 공급라인(63)을 통하여 합성가스를 챔버(51)로 공급한다. 제어부(80)는 제1 및 제2 공급라인(61,63)에 각각 설치된 제1 및 제2 질량유량계(65,67)의 제어를 통하여 챔버(51) 및 반응기(10)로 공급되는 합성가스의 유량을 제어한다.
챔버 모듈(50)은 챔버(51), 가열부(53) 및 압력 측정부(55)를 포함한다. 챔버(51)는 경유 공급부(40)로부터 경유를 공급받아 저장하며, 저장된 경유의 증발이 이루어진다. 가열부(53)는 챔버(51)를 가열하여 챔버(51)에 저장된 경유를 증발시킨다. 그리고 압력 측정부(55)는 챔버(51)의 내부 압력을 체크한다. 이때 가열부(53)는 제어부(80)의 제어에 따라 전원 공급부(59)로부터 전원을 공급받아 챔버(51)를 가열한다. 제어부(80)는 챔버(51)에 설치된 열전대(57; thermocouple)가 감지한 온도를 수신하여, 가열부(53)의 구동을 제어하여 챔버(51)의 온도를 조절한다.
챔버(51)는 제3 공급라인(52)을 통하여 반응기(10)의 가스 분산기(13)에 연결된다. 제3 공급라인(52)에는 챔버(51)에서 반응기 본체(11) 쪽으로 제1 밸브(54) 및 제2 밸브(56)가 순차적으로 설치되어 있다. 제1 밸브(54)와 제2 밸브(56) 사이의 제3 공급라인(52)에 제1 공급라인(61)이 연결되어 있다.
여기서 제어부(80)는 압력 측정부(55)에서 측정된 압력이 반응기(10)의 압력과 동일할 때까지 제1 밸브(54)를 닫아 챔버(51)에서 반응기(10)로 증발된 경유를 포함하는 합성가스가 공급되는 것을 차단한다. 제어부(80)는 압력 측정부(55)에서 측정된 압력이 반응기(10)의 압력과 동일하면, 제1 밸브(54)를 열어 챔버(51)에서 가스 분산기(13)로 합성가스와 증발된 경유를 함께 공급한다. 제어부(80)는 가열부(53)를 통한 챔버(51)의 온도 제어를 통하여 경유의 증발 속도를 제어할 수 있다. 제어부(80)는 경유의 반응기(10)로의 유입속도를 챔버(51)의 온도와 챔버(51)를 통과하는 합성가스의 유속 제어를 통하여 결정할 수 있다.
그리고 불활성가스 공급부(70)는 챔버(51)로 불활성가스를 공급한다. 불활성가스 공급부(70)는 불활성가스 저장부(71), 제4 공급라인(73) 및 제3 밸브(75)를 포함한다. 불활성가스 저장부(71)는 챔버(51)로 공급할 불활성가스를 저장한다. 제4 공급라인(73)은 불활성가스 저장부(71)와 챔버(51)를 연결하며, 불활성가스를 챔버(51)로 공급하는 라인이다. 그리고 제3 밸브(75)는 제4 공급라인(73)에 설치되어 불활성가스 저장부(71)에서 챔버(51)로의 불활성가스의 공급을 개폐한다. 이때 제어부(80)는 합성가스 공급부(60)를 통하여 합성가스를 챔버(51)로 공급할 때, 불활성가스 공급부(70)를 통하여 챔버(51)로 불활성가스를 함께 공급할 수 있다. 이때 불활성가스는 챔버(51)의 압력을 높이는 기능과, 챔버(51)에서 배출되는 합성가스와 경유의 함량을 조절하는 기능을 수행할 수 있다. 불활성가스로는 헬륨, 네온, 아르곤, 질소 등이 사용될 수 있다.
