WO2021133040A1 - 마이크로 채널 반응기 및 이의 제조방법 - Google Patents

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WO2021133040A1
WO2021133040A1 PCT/KR2020/018940 KR2020018940W WO2021133040A1 WO 2021133040 A1 WO2021133040 A1 WO 2021133040A1 KR 2020018940 W KR2020018940 W KR 2020018940W WO 2021133040 A1 WO2021133040 A1 WO 2021133040A1
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catalyst
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손상호
윤석호
김영
김정철
신정헌
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한국기계연구원
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    • B01J2219/00781—Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00788—Three-dimensional assemblies, i.e. the reactor comprising a form other than a stack of plates

Definitions

  • the present invention relates to a microchannel reactor and a method for manufacturing the same, and more particularly, to a microchannel reactor capable of maximizing the performance of a catalyst through smooth material and heat exchange, and a method for manufacturing the same.
  • a reactor using microchannels has a structure in which a plurality of unit reactors equipped with microchannels are combined, and is a very effective reactor for performing chemical reactions such as hydrocarbon reforming reactions.
  • the microchannel reactor has a structure that maximizes the performance of the catalyst through smooth material and heat exchange compared to the existing fixed bed reactor, so it is a hydrogen supply device for small fuel cells and GTL (gas to liquid) for producing synthetic petroleum from natural gas. It is evaluated to be effective in GTL-FPSO process applicable to process and marine environment, petrochemical process, fine chemical process, and energy environment process.
  • the volume of the reactor, heat transfer performance, reaction performance, reaction time, etc. may be determined according to the arrangement and arrangement conditions of the catalyst disposed inside the channel as well as the technology for forming the microchannel.
  • microchannel reactors form microchannels on thin plates through chemical corrosion, dry etching, and mechanical methods, alternately stacking thin plates with microchannels formed therein, and performing diffusion bonding of the stacked thin plates to form microchannels.
  • a reactor with level channels will be fabricated.
  • the catalyst for the reaction is coated on the inner surface of the microchannel.
  • the method of coating the catalyst is to directly put the reactor in which the microchannel is formed into the catalyst solution to form a catalyst coating layer on the inner surface of the channel (dip coating ( dip coating) method is mainly used.
  • the catalyst coating in this way has a problem in that it is impossible to check the presence or absence of the catalyst coating because the catalyst is coated on the microchannel inside the channel after processing the microchannel.
  • capillary phenomenon caused by the surface tension acting on the inner surface of the channel.
  • the catalyst solution cannot be uniformly coated for each channel, and the catalyst solution cannot be uniformly coated in the longitudinal direction and along the inner circumference even in the inner region of each channel.
  • the catalyst coating is not uniformly formed, there is a problem in that the reaction performance is not uniform for each unit reactor and thus the yield is reduced.
  • the pressure may increase due to clogging of the channel flow path during long-term use, and durability may decrease due to the pressure increase.
  • An object of the present invention is to solve the problems of the prior art, and an object of the present invention is to form a uniform reaction area of the catalyst inside the channel to improve reaction performance and yield, and to improve durability while having a simple structure. It is to provide a microchannel reactor.
  • Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing the microchannel reactor.
  • a microchannel reactor includes a channel frame and a catalyst plate.
  • the channel frame is provided with a reaction space connecting the reactant inlet and the product outlet.
  • the catalyst plate extends from the reactant supply port to the product outlet, a catalyst required for the reaction is coated on the surface, and both ends are in contact with the inner surface of the channel frame to divide the reaction space into a plurality of spaces.
  • the catalyst plate may include a pair of first and second catalyst plates disposed to cross each other.
  • both ends of the first catalyst plate are in contact with the inner surface of the channel frame, a first partial incision groove is formed in the central portion, and both ends of the second catalyst plate are in contact with the inner surface of the channel frame, A second partial incision groove coupled to the first partial incision groove may be formed in the central portion.
  • the channel frame, a cross section perpendicular to the extending direction of the channel frame may be any one of a rectangular, semi-circular, and circular shape.
  • the catalyst plate both ends of the first catalyst plate in contact with the inner surface facing the vertical direction of the channel frame, the first catalyst plate is disposed inclined in the width direction of the channel frame, and both ends of the upper and lower ends of the channel frame and a second catalyst plate in contact with the inner surface opposite to the direction, the second catalyst plate being inclined in the width direction of the channel frame, wherein the first catalyst plate and the second catalyst plate have a zigzag shape along the width direction of the channel frame may be alternately placed.
  • the catalyst plate includes a third catalyst plate having both ends in contact with inner surfaces opposite to the width direction of the channel frame and disposed to cross the central portions of the first catalyst plate and the second catalyst plate. may include more.
  • the catalyst plate may include a plurality of protrusions formed to protrude from the surface.
  • the channel frame may further include a rear flange extending from the rear end of the product outlet in the central direction and in close contact with the rear edge of the catalyst plate.
  • the rear flange, the inner surface in contact with the product may be formed to be tapered (taper).
  • it may further include a front mesh plate coupled to the front end of the reactant supply port in close contact with the front surface of the catalyst plate.
  • the reactant supply port is coupled to the front end of the reactant supply port so as to cover the front mesh plate and further comprises a reactant supply header part for bringing the front mesh plate into close contact with the reactant supply port and the front surface of the catalyst plate, the reactant supply
  • the header part may be provided with a step recessed from the coupling surface in close contact with the front edge of the reactant supply port to accommodate the front mesh plate.
  • the method of manufacturing a microchannel reactor according to an embodiment for realizing another object of the present invention includes a catalyst coating step of coating a catalyst on the surface of a plate-shaped catalyst plate, and a reactant supply port and a product outlet for the catalyst plate. and a catalyst plate coupling step of coupling to a channel frame provided with a reaction space to be connected.
  • the catalyst plate extends from the reactant supply port toward the product outlet, and both ends are coupled to contact the inner surface of the channel frame.
  • the catalyst plate includes a first catalyst plate having both ends in contact with the inner surface of the channel frame and having a first partial cut-out groove formed in the central portion, and a second portion having both ends in contact with the inner surface of the channel frame and a central portion and a second catalyst plate having cut-out grooves formed thereon, which is performed before the catalyst plate coupling step, and the first partial cut-out groove and the second partial cut-out groove are coupled to the first catalyst plate and the second catalyst plate. It may further include a catalyst plate assembly step of assembling to cross each other.
  • the catalyst plate includes a first catalyst plate having both ends in contact with the inner surfaces facing up and down of the channel frame and disposed to be inclined in the width direction of the channel frame, and both ends having both ends in the vertical direction of the channel frame. and a second catalyst plate that is in contact with the inner surface facing the channel frame and is inclined in the width direction of the channel frame, which is performed before the catalyst plate coupling step, wherein the first catalyst plate and the second catalyst plate are connected to the channel
  • the method may further include a catalyst plate assembly step of assembling to be alternately arranged in a zigzag form along the width direction of the frame.
  • the catalyst plate further includes a third catalyst plate having both ends in contact with inner surfaces facing the width direction of the channel frame, wherein the assembling the catalyst plate includes:
  • the method may further include assembling the first catalyst plate to cross the center of the second catalyst plate.
  • the catalyst plate coupling step may further include a front mesh plate assembly step of assembling a front mesh plate on the front surface of the channel frame.
  • the catalyst coating process of the reactor can be simplified by coating the catalyst on a plate-shaped catalyst plate and then bonding and disposing the catalyst inside the channel of the reactor, and thermal shock acting in the high-temperature lamination bonding process
  • thermal shock acting in the high-temperature lamination bonding process it is possible to prevent the catalysts coated in advance in the reactor from easily falling off or to deteriorate in performance, and to effectively control the desired coating strength and reaction area of the catalyst to maximize the reaction performance and heat exchange performance of the reactor, thereby increasing the efficiency of the reactor.
  • the catalyst plate is disposed to have a reinforcing structure inside the channel, durability of the reactor can be greatly improved.
  • FIG. 1A is a side view illustrating a channel frame of a microchannel reactor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a front view of the channel frame of FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a front view showing the catalyst plate of the microchannel reactor of FIG. 1A
  • FIG. 2B is an enlarged front view of only part 'A' of FIG. 2A.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating the catalyst plate of FIG. 2 .
