WO2024091078A1 - 반응 장치 - Google Patents

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WO2024091078A1
WO2024091078A1 PCT/KR2023/016923 KR2023016923W WO2024091078A1 WO 2024091078 A1 WO2024091078 A1 WO 2024091078A1 KR 2023016923 W KR2023016923 W KR 2023016923W WO 2024091078 A1 WO2024091078 A1 WO 2024091078A1
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WO
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equation
section
temperature
heating
catalytic
Prior art date
Application number
PCT/KR2023/016923
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English (en)
French (fr)
Inventor
최준원
김형재
최아영
임예훈
Original Assignee
주식회사 엘지화학
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/32—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air
    • C01B3/34—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents
    • C01B3/38—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by reaction of gaseous or liquid organic compounds with gasifying agents, e.g. water, carbon dioxide, air by reaction of hydrocarbons with gasifying agents using catalysts

Definitions

  • This specification discloses a reaction apparatus, a reaction method using the reaction apparatus, and uses of the reaction apparatus.
  • Syngas is known in the industry as a mixed gas containing hydrogen (H 2 ) and carbon monoxide (CO).
  • Such synthetic gas can usually be manufactured using coal, heavy oil, naphtha, and/or natural gas as raw materials, and for example, synthetic gas can be manufactured by reforming natural gas.
  • the SMR (Steam Methane Reforming) process and the CDR (Carbon Dioxide Reforming) process are typically known. Because the CDR process does not use steam, unlike the SMR process, it is also called the DRM (Dry Reforming of Methane) process.
  • Catalysts are generally used in SMR processes and DRM processes.
  • the Boudoir reaction is a reaction in which carbon monoxide generated during the reaction dissociates at a relatively low temperature to form coke, and this process is shown in Scheme 3 below. It is known that this reaction usually occurs below about 700°C.
  • Both the SMR process and the DRM process are endothermic reactions, and if there is a region in the reaction section where the reaction rate is relatively fast, the temperature of that region drops compared to the surrounding temperature, and the Boudoir reaction can be promoted in this region. . In this way, the area where the temperature is lower than the surrounding temperature is also called a cold spot.
  • the reaction rate tends to decrease, and the heat applied in the area where the reaction rate is reduced can decompose the reaction target material or raw material, and this decomposition also causes the coating phenomenon. may be the cause of.
  • methane (CH 4 ) a raw material, can produce coke according to Scheme 4 below at a high temperature of about 850°C or higher.
  • Non-patent Document 1 discloses preventing coking through a method such as introducing an excessive amount of steam in the SMR process.
  • the DRM process is classified as a carbon capture technology because it uses carbon dioxide as a material, but because it does not use water vapor, coking cannot be prevented by introducing water vapor.
  • Non-patent Document 2 discloses preventing coking by applying an excessive amount of carbon dioxide in the DRM process.
  • the method disclosed in Non-Patent Document 3 consumes a lot of energy and is a high-cost method.
  • Non-patent Document 1 Bak, Y.C. and Cho K.J., “Status for the Technology of Hydrogen Production from Natural Gas,” Korean Chem. Eng. Res., Vol. 43, No. 3, June, 2005, pp. 344-351
  • Non-patent Document 2 Armor, J. N., “The Multiple Roles for Catalysis in the Production of H2,” Applied Catalysis, A: General, 176, 159-176 (1999)
  • This specification discloses a reaction apparatus, a reaction method using the reaction apparatus, and uses of the reaction apparatus.
  • the purpose of the present specification is to disclose a reaction device that can solve coking problems that may occur in the process of producing synthesis gas without applying a costly and energy-consuming method of introducing excessive water vapor or carbon dioxide.
  • the purpose of the present specification is to disclose a reaction device that can achieve the above object without using a method that is expensive and consumes a lot of energy even in a DRM process that does not apply water vapor.
  • the purpose of the present specification is to disclose a reaction method using the reaction apparatus and the use of the reaction apparatus.
  • the properties for which the measurement temperature affects the results are properties measured at room temperature, unless specifically stated otherwise.
  • Room temperature refers to the natural temperature that has not been heated or decreased.
  • room temperature may be any temperature within the range of 10°C to 30°C, or may be approximately 23°C or approximately 25°C.
  • the unit of temperature mentioned in this specification is Celsius (°C) unless otherwise specified.
  • the temperature of the pipeline, internal passage, catalytic section or non-catalytic section or the internal temperature of the pipeline, internal passage, catalytic section or non-catalytic section refers to the temperature of the pipeline, internal passage, catalytic section or non-catalytic section, unless specifically specified otherwise. , refers to the central temperature of the catalytic section or non-catalytic section.
  • the central temperature is the temperature at the center of gravity of the cross section of the pipeline, internal passage, catalytic section or non-catalytic section.
  • T Center the temperature at the center of the pipeline.
  • P T characteristic point
  • P It the specific point
  • normal pressure refers to natural pressure that is not pressurized or pressurized.
  • the normal pressure may mean about 1 atmosphere of normal atmospheric pressure.
  • thermodynamic properties mentioned in this specification are the results measured at 25°C and 1 atm.
  • the properties for which the measured humidity affects the results are the physical properties measured at standard humidity unless specifically stated otherwise.
  • Humidity in a standard state is usually relative humidity, meaning a humidity of about 60% to 65%.
  • a to b designating a range means a range between a and b, including the lower limit of a and the upper limit of b.
  • reaction device refers to a device capable of carrying out any reaction.
  • the reaction may include an endothermic reaction.
  • the reaction may be a reaction of a Steam Methane Reforming (SMR) process, or may be a reaction of at least part of a Steam Methane Reforming (SMR) process.
  • the reaction may be a reaction of a dry reforming of methane (DRM) process, or may be a reaction of at least part of a dry reforming of methane (DRM) process.
  • the reaction device may be a synthesis gas (Syngas) production device or may be a part of the synthesis gas production device.
  • This synthesis gas production device may be a device in which a dry reforming of methane (DRM) process is performed.
  • reaction device etc. will be described with reference to the drawings according to the embodiments, but the scope of the reaction device, etc. is not limited to the following.
  • reaction device 10 is an illustration of an exemplary reaction device 10.
  • the reaction device 10 may include at least one pipeline 100.
  • the pipeline 100 may include an internal passage through which fluid can flow.
  • the shape of the pipeline 100 is not particularly limited, and may be designed by appropriately considering the physical and/or chemical properties of the fluid that is the subject of reaction.
  • FIG. 2 is an exemplary configuration of the pipeline 100 of the reaction device 10.
  • the reaction device 10 in FIG. 1 includes a pipeline 100 formed in a straight line.
  • This pipeline 100 has a repeatedly U-shaped shape as shown in FIG. 2(a), a U shape as shown in FIG. 2(b), or a U-shape as shown in FIG. 2(c).
  • the U-shaped pipe lines 100 may be arranged in a manner that is alternately provided repeatedly so as not to overlap each other.
  • the cross-sectional shape of the pipeline 100 may be appropriately designed in consideration of the physical and/or chemical properties of the fluid subject to reaction.
  • 3 is an exemplary cross-sectional view of a pipeline 100.
  • the pipeline may have a surface that forms the internal passageway.
  • Figure 3 is a cross-sectional view of a pipeline having the surface 110 and the internal passage 120.
  • the cross section of the pipeline may generally be circular or square.
  • the shape of the cross section may be various shapes such as a triangle, diamond, parallelogram, or oval.
  • the internal passage of a pipeline may be a space formed to allow fluid to flow.
  • the surface of the pipeline (110 in FIG. 3) may serve as a medium for transferring heat energy to the internal passage by a heating unit to be described later.
  • the surface can be formed of a material that has appropriate thermal conductivity and is highly durable against heat.
  • the surface may be a material that generates so-called resistance heat or Joule heat when an electric current flows. Such materials may typically be alloys containing nickel and chromium, but are not limited thereto.
  • the pipeline 100 of the reaction device 10 may have an appropriate length in consideration of the physical and/or chemical properties of the fluid that is the subject of reaction.
  • the internal passage 120 of the pipeline 100 may be formed to allow fluid to flow in any direction.
  • a pipeline may be formed so that the fluid can flow in one direction by gravity, or the reaction device may be formed to form a flow of fluid by an external force, such as a pump, Both gravity and external force may be applied.
  • the reaction device may include a plurality of heating units.
  • a heating unit may be included in the reaction device to transfer heat energy from at least a portion of the pipeline to a fluid flowing through the internal passage.
  • These plurality of heating units may be installed to independently transfer heat energy to the internal passage. That is, at least some of the plurality of heating units are installed to independently determine the amount of heat transferred to the internal passage without being influenced by other heating units.
  • the pipeline 100 of the reaction device 10 can be divided into two or more heating regions 130 along the fluid flow direction DF.
  • the term fluid flow direction (DF) refers to the flow direction of the fluid in the internal passage 120 of the pipeline 100.
  • the pipeline in Figure 1 is configured to allow fluid to flow from point (A) to point (B).
  • the direction from point (A) to point (B) is the flow direction (DF) of the fluid. do.
  • fluid is a substance that can flow and is a general term for gas, liquid, plasma, etc.
  • the fluid may contain at least carbon dioxide.
  • the fluid may also contain organic hydrocarbon compounds.
  • organic hydrocarbon compound refers to a hydrocarbon or at least some of the carbon atoms of the hydrocarbon are oxygen (O), nitrogen (N), sulfur (S) and/or halogen (F, Cl, Br and/or I), etc. or a compound in which at least part of the carbon atoms of the hydrocarbon are bonded to the oxygen (O), nitrogen (N), sulfur (S) and/or halogen (F, Cl, Br and/or I).
  • organic hydrocarbon compounds include, but are not limited to, methane, ethane, and propane.
  • the organic hydrocarbon compound may include, for example, at least some of the compounds that make up natural gas, and may especially include methane (CH 4 ).
  • the fluid may be a reaction target material that reacts by receiving heat energy from the heating unit, or may include it.
  • the fluid contains carbon dioxide and organic hydrocarbon compounds, they can react. Through this reaction, so-called synthesis gas (Syngas) containing hydrogen and carbon monoxide can be produced.
  • Syngas synthesis gas
  • the fluid applied in the DRM process may be substantially free of water (eg, steam).
  • Steam refers to water vapor in the form of water (H 2 O).
  • water is not intentionally present in the fluid. For example, even if a small amount of water is naturally included, if the content is below a certain level, it means that water is not intentionally present in the fluid. can be seen as not substantially including.
  • the upper limit of the water content in the fluid is 10% by weight, 9% by weight, 8% by weight, 7% by weight, 6% by weight, 5% by weight, 4% by weight, based on the total weight of the fluid. It may be about 3% by weight, 2% by weight, 1% by weight, 0.5% by weight, 0.1% by weight, 0.05% by weight, 0.01% by weight, 0.005% by weight, 0.001% by weight, or 0.0001% by weight, and the lower limit is 0% by weight. It may be to some extent.
  • the water content is within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is below or below any one of the above-described upper limits and above or above the above-described lower limit.
  • the fluid may be substantially free of water in both solid and liquid forms, such as ice or liquid water.
  • Figure 1 shows a plurality of heating areas 130 formed by the plurality of heating units.
  • the heating area is an area that receives heat energy by the heating unit.
  • the heating unit may transfer thermal energy to the heating zone 130 by conduction, convection and/or radiation.
  • the reaction device 10 in FIG. 1 includes two or more heating regions 130a, 130b, 130c, and 130d formed by a plurality of heating units 200, 210, 220, 230, and 240.
  • the amount of heat energy received by each heating area 130 may be independently determined by the plurality of heating units 200.
  • the heating area 130 may be an area that directly receives heat energy from the heating unit 200.
  • This area may be i) the internal passage 120 of the pipeline 100 if the heating unit 200 is part of the pipeline 100, and ii) the heating unit 200 may be the internal passage 120 of the pipeline 100.
  • an external heat source provided at a distance from the external heat source, it may be the internal passage 120 of a portion of the pipe line 10 located at the shortest distance from the external heat source.
  • FIG. 4 is an exemplary diagram of a pipeline 100 for explaining the heating area 130. Referring to FIG.
  • the heating unit 200 is a part of the pipeline 100 (the surface of the pipeline) that generates so-called resistance heat or Joule heat by energizing, the resistance heat or Joule heat is generated.
  • the internal passage 120 of the pipeline 100 may be the heating area 130a.
  • the heating unit 200 is an external heat source 230 spaced apart from the pipeline 100, the pipe at the shortest distance (i.e., vertical distance in FIG. 4(b)) from the external heat source.
  • the internal passage 120 of the line 10 may be the heating area 130c. Referring to FIG. 1 , examples of heating areas 130a, 130b, 130c, and 130d created corresponding to each heating unit 200 can be further confirmed.
  • the interior passageway 120 of the exemplary reaction device 10 may include an unheated region.
  • heat energy is substantially received from the area not corresponding to the heating area 130, that is, the heating unit 200.
  • An area of the internal passage 120 that is not heated may be an unheated area.
  • heat energy may be transferred indirectly by being transferred by a heated fluid or by an adjacent heating unit.
  • the heating area 130 of the reaction device 10 may independently receive heat energy from a plurality of heating units. In this way, the heat energy transferred to each heating area 130 may be transferred to the fluid flowing through the internal passage 120, thereby heating the fluid. Heating the fluid in this process means that heat energy is transferred to the fluid, which generally increases the temperature of the fluid.
  • two or more heating zones are formed along the flow direction of the fluid, and the amount of heat energy delivered to each heating zone can be independently controlled. Through this, by optimizing the temperature profile in the internal passage, problems due to coking phenomenon (for example, decrease in catalyst activity, etc.) can be prevented.
  • At least some or all of the plurality of heating units may be so-called electric heating units.
  • the term electrical heating unit is a unit capable of generating heat from electricity. In these units, temperature regulation is relatively free and thus the temperature profile in the internal passage can be controlled more precisely.
  • These electrical heating units can generate heat through direct or alternating current.
  • the electrical energy may be supplied by directly or indirectly connecting the power supply device 300 to the heating unit 200. If the power supply 300 is a direct current power supply, direct current is supplied to the heating unit 200, and if the power supply 300 is an alternating current power supply, alternating current is supplied to the heating unit 200. In the reaction device 10, a direct current power device or an alternating current power device can be used as needed.
  • direct current is a current that flows in a constant direction without depending on time
  • alternating current is a current whose size and phase periodically change with time.
  • a direct current power device can provide a voltage that does not depend on time
  • the alternating current power device can provide a voltage whose magnitude and phase periodically change with time.
  • the electrical heating unit may be a direct electrical heating unit, an indirect electrical heating unit or an induction heating unit.
  • the electric direct heating unit can generate heat by directly supplying electricity to the object to be heated.
  • the electrical heating unit may be a pipeline or the above-mentioned surface of the pipeline that generates resistance heat or Joule heat by energizing it.
  • Direct current or alternating current may be applied directly to such a pipeline or surface to generate heat by resistance heat or Joule heat.
  • the direct current and alternating current may be supplied by the power device 300 being electrically connected directly or indirectly to a portion of the pipeline 100.