이와 같이 불활성가스 공급부(70)와 챔버(51)를 연결하는 제4 공급라인(73)에는 불활성가스의 공급량을 조절하는 제3 밸브(75)가 설치되어 있다. 챔버(51)와 반응기(10)를 연결하는 제3 공급라인(52)에는 챔버(51)에서 반응기(10) 쪽으로 제1 밸브(54) 및 제2 밸브(56)가 순차적으로 설치되어 있다. 제1 밸브(54)와 제2 밸브(56) 사이의 제3 공급라인(52)에 제1 공급라인(61)이 연결되어 있다.
따라서 제어부(80)는 제1 내지 제3 밸브(54,56,75), 제1 및 제2 질량유량계(65,67)의 제어를 통하여 반응기(10)로 제공될 총 합성가스의 유량과 경유의 유량을 제어한다.
한편 본 실시예에 따른 왁스 저장부(20), 중유 분리부(30), 경유 저장부(43) 및 물 저장부(45)는 각각 저장된 물질을 외부로 배출할 수 있는 배출 밸브(20a,30a,43a,43b,43c,45a)가 설치되어 있다. 특히 경유 저장부(43)에는 배출관(42)과, 배출관(42)에서 분기되어 챔버(51)에 연결된 경유 공급관(44)이 연결되어 있다. 배출관(42)에는 분기된 경유 공급관(44)의 분기 지점을 기준으로 양쪽에 제1 및 제2 배출 밸브(43a,43b)가 설치되어 있다. 경유 공급관(44)에는 제3 배출 밸브(43c)가 설치되어 있다. 경유 저장부(43)에서 챔버(51)로 경유를 공급하는 경우, 제어부(80)의 제어에 따라 제1 및 제3 배출 밸브(43a,43b)는 개방하고, 제2 배출 밸브(43b)는 닫는다. 경유 저장부(43)에 저장된 경유를 외부로 배출하는 경우, 제어부(80)의 제어에 따라 제1 및 제2 배출 밸브(43a,43b)는 개방하고, 제3 배출 밸브(43c)는 닫는다.
본 실시예에 따른 합성연료 제조 시스템(100)은 제어부(80)의 제어에 따라 경유를 재순환시키면서 합성연료를 제조한다.
먼저 합성연료 제조 시스템(100)을 초기 시동하는 단계에서, 제어부(80)는 제1 질량유량계(65)의 제어를 통하여 합성가스를 직접 제1 공급라인(61) 및 제3 공급라인(52)을 통하여 반응기(10)의 가스 분산기(13)에 제공한다. 이때 제1 밸브(54)는 닫혀 있으며, 제2 밸브(56)는 개방된 상태를 유지한다. 제1 공급라인(61) 및 제3 공급라인(52)의 압력은 반응기 본체(11)의 압력과 동일한 상태를 유지할 수 있도록, 제어부(80)는 제1 질량유량계(65)의 제어를 통하여 합성가스의 유량을 제어한다.
반응기(10)의 가동에 따라 기체 생성물이 생성되고, 경유공급부(40)는 기체 생성물로부터 경유를 분리하고, 분리한 경유를 경유 저장부(43)에 저장한다. 제어부(80)는 경유 저장부(43)에서 챔버(51)로 소정 양의 경유를 제공한다.
제어부(80)는 가열부(53)를 가동시켜 챔버(51)를 소정 온도로 가열하여 경유를 증발시킨다. 제어부(80)는 합성가스 공급부(60)와 불활성가스 공급부(70)를 통하여 합성가스와 불활성가스를 챔버(51)로 공급하여 챔버(51)의 압력을 상승시킨다. 이때 제어부(80)는 제2 질량유량계(67)의 제어를 통하여 챔버(51)로 합성가스를 공급하고, 제3 밸브(75)를 개방하여 제4 공급라인(73)을 통하여 불활성가스를 챔버(51)로 공급한다. 제어부(80)는 가열부(53)의 제어를 통하여 챔버(51)의 온도를 조절할 수 있기 때문에, 이를 통하여 경유의 증발 속도를 조절할 수 있다.