  • 4A to 4D are front views illustrating various modifications of the channel frame and catalyst plate of the microchannel reactor of FIG. 1A.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view illustrating a catalyst plate of the microchannel reactor of FIG. 1A.
  • 6A and 6B are longitudinal cross-sectional views illustrating a channel frame of the microchannel reactor of FIG. 1A.
  • FIG. 7 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a reactant supply header part and a front mesh plate of the microchannel reactor of FIG. 1A.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the microchannel reactor of FIG. 1A.
  • FIG. 1A is a side view illustrating a channel frame of a microchannel reactor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 1B is a front view of the channel frame of FIG. 1A
  • FIG. 2A is a front view showing the catalyst plate of the microchannel reactor of FIG. 1A
  • FIG. 2B is an enlarged front view of only part 'A' of FIG. 2A.
  • the microchannel reactor 100 may include a channel frame 110 and a catalyst plate 120 .
  • the channel frame 110 forms a microchannel for generating a desired product by chemically reacting the reactants, and a reactant supply unit 111a to which the reactant is supplied, a product outlet 111b through which the product is discharged, and a reactant supply unit ( 111a) and a reaction space 111 connecting the product outlet 111b may be provided.
  • the reaction space 111 of the channel frame 110 may be provided long in the flow direction of the reactants and products.
  • the reaction space 111 of the channel frame 110 may be manufactured by forming a micro-sized through hole in the longitudinal direction of the thin plate-shaped frame.
  • the reaction space 111 of the channel frame 110 may be manufactured by forming fine grooves on the surface of the thin plates and laminating and bonding a pair of thin plates with grooves formed thereon.
  • the method of forming fine grooves in thin plates can be processed through chemical corrosion, dry etching, and mechanical methods, and the bonding of thin plates can be fixed by diffusion bonding, brazing, laser welding, etc. can
  • a unit reactor can be configured through one channel frame 110 having a reaction space 111, and such a unit reactor is stacked and bonded in the vertical or front-back direction in the drawing to configure a reactor having a plurality of microchannels. can do.
  • channel frame 110 has been exemplified to have a rectangular cross-section through FIGS. 1A and 1B, it is not limited thereto, and can be formed in various cross-sectional shapes such as a semi-circular cross-section or a circular cross-section as well as a polygonal cross-section such as a triangular cross-section have.
  • the catalyst plate 120 is coated with a catalyst for the reaction of the reactants, and may be inserted and coupled to the inside of each channel frame 110 .
  • the catalyst plate 120 may be formed in a plate shape, and may be provided to have a length from the reactant supply port 111a toward the product discharge port 111b. In addition, both ends in the width direction may be arranged to contact the inner surface of the channel frame 110 to partition the reaction space 111 into a plurality of spaces.
  • the catalyst plate 120 includes first and second catalyst plates 121 and 122 , and the first and second catalyst plates 121 and 122 . ) are arranged in a direction crossing each other inside the channel frame 110, and may extend. A detailed description thereof will be given later.
  • the catalyst plate 120 may be pre-coated with a catalyst required for the reaction before being coupled to the channel frame 110 .
  • the type of catalyst selected according to the reactants and products is not particularly limited.
  • a dip coating method may be applied.
  • a catalyst coating layer is formed on the entire surface of the material by putting the catalyst-coated material directly into the catalyst solution. and a detailed description of the already known tip coating method will be omitted.
  • the catalyst plate 120 is formed in a plate shape, and by performing dip coating on only the plate-shaped catalyst plate 120 alone before being coupled to the channel frame 110 , the catalyst plate 120 is ), the catalyst solution can be uniformly coated over the entire surface, and then, by inserting and bonding the catalyst plate 120 coated with the catalyst in advance into the reaction space 111 of the channel frame 110, uniform reaction performance for each unit reactor is achieved. can be secured, thereby increasing the quality and yield of the product.
  • the flow path of the reaction space 111 can be formed without clogging due to the uniform coating of the catalyst solution, a problem of reduced durability due to pressure increase can be prevented.
  • the manufacturing process of the reactor can be completed by combining the catalyst plate 120 coated with the catalyst in the inside of the reaction space 111 of the channel frame 110, dip as described above.
  • capillary action acting on the microchannel structure does not need to be considered at all, and the arrangement and arrangement of the catalyst plate 120 in contact with the reactant can be more freely adjusted and set.
  • both ends of the catalyst plate 120 in the width direction are in contact with the inner surface of the channel frame 110 and are arranged to divide the reaction space 111 into a plurality of spaces, the reaction area can be widened. It is possible to maximize the reaction performance per unit volume.
  • the durability or catalyst performance of the catalyst plate 120 is deteriorated due to long-term use, only the corresponding catalyst plate 120 can be separated from the channel frame 110 or replaced or maintenance can be performed. There are also management benefits.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating the catalyst plate of FIG. 2 .
  • 4A to 4D are front views illustrating various modifications of the channel frame and catalyst plate of the microchannel reactor of FIG. 1A.
  • the catalyst plate 120 may include a first catalyst plate 121 and a second catalyst plate 122 . At this time, both ends of the first catalyst plate 121 may be in contact with the inner surface of the channel frame 110 in the width direction, and both ends of the second catalyst plate 122 may also be in contact with the inner surface of the channel frame 110 in the width direction.
  • both ends of the first catalyst plate 121 are fixed to opposite inner corners of the rectangular cross-section, and the Both ends of the second catalyst plate 122 may be fixed to opposite inner corners of the rectangular cross-section while extending to cross the first catalyst plate 121 .
  • both ends of the first catalyst plate 121 are fixed at positions facing each other on the inner circumferential surface of the circular shape
  • the second catalyst plate 122 may extend to cross the first catalyst plate 121 and both ends may be fixed at positions facing each other on the inner circumferential surface of the circular shape.
  • first catalyst plate 121 and the second catalyst plate 122 may be disposed so that center lines in the width direction cross each other.
  • the first catalyst plate 121 and the second catalyst plate 122 may be arranged in a cross (+) shape inside the reaction space 111 of the channel frame 110, and the reaction space 111 is divided into 4 It can be partitioned by the space of the point.
  • the catalyst plate 120 of the reactor shown in FIGS. 4A and 4B divides the reaction space 111 into a plurality of spaces having the same cross-sectional area on the cross section, so that the reactants flowing in the reaction space 111 are transferred to the catalyst plate ( 120) in a uniform reaction area, thereby increasing the reaction performance of the unit reactor.
  • both ends of each of the first catalyst plate 121 and the second catalyst plate 122 are spaced apart and in contact with each other at uniform intervals on the inner surface of the channel frame 110, the radial support force of the channel frame 110 is increased. It is possible to increase the overall durability of the catalyst plate 120 and the channel frame 110 .
  • a first partial cut-out groove 121a may be provided on the center line in the width direction of the first catalyst plate 121 , and on the center line in the width direction of the second catalyst plate 122 , the first A second partial cut-out groove 122a corresponding to the partial cut-out groove 121a may be provided.
  • the first catalyst plate 121 and the second catalyst plate 122 cross each other in a cross shape by connecting the first partial cut-out grooves 121a and the second partial cut-out grooves 122a in the longitudinal direction to face each other.
  • the first catalyst plate 121 and the second catalyst plate 122 may be pre-assembled in a cross shape, and then inserted and coupled into the reaction space 111 of the channel frame 110 .
  • the catalyst plate 120 may include a third catalyst plate 123 and a fourth catalyst plate 124 .
  • both ends of the third catalyst plate 123 in the width direction are in contact with the inner surfaces facing the vertical direction of the channel frame 110, and may be disposed to be inclined in the width direction of the channel frame 110
  • the fourth catalyst plate ( 124 may be disposed to be inclined in the width direction of the channel frame 110 while both ends are in contact with the inner surfaces facing the vertical direction of the channel frame 110 in the width direction.
  • the third catalyst plate 123 and the fourth catalyst plate 124 may be arranged in a V shape on the reaction space 111 of the channel frame 110 .
  • the reactants flowing through the catalyst plate 120 of the reactor shown in FIG. 4C also in the reaction space 111 may contact the catalyst plate 120 with a uniform reaction area, thereby improving the reaction performance of the unit reactor.
  • each of the third catalyst plate 123 and the fourth catalyst plate 124 are in contact with and connected to the inner surfaces facing up and down of the channel frame 110, the catalyst plate 120 and the channel frame ( The durability of the 110) can be increased, and in particular, the supporting force in the vertical direction of the channel frame 110 can be further increased.