  • the power supply device 300 may be electrically connected to at least a portion of the pipeline 100 or its surface. You can.
  • the pipe line 100 or its surface 110 electrically connected to the power device 300 may receive electrical energy from the power device 300 and generate heat. This heat may be transferred to the fluid flowing through the internal passage 120.
  • the pipeline or its surface has excellent thermal conductivity, good durability against heat, and allows the flow of current, so as to efficiently transfer heat energy to the fluid in the internal passage.
  • It can be made of a material that generates resistance heat or Joule heat.
  • Such materials include, but are not limited to, nickel, chromium, and/or alloys containing nickel and chromium.
  • the heating region 130a formed by the electric direct heating unit 210 is illustrated. Alternating current or direct current electricity is supplied from the power device 300 to the surface 110 of the pipeline 100, and the surface 110 generates heat, and this heat is received in the heating area 130a and internal passage ( 120) can be transmitted to the flowing fluid. The amount of heat can be adjusted by adjusting the amount of electricity supplied from the power device 300.
  • the electrical indirect heating unit is a unit that transfers heat generated by electricity back to the heating area, rather than generating heat directly in the heating area.
  • This electrical indirect heating unit may be an external heat source (410 in FIG. 1) spaced apart from the pipeline 100.
  • the external heat source 410 may itself generate heat energy from electrical energy. Thermal energy generated from this external heat source is transmitted to the pipeline 100 and can heat the fluid flowing through the internal passage 120.
  • the external heat source 410 may be directly or indirectly electrically connected to the power supply device 300 to receive electrical energy.
  • the power device 300 may be a direct current power device or an alternating current power device. Resistance heat or Joule heat is generated in the external heat source 410 by the electrical energy supplied through the power device 300, and after this heat is transferred to the heating area 130b, the fluid flowing through the internal passage 120 is heated. You can. The amount of heat can be adjusted by adjusting the amount of electrical energy supplied from the power device 300.
  • the exemplary reaction device 10 of FIG. 1 shows a heating zone 130b that receives heat generated by the electrically indirect heating unit 410.
  • the external heat source 410 may be installed to transmit heat energy to all surfaces of the pipeline 100 corresponding to the heating area 130b while being spaced apart from the pipeline 100.
  • the external heat source 410 may be provided in a form surrounding the pipeline 100 to transmit heat energy to all surfaces of the pipeline 100 corresponding to the heating area 130b.
  • the structure capable of transferring heat energy to all surfaces of the pipeline 100 is not limited to the above. This method can prevent heat energy from being transferred locally to only specific areas of the fluid flowing through the heating area 130b.
  • An induction heating unit can perform heating via induced current.
  • the induction heating unit may be a pipeline or its surface that generates resistance heat or Joule heat through induced current.
  • this induction heating unit is formed by applying electricity, such as alternating current, to coil wires 500 that spirally surround the pipe line 100 and are spaced apart, as exemplarily shown in FIG. 1. can do.
  • the coil wire 500 may be provided to spirally surround the pipe line 100 corresponding to the heating area 130d and be spaced apart.
  • the coil wire 500 may be connected to the power supply 300 so that current such as alternating current can flow, and the power supply 300 may be an AC power supply that applies alternating current.
  • the pipe line 100 or its surface 110 generates an induced current by the coil wire 500, and a material that generates resistance heat or Joule heat by the induced current can be selected and applied.
  • the pipeline 100 or its surface 110 may be made of a material such as nickel, chromium, or an alloy containing nickel and chromium, but is not limited thereto.
  • the intensity or degree of the resistance heat or Joule heat can be adjusted.
  • the intensity of the induced current can be adjusted through the number of turns of the coil wire 500, a predetermined distance from the pipeline 100, and/or the material of the coil wire 500.
  • These electrical heating units can relatively freely and precisely adjust the degree of heat they generate and thus more precisely control the temperature profile in the internal passage.
  • the heating unit may comprise only the electrical heating unit or, if required, a traditional heating unit may also be used.
  • an external heat source 420 provided in a state spaced apart from the pipeline 100 may also be included as a heat source that converts fossil energy into heat energy. You can.
  • the heat energy converted by the external heat source may be transferred to the pipeline 100 to heat the fluid flowing in the internal passage 120 of the pipeline 100.
  • This external heat source 420 can generate heat energy using coal, oil, or other fuel as a raw material.
  • the generated heat energy can be received by the heating area 130c and transferred to the fluid flowing in the internal passage 120. Additionally, the intensity of the heat energy can be adjusted by adjusting the amount of raw materials injected.
  • At least one heating unit 230 which is one of a predetermined method of generating heat energy transmitted to the heating area 130c, is an external heat source 420 provided while being spaced apart from the pipeline 100. ), and an example of a case where the external heat source 420 converts fossil energy into heat energy can be confirmed.
  • the external heat source 420 may be provided to transmit heat energy to all surfaces of the pipeline 100 corresponding to the heating area 130c while being spaced apart from the pipeline 100.
  • the external heat source 420 may be provided in a form surrounding the pipeline 100 so that heat energy is directly transmitted to all surfaces of the pipeline 100 corresponding to the heating area 130c.
  • the external heat source 420 is configured so that heat energy is transmitted to all surfaces of the pipeline 100 corresponding to the heating area 130c, heat energy is transmitted only to specific locations in the fluid flowing in the heating area 130c. This can prevent uneven heating from being transmitted.
  • the pipeline may include a catalyst section.
  • This catalytic section may exist in the internal passage.
  • the term catalytic section is the area of the internal passage where catalyst is present.
  • FIG. 5 shows an example of a reaction device 10 including a catalyst section 600 formed by filling the internal passage of the pipeline 100 with a catalyst 610. As the fluid passes through this catalyst section 600, the desired reaction may proceed.
  • an appropriate catalyst may be selected and used in consideration of the desired reaction.
  • a known endothermic reaction catalyst can be applied for the above-described reforming reaction.
  • An endothermic reaction catalyst is a catalyst that catalyzes an endothermic reaction.
  • Such catalysts include, for example, known DRM reaction catalysts, and examples include nickel catalysts and/or noble metal (e.g., Rh, Ru, and Pt, etc.) catalysts, but are not limited thereto. no.
  • the length of the catalyst section can be controlled depending on the purpose.
  • the ratio L C /L P of the length L C of the catalyst section to the length L P of the pipeline may be adjusted.
  • the lower limit of the ratio L C / L P may be about 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75 or 0.8, and the upper limit is about 1, 0.95, 0.9, It may be around 0.85, 0.8, 0.75, 0.7 or 0.65.
  • the ratio L C /L P is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the catalyst section may be provided continuously along the direction of fluid flow. That is, the catalyst section may be a continuous catalyst section.
  • a continuous catalyst section refers to a case where a catalyst exists throughout the catalyst section. For example, if there is no section in the pipeline along the flow direction of the fluid between the point where the fluid first contacts the catalyst and the point where the fluid last contacts the catalyst, this would be the case. It can be a continuous catalytic section. This continuous catalytic section is illustrated in Figure 5.
  • FIG. 6 shows an example of such a discontinuous catalytic section 600.
  • the catalyst is There is a part without (P 3 ).
  • a non-catalytic section 700 may exist along with a catalytic section 600 (FIG. 5). That is, the reaction device 10 may include only a catalytic section or a non-catalytic section in which no catalyst exists, as long as the above-mentioned ratio L C /L P is satisfied.
  • the pipeline 100 may sequentially include a non-catalytic section 700 and a catalytic section 600 according to the fluid flow direction DF.
  • the process in the reaction process described later, can be performed so that the fluid first enters the non-catalytic section 700 and then enters the catalytic section 600.
  • excessive undesirable changes in the environment for example, changes in temperature and/or pressure
  • the non-catalytic section 700 is formed after the catalytic section 600, excessive environmental changes (e.g., changes in temperature and/or pressure) due to reaction products can also be prevented. there is.
  • the non-catalytic section 700 located ahead of the catalytic section 600 according to the fluid flow direction DF can be referred to as the first non-catalytic section, and the non-catalytic section 700 located behind the catalytic section 600
  • the non-catalytic section 700 located may be referred to as a second non-catalytic section.
  • the total length (L P ) of the pipeline 100 can be appropriately designed depending on, for example, the type and amount of the reactant material and is not particularly limited.
  • the lower limit of the length L P may be approximately 5 m, 6 m, 7 m, 8 m, 9 m, 11 m or 12 m, and the upper limit may be 100 m, 90 m, 80 m, or 70 m.
  • the length L P is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the lower limit of the ratio L NC1 /L P of the length L NC1 of the first non-catalytic section to the length L P of the pipeline is about 0.01, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7, or 0.9.
  • the upper limit may be about 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.28, 0.26, 0.24, 0.22, or 0.2.
  • the ratio L NC1 /L P is within a range that is greater than or greater than any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the length (L NC2 ) of the second non-catalytic section of the pipeline 100 is equal to the length of the first non-catalytic section (L NC1 ) of the pipeline 100 and the catalytic section 600.
  • the length (L C ) is determined, it is calculated as the value obtained by subtracting the length (L NC1 ) of the first non-catalytic section and the length (L C ) of the catalytic section 600 from the total length of the pipeline 100. You can.
  • the catalyst 610 may be uniformly distributed across the catalyst section 600, or may be distributed non-uniformly.
  • the catalyst 610 may be formed as a fluidized bed or a fixed bed.
  • the catalyst section 600 may be divided into a reaction start section 600a and a reaction continuation section 600b.
  • the reaction start section 600a is, for example, within a point that is 50% of the length of the catalyst section 600 from the point where the catalyst section 600 starts according to the flow direction (DF) of the fluid.
  • the temperature may be at its lowest point.
  • the reaction continuation section 600b may extend from the point of the catalyst section 600 where the reaction start section 600a ends to the point where the catalyst section 600 ends.
  • 1/2L C which is 50% of the length of the catalyst section 600, can be confirmed according to the fluid flow direction DF.
  • the reaction start section 600a is the point with the lowest central temperature (for example, point T L ) within the range from the point where the catalyst section 600 starts to the point 1/2L C. You can.
  • the reaction continuation section 600b may extend from the point T L to the point where the catalyst section 600 ends.
  • the non-catalytic section 700, the reaction start section 600a, and the reaction continuation section 600b each have at least one heating area 130, and the heating area 130 Each can receive heat energy independently.
  • the method of receiving the heat energy can be referred to above.
  • one of the one or more heating areas 130 in the reaction start section 600a may receive the highest heat energy among the heating areas 130 of the entire pipeline 100.
  • the reaction device 10 operates one of the one or more heating areas 130 in the reaction start section 600a to the heating area 130 of the entire pipeline 100. Detailed temperature control can be performed to ensure that the highest heat energy is transmitted.
  • the reaction device 10 prevents the formation of a cold spot by considering that the core reaction is an endothermic reaction by controlling the temperature according to the above, and prevents the phenomenon of lowering the temperature to the temperature at which the coking phenomenon occurs even if the cold spot is formed. It can be prevented.
  • the temperature control according to the above can prevent a rapid increase in temperature due to a decrease in the reaction rate of the reaction target material. That is, the reaction device 10 is a reaction that prevents a decrease in catalyst activity by preventing the formation of conditions that cause carbon residue formation due to the Boudoir reaction and the self-decomposition of organic hydrocarbon compounds in the fluid. Devices can be provided.
  • the heating units of the reaction device may be installed so that the catalyst section includes a stabilization section above a certain level.
  • the term stabilization section is an area within the catalyst section and may refer to a section controlled so that no substantial change in temperature occurs during the reaction process.
  • the stabilization section may mean a region where ⁇ T 1 in Equation 3 below is below a certain level.
  • T CA is the average temperature of the stabilization section
  • T S is the absolute value of the difference between the temperature T i and the T CA at any point within the stabilization section.
  • the upper limit of ⁇ T 1 of Equation 3 in the stabilization section is 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1.8%, 1.6%, 1.4 %, 1.2%, 1%, 0.8%, 0.6%, 0.4%, 0.2%, or 0.1%, and the lower limit may be about 0%, 0.01%, 0.05%, 0.1%, or 0.15%.
  • the ⁇ T 1 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the reaction continuation section described above may be the stabilization section.
  • T CA may be the average temperature for the section from a point that is 50% of the length of the catalyst section 600 to the point where the catalyst section 600 ends.
  • the average temperature is the average of the central temperatures mentioned at the beginning of this specification.
  • T S is the central temperature of any one point in the section from the point that is 50% of the length of the catalyst section 600 where the T CA is measured to the point where the catalyst section 600 ends. It may be the absolute value of the difference between T i and the T CA. With respect to the central temperature of any one point, ⁇ T 1 according to Equation 3 is range can be satisfied.
  • the lower limit of the ratio L S /L C of the length L S of the stabilization section formed in the catalytic section to the length L C of the catalytic section is about 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45 or 0.5.
  • the upper limit may be about 1, 0.95, 0.9, 0.85, 0.8, 0.75, 0.7, 0.65, 0.6, or 0.55.
  • the ratio L S /L C is within a range that is below or below any one of the upper limits described above; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the lower limit of T CA in Equation 3 may be about 750°C, 760°C, 770°C, 780°C, 790°C, 800°C, 805°C, 810°C, 815°C, 820°C, 825°C, or 830°C.
  • the upper limit may be around 1,000°C, 950°C, 900°C, 850°C, 845°C, 840°C, or 835°C.
  • the temperature T CA is within a range that is greater than or greater than any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the reaction device, pipeline, or heating units may be installed to satisfy Equation 5 below, and through this, the occurrence of problems such as coking can be additionally suppressed.
  • T NCA is the average temperature of the non-catalytic section
  • T CL is the lowest temperature found in the catalytic section.
  • TCL may be, for example, the point with the lowest temperature within 50% of the length of the catalyst section.
  • T NCA in Equation 5 may be the average value of the temperatures of all non-catalytic sections 700.
  • the lower limit of the ratio T NCA /T CL of Equation 5 to T NCA may be about 1, 1.01, 1.02, 1.03, or 1.04, and the upper limit may be about 5, 4, 3, 2. , 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.09, 1.08, 1.07, 1.06 or 1.05.
  • the ratio is within a range that is greater than or greater than any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the reaction device, pipeline or heating units may be installed so that Equation 6 below is satisfied, and through this, problems such as the occurrence of coking phenomenon can be additionally suppressed.
  • T NCH means the highest temperature in the non-catalytic section
  • T CH means the highest temperature in the catalytic section.
  • T NCH in Equation 6 may specifically be the highest center temperature in the first non-catalytic section.
  • the lower limit of the ratio T NCH / T CH of Equation 6 to T NCH may be about 1, 1.01, 1.02, 1.03, or 1.04, and the upper limit may be about 5, 4, 3, 2. , 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.09, 1.08, 1.07, 1.06 or 1.05.
  • the ratio is within a range that is greater than or greater than any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the reaction device, pipeline or heating units can be formed so that the absolute value of ⁇ R 3 in Equation 7 below is within a certain range, through which the desired effect can be achieved more effectively.