그리고 제어부(80)는 측정된 압력이 반응기 본체(11)의 압력과 동일한 지의 여부를 판단한다. 이때 챔버(51)의 압력은 압력 측정부(55)가 측정하며, 측정된 압력은 제어부(80)로 전송된다. 판단 결과 챔버(51)의 압력이 반응기 본체(11)의 압력에 도달하지 않은 경우, 제어부(80)는 제1 밸브(54)의 닫힌 상태를 유지한다. 반면에 판단 결과 동일한 경우, 제어부(80)는 제1 밸브(54)를 개방하여 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 제3 공급라인(52)을 통하여 반응기(10)의 가스 분산기(13)에 공급한다. 이때 제1 공급라인(61)을 통하여 합성가스가 반응기(10)로 제공되고 있는 상태이기 때문에, 제1 밸브(54)를 개방하여 챔버(51)의 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 반응기(10)로 제공하는 경우, 제1 공급라인(61)을 통하여 공급되는 합성가스의 유량에서 제1 밸브(54)를 통하여 공급되는 합성가스의 유량만큼 차감하여 공급할 수 있다. 즉 챔버(51) 내부에서 증발된 경유는 합성가스와 함께 반응기의 가스 분산기(13)로 공급된다. 제어부(80)는 반응기(10)로 유입되는 증발된 경유의 유입 속도를 챔버(51)의 온도와 챔버(51)를 통과하는 합성가스의 유속으로 조절할 수 있기 때문에, 증발된 경유의 미세 유량에 대한 정밀 제어가 가능하다.
이와 같이 본 실시예에 따른 경유 재순환 장치(90)는 피셔-트롭쉬 합성반응을 통하여 반응기(10)에서 생성되는 알코올이 포함된 경유를 분리한 후 재순환시켜 반응기(10)로 안정적으로 공급할 수 있다. 즉 본 실시예에 따른 경유 재순환 장치(90)는 피셔-트롭쉬 합성반응을 통해 생성된 탄화수소 화합물로부터 알코올이 포함된 경유를 분리하고, 분리한 경유를 증발시켜 합성가스와 함께 반응기(10)로 공급할 수 있다. 또한 반응기(10)가 구동하는 동안 경유가 계속적으로 생성되기 때문에, 본 실시예에 따른 합성연료 제조 시스템(100)은 경유의 재순환을 통하여 반응기(10)를 연속적으로 구동시킬 수 있다.
본 실시예에 따른 경유 재순환 장치(100)는 반응기(10)로 재순환되어 공급되는 경유의 유량을 안정적으로 제어하여 공급할 수 있기 때문에, 안정적인 피셔-트롭쉬 합성반응을 유도하여 합성연료의 생산을 안정화시킬 수 있다. 즉 알코올은 극소량으로도 반응기(10)의 성능에 크게 영향을 미치기 때문에, 불필요하게 다량의 경유가 반응기(10)로 공급되는 것도 문제를 초래할 수 있다. 이러한 측면에 본 실시예에 따른 경유 재순환 장치(80)는 챔버(51)의 온도와 챔버(51)에 유입되는 합성가스의 유속 제어를 통하여, 챔버(51)를 통하여 반응기(10)로 공급되는 경유의 유량을 정밀하게 제어할 수 있다.
이와 같은 본 실시예에 따른 경유 재순환 방법과, 그를 이용한 합성연료 제조 방법에 대해서 도 1 내지 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 합성연료 제조 시스템(100)의 경유 재순환을 통한 합성연료 제조 방법에 따른 흐름도이다. 그리고 도 5는 도 4의 경유 재순환 장치(90)를 이용한 경유 재순환 방법에 따른 상세 흐름도이다.
먼저 S10단계에서 경유 재순환 장치(90)는 합성가스 공급부(60)에서 반응기(10)로 직접 합성가스를 공급한다. 즉 제어부(80)는 제2 밸브(56)를 개방시킨 상태에서, 제1 질량유량계(65)의 제어를 통하여 합성가스를 반응기(10)로 공급한다. 제1 밸브(54)는 닫혀 있다.