  • the channel frame 110 may be formed in a rectangular cross-sectional shape long in the width direction.
  • the catalyst plate 120 includes a third catalyst plate 123, a fourth catalyst plate 124, A fifth catalyst plate 125 may be included.
  • both ends of the third catalyst plate 123 in the width direction are in contact with the inner surfaces facing the vertical direction of the channel frame 110 , and may be disposed to be inclined in the width direction of the channel frame 110
  • the fourth catalyst plate 124, both ends in the width direction are in contact with the inner surfaces facing the vertical direction of the channel frame 110, and may be disposed to be inclined in the width direction of the channel frame 110
  • the third catalyst plate 123 and The fourth catalyst plate 124 may be alternately disposed in a zigzag shape along the width direction of the channel frame 110 .
  • both ends of the fifth catalyst plate 125 are in contact with inner surfaces facing the channel frame 110 in the width direction, and cross the center lines of the third catalyst plate 123 and the fourth catalyst plate 124 in the width direction. can be arranged to do so.
  • both ends of the third catalyst plate 123 and the fourth catalyst plate 124 are in contact with and connected to the inner surfaces of the channel frame 110 facing up and down in the vertical direction, and at the same time, the fifth Since the catalyst plate 125 is in contact with and connected to the inner surface facing the width direction of the channel frame 110, it is possible to further increase the supporting force in the vertical direction and the width direction of the channel frame 110, and the catalyst plate ( 120) and the durability of the channel frame 110 may be further improved.
  • partial cut-out grooves may be respectively provided on the center line in the width direction of the third catalyst plate 123, the fourth catalyst plate 124, and the fifth catalyst plate 125, and the third catalyst plate ( 123) and the fourth catalyst plate 124 and the fifth catalyst plate 125 may be assembled in a cross-sectional shape as shown in FIG. 4D by being coupled in the longitudinal direction to face the partial cutout grooves.
  • FIG. 5 is a partial cross-sectional view illustrating a catalyst plate of the microchannel reactor of FIG. 1A.
  • the catalyst plate 120 may include a plurality of protrusions 120a protruding from the surface, and the protrusions 120a may be spaced apart from each other at preset intervals in the flow direction of the reactant.
  • the protrusion 120a may be provided in various shapes, such as a wedge.
  • the reactant introduced into the reaction space 111 chemically reacts with the catalyst while flowing and diffusing along the catalyst plate 120.
  • the concentration of the reactant is reduced and the concentration of the product is increased, and the concentration of the product is increased.
  • Silver is discharged to the product outlet (111b) while diffusing and flowing along the catalyst plate (120).
  • the protrusion 120a provided on the catalyst plate 120 promotes flow mixing by a vortex phenomenon to conduct heat transfer and reaction performance in the diffusion process of reactants and products. can be higher
  • 6A and 6B are longitudinal cross-sectional views illustrating a channel frame of the microchannel reactor of FIG. 1A.
  • the channel frame 110 is formed to extend from the rear end of the product outlet 111b in the central direction and is further attached to a rear flange 113 that is in close contact with the rear edge of the catalyst plate 120 .
  • the rear flange 113 is provided at the rear end of the channel frame 110 , the rear surface of the catalyst plate 120 in the process of inserting and coupling the catalyst plate 120 through the reactant supply port 111a of the channel frame 110 . Since the edge portion is in close contact with the rear flange 113 , the coupling position of the catalyst plate 120 can be naturally set, and the insertion and coupling of the catalyst plate 120 can be easily performed.
  • the inner surface 113a of the rear flange 113 in contact with the product may be formed to be tapered. As the inner surface 113a of the rear flange 113 is tapered toward the product outlet 111b, the flow resistance of the product passing through the product outlet 111b may be reduced.
  • FIG. 7 is a longitudinal cross-sectional view illustrating a reactant supply header part and a front mesh plate of the microchannel reactor of FIG. 1A.
  • the microchannel reactor may further include a front mesh plate 130 coupled to the front end of the reactant supply port 111a to be in close contact with the front surface of the catalyst plate 120 .
  • the front mesh plate 130 has a through hole through which the reactant passes, so that the reactant can flow into the reaction space 111 , and it is in close contact with the front surface of the catalyst plate 120 and inserted into the reaction space 111 . It is possible to prevent the separated catalyst plate 120 from being separated forward.
  • the microchannel reactor according to the present embodiment may further include a reactant supply header unit 140 .
  • the reactant supply header part 140 may include a reactant main supply part 141 and a reactant damper part 142 , and the reactants introduced from the reactant main supply part 141 are reacted by the reactant damper part 142 of each unit of the reactor.
  • the reactants may be uniformly supplied to the reaction space 111 .
  • the reactant supply header 140 may be coupled to the front end of the reactant supply port 111a so as to cover the front mesh plate 130 , and the reactant supply header 140 is the front end of the reactant supply port 111a.
  • the front mesh plate 130 may be fixedly coupled to the reactant supply port 111a and the front surface of the catalyst plate 120 .
  • the coupling surface 143 of the reactant supply header 140 that is in close contact with the front edge of the reactant supply port 111a may be provided with a stepped 144 recessed to accommodate the front mesh plate 130 .
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method of manufacturing the microchannel reactor of FIG. 1A .
  • a method of manufacturing the microchannel reactor will be described with reference to FIG. 8 .
  • the method of manufacturing the microchannel reactor may include a catalyst coating step (step S11) and a catalyst plate coupling step (step S13).
  • the catalyst coating step (step S11) is a step of coating the catalyst on the surface of the plate-shaped catalyst plate 120 .
  • a dip coating method may be applied.
  • the catalyst plate coupling step (step S13) is a step of coupling the catalyst plate 120 to the channel frame 110 provided with the reaction space 111 connecting the reactant supply port 111a and the product discharge port 111b.
  • various methods such as diffusion bonding, brazing, and laser welding may be applied.
  • the method of manufacturing the microchannel reactor may further include a catalyst plate assembling step (step S12).
  • the catalyst plate assembling step (step S12) may be performed before the catalyst plate coupling step (step S13).
  • both ends of the catalyst plate 120 in the width direction are in contact with the inner surface of the channel frame 110 and a first partial cut-out groove 121a is formed in the center of the catalyst plate. It may include a 121 and a second catalyst plate 122 in which both ends contact the inner surface of the channel frame 110 in the width direction and a second partial cut-out groove 122a is formed in the central portion.
  • the first partial cut-out groove 121a and the second partial cut-out groove 122a are coupled to the first catalyst plate 121 and the second catalyst plate 122 in the width direction. It can be assembled so that the center lines intersect each other.
  • the first catalyst plate 121 and the second catalyst plate 122 have a cross (+) shape inside the reaction space 111 of the channel frame 110 . can be arranged, and the reaction space 111 can be divided into four spaces.
  • the catalyst plate 120 has both ends in the width direction contacting the inner surface facing the vertical direction of the channel frame 110 in the vertical direction, and the third third disposed inclined in the width direction of the channel frame 110 .
  • the third catalyst plate 123 and the fourth catalyst plate 124 may be assembled to be alternately arranged in a zigzag shape along the width direction of the channel frame 110 .
  • the third catalyst plate 123 and the fourth catalyst plate 124 are V-shaped in the reaction space 111 of the channel frame 110 having a rectangular cross-sectional shape. can be placed as
  • the catalyst plate 120 may further include a fifth catalyst plate 125 in which both ends in the width direction are in contact with the inner side surfaces of the channel frame 110 facing the width direction.
  • the fifth catalyst plate 125 may be additionally assembled to cross the center of the third catalyst plate 123 and the fourth catalyst plate 124 .
  • each of the third catalyst plate 123 and the fourth catalyst plate 124 is Both ends may be contacted and connected to the inner surface facing up and down of the channel frame 110 , and at the same time, the fifth catalyst plate 125 may be contacted and connected to the inner surface opposite to the width direction of the channel frame 110 .
  • the method of manufacturing the microchannel reactor in this embodiment may further include a front mesh plate assembling step (step S14).
  • the front mesh plate assembly step may be performed after the catalyst plate coupling step (step S13) is performed.