  • T CA is the average temperature of the stabilization section
  • T NCA is the average temperature of the non-catalytic section
  • the upper limit of the absolute value of ⁇ R 3 is 20%, 18%, 16%, 14%, 12%, 10%, 8%, 6%, 4%, 2%, 1.9%, 1.8%, 1.7% or It may be about 1.6%, and the lower limit may be about 0%, 0.5%, 1%, or 1.5%.
  • the absolute value of ⁇ R 3 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ R 3 may be a negative or positive number.
  • the reaction device, pipeline or heating units can be formed so that the absolute value of ⁇ R 4 in Equation 8 below is within a certain range, through which the desired effect can be achieved more effectively.
  • T CA is the average temperature in the stabilization section
  • T CH is the maximum temperature in the catalytic section
  • the upper limit of the absolute value of ⁇ R 4 may be about 20%, 18%, 16%, 14%, 12%, 10%, 8%, or 6%, and the lower limit is 0%, 0.5%, 1%. , it may be around 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5% or 5.5%.
  • the absolute value of ⁇ R 4 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ R 4 may be a positive number.
  • the reaction device, pipeline or heating unit may be formed so that the absolute value of ⁇ R 5 in Equation 9 below is within a certain range, through which the desired effect can be achieved more effectively.
  • T CA is the average temperature of the stabilization section
  • T CL is the lowest temperature in the catalytic section.
  • the upper limit of the absolute value of ⁇ R 5 may be about 20%, 18%, 16%, 14%, 12%, 10%, 8%, or 6%, and the lower limit is 0%, 0.5%, 1%. , it may be around 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5% or 5.5%.
  • the absolute value of ⁇ R 5 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ R 5 may be a negative number.
  • the reaction device, pipeline or heating units can be formed so that the absolute value of ⁇ R 6 in Equation 10 below is within a certain range, through which the desired effect can be achieved more effectively.
  • T CA is the average temperature in the stabilization section
  • T NCH is the maximum temperature in the non-catalytic section.
  • the upper limit of the absolute value of ⁇ R 6 may be about 20%, 18%, 16%, 14%, 12%, 10%, 8%, or 6%, and the lower limit is 0%, 0.5%, 1%. , it may be around 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5% or 5.5%.
  • the absolute value of ⁇ R 6 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ R 6 may be a positive or negative number.
  • the reaction device, pipeline or heating units can be formed so that the absolute value of ⁇ R 7 in Equation 11 below is within a certain range, through which the desired effect can be achieved more effectively.
  • T CA is the average temperature of the stabilization section
  • T HCL is the lowest temperature in the non-catalytic section.
  • the upper limit of the absolute value of ⁇ R 7 may be about 20%, 18%, 16%, 14%, or 12%, and the lower limit is 0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%. , 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5%, 5.5%, 6%, 6.5%, 7%, 7.5%, 8%, 8.5%, 9%, 9.5%, 10%, 10.5% or 11 It may be around %.
  • the absolute value of ⁇ R 7 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ R 7 may be a positive or negative number.
  • the installation form of the heating units can be adjusted to enable the reaction device to operate as described above.
  • the heating units may be installed so that R 1 in Equation 1 below is within a predetermined range.
  • R 1 L C /H I
  • Equation 1 LC is the length of the catalyst section, and H I is the average spacing between the heating units.
  • the L C and H I have the same units.
  • the upper limit of R 1 in Equation 1 is 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8. , 7, 6, or 5.5, and the lower limit may be 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, or 5.
  • the R 1 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the interval between the plurality of heating units may be constant or different.
  • the upper limit of the standard deviation of the spacing between the plurality of heating units may be approximately 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0.5, or 0.1, and the lower limit may be 0. , may be around 0.1 or 0.5.
  • the standard deviation is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the standard deviation is, for example, if there are four heating units and there are three intervals (L 1 , L 2 , L 3 ) between them, and the average of the intervals is A, [ ⁇ (AL 1 ) 2 +(AL 2 ) 2 +(AL 3 ) 2 ⁇ /3] Calculated as 0.5 .
  • the heating units may be installed so that R 2 in Equation 2 below is within a predetermined range.
  • LC is the length of the catalyst section and n is the number of heating units.
  • the unit of length of the catalyst section may be m.
  • the upper limit of R 2 in Equation 2 may be around 10, 9, 7, 6, 5, 4, 3, 2, or 1, and the lower limit may be around 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, It may be around 0.7, 0.8 or 0.9.
  • the R 2 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the heating units installed in this way can be driven so that the absolute value of ⁇ T 2 in Equation 4 below is within a predetermined range.
  • T HA is the average heating temperature of the heating units
  • T CA is the average temperature of the stabilization section.
  • the average heating temperature of the heating units is the arithmetic mean of the heating temperature of each heating unit.
  • the heating temperature of the heating unit may be the temperature of the heating unit set for heating or the temperature (center temperature) of the pipeline, internal passage, catalytic section or non-catalytic section achieved by the heating unit. .
  • the upper limit of the absolute value of ⁇ T 2 in Equation 4 is 100%, 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40 %, 35%, 30%, 28% or 26%, and the lower limit may be 5%, 10%, 15%, 20%, 21%, 22%, 23%, 24% or 25%. there is.
  • the absolute value of ⁇ T 2 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ T 2 may be a positive or negative number.
  • the heating unit may be present at at least one or more of a starting point of the catalytic section, a midpoint of the catalytic section, and an end point of the catalytic section, for example, may be present at all of the above points.
  • starting point of the catalyst section refers to an arbitrary point within the catalyst section that exists within a certain distance from the point where the fluid first contacts the catalyst along the flow direction of the fluid.
  • the starting point of the catalyst section is a distance L 2 away from the starting point of the catalyst region filled with the catalyst 610, and is indicated by R S.
  • the area of the starting point of the catalytic section has the formula 100 This is the area below % or below 8%.
  • end point of the catalytic section refers to an arbitrary point within the catalytic section that exists within a certain distance from the point where the fluid last contacts the catalyst along the flow direction of the fluid.
  • the end point of the catalyst section is a distance L 3 away from the intermediate point of the catalyst region where the catalyst 610 is charged, and is indicated by R E .
  • the area of the end point of the catalytic section has the formula 100 This is the area below % or below 8%.
  • midpoint of a catalytic section is any point within the catalytic section, and is an area other than the starting and ending points of the catalytic section.
  • the heating unit may be present at a starting point of the catalytic section, a midpoint of the catalytic section, and an end point within the catalytic section, and may be present at more than one at each point.
  • the heating units at each point may satisfy Equation 13 below.
  • T CS is the average heating temperature of the heating unit present at the starting point of the catalytic section
  • T CM is the average heating temperature of the heating unit present at the midpoint of the catalytic section
  • T CE is the This is the average heating temperature of the heating unit present at the end point of the catalytic section.
  • the heating units can be driven so that the absolute value of ⁇ T 3 in Equation 14 below and the absolute value of ⁇ T 3 in Equation 15 below are within a predetermined range.
  • T CS is the average heating temperature of the heating unit present at the starting point of the catalytic section
  • T CM is the average heating temperature of the heating unit present at the midpoint of the catalytic section
  • T CE is the average heating temperature of the heating unit present at the end point of the catalyst section.
  • the lower limit of the absolute value of ⁇ T 3 in Equation 14 may be about 1%, 5%, 10%, 15%, or 20%, and the upper limit may be 150%, 140%, 130%, 120%, 110%, It may be 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% or 25%.
  • the absolute value of ⁇ T 3 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ T 3 may be a negative number.
  • the lower limit of the absolute value of ⁇ T 4 in Equation 15 may be about 0.5%, 1%, 3%, 5%, or 7%, and the upper limit is 150%, 140%, 130%, 120%, 110%, It could be 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 9% or 8%.
  • the absolute value of ⁇ T 4 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ T 4 may be a negative number.
  • the heating temperature of the existing heating units may gradually increase, and the heating temperature of the heating units present at the midpoint and end point of the catalyst section may gradually decrease.
  • the temperature change rate between the heating units is a positive number
  • the upper limit of the absolute value is 100%, 90%, 80%, 70%, and 60%.
  • the lower limit is 0.5%, 1%, 3%, 5%, It could be around 7%, 9%, 11% or 13%.
  • the absolute value of the rate of change is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the rate of change of the heating temperature is calculated as 100 2 is the heating temperature of the heating unit immediately following the heating unit at the heating temperature H 1 along the flow direction of the fluid.
  • the temperature change rate between the heating units is negative, and the upper limit of the absolute value is 100%, 90%, 80%, It may be 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 10%, 8%, 6%, 4% or 2%, with the lower limit being 0.5%, 1%, 3%. %, 5%, 7%, 9%, 11% or 13%.
  • the absolute value of the rate of change is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the rate of change of the heating temperature is calculated as 100 2 is the heating temperature of the heating unit immediately following the heating unit at the heating temperature H 1 along the flow direction of the fluid.
  • Heating units may additionally be present at all points in the catalyst section.
  • point before the catalytic section refers to an arbitrary point in the non-catalytic section before the fluid enters the catalytic section along the flow direction of the fluid, which exists within a certain distance from the point where the fluid first contacts the catalyst along the fluid flow direction. It means branch.
  • the point before the catalyst section is a distance L 1 away from the starting point of the catalyst section where the catalyst 610 is charged, and is indicated as R B .
  • the lower limit of the value of the equation 100 ⁇ L 1 /L C (L C is the length of the catalyst section) is 0%, 5%, or 10%, and the upper limit is 25%, 20%. , the area may be 15%, 10%, 9% or 8%.
  • the value of 100 Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the heating unit may be formed to satisfy Equation 16 below.
  • T CS is the average heating temperature of the heating unit present at the starting point of the catalytic section
  • T NS is the average heating temperature of the heating unit at the entire point of the catalytic section.
  • ⁇ T 5 in Equation 17 below may be within a predetermined range.
  • the lower limit of the absolute value of ⁇ T 5 in Equation 17 may be about 1%, 5%, 10%, 15%, or 20%, and the upper limit may be 150%, 140%, 130%, 120%, 110%, It may be 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% or 25%.
  • the absolute value of ⁇ T 5 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ T 5 may be a positive number.
  • the temperature change rate between the heating units is a positive number
  • the upper limit of the absolute value is 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, It can be around 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 10%, 8%, 6%, 4% or 2%, with the lower limit being 0.5%, 1%, 3%, 5%, 7 It may be around %, 9%, 11% or 13%.
  • the absolute value of the rate of change is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the rate of change of the heating temperature is calculated as 100 2 is the heating temperature of the heating unit immediately following the heating unit at the heating temperature H 1 along the flow direction of the fluid.
  • Heating units may additionally be present at points after the catalytic section.
  • post-catalytic section point is any point in the non-catalytic section after the fluid has passed through the catalytic section along the flow direction of the fluid, and is within a certain distance from the point where the fluid last contacts the catalyst along the fluid flow direction. It means the point where For example, referring to FIG. 16, the point after the catalyst section is a distance L 4 away from the end point of the catalyst section where the catalyst 610 is charged, and is indicated by R F .
  • the upper limit may be an area of 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 9%, or 8%.
  • the value of 100 Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the heating unit can be driven to satisfy Equation 18 below.
  • T CE is the average heating temperature of the heating unit present at the end point of the catalytic section
  • T NE is the average heating temperature of the heating unit at the point after the catalytic section.
  • ⁇ T 6 in Equation 19 below may be within a predetermined range.
  • T CE is the average heating temperature of the heating unit present at the end point of the catalytic section
  • T NE is the average heating temperature of the heating unit at the point after the catalytic section.
  • the lower limit of the absolute value of ⁇ T 6 in Equation 19 may be about 0.5%, 1%, 1.5%, or 2%, and the upper limit is 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, It could be 20%, 15%, 10%, 5%, 4%, 3% or 2.5%.
  • the absolute value of ⁇ T 6 is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the ⁇ T 6 may be a negative number.
  • the temperature change rate between the heating units is negative, and the upper limit of the absolute value is 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, It may be around 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 10%, 8%, 6%, 4%, 2% or 1.5%, with the lower limit being 0.5%, 1%, 1.5% or 2. It may be around %.
  • the absolute value of the rate of change is within a range that is greater than or exceeds any one of the lower limits described above; Within a range that is below or below any one of the above-described upper limits; Alternatively, it may be within a range that is above or above any one of the above-described lower limits and below or below any one of the above-described upper limits.
  • the rate of change of the heating temperature is calculated as 100 2 is the heating temperature of the heating unit immediately following the heating unit at the heating temperature H 1 along the flow direction of the fluid.
  • the desired effect can be achieved by applying the above reaction device.
  • This specification also discloses a reaction method using the above reaction device.
  • the method is a method of performing a reaction using the above-described reaction device, and moving a fluid containing a reaction target material into the internal passage of a pipeline, while using the plurality of heating units, each independently of the internal passage. It may involve transferring heat energy to.
  • reaction device details about the reaction device, reaction target material, and fluid are as described above.
  • it may contain the carbon dioxide as described above, may be substantially free of water, and may include the organic hydrocarbon compound described above.
  • the heating units may be driven so that the catalyst section includes a stabilization section above a certain level.
  • specific details about the stabilization section for example, the range of ⁇ T 1 in Equation 3, the range of the ratio L S /L C of the length L S of the stabilization section to the length L C of the catalytic section,
  • the range of T CA in Equation 3 above is the same as described above.
  • the reaction device, pipeline or heating unit satisfies Equation 5, and if necessary, the range of the ratio T NCA /T CL of T NCA in Equation 5 to T CL is as described above. It can be driven as follows.
  • the reaction apparatus, pipeline or heating unit satisfies Equation 6, and if necessary, the range of the ratio T NCH /T CH of T NCH in Equation 6 to T CH is as described above. It can be driven to work together.
  • reaction device pipeline or heating units can be driven so that the value of ⁇ R 3 in Equation 7 is within the range described above.
  • reaction device pipeline or heating units can be driven so that the value of ⁇ R 4 in Equation 8 is within the range described above.
  • reaction device pipeline or heating units can be driven so that the value of ⁇ R 5 in Equation 9 is within the range described above.
  • reaction device pipeline or heating units can be driven so that the value of ⁇ R 6 in Equation 10 is within the range described above.
  • reaction device pipeline or heating units can be driven so that the value of ⁇ R 7 in Equation 11 is within the range described above.
  • the heating units in the reaction device may be installed so that the value of R 1 in Equation 1 is within the above-mentioned range, and at that time, the standard deviation of the spacing between the heating units may also be within the above-mentioned range.
  • heating units in the reaction device may be installed so that the value of R 2 in Equation 2 is within the above-mentioned range.
  • the heating units in the reaction device may be driven so that the value of ⁇ T 2 in Equation 4 is within the above-described range.
  • the heating units in the reaction device may be driven to satisfy Equation 13, and, if necessary, driven so that the values of ⁇ T 3 in Equation 14 and/or ⁇ T 4 in Equation 15 are within the above-mentioned range. It can be.
  • the temperature change rate of the heating units according to the point is as described above. It can be driven to be within one range.
  • the heating units in the reaction device may be driven to satisfy Equation 16, and, if necessary, may be driven so that the value of ⁇ T 5 in Equation 17 is within the above-described range.
  • the temperature change rate of the heating units at each point may be driven to be within the range described above.