다음으로 S20단계에서 반응기(10)는 공급된 합성가스를 이용하여 피셔-트롭쉬 합성반응으로 왁스와 기체 생성물을 포함하는 탄화수소 화합물을 생성한다. 생성된 왁스는 필터링 부재(15)를 통하여 필터링되어 반응기(10) 외부의 왁스 저장부(20)로 배출되어 저장된다. 생성된 기체 생성물은 반응기(10)의 상단의 배출관을 통하여 경유 분리부(30)로 공급된다. 이때 반응기(10) 내에서의 피셔-트롭쉬 합성반응은 일반적으로 알려진 기술이기 때문에, 왁스와 기체 생성물의 생성과 관련된 구체적인 설명은 생략한다.
다음으로 S30단계에서 중유 분리부(30)는 반응기(10)에서 배출된 기체 생성물에서 중유를 분리한다. 즉 중유 분리부(30)는 중유와 경유의 끊는점 차이를 이용하여 기체 생성물에서 중유를 분리한다.
이어서 S40단계에서 경유 재순환 장치(90)는 중유가 분리된 기체 생성물에서 경유를 분리하고, 분리한 경유를 증발시켜 합성가스와 함께 반응기(10)에 공급함으로써, 반응기(10)에서 생성된 경유를 재순환하여 사용할 수 있다.
그리고 S50단계에서 경유 재순환 장치(90)는 경유의 재순환을 포함한 합성연료의 제조 공정의 종료 여부를 판단한다. 예컨대 경유 재순환 장치(90)의 제어부(80)로 종료 신호가 입력되었는 지의 여부로부터 종료 여부를 판단할 수 있다.
S50단계의 판단 결과 종료 신호가 입력되지 않은 경우, 합성연료 제조 시스템(100)은 S20단계부터 다시 시작한다. S20단계의 판단결과 종료 신호가 입력된 경우, 합성연료 제조 시스템(100)은 합성연료의 제조 공정을 종료한다.
이때 S40단계에 따른 경유의 재순환 공정을, 도 5를 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
S41단계에서 경유 재순환 장치(90)는 중유가 분리된 기체 생성물을 열교환하여 경유와 물로 분리한다. 즉 열교환기(41)는 중유 공급부(30)에서 제공된 기체 생성물의 온도를 150℃ 이하로 떨어뜨려 기체 생성물을 경유와 물로 분리한다. 열교환기(41)를 통과하여 분리된 경유는 경유 저장부(43)에 저장되고, 물은 물 저장부(45)에 저장된다. 그리고 나머지는 필터(47)와 배압 조절기 밸브(49)를 거쳐 합성연료 제조 시스템(100)의 외부로 배출된다. 이때 분리된 경유에는 알코올이 포함되어 있다.
다음으로 S43단계에서 경유 재순환 장치(90)는 분리한 경유를 챔버(51)에 공급한다. 즉 경유 공급부(40)는 제어부(80)의 제어에 따라 경유 저장부(43)에 저장된 경유를 챔버(41)로 제공한다. 이때 제1 밸브(54)는 닫힌 상태를 유지한다.
다음으로 S45단계에서 경유 재순환 장치(90)는 챔버(51)에서 반응기(10)로 공급될 경유의 유속에 맞게 챔버(51)를 가열하여 경유를 증발시킨다. 즉 제어부(80)는 가열부(53)를 통한 챔버(51)의 가열 온도를 조절함으로써, 챔버(51) 내에서 증발되는 경유의 증발 속도를 조절한다. 제어부(80)는 경유의 증발 속도 조절을 통해 챔버(51)로 공급될 경유의 유속, 즉 경유의 유량을 제어한다.