  • the front mesh plate assembly step (step S14) is to assemble the front mesh plate 130 on the front side of the channel frame 110 so that the catalyst plate 120 coupled to the channel frame 110 is not separated. is a step
  • the front mesh plate 130 has a through hole through which the reactant passes, so that the reactant can flow into the reaction space 111 , and it is in close contact with the front surface of the catalyst plate 120 and inserted into the reaction space 111 . It is possible to prevent the separated catalyst plate 120 from being separated forward.
  • step S14 the reactant supply header 140 is attached to the front end of the reactant supply port 111a of the channel frame 110 to cover the front mesh plate 130.
  • the catalyst coating process of the reactor can be simplified by coating the catalyst on a plate-shaped catalyst plate and then bonding and disposing the catalyst inside the channel of the reactor, It is possible to prevent the catalysts already coated in the reactor from easily falling off or from lowering their performance due to the thermal shock acting in the high-temperature lamination bonding process, and by effectively controlling the desired coating strength and reaction area of the catalyst, the reaction performance of the reactor and By maximizing the heat exchange performance, the efficiency of the reactor can be increased.
  • micro-channel reactor can greatly reduce manufacturing time and cost by simplifying the assembly process of the catalyst plate with respect to the channel frame, and there is an advantage in management such as maintenance.
  • the catalyst plate since the catalyst plate has a reinforcing structure inside the channel, durability of the reactor can be greatly improved.

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Abstract

마이크로 채널 반응기 및 이의 제조방법에서, 상기 마이크로 채널 반응기는 채널프레임 및 촉매플레이트를 포함한다. 상기 채널 프레임은 반응물 공급구와 생성물 배출구를 연결하는 반응공간이 구비된다. 상기 촉매플레이트는 상기 반응물 공급구에서 상기 생성물 배출구를 향하도록 연장되며, 반응에 필요한 촉매가 표면에 코팅되고, 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되어 상기 반응공간을 복수개의 공간들로 구획한다.

Description

마이크로 채널 반응기 및 이의 제조방법
본 발명은 마이크로 채널 반응기 및 이의 제조방법에 관한 것으로, 상세하게는 물질 및 열교환이 원활히 이루어져 촉매의 성능을 극대화할 수 있는 마이크로 채널 반응기 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 마이크로 채널을 이용한 반응기는 마이크로 채널이 구비된 복수의 단위 반응기를 결합한 구조로서, 탄화수소의 개질반응과 같은 화학반응을 수행하기에 매우 효과적인 반응기이다.
특히 마이크로 채널 반응기는 기존 고정층 반응기에 비해 물질 및 열교환이 원활히 이루어져 촉매의 성능을 극대화할 수 있는 구조를 가지므로 소형 연료전지의 수소공급장치, 천연가스로부터 합성석유를 제조하는 GTL(gas to liquid) 공정, 해상 환경에 적용 가능한 GTL-FPSO 공정, 석유화학공정, 정밀화학공정 및 에너지 환경 공정 등에 효과적인 것으로 평가되고 있다.
마이크로 채널 반응기는 미세 채널을 형성하는 기술뿐만 아니라 채널 내부에 배치되는 촉매의 배치 및 배열 조건에 따라, 반응기의 부피, 열전달 성능, 반응 성능, 반응 시간 등이 결정될 수 있다.
일반적으로 마이크로 채널 반응기는 화학적 부식법, 건식 에칭법, 기계적인 방법을 통하여 박판에 미세 유로를 형성하고, 미세 유로가 형성된 박판을 교대로 적층하며, 적층된 박판을 확산접합(diffusion bonding)하여 마이크로 수준의 채널을 갖는 반응기를 제작하게 된다.
그리고 마이크로 채널을 갖는 반응기가 제작되면 미세 채널 내면에 반응을 위한 촉매를 코팅하게 되는데, 촉매를 코팅하는 방식은 미세 채널이 형성된 반응기를 촉매용액에 직접 넣어 채널 내면에 촉매 코팅층을 형성하는 딥 코팅(Dip coating) 방식이 주로 사용된다.
하지만 이러한 방식에 의한 촉매 코팅은 미세 채널을 가공한 후 채널 내부의 미세 유로에 대해 촉매의 코팅이 이루어지므로 촉매 코팅 유무를 확인할 수 없는 문제가 있고, 특히 채널 내면에서 작용하는 표면장력에 의한 모세관 현상으로 인하여 채널마다 촉매용액이 고르게 코팅되지 못하는 문제가 있으며, 각 채널의 내면 영역에서도 길이방향 및 내면 둘레를 따라 촉매용액이 균일하게 코팅되지 못하는 문제가 있다. 결국 촉매 코팅이 균일하게 형성되지 못하기 때문에 단위 반응기마다 반응 성능이 균일하지 못해 수율이 떨어지는 문제가 있다.
또한 적층된 박판을 접합하기 위해서는 일반적으로 고온공정이 요구되는데, 고온의 적층 접합 공정에서 작용하는 열적 충격에 의해서 미리 반응기 내부에 코팅되어 있는 촉매들이 쉽게 떨어지거나 성능이 저하되는 문제가 있다.
또한 종래 채널 내부의 미세 유로의 내면에 전체적으로 촉매 코팅을 수행하기 위해서는 코팅 작업의 정밀성과 많은 시간이 소모되는 문제가 있고, 공정이 복잡해지는 문제가 있다.
또한 촉매용액의 불균일한 코팅으로 인하여 장시간 사용 중 채널의 유로가 막혀 압력이 상승될 수 있으며, 압력 상승에 의한 내구성이 저하될 수도 있다.
관련 선행기술문헌으로는 대한민국 등록특허공보 제10-0626619호가 있다.
본 발명의 목적은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 채널 내부의 촉매의 균일한 반응 면적을 형성하여 반응 성능 및 수율을 향상시킬 수 있으며, 구조가 단순하면서도 내구성이 향상될 수 있는 마이크로 채널 반응기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 마이크로 채널 반응기의 제조방법을 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 구현하기 위한 일 실시예에 의한 마이크로 채널 반응기는 채널프레임 및 촉매플레이트를 포함한다. 상기 채널 프레임은 반응물 공급구와 생성물 배출구를 연결하는 반응공간이 구비된다. 상기 촉매플레이트는 상기 반응물 공급구에서 상기 생성물 배출구를 향하도록 연장되며, 반응에 필요한 촉매가 표면에 코팅되고, 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되어 상기 반응공간을 복수개의 공간들로 구획한다.
일 실시예에서, 상기 촉매플레이트는, 서로 교차하도록 배치되는 한 쌍의 제1 및 제2 촉매플레이트들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제1 촉매 플레이트는 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되며, 중앙부에 제1 부분절개홈이 형성되고, 상기 제2 촉매 플레이트는 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되며, 중앙부에 상기 제1 부분절개홈과 결합되는 제2 부분절개홈이 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 채널프레임은, 상기 채널프레임의 연장 방향에 수직인 단면이 사각형, 반원형 및 원형 형상 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촉매플레이트는, 양단부가 상기 채널프레임의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되, 상기 채널프레임의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제1 촉매플레이트, 및 양단부가 상기 채널프레임의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되, 상기 채널프레임의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제2 촉매플레이트를 포함하고, 상기 제1 촉매플레이트 및 상기 제2 촉매플레이트는 상기 채널프레임의 폭방향을 따라 지그재그 형태로 번갈아가며 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촉매플레이트는, 양단부가 상기 채널프레임의 폭방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되, 상기 제1 촉매플레이트 및 상기 제2 촉매플레이트의 중심부를 교차하도록 배치되는 제3 촉매플레이트를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촉매플레이트는, 표면으로부터 돌출 형성되는 복수개의 돌출부들을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 채널프레임은, 상기 생성물 배출구의 후단부에서 중심방향으로 연장 형성되어 상기 촉매플레이트의 후면 가장자리에 밀착되는 후방플랜지를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 후방플랜지는, 상기 생성물과 접촉되는 내면이 테이퍼(taper)지게 형성될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 반응물 공급구의 전단부에 결합되어 상기 촉매플레이트의 전면에 밀착되는 전방메쉬판을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 전방메쉬판을 덮도록 상기 반응물 공급구의 전단부에 결합되어 상기 전방메쉬판을 상기 반응물 공급구 및 상기 촉매플레이트의 전면에 밀착시키는 반응물 공급헤더부를 더 포함하며, 상기 반응물 공급헤더부는 상기 반응물 공급구의 전면 가장자리에 밀착되는 결합면으로부터 함몰 형성되어 상기 전방메쉬판이 수용되는 단턱이 구비될 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 구현하기 위한 일 실시예에 의한 마이크로 채널반응기의 제조방법은 플레이트 형상의 촉매플레이트의 표면에 촉매를 코팅하는 촉매 코팅단계, 및 상기 촉매플레이트를 반응물 공급구와 생성물 배출구를 연결하는 반응공간이 구비되는 채널프레임에 결합하는 촉매플레이트 결합단계를 포함한다. 이 경우, 상기 촉매 플레이트는 상기 반응물 공급구에서 상기 생성물 배출구를 향하도록 연장되며, 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되도록 결합된다.