  • the heating units in the reaction device may be driven to satisfy Equation 18, and, if necessary, may be driven so that the value of ⁇ T 6 in Equation 19 is within the above-described range.
  • the temperature change rate of the heating units depending on the point may be driven to be within the range described above.
  • This specification also discloses a synthesis gas production apparatus.
  • This synthesis gas production device may be or include the reaction device described above. It is possible to produce the desired synthesis gas by performing a Steam Methane Reforming (SMR) process or a Dry Reforming of Methane (DRM) process in the reaction device.
  • SMR Steam Methane Reforming
  • DRM Dry Reforming of Methane
  • This reaction device or synthesis gas production device may be a device in which the DRM process is performed, that is, a DRM device, or a part thereof.
  • This specification discloses a reaction apparatus, a reaction method using the reaction apparatus, and uses of the reaction apparatus.
  • the reaction device can solve coking problems that may occur in the process of producing synthesis gas without applying a costly and energy-consuming method of introducing excessive water vapor or carbon dioxide.
  • the reaction device can achieve the above purpose even in a DRM process that does not apply water vapor.
  • the specification also discloses reaction methods using the reaction apparatus and uses of the reaction apparatus.
  • 1 is a diagram of an exemplary reaction apparatus.
  • FIG. 2 is a diagram showing the shape of an exemplary pipeline.
  • FIG. 3 is a diagram showing a cross-sectional shape of an exemplary pipeline.
  • Figure 4 is a diagram of a pipeline for explaining the heating zone.
  • Figure 5 is an example of a reaction device including a catalyst section.
  • Figure 6 is an example of a reaction device including a catalyst section.
  • Figure 7 is a diagram of a pipeline for explaining center temperature.
  • Figure 8 is a diagram of a pipeline for explaining the catalyst section.
  • Figure 9 is a diagram for explaining the provision of an external heat source.
  • Figure 10 shows the temperature of the external heat source in Example 1.
  • Figure 11 is a graph showing the temperature according to the direction of fluid flow in the pipeline of Example 1.
  • Figure 12 shows the temperature of the external heat source in Reference Example 1.
  • Figure 13 is a graph showing the temperature according to the direction of fluid flow in the pipeline of Reference Example 1.
  • Figure 14 shows the temperature of the external heat source in Reference Example 2.
  • Figure 15 is a graph showing the temperature according to the direction of fluid flow in the pipeline of Reference Example 2.
  • Figure 16 is a diagram for explaining the point before the catalyst section, the start, middle, and end points of the catalyst section, and the point after the catalyst section.
  • a straight pipe line 100 with a total length (L) of about 12 m and a circular cross section (left side in Figure 3) was used.
  • a fixed bed continuously from a point approximately 2.4 m away from a point ( P ) of DRM (Dry Reforming of Methane) catalyst was filled to form the catalyst section.
  • Ni doped perovskite metal oxide was used as a catalyst, and the catalyst was uniformly charged throughout the entire catalyst section.
  • the internal passage of the pipeline 100 that is not filled with the catalyst is a non-catalytic section.
  • An external heat source 400 is installed in the shape of FIG. 9 surrounding the pipe line 100 at a distance of about 1.5 m from the point P x of the pipeline 100 (heating source order: 1). Installed.
  • An electric indirect heating unit 400 was used as the external heat source.
  • the external heat source was installed so that a heating area 130 was formed at a distance of about 0.2 m (P) to the left and right with a point corresponding to a distance of about 1.5 m from the point P x as the reference point (Center).
  • the average separation distance (d) between the external heat source 400 and the surface 110 of the pipeline 100 was about 1 m.
  • the external heat source 400 was installed to include nine sub-heat sources 430 in the circumferential direction of the pipeline 100. Figure 9 briefly shows how the external heat source 400 is provided.
  • a point about 3 m away from the point P a point approximately 7.5 m away (heating source order: 5), a point approximately 9 m away (heating source order: 6), a point approximately 10.5 m away (heating source order: 7), and a point approximately 12 m away (heating source order:
  • the external heat source 400 was installed in the same manner as in 8). Each external heat source 400 was installed to independently transfer heat energy to the pipeline 100.
  • the heating temperature of the eight external heat sources 400 was controlled in the same manner as shown in FIG. 10, and FIG. 10 shows the center of the internal passage of the pipeline achieved by each external heat source 400 in Example 1.
  • the temperature of the part is shown on the y-axis, and the unit is Celsius (°C).
  • the x-axis indicates the distance (unit: m) away from the point P x of the pipeline 100 with the coordinates set to 0, and the numbers indicate each external heat source.
  • the external heat source 400 installed at a point of about 1.5 m from the x-axis was marked as 1, and then a point about 3 m away from the point P x , a point about 4.5 m away, a point about 6 m away, and 7.5
  • External heat sources 400 installed at a distance of about m, a point of about 9 m, a point of about 10.5 m, and a point of about 12 m away are indicated as 2, 3, 4, 5, 6, 7, and 8, respectively.
  • the No. 2 external heat source 400 was designed to transmit the most heat energy, and the area corresponding to that part in the pipeline 100 corresponds to the reaction start section of the catalyst section (or the start point of the catalyst section) do.
  • methane (CH 4 ) and carbon dioxide (CO 2 ) are mixed at a ratio of 1:1.12 (CH 4 :CO 2 ).
  • the material to be reacted was introduced at the point P x of the pipeline 100 at 0.07 kg/s.
  • the pipeline 100 was installed vertically at an angle of 90 degrees from the ground, and the fluid flowed into the pipeline 100 under the influence of gravity. Additionally, the fluid did not include steam. Additionally, the reaction was generally maintained within the range of about 3 barg to 6 barg.
  • FIG. 11 is a graph of the central temperature measured at each point along the fluid flow direction (D F ) of the pipeline 100 during the reaction process of Example 1.
  • a stabilization section is formed in the section from approximately 50% of the length of the catalytic section 600 after the start of the catalytic section 600 to the end of the catalytic section 600.
  • the average central temperature (T CA ) of the stabilization section was approximately 850°C.
  • T CA central temperature
  • the average center temperature of the non-catalytic section above was about 836.7°C
  • the lowest center temperature of the catalytic section was about 800°C
  • the maximum center temperature of the non-catalytic section was about 900°C
  • the maximum center temperature of the catalytic section was about 900°C.
  • the core temperature was about 855°C
  • the lowest core temperature of the non-catalytic section was about 770°C.
  • FIG. 12 shows a graph of the central temperature measured at each point along the fluid flow direction (DF) of the pipeline 100 for Reference Example 1. Referring to FIG. 13, the average central temperature (T CA ) for the section from the 50% point of the catalyst section 600 to the end point of the catalyst section 600 was about 785°C.
  • ⁇ T 1 in Equation 3 exceeded 2% at a specific point in the section from 50% of the catalyst section 600 to the end point of the catalyst section 600.
  • the average temperature of the non-catalytic section was about 773.3°C
  • the lowest temperature of the catalytic section was about 730°C
  • the maximum temperature of the non-catalytic section was about 830°C
  • the maximum temperature of the catalytic section was, It was about 970°C.
  • FIG. 15 shows a graph of the central temperature measured at each point along the fluid flow direction (DF) of the pipeline 100 for Reference Example 2.
  • the average central temperature (T CA ) for the section from the 50% point of the catalyst section 600 to the end point of the catalyst section 600 was about 875°C.
  • ⁇ T 1 in Equation 3 exceeded 2% at a specific point in the section from 50% of the catalyst section 600 to the end point of the catalyst section 600.
  • the average temperature of the non-catalytic section was about 856.7°C
  • the lowest temperature of the catalytic section was about 740°C
  • the maximum temperature of the non-catalytic section was about 880°C
  • the maximum temperature of the catalytic section was about It was around 973°C.

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Abstract

본 명세서는 반응 장치, 상기 반응 장치를 사용한 반응 방법 및 상기 반응 장치의 용도를 개시한다. 상기 반응 장치는, 과량의 수증기 또는 이산화탄소를 투입하는 고비용이고, 많은 에너지를 소모하는 방식을 적용하지 않고도 합성 가스를 생산하는 과정에서 발생할 수 있는 코킹 문제를 해결할 수 있다. 상기 반응 장치는, 수증기를 적용하지 않는 DRM 공정에서도 상기 목적을 달성할 수 있다. 본 명세서는 상기 반응 장치를 사용한 반응 방법 및 상기 반응 장치의 용도를 또한 개시한다.

Description

반응 장치
본 출원은 2022년 10월 27일자 대한민국 특허 출원 제 10-2022-0140787호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 특허 출원의 문헌의 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
본 명세서는 반응 장치, 상기 반응 장치를 사용한 반응 방법 및 상기 반응 장치의 용도를 개시한다.
합성 가스(Syngas)는 수소(H2)와 일산화탄소(CO)를 포함하는 혼합 가스로 업계에 알려져 있다. 이러한 합성 가스는, 통상 석탄, 중질유, 나프타 및/또는 천연 가스 등을 원료로 하여 제조할 수 있고, 예를 들면, 천연 가스를 개질(Reforming)하여 합성 가스를 제조할 수 있다.
천연 가스로부터 합성 가스를 얻는 공정으로는, 대표적으로 SMR(Steam Methane Reforming) 공정과 CDR(Carbon Dioxide Reforming) 공정이 알려져 있다. CDR 공정은, SMR 공정과 달리 수증기(steam)를 사용하지 않기 때문에, DRM(Dry Reforming of Methane) 공정이라고도 부른다.
상기 SMR 공정의 핵심 반응은 하기 반응식 1과 같고, 상기 DRM 공정의 핵심 반응은 하기 반응식 2와 같은데, 이 반응은 모두 소위 흡열 반응이다.
[반응식 1]
CH4+H2O→3H2+CO, △H=206.28 kJ/mol
[반응식 2]
CH4+CO2→2H2+2CO, △H=247.44 kJ/mol
SMR 공정 및 DRM 공정에서는 일반적으로 촉매가 사용된다.
그런데, 상기 반응 과정에서 원료(천연 가스 등)가 개질되면서 소위 코크(coke)라고 불리는 탄소 찌꺼기가 발생하며, 이러한 코크(coke)에 의해서 촉매의 활성이 떨어지는 문제가 발생하고, 이러한 문제는 코킹(coking)이라고 불린다.
코킹을 유발하는 원인은 소위 부드아르 반응(Boudouard Reaction) 등을 포함하여 다양하게 존재한다.
부드아르 반응은, 반응 과정에서 발생하는 일산화탄소가 상대적으로 저온에서 해리하여 코크를 형성하는 반응이고, 이 과정은 하기 반응식 3과 같다. 이러한 반응은 통상 약 700℃ 이하에서 발생하는 것으로 알려져 있다.
[반응식 3]
2CO(g)→C(s)+CO2(g)
SMR 공정 및 DRM 공정은 모두 흡열 반응인데, 반응 구간 내에서 반응 속도가 상대적으로 빠른 영역이 존재하게 되면, 해당 영역의 온도가 주변 온도 대비 떨어지게 되고, 이러한 영역에서 상기 부드아르 반응이 촉진될 수 있다. 이와 같이 온도가 주변 온도 대비 덜어지는 영역은 저온 지점(cold spot)이라고도 불린다.
통상 반응 구간 내에서 상기 저온 지점을 경과하게 되면, 반응 속도가 감소하는 경향을 보이는데, 이와 같이 반응 속도가 감소한 영역에서 가해지는 열은 반응 대상 물질 또는 원료를 분해할 수 있고, 이러한 분해도 상기 코팅 현상의 원인이 될 수 있다. 예를 들면, 원료인 메탄(CH4)은 약 850℃ 이상의 고온에서 하기 반응식 4에 따라서 코크를 생성할 수 있다.
[반응식 4]
CH4→C(s)+2H2(g)
비특허문헌 1은, SMR 공정에서 과량의 수증기(steam)를 도입하는 방식 등을 통해서 코킹을 방지하는 내용을 개시한다.
DRM 공정은, 이산화탄소를 재료로 사용하기 때문에 탄소 포집 기술로 분류되지만, 수증기를 사용하지 않기 때문에, 수증기를 도입하는 방식으로 코킹을 방지할 수 없다.
비특허문헌 2는, DRM 공정에서 과량의 이산화탄소를 적용하여 코킹을 방지하는 내용을 개시하고 있다. 그렇지만, 비특허문헌 3에서 개시하는 방식은, 에너지 소비량이 많고, 고비용의 방식이다.
[선행기술문헌]
[비특허문헌]
(비특허문헌 1) Bak, Y.C. and Cho K.J., "Status for the Technology of Hydrogen Production from Natural Gas," Korean Chem. Eng. Res., Vol. 43, No. 3, June, 2005, pp. 344-351
(비특허문헌 2) Armor, J. N., "The Multiple Roles for Catalysis in the Production of H2," Applied Catalysis, A: General, 176, 159-176(1999)
본 명세서는 반응 장치, 상기 반응 장치를 사용한 반응 방법 및 상기 반응 장치의 용도를 개시한다. 본 명세서의 목적은, 과량의 수증기 또는 이산화탄소를 투입하는 고비용이고, 많은 에너지를 소모하는 방식을 적용하지 않고도 합성 가스를 생산하는 과정에서 발생할 수 있는 코킹 문제를 해결할 수 있는 반응 장치를 개시하는 것이다.
본 명세서의 목적은, 수증기를 적용하지 않는 DRM 공정에서도 고비용이고, 많은 에너지를 소모하는 방식을 사용하지 않고 상기 목적을 달성할 수 있는 반응 장치를 개시하는 것이다.
본 명세서의 목적은, 상기 반응 장치를 사용한 반응 방법 및 상기 반응 장치의 용도를 개시하는 것이다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중 측정 온도가 결과에 영향을 미치는 물성은 특별히 달리 언급하지 않는 한 상온에서 측정한 물성이다.
상온은 가온 및 감온되지 않은 자연 그대로의 온도를 의미한다. 예를 들면, 상온은 10℃ 내지 30℃의 범위 내의 어느 한 온도일 수 있고, 약 23℃ 또는 약 25℃정도의 온도일 수 있다. 본 명세서에서 언급하는 온도의 단위는, 특별히 달리 규정하지 않는 한 섭씨(℃)이다.
본 명세서에서 언급하는, 파이프 라인, 내부 통로, 촉매 구간 또는 비촉매 구간의 온도 또는 파이프 라인, 내부 통로, 촉매 구간 또는 비촉매 구간의 내부 온도는, 특별히 달리 규정하지 않는 한 상기 파이프 라인, 내부 통로, 촉매 구간 또는 비촉매 구간의 중심 온도를 의미한다.
상기 중심 온도는, 파이프 라인, 내부 통로, 촉매 구간 또는 비촉매 구간의 단면의 무게 중심에서의 온도이다. 예를 들면, 도 7을 참조하면, 파이프 라인의 중심 온도가 TCenter로 표시되어 있다. 도 7을 참조하면, 파이프 라인(100)의 특징 지점(PT)에서 상기 파이프 라인(100)의 단면의 무게 중심을 확인할 수 있고, 상기 무게 중심에서 측정한 온도 TCenter를 상기 특정 지점(PT)의 중심 온도라고 할 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중 측정 압력이 결과에 영향을 미치는 물성은 특별히 달리 언급하지 않는 한 상압에서 측정한 물성이다.