다음으로 S47단계에서 경유 재순환 장치(90)는 챔버(51)에서 반응기(10)로 공급된 경유의 유속에 맞게 합성가스와 불활성가스의 유속을 조절하여 챔버(51)에 공급한다. 즉 제어부(80)는 합성가스 공급부(60)와 불활성가스 공급부(70)를 통하여 합성가스와 불활성가스를 챔버(51)로 공급하여 챔버(51)의 압력을 상승시킨다. 이때 제어부(80)는 제2 질량유량계(67)의 제어를 통하여 챔버(51)로 합성가스를 공급하고, 제3 밸브(75)를 개방하여 제4 공급라인(73)을 통하여 불활성가스를 챔버(51)로 공급한다. 불활성가스로는 헬륨, 네온, 아르곤, 질소가스 등이 사용될 수 있으며, 본 실시예에서는 질소가스를 사용하는 예를 개시하였다. 물론 제어부(80)는 제1 밸브(54)의 닫힌 상태를 그대로 유지한다.
다음으로 S48단계에서 경유 재순환 장치(90)는 챔버(51)의 압력이 반응기(10)의 압력과 동일한 지의 여부를 판단한다. 즉 합성가스 공급부(60) 및 불활성가스 공급부(70)를 통해 합성가스와 불활성가스가 챔버(51)로 공급되기 때문에, 챔버(51)의 내부 압력은 상승하게 된다. 제어부(80)는 챔버(51)의 내부 압력이 반응기(10)의 내부 압력에 도달하였는 지의 여부를 판단한다. 이와 같이 압력을 체크하는 이유는, 챔버(51)의 내부 압력과 반응기(10)의 내부 압력에 도달해야 챔버(51)로부터 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 반응기(10)로 제공할 수 있기 때문이다.
S48단계의 판단 결과 동일하지 않는 경우, 즉 챔버(51)의 압력이 반응기(10)의 압력보다 낮은 경우, 경유 재순환 장치(90)는 S47단계를 반복하여 수행한다. 즉 경유 재순환 장치(90)는 챔버(51)의 내부 압력을 상승시키는 S47단계를 계속적으로 수행한다.
그리고 S48단계의 판단 결과 동일한 경우, 즉 챔버(51)의 압력이 반응기(10)의 압력에 도달한 경우, S49단계에서 경유 재순환 장치(90)는 챔버(51)로부터 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 반응기(10)로 공급한다. 이때 제어부(80)는 제1 밸브(54)를 개방하여 챔버(51)로부터 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 제3 공급라인(52)을 통해 반응기(10)의 가스 분산기(13)로 공급한다.
한편 제1 공급라인(61)을 통하여 합성가스가 반응기(10)로 제공되고 있는 상태이기 때문에, 제1 밸브(54)를 개방하여 챔버(51)의 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 반응기(10)로 제공하는 경우, 제1 공급라인(61)을 통하여 공급되는 합성가스의 유량에서 제1 밸브(54)를 통하여 공급되는 합성가스의 유량 만큼 차감하여 공급할 수 있다. 즉 제1 밸브(54)의 개폐와 무관하게, 제2 밸브(56)를 통하여 반응기(10)로 공급되는 합성가스의 총 유량이 일정하게 공급될 수 있도록, 제어부(80)는 제1 및 제2 질량유량계(65,67)를 제어할 수 있다.