일 실시예에서, 상기 촉매플레이트는, 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되며 중앙부에 제1 부분절개홈이 형성된 제1 촉매플레이트와, 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되며 중앙부에 제2 부분절개홈이 형성된 제2 촉매플레이트를 포함하며, 상기 촉매플레이트 결합단계 이전에 수행되고, 상기 제1 부분절개홈과 상기 제2 부분절개홈이 결합되면서 상기 제1 촉매플레이트와 상기 제2 촉매플레이트가 서로 교차되도록 조립하는 촉매플레이트 조립단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촉매플레이트는, 양단부가 상기 채널프레임의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되 상기 채널프레임의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제1 촉매플레이트와, 양단부가 상기 채널프레임의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되 상기 채널프레임의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제2 촉매플레이트를 포함하며, 상기 촉매플레이트 결합단계 이전에 수행되고, 상기 제1 촉매플레이트와 상기 제2 촉매플레이트가 상기 채널프레임의 폭방향을 따라 지그재그 형태로 번갈아가며 배치되도록 조립하는 촉매플레이트 조립단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촉매플레이트는, 양단부가 상기 채널프레임의 폭방향으로 대향하는 내측면에 접촉되는 제3 촉매플레이트를 더 포함하며, 상기 촉매플레이트 조립단계는, 상기 제3 촉매플레이트가 상기 제1 촉매플레이트 및 상기 제2 촉매플레이트의 중심부에 교차되도록 조립하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 촉매플레이트 결합단계 이 후, 상기 채널프레임의 전면에 전방메쉬판을 조립하는 전방메쉬판 조립단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 플레이트 형상의 촉매플레이트에 촉매를 코팅하고 이후에 반응기의 채널 내부에 결합 배치함으로써 반응기의 촉매 코팅 공정을 간소화할 수 있으며, 고온의 적층 접합 공정에서 작용하는 열적 충격에 의해서 미리 반응기 내부에 코팅되어 있는 촉매들이 쉽게 떨어지거나 성능이 저하되는 것을 예방할 수 있고, 촉매의 원하는 코팅 강도 및 반응 면적을 효과적으로 제어하여 반응기의 반응 성능 및 열교환 성능을 극대화시킴으로써 반응기의 효율을 높일 수 있다.
또한, 채널프레임에 대한 촉매플레이트의 조립 공정을 단순화할 수 있음으로써, 제작 시간 및 비용을 크게 절감할 수 있으며, 유지보수 등 관리의 이점도 있다.
또한, 촉매플레이트가 채널 내부에서 보강 구조를 가지도록 배치됨으로써 반응기의 내구성도 크게 높일 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널 반응기의 채널프레임을 도시한 측면도이고, 도 1b는 도 1a의 채널프레임의 정면도이다.
도 2a는 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 촉매플레이트를 도시한 정면도이며, 도 2b는 도 2a의 'A '부분만을 확대하여 도시한 정면도이다.
도 3은 도 2의 촉매플레이트를 도시한 분해 사시도이다.
도 4a 내지 도 4d는 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 채널프레임 및 촉매플레이트의 다양한 변형예들을 도시한 정면도들이다.
도 5는 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 촉매플레이트를 도시한 부분 단면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 채널프레임을 도시한 종단면도들이다.
도 7은 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 반응물 공급헤더부 및 전방메쉬판을 도시한 종단면도이다.
도 8은 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 제조방법을 나타낸 흐름도이다.
<부호의 설명>
110 : 채널프레임 111 : 반응공간
120 : 촉매플레이트
이하 상술한 해결하고자 하는 과제가 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명된다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용될 수 있으며 이에 따른 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로 채널 반응기의 채널프레임을 도시한 측면도이고, 도 1b는 도 1a의 채널프레임의 정면도이다. 도 2a는 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 촉매플레이트를 도시한 정면도이며, 도 2b는 도 2a의 'A '부분만을 확대하여 도시한 정면도이다.
도 1a, 도 1b, 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 채널 반응기(100)는 채널프레임(110) 및 촉매플레이트(120)를 포함할 수 있다.
채널프레임(110)은 반응물을 화학 반응시켜 목적으로 하는 생성물을 생성하기 위한 마이크로 채널을 형성하는 것으로, 반응물이 공급되는 반응물 공급부(111a)와, 생성물이 배출되는 생성물 배출구(111b) 및 반응물 공급부(111a)와 생성물 배출구(111b)를 연결하는 반응공간(111)을 구비할 수 있다.
채널프레임(110)의 반응공간(111)은 반응물 및 생성물의 흐름방향으로 길게 구비될 수 있다. 이러한 채널프레임(110)의 반응공간(111)은 박판 형태의 프레임의 길이방향으로 미세 크기의 관통홀을 형성하여 제작될 수 있다. 이와 달리, 채널프레임(110)의 반응공간(111)은 박판의 표면에 미세한 홈을 형성하고 홈이 형성된 한 쌍의 박판을 적층하여 접합하는 것으로 제작될 수도 있다.
박판에 미세한 홈을 형성하는 방법은 화학적 부식법, 건식 에칭법, 기계적인 방법을 통하여 가공될 수 있고, 박판의 접합은 확산접합(diffusion bonding), 브레이징(brazing), 레이저 용접 등에 의해 접합 고정될 수 있다.
이처럼 반응공간(111)을 갖는 하나의 채널프레임(110)을 통하여 단위 반응기를 구성할 수 있고, 이러한 단위 반응기는 도면 상에서 상하방향 또는 전후방향으로 적층하여 접합함으로써 복수개의 마이크로 채널을 갖는 반응기를 구성할 수 있다.
채널프레임(110)은 도 1a 및 도 1b를 통해서는 사각형상의 단면을 가지는 것을 예시하였으나, 이에 제한되지 않으며, 삼각형 단면 등의 다각형 단면은 물론, 반원형 단면 또는 원형 단면 등 다양한 단면 형상으로 형성될 수 있다.
촉매플레이트(120)는 반응물의 반응을 위한 촉매가 코팅되며, 각 채널프레임(110)의 내부에 삽입 결합될 수 있다.
촉매플레이트(120)는 플레이트 형상으로 형성될 수 있으며, 반응물 공급구(111a)에서 생성물 배출구(111b)를 향하는 길이를 가지도록 구비될 수 있다. 또한 폭방향으로 양단부는 채널프레임(110)의 내면에 접촉되어 반응공간(111)을 복수의 공간으로 구획하도록 배치될 수 있다.
이 경우, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 촉매 플레이트(120)는 제1 및 제2 촉매 플레이트들(121, 122)을 포함하며, 상기 제1 및 제2 촉매 플레이트들(121, 122)이 채널프레임(110)의 내부에서 서로 교차하는 방향으로 배치되며, 연장될 수 있다. 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.
촉매플레이트(120)는 채널프레임(110)에 결합되기 전에 반응에 필요한 촉매가 미리 코팅될 수 있다. 반응물 및 생성물에 따라 선택되는 촉매의 종류는 특별히 한정하지 않는다.
촉매플레이트(120)에 촉매를 코팅하는 방식은 딥 코팅(Dip coating) 방식이 적용될 수 있으며, 딥 코팅 방식은 촉매가 코팅되는 재료를 촉매용액에 직접 넣어 재료의 전체 표면에 촉매 코팅층을 형성하는 방식이며, 이미 공지된 팁 코팅 방식에 대한 상세한 설명은 생략한다.