용어인 상압은 가압 및 가압되지 않은 자연 그대로의 압력을 의미한다. 예를 들면, 상기 상압은 통상 대기압 수준의 약 1 기압 정도를 의미할 수 있다.
본 명세서에서 언급하는 열역학적 특성(properties)은 특별히 달리 규정하지 않는 한, 25℃ 및 1기압에서 측정된 결과이다.
본 명세서에서 언급하는 물성 중 측정 습도가 결과에 영향을 미치는 물성은 특별히 달리 언급하지 않는 한 표준 상태의 습도에서 측정한 물성이다.
표준 상태의 습도는 통상 상대 습도로서, 60% 내지 65% 정도의 습도를 의미한다.
본 명세서에서 사용하는 용어 중 범위를 지정하는 용어 "a 내지 b"는, 하한치인 a와 상한치인 b를 포함하면서 a와 b 사이인 범위를 의미한다.
본 명세서는 반응 장치를 개시한다. 용어 반응 장치는 임의의 반응을 수행할 수 있는 장치를 의미한다. 하나의 예시에서 상기 반응은 흡열 반응을 포함할 수 있다. 하나의 예시에서 상기 반응은 SMR(Steam Methane Reforming) 공정의 반응이거나, SMR(Steam Methane Reforming) 공정 중 적어도 일부의 반응일 수 있다. 다른 예시에서 상기 반응은, DRM(Dry Reforming of Methane) 공정의 반응이거나, DRM(Dry Reforming of Methane) 공정 중 적어도 일부의 반응일 수 있다.
상기 반응 장치는, 합성 가스(Syngas) 제조 장치이거나, 상기 합성 가스 제조 장치의 일부일 수 있다. 이러한 합성 가스 생산 장치는, 공정 중 DRM(Dry Reforming of Methane) 공정이 수행되는 장치일 수 있다.
이하, 실시예에 따른 도면 등을 참조로 상기 반응 장치 등을 설명하지만, 상기 반응 장치 등의 범위가 하기에 한정되는 것은 아니다.
도 1은, 예시적인 반응 장치(10)의 예시도이다.
반응 장치(10)는, 적어도 하나의 파이프 라인(100)을 포함할 수 있다. 상기 파이프 라인(100)에는, 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로가 포함되어 있을 수 있다. 상기 파이프 라인(100)의 형태는 특별히 제한되는 것은 아니고, 반응의 대상인 유체의 물리적 및/또는 화학적 성질 등을 적절히 고려하여 설계될 수 있다.
도 2는, 상기 반응 장치(10)의 파이프 라인(100)의 예시적인 형태이다. 도 1의 반응 장치(10)는, 일자형으로 형성된 파이프 라인(100)을 포함한다. 이러한 파이프 라인(100)은, 도 2(a)에 나타난 바와 같이 U자형이 반복적으로 구비된 형태를 가지거나, 도 2(b)에 나타난 바와 같이 U자형이거나, 도 2(c)에 나타난 바와 같이 U자형의 파이프 라인(100)이 반복적으로 구비된 형태들이 서로 겹치지 않도록 서로 어긋나게 배열된 형태일 수도 있다.
상기 파이프 라인(100)의 단면 형태에도 특별한 제한은 없다. 상기 파이프 라인(100)의 단면 형태는, 반응 대상인 유체의 물리적 및/또는 화학적 성질 등을 고려하여 적절하게 설계될 수 있다. 도 3은 파이프 라인(100)의 단면의 예시적인 형태이다. 파이프 라인은, 상기 내부 통로를 형성하는 표면을 가질 수 있다. 도 3은, 상기 표면(110)과 상기 내부 통로(120)를 가지는 파이프 라인의 단면의 형태이다. 도 3과 같이 일반적으로 상기 파이프 라인의 단면은, 원형 또는 사각형 등일 수 있다. 이 외에도 상기 단면의 형태는, 삼각형, 마름모형, 평행사변형 또는 타원형 등의 다양한 형태일 수 있다.
파이프 라인의 내부 통로는 유체가 흐를 수 있도록 형성된 공간일 수 있다. 상기 파이프 라인의 표면(도 3의 110)은 후술하는 가열 유닛에 의해 상기 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 매개체의 역할을 할 수도 있다. 이러한 경우에 상기 표면은, 적절한 열전도도를 가지고, 열에 대한 내구성이 높은 소재로 형성될 수 있다. 상기 표면은, 전류가 흐를 때에 소위 저항열 내지 줄열을 발생시키는 소재일 수도 있다. 이러한 소재로는, 대표적으로 니켈과 크롬을 포함하는 합금일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기 반응 장치(10)의 파이프 라인(100)은, 반응의 대상인 유체의 물리적 및/또는 화학적 성질 등을 고려하여 적절한 길이를 가질 수 있다.
상기 반응 장치(10)에서, 파이프 라인(100)의 내부 통로(120)는 유체가 임의의 일 방향을 따라서 흐를 수 있도록 형성될 수 있다. 예를 들면, 상기 유체가 중력에 의하여 일 방향으로 흐를 수 있도록 파이프 라인이 형성되거나, 혹은, 상기 반응 장치가 펌프(pump) 등과 같이 외력에 의해 유체의 흐름을 형성할 수 있도록 형성될 수 있으며, 상기 중력 및 외력을 모두 적용할 수도 있다.
상기 반응 장치는, 복수의 가열 유닛을 포함할 수 있다. 가열 유닛은, 상기 파이프 라인의 적어도 일부분에서 상기 내부 통로를 흐르는 유체에 열 에너지를 전달할 수 있도록 반응 장치에 포함될 수 있다.
이러한 복수의 가열 유닛들은 각각 독립적으로 상기 내부 통로에 열 에너지를 전달 할 수 있도록 설치되어 있을 수 있다. 즉, 상기 복수의 가열 유닛 중 적어도 일부는, 다른 가열 유닛에 영향을 받지 않고, 독립적으로 상기 내부 통로에 전달되는 열의 양을 결정할 수 있도록 설치되어 있다.
이에 의해서 상기 반응 장치(10)의 파이프 라인(100)은 유체의 흐름 방향(DF)을 따라서 2개 이상의 복수의 가열 영역(130)으로 구별될 수 있다. 본 명세서에서 용어 유체의 흐름 방향(DF)은, 상기 파이프 라인(100)의 내부 통로(120)에서 상기 유체의 흐름 방향이다. 도 1에 파이프 라인은, 유체가 (A) 지점에서 (B) 지점으로 흐르도록 구성되어 있는데, 이러한 경우에 (A) 지점에서 (B) 지점을 향하는 방향이 상기 유체의 흐름 방향(DF)이 된다.
본 명세서에서 용어 유체는, 흐를 수 있는 물질로서, 기체(gas), 액체(liquid) 및 플라즈마(plasma) 등을 총칭하는 용어이다.
DRM 공정에서 상기 유체는, 적어도 이산화탄소를 포함할 수 있다.
상기 유체는, 또한 유기 탄화수소 화합물을 포함할 수 있다. 본 명세서에서 용어 유기 탄화수소 화합물은, 탄화수소 또는 상기 탄화수소의 탄소 원자의 적어도 일부가 산소(O), 질소(N), 황(S) 및/또는 할로겐(F, Cl, Br 및/또는 I) 등으로 대체되거나, 상기 탄화수소의 탄소 원자의 적어도 일부가 상기 산소(O), 질소(N), 황(S) 및/또는 할로겐(F, Cl, Br 및/또는 I)와 결합되어 있는 화합물이다. 유기 탄화수소 화합물의 예로는, 메탄, 에탄 및 프로판 등이 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. DRM 공정에서 상기 상기 유기 탄화수소 화합물은 예를 들면, 천연 가스를 이루는 화합물 중 적어도 일부를 포함할 수 있고, 특히 메탄(CH4)을 포함할 수 있다. 상기 유체는 상기 가열 유닛에 의해서 열 에너지를 받아서 반응이 되는 반응 대상 물질이거나, 그를 포함할 수 있다. 예를 들어서, 유체가 이산화탄소와 유기 탄화수소 화합물을 포함하면, 이들이 반응할 수 있다. 이러한 반응을 통해 수소와 일산화탄소를 포함하는 소위 합성 가스(Syngas)가 생성될 수 있다.
DRM 공정에 적용되는 상기 유체는, 물(예를 들면, 스팀(steam))을 실질적으로 포함하지 않을 수 있다. 스팀은 물(H2O)의 증기 형태로서 수증기를 의미한다. 상기에서 물이 실질적으로 유체에 포함되지 않는다는 것은, 상기 유체에 물을 의도적으로 존재시키지는 않는다는 것이고, 예를 들어, 자연적으로 포함된 소량이 물이 존재하는 경우에도 그 함량이 일정 수준 이하라면, 물을 실질적으로 포함하지 않는 것으로 볼 수 있다.
예를 들면, 상기 유체 내의 물의 함량의 상한은, 상기 유체의 전체 중량을 기준으로, 10 중량%, 9 중량%, 8 중량%, 7 중량%, 6 중량%, 5 중량%, 4 중량%, 3 중량%, 2 중량%, 1 중량%, 0.5 중량%, 0.1 중량%, 0.05 중량%, 0.01 중량%, 0.005 중량%, 0.001 중량% 또는 0.0001 중량% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0 중량% 정도일 수 있다. 상기 물의 함량은 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만이면서, 상기 기술한 하한 이상 또는 초과인 범위 내일 수 있다. 상기 유체는, 얼음 또는 액상의 물과 같이 고상 및 액상 형태의 물도 실질적으로 포함하지 않을 수 있다.
도 1에는 상기 복수의 가열 유닛에 의해 형성되는 복수의 가열 영역(130)이 표시되어 있다. 가열 영역은, 상기 가열 유닛에 의해 열 에너지를 전달 받는 영역이다. 가열 유닛은, 열 에너지를 전도, 대류 및/또는 복사 방식으로 상기 가열 영역(130)에 전달할 수 있다.
도 1의 반응 장치(10)는, 복수의 가열 유닛(200, 210, 220, 230, 240)에 의해 형성된 2개 이상의 복수의 가열 영역(130a, 130b, 130c, 130d)을 포함한다. 상기 각각의 가열 영역(130)이 전달받는 열 에너지의 양은, 독립적으로 복수의 가열 유닛(200)에 의해서 결정될 수 있다.
예를 들면, 가열 영역(130)은 가열 유닛(200)으로부터 직접적으로 열 에너지를 수용하는 영역일 수 있다. 이러한 영역은, i) 가열 유닛(200)이 파이프 라인(100)의 일부인 경우에는 해당 파이프 라인(100)의 내부 통로(120)일 수 있고, ii) 가열 유닛(200)이 파이프 라인(100)과 이격된 채로 구비된 외부 열원인 경우에는 상기 외부 열원과 최단 거리에 위치한 파이프 라인(10)의 일부 영역의 내부 통로(120)일 수 있다. 도 4는 가열 영역(130)의 설명을 위한 파이프 라인(100)의 예시도이다. 도 4(a)를 참조하면, 상기 가열 유닛(200)이 통전에 의해 소위 저항열 내지 줄열을 생성하는 파이프 라인(100)의 일부(상기 파이프 라인의 표면)라면, 상기 저항열 내지 줄열을 생성하는 파이프 라인(100)의 내부 통로(120)가 가열 영역(130a)이 될 수 있다. 도 4(b)를 참조하면, 가열 유닛(200)이 파이프 라인(100)과 이격된 외부 열원(230)이라면, 그 외부 열원과 최단 거리(즉, 도 4(b)에서는 수직 거리)의 파이프 라인(10)의 내부 통로(120)가 가열 영역(130c)이 될 수 있다. 도 1을 참조하면, 각 가열 유닛(200)에 대응하여 생성되는 가열 영역(130a, 130b, 130c, 130d)의 예시를 추가로 확인할 수 있다.
예시적인 반응 장치(10)의 내부 통로(120)는 비가열 영역을 포함할 수 있다. 복수의 가열 유닛에 의해서 파이프 라인(100)이 2개 이상의 가열 영역(130)으로 구별되는 경우에 상기 가열 영역(130)에 해당하지 않는 영역, 즉 가열 유닛(200)으로부터 실질적으로 열 에너지를 수용하지 않는 내부 통로(120)의 영역이 비가열 영역이 될 수 있다. 다만, 비가열 영역이라도 가열된 유체에 의해서 열 에너지가 전달되거나, 인접하는 가열 유닛에 의해서 열 에너지가 전달되는 방식으로 간접적으로 열 에너지가 전달될 수는 있다.
상기 반응 장치(10)의 가열 영역(130)은, 복수의 가열 유닛에 의해서 각각 독립적으로 열 에너지를 전달받을 수 있다. 이와 같이 각각의 가열 영역(130)에 전달된 열 에너지는 내부 통로(120)를 흐르는 유체에 전달될 수 있고, 이에 의해 유체가 가열될 수 있다. 이 과정에서 유체가 가열된다는 것은 유체에 열 에너지가 전달된다는 것이고, 일반적으로 이에 의해 유체의 온도가 상승한다.
상기 반응 장치(10)에서는, 유체의 흐름 방향을 따라서 2개 이상의 복수의 가열 영역이 형성되고, 각각의 가열 영역에 전달되는 열 에너지의 양을 독립적으로 제어할 수 있다. 이를 통해서 내부 통로에서의 온도 프로파일을 최적화함으로써, 코킹 현상 등에 의한 문제(예를 들면, 촉매 활성의 저하 등)를 방지할 수 있다.
상기 복수의 가열 유닛 중 적어도 일부 또는 모두는, 소위 전기적 가열 유닛일 수 있다. 용어 전기적 가열 유닛은, 전기로부터 열을 생성할 수 있는 유닛이다. 이러한 유닛은, 온도의 조절이 상대적으로 자유롭고, 그에 따라서 상기 내부 통로에서의 온도 프로파일을 보다 정밀하게 제어할 수 있다.
이러한 전기적 가열 유닛은, 직류 또는 교류를 통해 열을 생성할 수 있다. 상기 전기적 가열 유닛이 전기 에너지를 공급받는 경우, 상기 전기 에너지는 전원 장치(300)를 직접적 또는 간접적으로 상기 가열 유닛(200)에 연결하여 공급할 수 있다. 상기 전원 장치(300)가 직류 전원 장치라면, 상기 가열 유닛(200)에 직류가 공급되고, 상기 전원 장치(300)가 교류 전원 장치라면, 상기 가열 유닛(200)에 교류가 공급된다. 상기 반응 장치(10)에서는 필요에 따라 직류 전원 장치 또는 교류 전원 장치를 사용할 수 있다.
공지된 바와 같이 직류는 시간에 의존하지 않고 일정한 방향으로 흐르는 전류이고, 교류는 시간에 따라 크기와 위상이 주기적으로 변하는 전류이다. 직류 전원 장치는 시간에 의존하지 않는 전압을 제공할 수 있고, 상기 교류 전원 장치는 시간에 따라 크기와 위상이 주기적으로 변하는 전압을 제공할 수 있다.