이와 같이 반응기(10)에서 생성되는 기체 생성물에 포함된 경유의 재순환을 통해서, 재순환되는 경유에 포함된 알코올의 양을 정밀하게 제어하여 반응기(10)에 연속적으로 제공할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

Claims (14)

  1. 반응기에서 배출되는 기체 생성물로부터 알코올을 함유하는 경유를 분리하고, 분리한 경유를 공급하는 경유 공급부;
    합성가스를 공급하는 합성가스 공급부;
    상기 경유 공급부로부터 경유를 공급받아 저장하며, 저장된 경유를 증발시키고, 증발된 경유를 상기 합성가스 공급부로부터 공급되는 합성가스와 함께 상기 반응기로 공급하는 챔버를 구비하는 챔버 모듈;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 경유 공급부로부터 경유를 상기 챔버로 공급하고, 상기 챔버로 공급된 경유를 증발시키고, 상기 합성가스 공급부로부터 상기 챔버로 합성가스를 공급하여 증발된 경유를 합성가스와 함께 상기 챔버에서 상기 반응기로 공급하도록 제어하는 제어부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 챔버 모듈은,
    상기 경유 공급부로부터 경유를 공급받아 저장하며, 저장된 경유의 증발이 이루어지는 상기 챔버;
    상기 챔버를 가열하여 상기 챔버에 저장된 경유를 증발시키는 가열부;
    상기 챔버의 내부 압력을 체크하는 압력 측정부;를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 압력 측정부에서 측정된 압력이 상기 반응기의 압력과 동일하면, 상기 챔버에서 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 상기 반응기로 공급하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 가열부 및 압력 측정부를 통한 상기 챔버의 온도 제어를 통하여 상기 경유의 증발 속도를 제어하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 경유의 상기 반응기로의 유입속도를 상기 챔버의 온도와 상기 챔버를 통과하는 합성가스의 유속 제어를 통해 결정하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 합성가스 공급부는,
    합성가스를 저장하는 합성가스 저장부;
    상기 합성가스 저장부와 상기 반응기를 연결하며, 상기 합성가스를 상기 반응기로 공급하는 제1 공급라인;
    상기 합성가스 저장부와 상기 챔버를 연결하며, 상기 챔버로 상기 합성가스를 공급하는 제2 공급라인;
    상기 제1 및 제2 공급라인에 각각 설치되어 상기 제1 및 제2 공급라인을 통과하는 합성가스의 유량을 제어하는 질량유량계(Mass Flow Controller; MFC);를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 챔버의 압력이 상기 반응기의 압력과 동일한 압력으로 상승하도록 상기 제2 공급라인을 통하여 합성가스를 상기 챔버로 공급하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제어부는
    상기 제1 및 제2 공급라인에 각각 설치된 상기 질량유량계의 제어를 통하여 상기 챔버 및 상기 반응기로 공급되는 가스의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 챔버 모듈은,
    상기 챔버와 상기 반응기를 연결하는 제3 공급라인;을 더 포함하며,
    상기 제3 공급라인에는 상기 챔버에서 상기 반응기 쪽으로 제1 밸브와 제2 밸브가 순차적으로 설치되며, 상기 제1 밸브와 제2 밸브 사이의 상기 제3 공급라인에 상기 제1 공급라인이 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 챔버의 압력이 상기 반응기의 압력보다 낮으면, 상기 제1 밸브는 차단하고 상기 제2 밸브를 개방하여 상기 제1 공급라인을 통하여 합성가스를 상기 반응기로 공급하고,
    상기 챔버의 압력이 상기 반응기의 압력과 동일하면, 상기 제1 공급라인을 통한 합성가스와, 상기 제1 밸브를 개방하여 상기 제3 공급라인을 통하여 증발된 경유를 포함하는 합성가스를 상기 반응기로 공급하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  10. 제10항에 있어서, 상기 제어부는,
    상기 제2 밸브를 통과하여 상기 반응기로 공급되는 합성가스의 총 유량을 제1 밸브의 개폐 여부와 무관하게 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 경유 공급부는
    상기 반응기에서 기체 생성물이 배출되고 이로부터 중유가 분리된 후, 열교환 및 밀도차를 통하여 경유와 물로 분리하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버로 불활성가스를 공급하는 불활성가스 공급부;를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 합성가스 공급부를 통하여 합성가스가 상기 챔버로 공급될 때, 상기 불활성가스 공급부를 통하여 상기 챔버로 상기 불활성가스를 공급하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템의 경유 재순환 장치.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 경유 재순환 장치;
    상기 경유 재순환 장치로부터 합성가스 또는 경유가 포함된 합성가스를 공급받아 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성반응으로 탄화수소 화합물을 생성하는 슬러리 기포탑 반응기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템.
  14. 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성반응으로 탄화수소 화합물을 생성하는 슬러리 기포탑 반응기;
    상기 슬러리 기포탑 반응기에서 배출되는 상기 기체 생성물로부터 알코올을 함유하는 경유를 분리하고, 분리한 경유를 증발시켜 합성가스와 함께 상기 슬러리 기포탑 반응기로 공급하는 경유 재순환 장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 합성연료 제조 시스템.
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