여기서 만약 채널프레임(110)의 반응공간(111) 내부에 촉매플레이트(120)를 삽입 결합한 상태에서 딥 코팅을 수행하게 되면, 미세 크기의 채널 내부에서 작용하는 표면장력에 의한 모세관 현상으로 인하여 미세 채널의 반응공간(111)마다 촉매용액이 고르게 코팅되기가 어렵고, 각 반응공간(111)의 길이방향 및 내면 둘레를 따라서도 촉매용액이 균일하게 코팅되기가 어렵다. 이에 따라 단위 반응기마다 반응 성능이 균일하지 못하면, 생성물의 품질이 떨어지고 수율이 떨어질 수 있다. 또한 촉매용액의 불균일한 코팅으로 인하여 미세 채널 구조의 반응공간(111)의 유로가 막혀서 압력이 상승될 수 있고, 이에 따라 내구성이 저감될 수도 있다.
하지만 본 실시예에 따르면, 촉매플레이트(120)는 플레이트 형상으로 형성되고, 채널프레임(110)에 결합하기 전에 플레이트 형상의 촉매플레이트(120)만을 단독으로 미리 딥 코팅을 수행함으로써, 촉매플레이트(120)의 표면 전체적으로 촉매용액이 고르게 코팅될 수 있고, 이후 촉매가 미리 코팅된 촉매플레이트(120)를 채널프레임(110)의 반응공간(111) 내부에 삽입 결합함으로써, 단위 반응기마다 균일한 반응 성능이 확보될 수 있으며, 이로써 생성물의 품질 및 수율을 증대시킬 수 있다. 또한 촉매용액의 균일한 코팅으로 인하여 반응공간(111)의 유로가 막힘없이 일정한 크기의 유로를 형성할 수 있음으로써, 압력 상승에 의한 내구성이 저감되는 문제도 예방할 수 있다.
또한 본 실시예에 따르면, 촉매가 미리 코팅된 촉매플레이트(120)를 채널프레임(110)의 반응공간(111) 내부에 결합하는 것으로 반응기의 제작 공정이 완료될 수 있기 때문에, 전술한 바와 같이 딥 코팅 과정에서 미세 채널 구조에서 작용되는 모세관 현상을 전혀 고려하지 않아도 되며, 반응물과 접촉하는 촉매플레이트(120)의 배치 및 배열 구조를 보다 자유롭게 조절 및 설정할 수 있다.
또한 본 실시예에 따르면, 촉매플레이트(120)의 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 내면에 접촉되어 반응공간(111)을 복수의 공간으로 구획하도록 배치되기 때문에, 반응 면적을 넓힐 수 있으며 단위 부피당 반응 성능을 극대화할 수 있다.
또한 본 실시예에 따르면, 장시간 사용에 따라 촉매플레이트(120)의 내구성이나 촉매 성능이 저하되는 경우에는 채널프레임(110)으로부터 해당 촉매플레이트(120)만을 분리 교체하거나 유지보수를 수행할 수 있는 등 관리의 이점도 있다.
도 3은 도 2의 촉매플레이트를 도시한 분해 사시도이다. 도 4a 내지 도 4d는 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 채널프레임 및 촉매플레이트의 다양한 변형예들을 도시한 정면도들이다.
먼저 도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 앞서 설명한 바와 같이, 촉매플레이트(120)는 제1 촉매플레이트(121) 및 제2 촉매플레이트(122)를 포함할 수 있다. 이때 제1 촉매플레이트(121)는 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 내면에 접촉될 수 있고, 제2 촉매플레이트(122) 역시 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 내면에 접촉될 수 있다.
즉, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 채널프레임(110)의 단면이 사각형 형상을 가지는 경우, 상기 제1 촉매 플레이트(121)는 상기 사각형 단면의 서로 마주보는 내측 모서리에 양단부가 고정되며, 상기 제2 촉매 플레이트(122)는 상기 제1 촉매 플레이트(121)와 교차하도록 연장되면서 상기 사각형 단면의 서로 마주보는 내측 모서리에 양단부가 고정될 수 있다.
이와 달리, 도 4b에 도시된 바와 같이, 상기 채널프레임(110)의 단면이 원형 형상을 가지는 경우, 상기 제1 촉매 플레이트(121)는 상기 원형 형상의 내주면 상에서 서로 마주보는 위치에 양단부가 고정되며, 상기 제2 촉매 플레이트(122)는 상기 제1 촉매 플레이트(121)와 교차하도록 연장되면서 상기 원형 형상의 내주면 상에서 서로 마주보는 위치에 양단부가 고정될 수 있다.
이에 따라, 제1 촉매플레이트(121) 및 제2 촉매플레이트(122)는 폭방향의 중심선이 서로 교차되도록 배치될 수 있다.
결과적으로 제1 촉매플레이트(121) 및 제2 촉매플레이트(122)는 채널프레임(110)의 반응공간(111)의 내부에서 십자(+) 형상으로 배치될 수 있으며, 반응공간(111)을 4개소의 공간으로 구획할 수 있다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 반응기의 촉매플레이트(120)는 반응공간(111)을 단면 상에서 동일한 크기의 단면적을 가지는 복수의 공간으로 구획함으로써, 반응공간(111)을 유동하는 반응물은 촉매플레이트(120)에 균일한 반응 면적으로 접촉될 수 있으며, 이에 따라 단위 반응기의 반응 성능을 높일 수 있다.
그리고 제1 촉매플레이트(121) 및 제2 촉매플레이트(122) 각각의 양단부는 채널프레임(110)의 내면에서 균일한 간격으로 이격 배치 및 접촉되어 있기 때문에, 채널프레임(110)의 방사상으로 지지력을 높일 수 있으며, 촉매플레이트(120) 및 채널프레임(110)의 전체 내구성도 높일 수도 있다.
도 3을 추가 참조하면, 제1 촉매플레이트(121)의 폭방향으로 중심선 상에는 제1 부분절개홈(121a)이 구비될 수 있고, 제2 촉매플레이트(122)의 폭방향으로 중심선 상에는 상기 제1 부분절개홈(121a)과 상응하는 제2 부분절개홈(122a)이 구비될 수 있다.
결국 제1 촉매플레이트(121) 및 제2 촉매플레이트(122)는 제1 부분절개홈(121a) 및 제2 부분절개홈(122a)을 서로 마주하여 길이방향으로 결합함으로써, 십자 형상으로 서로 교차되게 조립될 수 있고, 이렇게 제1 촉매플레이트(121) 및 제2 촉매플레이트(122)를 십자 형상으로 미리 조립한 다음 채널프레임(110)의 반응공간(111)으로 삽입 결합할 수 있다.
한편 도 4c를 참조하면, 채널프레임(110)이 사각 단면 형상으로 형성될 경우, 촉매플레이트(120)는 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124)를 포함할 수 있다. 이때 제3 촉매플레이트(123)는 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되 채널프레임(110)의 폭방향으로 경사지게 배치될 수 있고, 제4 촉매플레이트(124)는 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되 채널프레임(110)의 폭방향으로 경사지게 배치될 수 있다.
결과적으로 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124)는 채널프레임(110)의 반응공간(111) 상에서 V자 형상으로 배치될 수 있다.
도 4c에 도시된 반응기의 촉매플레이트(120) 역시 반응공간(111)을 유동하는 반응물은 촉매플레이트(120)에 균일한 반응 면적으로 접촉될 수 있으며, 단위 반응기의 반응 성능을 높일 수 있다.
그리고 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124) 각각의 양단부가 채널프레임(110)의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉 및 연결되어 있기 때문에, 촉매플레이트(120) 및 채널프레임(110)의 내구성을 높일 수 있으며, 특히 채널프레임(110)의 상하방향에 대한 지지력을 더욱 높일 수 있다.
한편 도 4d에서와 같이, 채널프레임(110)은 폭방향으로 긴 직사각 단면 형상으로 형성될 수 있는데, 이 경우 촉매플레이트(120)는 제3 촉매플레이트(123), 제4 촉매플레이트(124), 제5 촉매플레이트(125)를 포함할 수 있다. 이때 제3 촉매플레이트(123)는 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되, 채널프레임(110)의 폭방향으로 경사지게 배치될 수 있고, 제4 촉매플레이트(124)는 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되, 채널프레임(110)의 폭방향으로 경사지게 배치될 수 있으며, 이때 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124)는 채널프레임(110)의 폭방향을 따라 지그재그 형태로 번갈아가며 배치될 수 있다.
여기서 제5 촉매플레이트(125)는 양단부가 채널프레임(110)의 폭방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되, 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124)의 폭방향의 중심선을 교차하도록 배치될 수 있다.