상기 전기적 가열 유닛은, 전기적 직접 가열 유닛, 전기적 간접 가열 유닛 또는 유도 가열 유닛일 수 있다. 전기적 직접 가열 유닛은, 가열 대상에 직접 전기를 공급하여 열을 발생시킬 수 있다. 예를 들면, 상기 전기적 가열 유닛은, 통전에 의해 저항열 또는 줄열을 발생시키는 파이프 라인 또는 상기 파이프 라인의 전술한 표면일 수 있다. 이러한 파이프 라인 또는 표면에는, 직류 또는 교류가 직접 인가되어 저항열 또는 줄열에 의해 열을 생성될 수 있다. 상기 직류와 교류는 전술한 바와 같이 전원 장치(300)가 직접 또는 간접적으로 파이프 라인(100)의 일부분에 전기적 연결되어 공급될 수 있다.
이와 같이 가열 유닛(210)이 통전에 의해 열을 생성하는 파이프 라인 또는 그 표면인 경우에는, 상기 전원 장치(300)는 상기 파이프 라인(100) 또는 그 표면 중 적어도 일부 영역에 전기적으로 연결되어 있을 수 있다. 전원 장치(300)에 전기적으로 연결된 파이프 라인(100) 또는 그 표면(110)은 상기 전원 장치(300)로부터 전기 에너지를 공급 받아서 열을 생성할 수 있다. 이러한 열은, 내부 통로(120)를 흐르는 유체에 전달될 수 있다.
이러한 경우에 상기 파이프 라인 또는 그 표면은, 내부 통로의 유체에 열 에너지를 효율적으로 전달하기 위해, 우수한 열전도도를 가지고, 열에 대한 내구성이 좋으며, 전류의 흐름이 가능하면서 상기 전류의 흐름에 의해 소위 저항열 또는 줄열을 발생시키는 소재로 형성될 수 있다. 이러한 소재로는, 니켈, 크롬 및/또는 상기 니켈과 크롬을 포함하는 합금 등이 있지만 이에 제한되는 것은 아니다.
도 1의 반응 장치는, 상기 전기적 직접 가열 유닛(210)에 의해 형성된 상기 가열 영역(130a)이 예시되어 있다. 전원 장치(300)로부터 교류 또는 직류 전기를 파이프 라인(100)의 표면(110)에 공급하고, 상기 표면(110)은 열을 발생시키며, 이러한 열이 가열 영역(130a)에 수용되어 내부 통로(120)에 흐르는 유체로 전달될 수 있다. 전원 장치(300)에서 공급되는 전기의 양을 조절함으로써 상기 열의 양을 조절할 수 있다.
전기적 간접 가열 유닛은, 상기 가열 영역에서 직접 열을 발생시키는 방식이 아니고, 전기에 의해 발생한 열을 다시 상기 가열 영역에 전달하는 유닛이다. 이러한 전기적 간접 가열 유닛은, 파이프 라인(100)과 이격된 외부 열원(도 1의 410)일 수 있다. 상기 외부 열원(410)은, 자체적으로 전기 에너지로부터 열 에너지를 생성할 수 있다. 이러한 외부 열원에서 발생한 열 에너지는 파이프 라인(100)에 전달되고, 내부 통로(120)를 흐르는 유체를 가열시킬 수 있다.
상기 외부 열원(410)은 전원 장치(300)가 직접 또는 간접적으로 전기적 연결되어 전기 에너지를 공급받을 수 있다. 전원 장치(300)는 직류 전원 장치 또는 교류 전원 장치일 수 있다. 전원 장치(300)를 통해 공급받은 전기 에너지에 의해서 외부 열원(410)에서는 저항열 내지 줄열이 발생하고, 이러한 열을 가열 영역(130b)에 전달된 후에 내부 통로(120)를 흐르는 유체를 가열할 수 있다. 상기 전원 장치(300)에서 공급되는 전기 에너지의 양을 조절함으로써 상기 열의 양을 조절할 수 있다.
도 1의 예시적인 반응 장치(10)는, 상기 전기적 간접 가열 유닛(410)에 의해 생성된 열을 전달 받는 가열 영역(130b)이 나타나 있다. 상기 외부 열원(410)은 파이프 라인(100)으로부터 이격된 상태로 가열 영역(130b)에 대응하는 파이프 라인(100)의 모든 표면에서 열 에너지를 전달할 수 있도록 설치될 수도 있다. 예를 들면, 상기 외부 열원(410)은 상기 가열 영역(130b)에 대응하는 파이프 라인(100)의 모든 표면에 열 에너지를 전달할 수 있도록 파이프 라인(100)을 둘러싸는 형태로 구비될 수도 있다. 열 에너지를 파이프 라인(100)의 모든 표면에 전달할 수 있는 구조가 상기에 제한되는 것은 아니다. 이러한 방식은, 가열 영역(130b)을 흐르는 유체의 특정 부위에만 국소적으로 열 에너지가 전달되는 것을 방지할 수 있다.
유도 가열 유닛은, 유도 전류를 통해 가열을 수행할 수 있다. 예를 들면, 상기 유도 가열 유닛은, 유도 전류를 통해서 저항열 또는 줄열을 생성하는 파이프 라인 또는 그 표면일 수 있다. 예를 들면, 이러한 유도 가열 유닛은, 도 1에 예시적으로 나타난 바와 같이 상기 파이프 라인(100)을 나선형으로 둘러싸고 이격된 채로 구비된 코일선(500)에 교류와 같은 전기를 인가하는 방식으로 형성할 수 있다. 상기 코일선(500)은, 가열 영역(130d)에 대응하는 파이프 라인(100)을 나선형으로 둘러싸고 이격된 상태로 구비될 수 있다. 상기 코일선(500)은 교류 등의 전류가 흐를 수 있도록 전원 장치(300)에 연결되어 있을 수 있고, 상기 전원 장치(300)는 교류를 인가하는 교류 전원 장치일 수 있다. 코일선(500)에 교류가 인가되면 전자기 유도 현상에 의해 파이프 라인(100)의 표면(110)에는 유도 전류가 발생된다. 상기 발생된 유도 전류로 인해 상기 파이프 라인(100)의 표면(110)에서는 저항열 내지 줄열이 발생되고, 상기 발생된 저항열 내지 줄열은 상기 가열 영역(130d)으로 전달되어 상기 파이프 라인(100)의 내부 통로(120)에서 흐르는 유체를 가열시킬 수 있다.
이러한 경우에 상기 파이프 라인(100) 또는 그 표면(110)은 상기 코일선(500)에 의해 유도 전류가 발생하고, 그 유도 전류에 의해 저항열 내지 줄열을 생성하는 소재를 선택하여 적용할 수 있다. 예를 들면, 상기 파이프 라인(100) 또는 그 표면(110)은 니켈, 크롬 또는 니켈과 크롬을 포함하는 합금 등의 소재일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 전원 장치(300)에서 공급되는 전기 에너지의 양을 조절함으로써 상기 저항열 내지 줄열의 세기 내지 정도를 조절할 수 있다. 상기의 경우에는 코일선(500)의 감긴 횟수, 파이프 라인(100)과의 이격된 소정의 거리 및/또는 상기 코일선(500)의 소재 등을 통해서도 유도 전류의 세기를 조절할 수 있다.
이러한 전기적 가열 유닛은, 생성하는 열의 정도를 상대적으로 자유롭고 정밀하게 조정할 수 있고, 그에 따라서 상기 내부 통로에서의 온도 프로파일을 보다 정밀하게 제어할 수 있다
가열 유닛은, 상기 전기적 가열 유닛만을 포함하거나, 혹은 필요하다면, 전통적인 가열 유닛도 사용될 수 있다. 예를 들면, 상기 반응 장치(10)에 포함될 수 있는 가열 유닛(230) 중에는 파이프 라인(100)과 이격된 상태로 구비된 외부 열원(420)으로서, 화석 에너지를 열 에너지로 전환하는 열원도 포함될 수 있다. 상기 외부 열원이 전환한 열 에너지는 파이프 라인(100)에 전달되어 상기 파이프 라인(100)의 내부 통로(120)에서 흐르는 유체를 가열시킬 수 있다. 이러한 외부 열원(420)은 석탄, 석유 또는 기타 연료(fuel) 등을 원료로 하여 열 에너지를 발생시킬 수 있다. 상기 발생된 열 에너지는 가열 영역(130c)이 수용함으로써 내부 통로(120)에 흐르는 유체로 전달될 수 있다. 또한, 원료의 주입량 등을 조절함으로써 상기 열 에너지의 세기를 조절할 수 있다.
도 1을 참조하면, 가열 영역(130c)이 전달받는 열 에너지를 생성하는 소정의 방식 중 하나인 적어도 하나 이상의 가열 유닛(230)은, 파이프 라인(100)과 이격된 채로 구비된 외부 열원(420)이고, 상기 외부 열원(420)은 화석 에너지를 열 에너지로 전환하는 경우의 예시를 확인할 수 있다. 상기 외부 열원(420)은 파이프 라인(100)으로부터 이격된 채, 가열 영역(130c)에 대응하는 파이프 라인(100)의 모든 표면에 열 에너지를 전달할 수 있도록 구비될 수 있다. 예를 들면, 상기 외부 열원(420)은 상기 가열 영역(130c)에 대응하는 파이프 라인(100)의 모든 표면에 열 에너지가 직접 전달되도록, 파이프 라인(100)을 둘러싼 형태로 구비될 수 있다. 다만, 열 에너지가 상기 대응하는 파이프 라인(100)의 모든 표면에 전달될 수 있다면 이러한 구조에 한정되는 것은 아니다. 이렇게 가열 영역(130c)에 대응하는 파이프 라인(100)의 모든 표면에 열 에너지가 전달되도록 외부 열원(420)을 구성하는 경우에는, 상기 가열 영역(130c)에 흐르는 유체에 특정 위치에만 열 에너지가 전달되어 불균일한 가열이 이루어지는 것을 방지할 수 있다.
상기 파이프 라인은, 촉매 구간을 포함할 수 있다. 이러한 촉매 구간은 상기 내부 통로에 존재할 수 있다. 용어 촉매 구간은, 촉매가 존재하는 상기 내부 통로의 영역이다. 도 5는 파이프 라인(100)의 내부 통로에 촉매(610)가 충진되어 형성된 촉매 구간(600)을 포함하는 반응 장치(10)의 일 예시를 나타낸 것이다. 이러한 촉매 구간(600)을 유체가 통과하면서 목적하는 반응이 진행될 수 있다.
촉매로는, 목적하는 반응을 고려하여 적절한 촉매가 선택되어 사용될 수 있다. 예를 들면, 전술한 개질 반응을 위해서 공지의 흡열 반응 촉매가 적용될 수 있다. 흡열 반응 촉매는 흡열 반응에 대해서 촉매 작용을 하는 촉매이다. 이러한 촉매로는, 예를 들면, 공지의 DRM 반응의 촉매를 들 수 있고, 그 예에는 니켈 촉매 및/또는 귀금속(예를 들면, Rh, Ru 및 Pt 등) 촉매 등이 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
촉매 구간의 길이는, 목적에 따라서 제어될 수 있다. 예를 들면, 상기 촉매 구간의 길이 LC의 상기 파이프 라인의 길이 LP에 대한 비율 LC/LP이 조정될 수 있다. 예를 들면, 상기 비율 LC/LP의 하한은, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45, 0.5, 0.55, 0.6, 0.65, 0.7, 0.75 또는 0.8 정도일 수 있고, 그 상한은, 1, 0.95, 0.9, 0.85, 0.8, 0.75, 0.7 또는 0.65 정도일 수 있다. 상기 비율 LC/LP는, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
상기 촉매 구간은 유체의 흐름 방향을 따라서 연속적으로 구비될 수 있다. 즉 상기 촉매 구간은 연속 촉매 구간일 수 있다. 연속 촉매 구간은, 촉매 구간에 전체적으로 촉매가 존재하는 경우를 의미한다. 예를 들면, 상기 유체의 흐름 방향을 따라서 파이프 라인 내에서 상기 유체가 최초로 촉매와 접촉하는 지점과 상기 유체가 마지막으로 촉매와 접촉하는 지점의 사이에 촉매가 존재하지 않는 구간이 없다면, 이러한 경우가 연속 촉매 구간이 될 수 있다. 이러한 연속 촉매 구간은 도 5에 예시되어 있다.
반대로 도 6에 예시된 경우는 비연속 촉매 구간이다. 예를 들면, 상기 유체의 흐름 방향을 따라서 파이프 라인 내에서 상기 유체가 최초로 촉매와 접촉하는 지점과 상기 유체가 마지막으로 촉매와 접촉하는 지점의 사이에 촉매가 존재하지 않는 구간이 존재하는 경우 비연속 촉매 구간이 될 수 있다. 도 6은 이러한 비연속 촉매 구간(600)의 예시를 도시한 것으로서, 촉매 구간(600) 중 임의의 한 지점(P1)과 임의의 다른 지점(P2)을 선택하였을 때, 그 사이에 촉매가 없는 부분(P3)이 존재한다.
상기 반응 장치(10)의 파이프 라인(100) 내에는 촉매 구간(600)과 함께 비촉매 구간(700)이 존재할 수 있다(도 5). 즉, 상기 반응 장치(10)는 전술한 비율 LC/LP를 만족한다면, 촉매 구간만을 포함하거나, 촉매가 존재하지 않는 비촉매 구간도 포함할 수 있다.
예를 들면, 도 5에 나타난 바와 같이 상기 파이프 라인(100)은 유체의 흐름 방향(DF)에 따라 비촉매 구간(700)과 촉매 구간(600)을 순차 포함할 수 있다.
상기와 같은 구성에서 후술하는 반응 공정에서 유체가 상기 비촉매 구간(700)에 먼저 진입한 후에 이어서 촉매 구간(600)에 진입하도록 공정을 진행할 수 있다. 이러한 방식을 통해서 유체에 포함된 반응 대상 물질의 높은 분압과 높은 농도로 인하여 반응 과정에서 바람직하지 않은 과도한 환경의 변화(예를 들면, 온도 및/또는 압력의 변화)를 방지할 수 있다. 도 5 및 6에 예시된 바와 같이 촉매 구간(600) 이후 비촉매 구간(700)을 형성하면, 반응 생성물에 의한 과도한 환경의 변화(예를 들면, 온도 및/또는 압력의 변화)도 방지할 수 있다.
본 명세서에서는, 상기와 같은 경우에 유체의 흐름 방향(DF)에 따라 촉매 구간(600)보다 앞서 위치한 비촉매 구간(700)은 제 1 비촉매 구간이라고 할 수 있고, 촉매 구간(600)보다 뒤에 위치한 비촉매 구간(700)은 제 2 비촉매 구간이라고 할 수 있다.
상기 파이프 라인(100)의 전체 길이(LP)는, 예를 들면 반응 대상 물질의 종류와 유입량 등에 따라 적절히 설계할 수 있는 것이고 특별히 제한하는 것은 아니다. 예를 들면, 상기 길이 LP의 하한은, 5 m, 6 m, 7 m, 8 m, 9 m, 11 m 또는 12 m 정도일 수 있고, 그 상한은 100 m, 90 m, 80 m, 70 m, 60 m, 50 m, 40 m, 30 m, 20 m, 19 m, 18 m, 17 m, 16 m, 15 m, 14 m, 13 m, 12 m, 11.9 m, 11.8 m, 11.7 m, 11.6 m, 11.5 m, 11.4 m, 11.3 m 또는 11.2 m 정도일 수 있다. 상기 길이 LP는, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
예를 들면, 상기에서 상기 제 1 비촉매 구간의 길이 LNC1의 상기 파이프 라인의 길이 LP에 대한 비율 LNC1/LP의 하한은, 0.01, 0.05, 0.1, 0.3, 0.5, 0.7 또는 0.9 정도일 수 있고, 그 상한은, 0.9, 0.8, 0.7, 0.6, 0.5, 0.4, 0.3, 0.28, 0.26, 0.24, 0.22 또는 0.2 정도일 수 있다. 상기 비율 LNC1/LP는, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
존재하는 경우에 상기 파이프 라인(100)의 상기 제 2 비촉매 구간의 길이(LNC2)는 상기 파이프 라인(100)의 상기 제 1 비촉매 구간의 길이(LNC1)와 촉매 구간(600)의 길이(LC)가 정해지면, 상기 파이프 라인(100)의 전체 길이 중 상기 제 1 비촉매 구간의 길이(LNC1)와 촉매 구간(600)의 길이(LC)를 뺀 길이의 값으로 할 수 있다.
상기 반응 장치(10)의 촉매 구간(600)에서 촉매(610)는, 상기 촉매 구간(600)에 거쳐서 균일하게 분포되어 있거나, 혹은 불균일하게 분포되어 있을 수 있다.
상기 반응 장치(10)의 촉매 구간(600)에서 촉매(610)는 유동층(fluidized bed) 또는 고정상(fixed bed)으로 형성되어 있을 수 있다.
예시적인 반응 장치(10)에서 촉매 구간(600)은 반응 시작 구간(600a) 및 반응 계속 구간(600b)으로 구분될 수 있다. 상기 반응 시작 구간(600a)은, 예를 들면, 유체의 흐름 방향(DF)에 따라서 상기 촉매 구간(600)이 시작되는 지점부터 상기 촉매 구간(600)의 길이의 50%가 되는 지점 내에서 내부 온도가 가장 낮은 지점까지일 수 있다. 또한, 상기 반응 계속 구간(600b)은, 상기 반응 시작 구간(600a)이 종료하는 촉매 구간(600)의 지점에서 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지일 수 있다.
도 8을 참조하면, 유체의 흐름 방향(DF)에 따라 상기 촉매 구간(600)의 길이의 50%인 지점인 1/2LC를 확인할 수 있다. 상기 반응 시작 구간(600a)은 전술한 바와 같이 상기 촉매 구간(600)이 시작되는 지점부터 1/2LC 지점까지의 범위 내에서 중심 온도가 가장 낮은 지점(예를 들면, TL 지점)까지일 수 있다. 상기 반응 계속 구간(600b)은 상기 지점 TL에서부터 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지일 수 있다.
상기 반응 장치(10)에서, 비촉매 구간(700), 상기 반응 시작 구간(600a) 및 상기 반응 계속 구간(600b)은 각각 적어도 하나 이상의 가열 영역(130)을 가지고, 상기 가열 영역(130)은 각각 독립적으로 열 에너지를 전달받을 수 있다. 상기 열 에너지를 전달받는 방식은 전술한 바를 참조할 수 있다.
예시적인 반응 장치(10)에서, 반응 시작 구간(600a)에서 하나 이상의 가열 영역(130) 중 하나는 파이프 라인(100) 전체의 가열 영역(130) 중 가장 높은 열 에너지를 전달받을 수 있다. 상기 반응 장치(10)는 코킹 현상이 발생하는 조건을 최대한 억제하기 위해서, 상기 반응 시작 구간(600a)에서의 하나 이상의 가열 영역(130) 중 하나를 파이프 라인(100) 전체의 가열 영역(130) 중 가장 높은 열 에너지를 전달받도록 세밀한 온도 제어를 할 수 있다.
상기 반응 장치(10)는 상기에 따른 온도 제어로 핵심 반응이 흡열 반응임을 고려하여 저온 지점(cold spot)의 형성을 방지하고, 상기 저온 지점이 형성되더라도 코킹 현상이 발생되는 온도까지 낮아지는 현상을 방지할 수 있다. 또한, 상기에 따른 온도 제어로 반응 대상 물질의 반응 속도 감소로 인한 급격한 온도 상승을 방지할 수 있다. 즉, 상기 반응 장치(10)는 부드아르 반응 등에 의한 탄소 찌꺼기 형성과 유체 내 유기 탄화수소 화합물의 자체 분해로 인한 탄소 찌거기 형성을 유발하는 조건이 형성되는 것을 방지함으로써, 촉매 활성의 감소를 방지하는 반응 장치를 제공할 수 있다.
즉, 상기 반응 장치의 가열 유닛들은, 상기 촉매 구간이 일정 수준 이상의 안정화 구간을 포함하도록 설치되어 있을 수 있다. 용어 안정화 구간은, 촉매 구간 내의 영역으로서, 반응 과정에서 온도의 실질적인 변화가 일어나지 않도록 제어된 구간을 의미할 수 있다.
예를 들면, 안정화 구간은, 하기 식 3에서의 △T1이 일정 수준 이하인 영역을 의미할 수 있다.
[식 3]
△T1 = TS/TCA×100
식 3에서, TCA은 상기 안정화 구간의 평균 온도이고, TS는 상기 안정화 구간 내의 임의의 지점의 온도 Ti와 상기 TCA의 차이의 절대값이다.
상기 안정화 구간에서의 상기 식 3의 △T1의 상한은, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4%, 3%, 2%, 1.8%, 1.6%, 1.4%, 1.2%, 1%, 0.8%, 0.6%, 0.4%, 0.2% 또는 0.1% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0%, 0.01%, 0.05%, 0.1% 또는 0.15% 정도일 수 있다. 상기 △T1은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기와 같은 안정화 구간을 촉매 구간 내에 형성함으로써 코킹 현상 등의 문제를 해결할 수 있다.
예를 들면, 상기 기술한 반응 계속 구간은 상기 안정화 구간이 될 수 있다. 예를 들면, 식 3에서 상기 TCA은 상기 촉매 구간(600)의 길이의 50%가 되는 지점부터 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지의 구간에 대한 평균 온도일 수 있다. 상기 평균 온도는 본 명세서의 서두에서 언급한 중심 온도의 평균이다. 또한, 식 3에서, TS는 상기 TCA를 측정한 촉매 구간(600)의 길이의 50%인 지점부터 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지의 구간 중 임의의 한 지점의 중심 온도인 Ti와 상기 TCA의 차이의 절대값일 수 있다. 상기 임의의 한 지점의 중심 온도에 대해서, 상기 촉매 구간(600)의 50% 지점부터 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지의 구간에서 어떤 지점을 선택하더라도 식 3에 따른 △T1이 상기 범위를 만족할 수 있다.
예를 들면, 촉매 구간 내에 형성되는 상기 안정화 구간의 길이 LS의 상기 촉매 구간의 길이 LC에 대한 비율 LS/LC의 하한은, 0.2, 0.25, 0.3, 0.35, 0.4, 0.45 또는 0.5 정도일 수 있고, 그 상한은, 1, 0.95, 0.9, 0.85, 0.8, 0.75, 0.7, 0.65, 0.6 또는 0.55 정도일 수 있다. 상기 비율 LS/LC는, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
상기 식 3의 TCA의 하한은, 750℃, 760℃, 770℃, 780℃, 790℃, 800℃, 805℃, 810℃, 815℃, 820℃, 825℃ 또는 830℃ 정도일 수 있고, 그 상한은, 1,000℃, 950℃, 900℃, 850℃, 845℃, 840℃ 또는 835℃ 정도일 수 있다. 상기 온도 TCA는, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 하기 식 5가 만족되도록 설치되어 있을 수 있으며, 이를 통해서 코킹 현상 등의 문제의 발생을 추가적으로 억제할 수 있다.
[식 5]
TNCA ≥ TCL
식 5에서, TNCA은 상기 비촉매 구간의 평균 온도이고, TCL은, 상기 촉매 구간 내에서 확인되는 최저 온도이다. TCL은, 예를 들면, 촉매 구간의 길이의 50%인 지점 이내에서 온도가 가장 낮은 지점일 수 있다. 예를 들어서, 비촉매 구간(700)이 복수 개인 경우, 식 5의 TNCA는 모든 비촉매 구간(700)의 온도를 평균값일 수 있다.
식 5와 관련해서 상기 식 5의 TNCA의 TCL에 대한 비율 TNCA/TCL의 하한은, 1, 1.01, 1.02, 1.03 또는 1.04 정도일 수 있고, 그 상한은, 5, 4, 3, 2, 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.09, 1.08, 1.07, 1.06 또는 1.05 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 하기 식 6이 만족되도록 설치되어 있을 수 있으며, 이를 통해서 코킹 현상의 발생 등의 문제를 추가적으로 억제할 수 있다.
[식 6]
TNCH ≥ TCH
식 6에서, TNCH은 비촉매 구간에서 가장 높은 온도이고, TCH는 촉매 구간에서 가장 높은 온도를 의미한다. 예를 들면, 상기 식 6의 TNCH은 구체적으로 제 1 비촉매 구간에서 가장 높은 중심 온도일 수 있다.
식 6와 관련해서 상기 식 6의 TNCH의 TCH에 대한 비율 TNCH/TCH의 하한은, 1, 1.01, 1.02, 1.03 또는 1.04 정도일 수 있고, 그 상한은, 5, 4, 3, 2, 1.9, 1.8, 1.7, 1.6, 1.5, 1.4, 1.3, 1.2, 1.1, 1.09, 1.08, 1.07, 1.06 또는 1.05 정도일 수 있다. 상기 비율은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 하기 식 7의 △R3의 절대값이 일정 범위가 되도록 형성될 수 있으며, 이를 통해서 목적하는 효과를 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
[식 7]
△R3 = (TNCA - TCA)/TCA×100
식 7에서, TCA은 상기 안정화 구간의 평균 온도이고, TNCA는 상기 비촉매 구간의 평균 온도이다.
상기 △R3의 절대값의 상한은, 20%, 18%, 16%, 14%, 12%, 10%, 8%, 6%, 4%, 2%, 1.9%, 1.8%, 1.7% 또는 1.6% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0%, 0.5%, 1% 또는 1.5% 정도일 수 있다. 상기 △R3의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △R3는, 음수 또는 양수일 수 있다.
상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 하기 식 8의 △R4의 절대값이 일정 범위가 되도록 형성될 수 있으며, 이를 통해서 목적하는 효과를 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
[식 8]
△R4 = (TCH - TCA)/TCA×100
식 8에서 TCA은 상기 안정화 구간의 평균 온도이고, TCH는 상기 촉매 구간 내의 최대 온도이다.
상기 △R4의 절대값의 상한은, 20%, 18%, 16%, 14%, 12%, 10%, 8% 또는 6% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5% 또는 5.5% 정도일 수 있다. 상기 △R4의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △R4는, 양수일 수 있다.
상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 하기 식 9의 △R5의 절대값이 일정 범위가 되도록 형성될 수 있으며, 이를 통해서 목적하는 효과를 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
[식 9]
△R5 = (TCL - TCA)/TCA×100
식 9에서 TCA은 상기 안정화 구간의 평균 온도이고, TCL는 상기 촉매 구간 내의 최저 온도이다.
상기 △R5의 절대값의 상한은, 20%, 18%, 16%, 14%, 12%, 10%, 8% 또는 6% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5% 또는 5.5% 정도일 수 있다. 상기 △R5의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △R5는, 음수일 수 있다.
상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 하기 식 10의 △R6의 절대값이 일정 범위가 되도록 형성될 수 있으며, 이를 통해서 목적하는 효과를 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
[식 10]
△R6 = (TNCH - TCA)/TCA×100
식 10에서 TCA는 상기 안정화 구간의 평균 온도이고, TNCH는 상기 비촉매 구간 내의 최대 온도이다.
상기 △R6의 절대값의 상한은, 20%, 18%, 16%, 14%, 12%, 10%, 8% 또는 6% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5% 또는 5.5% 정도일 수 있다. 상기 △R6의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △R6는, 양수 또는 음수일 수 있다.
상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 하기 식 11의 △R7의 절대값이 일정 범위가 되도록 형성될 수 있으며, 이를 통해서 목적하는 효과를 보다 효과적으로 달성할 수 있다.
[식 11]
△R7 = (TCL - TCA)/TCA×100
식 11에서 TCA은 안정화 구간의 평균 온도이고, THCL는 상기 비촉매 구간 내의 최저 온도이다.
상기 △R7의 절대값의 상한은, 20%, 18%, 16%, 14% 또는 12% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0%, 0.5%, 1%, 1.5%, 2%, 2.5%, 3%, 3.5%, 4%, 4.5%, 5%, 5.5%, 6%, 6.5%, 7%, 7.5%, 8%, 8.5%, 9%, 9.5%, 10%, 10.5% 또는 11% 정도일 수 있다. 상기 △R7의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △R7는, 양수 또는 음수일 수 있다.
반응 장치가 상기와 같이 구동할 수 있도록 하기 위해서 상기 가열 유닛들의 설치 형태가 조정될 수 있다.
예를 들면, 상기 가열 유닛들은, 하기 식 1의 R1이 소정 범위 내가 되도록 설치되어 있을 수 있다.
[식 1]
R1 = LC/HI
식 1에서 LC는 상기 촉매 구간의 길이이고, HI는 상기 가열 유닛들간의 평균 간격이다. 상기 LC와 HI는 동일한 단위를 가진다.
식 1의 R1의 상한은, 100, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6 또는 5.5 정도일 수 있고, 그 하한은, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5 또는 5 정도일 수 있다. 상기 R1은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
상기 내용을 만족하는 한, 상기 복수의 가열 유닛간의 간격은 일정하거나, 상이할 수 있다. 예를 들면, 상기 복수의 가열 유닛간의 간격의 표준 편차의 상한은, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 2, 1, 0.5 또는 0.1 정도일 수 있고, 그 하한은, 0, 0.1 또는 0.5 정도일 수 있다. 상기 표준 편차는, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 표준 편차는, 예를 들면, 4개의 가열 유닛이 존재하여서 그들 간의 간격이 3개(L1, L2, L3)가 존재하고, 상기 간격의 평균이 A라면, [{(A-L1)2+(A-L2)2+(A-L3)2}/3]0.5로 계산된다.
예를 들면, 상기 가열 유닛들은, 하기 식 2의 R2가 소정 범위 내가 되도록 설치되어 있을 수 있다
[식 2]
R2 = LC/n
식 2에서 LC는 촉매 구간의 길이이고, n은 가열 유닛의 수이다. 상기에서 촉매 구간의 길이의 단위는 m일 수 있다.
식 2의 R2의 상한은, 10, 9, 7, 6, 5, 4, 3, 2 또는 1 정도일 수 있고, 그 하한은, 0.01, 0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8 또는 0.9 정도일 수 있다. 상기 R2는, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
이와 같이 설치된 가열 유닛들은, 하기 식 4의 △T2의 절대값이 소정 범위 내가 되도록 구동될 수 있다.