도 4d에 도시된 반응기는 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124) 각각의 양단부가 채널프레임(110)의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉 및 연결되어 있고, 이와 동시에 제5 촉매플레이트(125)가 채널프레임(110)의 폭방향으로 대향하는 내측면에 접촉 및 연결되어 있기 때문에, 채널프레임(110)의 상하방향 및 폭방향에 대한 지지력을 더욱 높일 수 있고, 촉매플레이트(120) 및 채널프레임(110)의 내구성도 보다 향상시킬 수 있다.
도 3에서와 같이, 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124)와 제5 촉매플레이트(125)의 폭방향으로 중심선 상에는 부분절개홈이 각각 구비될 수 있고, 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124)와 제5 촉매플레이트(125)는 부분절개홈을 마주하여 길이방향으로 결합됨으로써, 도 4d에 도시된 바와 같은 단면 형상으로 조립될 수 있다.
도 5는 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 촉매플레이트를 도시한 부분 단면도이다.
도 5를 참조하면, 촉매플레이트(120)는 표면으로부터 돌출 형성되는 복수개의 돌출부(120a)를 포함할 수 있으며, 돌출부(120a)는 반응물의 흐름방향으로 미리 설정된 간격으로 이격 배치될 수 있다. 돌출부(120a)는 쇄기 등 다양한 형상으로 구비될 수 있다.
반응공간(111) 내부로 유입된 반응물은 촉매플레이트(120)를 따라 유동 및 확산되면서 촉매와 화학 반응하고, 이러한 화학 반응 과정에서 반응물의 농도는 저감되고 생성물의 농도는 상승되며, 농도가 커진 생성물은 촉매플레이트(120)를 따라 확산 및 유동되면서 생성물 배출구(111b)로 배출된다.
이러한 반응공간(111) 내에서 작용하는 반응물 및 생성물의 확산 과정에서 촉매플레이트(120)에 구비된 돌출부(120a)는 와류 현상에 의한 유동 혼합을 촉진하여 반응물 및 생성물의 확산 과정에서 열전달 및 반응 성능을 보다 높일 수 있다.
이에 따라 반응물 공급구(111a)에서 생성물 배출구(111b)를 향해 유동하는 반응물 및 생성물의 체류시간을 단축시킬 수 있어 수율을 향상시킬 수 있으며, 채널프레임(110)의 길이를 짧게 축소하더라도 요구하는 반응 성능을 만족할 수 있음으로써, 콤팩트한 반응기를 구현할 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 채널프레임을 도시한 종단면도들이다.
도 6a를 참조하면, 본 실시예에 따른 채널프레임(110)은 생성물 배출구(111b)의 후단부에서 중심방향으로 연장 형성되어 촉매플레이트(120)의 후면 가장자리에 밀착되는 후방플랜지(113)를 더 포함할 수 있다.
채널프레임(110)의 후단부에 후방플랜지(113)가 구비됨으로써, 채널프레임(110)의 반응물 공급구(111a)를 통하여 촉매플레이트(120)를 삽입 결합하는 과정에서 촉매플레이트(120)의 후면 가장자리부가 후방플랜지(113)에 밀착되어 촉매플레이트(120)의 결합 위치가 자연스레 설정될 수 있고, 촉매플레이트(120)의 삽입 및 결합 작업을 용이하게 수행할 수 있다.
이때 도 6b를 참조하면, 생성물과 접촉되는 후방플랜지(113)의 내면(113a)은 테이퍼지게 형성될 수 있다. 생성물 배출구(111b)를 향하며 후방플랜지(113)의 내면(113a)이 테이퍼지게 형성됨으로써, 생성물 배출구(111b)를 통과하는 생성물의 유동 저항이 저감될 수 있다.
도 7은 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 반응물 공급헤더부 및 전방메쉬판을 도시한 종단면도이다.
도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 마이크로 채널 반응기는 반응물 공급구(111a)의 전단부에 결합되어 촉매플레이트(120)의 전면에 밀착되는 전방메쉬판(130)을 더 포함할 수도 있다. 전방메쉬판(130)은 반응물을 통과시키는 관통구멍이 형성되어 반응공간(111)의 내부로 반응물이 유동될 수 있으며, 촉매플레이트(120)의 전면에 밀착되어 반응공간(111)의 내부에 삽입된 촉매플레이트(120)가 전방으로 분리 이탈되는 것을 차단할 수 있다.
그리고 본 실시예에 따른 마이크로 채널 반응기는 반응물 공급헤더부(140)를 더 포함할 수도 있다. 반응물 공급헤더부(140)는 반응물 메인공급부(141) 및 반응물 댐퍼부(142)가 구비될 수 있으며, 반응물 메인공급부(141)에서 유입되는 반응물은 반응물 댐퍼부(142)를 통하여 각 단위 반응기의 반응공간(111)으로 반응물을 균등하게 공급할 수 있다.
이러한 반응물 공급헤더부(140)는 전방메쉬판(130)을 덮도록 반응물 공급구(111a)의 전단부에 결합될 수 있는데, 반응물 공급헤더부(140)가 반응물 공급구(111a)의 전단부에 결합된 상태에서 전방메쉬판(130)은 반응물 공급구(111a) 및 촉매플레이트(120)의 전면에 밀착되어 고정 결합될 수 있다. 이때 반응물 공급구(111a)의 전면 가장자리에 밀착되는 반응물 공급헤더부(140)의 결합면(143)에는 전방메쉬판(130)이 수용되도록 함몰 형성되는 단턱(144)이 구비될 수 있다.
도 8은 도 1a의 마이크로 채널 반응기의 제조방법을 나타낸 흐름도이며, 도 8을 참조하여 이하에서는 상기 마이크로 채널 반응기의 제조방법에 대해 설명한다.
상기 마이크로 채널 반응기의 제조방법은 촉매 코팅단계(단계 S11) 및 촉매플레이트 결합단계(단계 S13)를 포함할 수 있다.
촉매 코팅단계(단계 S11)는 플레이트 형상의 촉매플레이트(120)의 표면에 촉매를 코팅하는 단계이다.
촉매플레이트(120)에 촉매를 코팅하는 방식은 딥 코팅(Dip coating) 방식이 적용될 수 있다.
촉매플레이트 결합단계(단계 S13)는 촉매플레이트(120)를 반응물 공급구(111a)와 생성물 배출구(111b)를 연결하는 반응공간(111)이 구비되는 채널프레임(110)에 결합하는 단계이다.
체널프레임(110)에 촉매플레이트(120)를 결합하는 방식은 확산접합, 브레이징, 레이저 용접 등 다양한 방식이 적용될 수 있다.
한편 상기 마이크로 채널 반응기의 제조방법은 촉매플레이트 조립단계(단계 S12)를 더 포함할 수 있다. 촉매플레이트 조립단계(단계 S12)는 촉매플레이트 결합단계(단계 S13) 이전에 수행될 수 있다.
도 3, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 상기 촉매플레이트(120)는 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 내면에 접촉되며 중앙부에 제1 부분절개홈(121a)이 형성된 제1 촉매플레이트(121)와, 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 내면에 접촉되며 중앙부에 제2 부분절개홈(122a)이 형성된 제2 촉매플레이트(122)를 포함할 수 있다.
이에, 촉매플레이트 조립단계(단계 S12)는 제1 부분절개홈(121a)과 제2 부분절개홈(122a)이 결합되면서 제1 촉매플레이트(121) 및 제2 촉매플레이트(122)를 폭방향의 중심선이 서로 교차되도록 조립할 수 있다.
결과적으로 최종 촉매플레이트 결합단계(단계 S13)가 완료되면, 제1 촉매플레이트(121) 및 제2 촉매플레이트(122)는 채널프레임(110)의 반응공간(111)의 내부에서 십자(+) 형상으로 배치될 수 있으며, 반응공간(111)을 4개소의 공간으로 구획할 수 있다.
한편 다시 도 4c를 참조하면, 상기 촉매플레이트(120)는 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되 채널프레임(110)의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제3 촉매플레이트(123)와, 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되 채널프레임(110)의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제4 촉매플레이트(124)를 포함할 수 있다.
이 경우 상기 촉매플레이트 조립단계(단계 S12)는 제3 촉매플레이트(123)와 제4 촉매플레이트(124)를 채널프레임(110)의 폭방향을 따라 지그재그 형태로 번갈아가며 배치되도록 조립할 수 있다.
결과적으로 최종 촉매플레이트 결합단계(단계 S13)가 완료되면, 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124)는 사각 단면 형상의 채널프레임(110)의 반응공간(111) 상에서 V자 형상으로 배치될 수 있다.
그리고 다시 도 4d를 참조하면, 상기 촉매플레이트(120)는 폭방향으로 양단부가 채널프레임(110)의 폭방향으로 대향하는 내측면에 접촉되는 제5 촉매플레이트(125)를 더 포함할 수도 있다.
이 경우 상기 촉매플레이트 조립단계(단계 S12)는 제5 촉매플레이트(125)를 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124)의 중심부에 교차되도록 추가 조립할 수 있다.
결과적으로 최종 촉매플레이트 결합단계(단계 S13)가 완료되면, 폭방향으로 긴 직사각 단면 형상으로 채널프레임(110)이 형성되는 경우, 제3 촉매플레이트(123) 및 제4 촉매플레이트(124) 각각의 양단부가 채널프레임(110)의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉 및 연결될 수 있고, 이와 동시에 제5 촉매플레이트(125)가 채널프레임(110)의 폭방향으로 대향하는 내측면에 접촉 및 연결될 수 있다.
또한 본 실시예에서의 상기 마이크로 채널 반응기의 제조방법은 전방메쉬판 조립단계(단계 S14)를 더 포함할 수 있다. 전방메쉬판 조립단계는 촉매플레이트 결합단계(단계 S13)를 수행한 이후에 수행될 수 있다.
도 7을 참조하면, 전방메쉬판 조립단계(단계 S14)는 채널프레임(110)에 결합된 촉매플레이트(120)가 분리되지 않도록 채널프레임(110)의 전면에 전방메쉬판(130)을 조립하는 단계이다.
전방메쉬판(130)은 반응물을 통과시키는 관통구멍이 형성되어 반응공간(111)의 내부로 반응물이 유동될 수 있으며, 촉매플레이트(120)의 전면에 밀착되어 반응공간(111)의 내부에 삽입된 촉매플레이트(120)가 전방으로 분리 이탈되는 것을 차단할 수 있다.
이렇게 전방메쉬판(130)의 조립이 완료되면(단계 S14), 전방메쉬판(130)을 덮도록 채널프레임(110)의 반응물 공급구(111a)의 전단부에 반응물 공급헤더부(140)를 조립하는 것으로 마이크로 채널 반응기의 제작을 완료하게 된다.
이상에서와 같이 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 채널 반응기 및 이의 제조방법은 플레이트 형상의 촉매플레이트에 촉매를 코팅하고 이후에 반응기의 채널 내부에 결합 배치함으로써 반응기의 촉매 코팅 공정을 간소화할 수 있고, 고온의 적층 접합 공정에서 작용하는 열적 충격에 의해서 미리 반응기 내부에 코팅되어 있는 촉매들이 쉽게 떨어지거나 성능이 저하되는 것을 예방할 수 있으며, 촉매의 원하는 코팅 강도 및 반응 면적을 효과적으로 제어하여 반응기의 반응 성능 및 열교환 성능을 극대화시킴으로써 반응기의 효율을 높일 수 있다.
또한, 마이크로 채널 반응기는 채널프레임에 대한 촉매플레이트의 조립 공정을 단순화함으로써, 제작 시간 및 비용을 크게 절감할 수 있으며, 유지보수 등 관리의 이점도 있다.
또한, 마이크로 채널 반응기는 촉매플레이트가 채널 내부에서 보강 구조를 가지도록 배치됨으로써, 반응기의 내구성도 크게 높일 수 있다.
상술한 바와 같이 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면, 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 또는 변경시킬 수 있다.

Claims (16)

  1. 반응물 공급구와 생성물 배출구를 연결하는 반응공간이 구비되는 채널프레임; 및
    상기 반응물 공급구에서 상기 생성물 배출구를 향하도록 연장되며, 반응에 필요한 촉매가 표면에 코팅되고, 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되어 상기 반응공간을 복수개의 공간들로 구획하는 촉매플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촉매플레이트는, 서로 교차하도록 배치되는 한 쌍의 제1 및 제2 촉매플레이트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 촉매 플레이트는 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되며, 중앙부에 제1 부분절개홈이 형성되고,
    상기 제2 촉매 플레이트는 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되며, 중앙부에 상기 제1 부분절개홈과 결합되는 제2 부분절개홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 채널프레임은, 상기 채널프레임의 연장 방향에 수직인 단면이 사각형, 반원형 및 원형 형상 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 촉매플레이트는,
    양단부가 상기 채널프레임의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되, 상기 채널프레임의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제1 촉매플레이트; 및
    양단부가 상기 채널프레임의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되, 상기 채널프레임의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제2 촉매플레이트를 포함하고,
    상기 제1 촉매플레이트 및 상기 제2 촉매플레이트는 상기 채널프레임의 폭방향을 따라 지그재그 형태로 번갈아가며 배치되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 촉매플레이트는, 양단부가 상기 채널프레임의 폭방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되, 상기 제1 촉매플레이트 및 상기 제2 촉매플레이트의 중심부를 교차하도록 배치되는 제3 촉매플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 촉매플레이트는, 표면으로부터 돌출 형성되는 복수개의 돌출부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 채널프레임은, 상기 생성물 배출구의 후단부에서 중심방향으로 연장 형성되어 상기 촉매플레이트의 후면 가장자리에 밀착되는 후방플랜지를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 후방플랜지는, 상기 생성물과 접촉되는 내면이 테이퍼(taper)지게 형성된 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반응물 공급구의 전단부에 결합되어 상기 촉매플레이트의 전면에 밀착되는 전방메쉬판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전방메쉬판을 덮도록 상기 반응물 공급구의 전단부에 결합되어 상기 전방메쉬판을 상기 반응물 공급구 및 상기 촉매플레이트의 전면에 밀착시키는 반응물 공급헤더부를 더 포함하며,
    상기 반응물 공급헤더부는 상기 반응물 공급구의 전면 가장자리에 밀착되는 결합면으로부터 함몰 형성되어 상기 전방메쉬판이 수용되는 단턱이 구비되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기.
  12. 플레이트 형상의 촉매플레이트의 표면에 촉매를 코팅하는 촉매 코팅단계; 및
    상기 촉매플레이트를 반응물 공급구와 생성물 배출구를 연결하는 반응공간이 구비되는 채널프레임에 결합하는 촉매플레이트 결합단계를 포함하고,
    상기 촉매 플레이트는 상기 반응물 공급구에서 상기 생성물 배출구를 향하도록 연장되며, 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되도록 결합되는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기의 제조방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 촉매플레이트는, 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되며 중앙부에 제1 부분절개홈이 형성된 제1 촉매플레이트와, 양단부가 상기 채널프레임의 내면에 접촉되며 중앙부에 제2 부분절개홈이 형성된 제2 촉매플레이트를 포함하며,
    상기 촉매플레이트 결합단계 이전에 수행되고,
    상기 제1 부분절개홈과 상기 제2 부분절개홈이 결합되면서 상기 제1 촉매플레이트와 상기 제2 촉매플레이트가 서로 교차되도록 조립하는 촉매플레이트 조립단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기의 제조방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 촉매플레이트는, 양단부가 상기 채널프레임의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되 상기 채널프레임의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제1 촉매플레이트와, 양단부가 상기 채널프레임의 상하방향으로 대향하는 내측면에 접촉되되 상기 채널프레임의 폭방향으로 경사지게 배치되는 제2 촉매플레이트를 포함하며,
    상기 촉매플레이트 결합단계 이전에 수행되고,
    상기 제1 촉매플레이트와 상기 제2 촉매플레이트가 상기 채널프레임의 폭방향을 따라 지그재그 형태로 번갈아가며 배치되도록 조립하는 촉매플레이트 조립단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기의 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 촉매플레이트는, 양단부가 상기 채널프레임의 폭방향으로 대향하는 내측면에 접촉되는 제3 촉매플레이트를 더 포함하며,
    상기 촉매플레이트 조립단계는, 상기 제3 촉매플레이트가 상기 제1 촉매플레이트 및 상기 제2 촉매플레이트의 중심부에 교차되도록 조립하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기의 제조방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 촉매플레이트 결합단계 이 후,
    상기 채널프레임의 전면에 전방메쉬판을 조립하는 전방메쉬판 조립단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 채널 반응기의 제조방법.
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