[식 4]
△T2 = (THA - TCA)/TCA×100
식 4에서 THA는 가열 유닛들의 평균 가열 온도이고, TCA는 상기 안정화 구간의 평균 온도이다.
상기 가열 유닛들의 평균 가열 온도는 각각의 가열 유닛의 가열 온도의 산술 평균이다. 또한, 상기 가열 유닛의 가열 온도는, 가열을 위해서 셋팅된 상기 가열 유닛의 온도 또는 상기 가열 유닛에 의해 달성되는 상기 파이프 라인, 내부 통로, 촉매 구간 또는 비촉매 구간의 온도(중심 온도)일 수 있다.
식 4의 △T2의 절대값의 상한은, 100%, 95%, 90%, 85%, 80%, 75%, 70%, 65%, 60%, 55%, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 28% 또는 26% 정도일 수 있고, 그 하한은, 5%, 10%, 15%, 20%, 21%, 22%, 23%, 24% 또는 25%, 정도일 수 있다. 상기 △T2의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △T2는, 양수 또는 음수일 수 있다.
상기 가열 유닛은, 상기 촉매 구간의 시작 지점, 상기 촉매 구간의 중간 지점 및 상기 촉매 구간 내의 종료 지점 중 적어도 하나 또는 그 이상의 위치에 존재할 수 있고, 예를 들면, 상기 지점 모두에 존재할 수 있다.
용어 촉매 구간의 시작 지점은, 촉매 구간 내의 임의의 지점으로서, 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 촉매와 최초로 접촉하는 지점에서 일정한 거리 이내에 존재하는 지점을 의미한다. 예를 들어서 도 16을 참조하면, 상기 촉매 구간의 시작 지점은 촉매(610)가 충전된 촉매 영역의 시작 지점에서 거리 L2만큼 떨어진 거리이고, RS로 표시되어 있다. 상기 촉매 구간의 시작 지점의 영역은, 식 100×L2/LC(LC는 촉매 구간의 길이)가 0% 이상이면서, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하, 9% 이하 또는 8% 이하인 영역이다.
용어 촉매 구간의 종료 지점은, 촉매 구간 내의 임의의 지점으로서, 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 촉매와 마지막으로 접촉하는 지점에서 일정한 거리 이내에 존재하는 지점을 의미한다. 예를 들어서 도 16을 참조하면, 상기 촉매 구간의 종료 지점은 촉매(610)가 충전된 촉매 영역의 중료 지점에서 거리 L3만큼 떨어진 거리이고, RE로 표시되어 있다. 상기 촉매 구간의 종료 지점의 영역은, 식 100×L3/LC(LC는 촉매 구간의 길이)가 0% 이상이면서, 25% 이하, 20% 이하, 15% 이하, 10% 이하, 9% 이하 또는 8% 이하인 영역이다.
용어 촉매 구간의 중간 지점은, 촉매 구간 내의 임의의 지점으로서, 상기 촉매 구간의 시작 지점 및 종료 지점이 아닌 영역이다.
상기 가열 유닛은, 상기 촉매 구간의 시작 지점, 상기 촉매 구간의 중간 지점 및 상기 촉매 구간 내의 종료 지점에 존재할 수 있고, 각 지점에 하나 이상 존재할 수 있다.
이러한 경우에 목적하는 효과를 고려하여 상기 각 지점에서의 가열 유닛들은 하기 식 13을 만족할 수 있다.
[식 13]
TCS ≥ TCM ≥ TCE
식 13에서 TCS는, 상기 촉매 구간의 시작 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TCM은, 상기 촉매 구간의 중간 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TCE는, 상기 촉매 구간의 종료 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이다
상기의 경우에 가열 유닛들은 하기 식 14의 △T3의 절대값과 식 15의 △T3의 절대값이 소정 범위가 되도록 구동될 수 있다.
[식 14]
△T3 = (TCM - TCS)/TCS×100
[식 15]
△T4 = (TCE - TCM)/TCM×100
식 14 및 15에서 TCS는, 상기 촉매 구간의 시작 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TCM은, 상기 촉매 구간의 중간 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TCE는, 상기 촉매 구간의 종료 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이다.
식 14의 △T3의 절대값의 하한은, 1%, 5%, 10%, 15% 또는 20% 정도일 수 있고, 그 상한은, 150%, 140%, 130%, 120%, 110%, 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 또는 25% 정도일 수 있다. 상기 △T3의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △T3는, 음수일 수 있다.
식 15의 △T4의 절대값의 하한은, 0.5%, 1%, 3%, 5% 또는 7% 정도일 수 있고, 그 상한은, 150%, 140%, 130%, 120%, 110%, 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 9% 또는 8% 정도일 수. 상기 △T4의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △T4는, 음수일 수 있다.
상기 촉매 구간의 시작 지점, 상기 촉매 구간의 중간 지점 및 상기 촉매 구간 내의 종료 지점 중 어느 하나의 지점에 가열 유닛이 2개 이상 복수 존재할 경우에, 유체의 흐름 방향을 따라서 상기 촉매 구간의 시작 지점에 존재하는 가열 유닛들의 가열 온도는 점진적으로 증가할 수 있고, 상기 촉매 구간의 중간 지점 및 종료 지점에 존재하는 가열 유닛들의 가열 온도는 점진적으로 감소할 수 있다.
예를 들어서, 상기 촉매 구간의 시작 지점에 복수의 가열 유닛이 존재하는 경우에 상기 가열 유닛간의 온도 변화율은 양수이면서, 그 절대값의 상한이 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 10%, 8%, 6%, 4% 또는 2% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0.5%, 1%, 3%, 5%, 7%, 9%, 11% 또는 13% 정도일 수 있다. 상기 변화율의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 가열 온도의 변화율은, 100×(H2-H1)/H1로 계산되고, 상기에서 H1는 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 먼저 만나는 가열 영역을 형성하는 가열 유닛의 온도이고, H2는, 유체의 흐름 방향을 따라서 가열 온도 H1의 가열 유닛에 바로 이어지는 가열 유닛의 가열 온도이다.
예를 들어서, 상기 촉매 구간의 중간 지점 및/또는 종료 지점에 복수의 가열 유닛이 존재하는 경우에 상기 가열 유닛간의 온도 변화율은 음수이면서, 그 절대값의 상한이 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 10%, 8%, 6%, 4% 또는 2% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0.5%, 1%, 3%, 5%, 7%, 9%, 11% 또는 13% 정도일 수 있다. 상기 변화율의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 가열 온도의 변화율은, 100×(H2-H1)/H1로 계산되고, 상기에서 H1는 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 먼저 만나는 가열 영역을 형성하는 가열 유닛의 온도이고, H2는, 유체의 흐름 방향을 따라서 가열 온도 H1의 가열 유닛에 바로 이어지는 가열 유닛의 가열 온도이다.
가열 유닛은, 촉매 구간 전 지점에 추가로 존재할 수 있다.
용어 촉매 구간 전 지점은, 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 촉매 구간에 진입하기 전의 비촉매 구간의 임의의 지점으로서, 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 촉매와 최초로 접촉하는 지점에서 일정한 거리 이내에 존재하는 지점을 의미한다. 예를 들어서 도 16을 참조하면, 상기 촉매 구간 전 지점은 촉매(610)가 충전된 촉매 영역의 시작 지점에서 거리 L1만큼 떨어진 거리이고, RB로 표시되어 있다. 상기 촉매 구간의 시작 지점의 영역은, 식 100×L1/LC(LC는 촉매 구간의 길이)의 값의 하한이 0%, 5% 또는 10%이고, 그 상한이 25%, 20%, 15%, 10%, 9% 또는 8%인 영역일 수 있다. 상기 촉매 구간 전 지점을 규정하는 100×L1/LC(LC는 촉매 구간의 길이)의 값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
이러한 경우에 상기 가열 유닛은 하기 식 16을 만족하도록 형성되어 있을 수 있다.
[식 16]
TCS ≥ TNS
식 16에서 TCS는 상기 촉매 구간의 시작 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TNS는, 촉매 구간 전 지점의 가열 유닛의 평균 가열 온도이다.
이러한 경우에 하기 식 17의 △T5는 소정 범위 내일 수 있다.
[식 17]
△T5 = (TCS - TNS)/TNS×100
식 17의 △T5의 절대값의 하한은, 1%, 5%, 10%, 15% 또는 20% 정도일 수 있고, 그 상한은, 150%, 140%, 130%, 120%, 110%, 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30% 또는 25% 정도일 수 있다. 상기 △T5의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △T5는, 양수일 수 있다.
예를 들어서, 상기 촉매 구간 전 지점에 복수의 가열 유닛이 존재하는 경우에 상기 가열 유닛간의 온도 변화율은 양수이면서, 그 절대값의 상한이 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 10%, 8%, 6%, 4% 또는 2% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0.5%, 1%, 3%, 5%, 7%, 9%, 11% 또는 13% 정도일 수 있다. 상기 변화율의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 가열 온도의 변화율은, 100×(H2-H1)/H1로 계산되고, 상기에서 H1는 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 먼저 만나는 가열 영역을 형성하는 가열 유닛의 온도이고, H2는, 유체의 흐름 방향을 따라서 가열 온도 H1의 가열 유닛에 바로 이어지는 가열 유닛의 가열 온도이다.
가열 유닛은 촉매 구간 후 지점에도 추가로 존재할 수 있다.
용어 촉매 구간 후 지점은, 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 촉매 구간을 통과한 후의 비촉매 구간의 임의의 지점으로서, 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 촉매와 마지막으로 접촉하는 지점에서 일정한 거리 이내에 존재하는 지점을 의미한다. 예를 들어서 도 16을 참조하면, 상기 촉매 구간 후 지점은 촉매(610)가 충전된 촉매 구간의 종료 지점에서 거리 L4만큼 떨어진 거리이고, RF로 표시되어 있다. 상기 촉매 구간의 시작 지점의 영역은, 식 100×L4/LC(LC는 촉매 구간의 길이)의 값의 하한이 0%, 5%, 10%, 15%, 20% 또는 25%이고, 그 상한이 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 9% 또는 8%인 영역일 수 있다. 상기 촉매 구간 후 지점을 규정하는 100×L4/LC(LC는 촉매 구간의 길이)의 값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다.
상기의 경우 가열 유닛은, 하기 식 18을 만족하도록 구동될 수 있다.
[식 18]
TCE ≥ TNE
식 18에서 TCE는 상기 촉매 구간의 종료 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TNE는, 촉매 구간 후 지점의 평균 가열 유닛의 가열 온도이다.
이러한 경우에 하기 식 19의 △T6가 소정 범위 내일 수 있다.
[식 19]
△T6 = (TNE - TCE)/TCE×100
식 18에서 TCE는 상기 촉매 구간의 종료 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TNE는, 촉매 구간 후 지점의 평균 가열 유닛의 가열 온도이다.
식 19의 △T6의 절대값의 하한은, 0.5%, 1%, 1.5% 또는 2% 정도일 수 있고, 그 상한은, 50%, 45%, 40%, 35%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 5%, 4%, 3% 또는 2.5% 정도일 수. 상기 △T6의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 △T6는, 음수일 수 있다
예를 들어서, 상기 촉매 구간 후 지점에 복수의 가열 유닛이 존재하는 경우에 상기 가열 유닛간의 온도 변화율은 음수이면서, 그 절대값의 상한이 100%, 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 15%, 10%, 8%, 6%, 4%, 2% 또는 1.5% 정도일 수 있고, 그 하한은, 0.5%, 1%, 1.5% 또는 2% 정도일 수 있다. 상기 변화율의 절대값은, 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과인 범위 내; 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내; 또는 상기 기술한 하한 중 임의의 어느 한 하한의 이상 또는 초과이면서, 상기 기술한 상한 중 임의의 어느 한 상한의 이하 또는 미만인 범위 내일 수도 있다. 상기 가열 온도의 변화율은, 100×(H2-H1)/H1로 계산되고, 상기에서 H1는 유체의 흐름 방향을 따라서 유체가 먼저 만나는 가열 영역을 형성하는 가열 유닛의 온도이고, H2는, 유체의 흐름 방향을 따라서 가열 온도 H1의 가열 유닛에 바로 이어지는 가열 유닛의 가열 온도이다.
상기와 같은 반응 장치의 적용에 의해서 목적하는 효과를 달성할 수 있다.
본 명세서는 또한 상기 반응 장치를 사용한 반응 방법을 개시한다.
상기 방법은, 상기 기술한 반응 장치를 사용하여 반응을 수행하는 방법이고, 반응 대상 물질을 포함하는 유체를 파이프 라인의 내부 통로로 이동시키면서, 상기 복수의 가열 유닛을 사용하여 각각 독립적으로 상기 내부 통로에 열 에너지를 전달 하는 것을 포함할 수 있다.
이 때 상기 반응 장치 및 반응 대상 물질, 그리고 유체 등에 대한 내용은 전술한 바와 같다.
따라서, 전술한 바와 같이 상기 이산화 탄소를 포함하고, 물을 실질적으로 포함하지 않을 수 있으며, 상기 기술한 유기 탄화수소 화합물을 포함할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 상기 반응 과정에서 상기 가열 유닛들은, 상기 촉매 구간이 일정 수준 이상의 안정화 구간을 포함하도록 구동될 수 있다. 이 때 안정화 구간에 대한 구체적이 내용, 예를 들면, 상기 식 3의 △T1의 범위, 상기 안정화 구간의 길이 LS의 상기 촉매 구간의 길이 LC에 대한 비율 LS/LC의 범위, 상기 식 3의 TCA의 범위 등에 대한 내용은 전술한 바와 같다.
또한, 상기 반응 시에 상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 상기 식 5가 만족되고, 필요한 경우에 상기 식 5의 TNCA의 TCL에 대한 비율 TNCA/TCL의 범위가 전술한 내용과 같도록 구동될 수 있다.
또한, 상기 반응 시에 상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 상기 식 6이 만족되고, 필요한 경우에 상기 식 6의 TNCH의 TCH에 대한 비율 TNCH/TCH의 범위가 전술한 바와 같이 되도록 구동될 수 있다.
또한, 필요한 경우에 상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 상기 식 7의 △R3의 값이 상기 기술한 범위가 될 수 있도록 구동될 수 있다.
또한, 필요한 경우에 상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 상기 식 8의 △R4의 값이 상기 기술한 범위가 될 수 있도록 구동될 수 있다.
또한, 필요한 경우에 상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 상기 식 9의 △R5의 값이 상기 기술한 범위가 될 수 있도록 구동될 수 있다.
또한, 필요한 경우에 상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 상기 식 10의 △R6의 값이 상기 기술한 범위가 될 수 있도록 구동될 수 있다.
또한, 필요한 경우에 상기 반응 장치, 파이프 라인 또는 가열 유닛들은, 상기 식 11의 △R7의 값이 상기 기술한 범위가 될 수 있도록 구동될 수 있다.
또한, 상기 반응 장치에서 상기 가열 유닛들은, 상기 식 1의 R1의 값이 전술한 범위가 되도록 설치되어 있을 수 있고, 그 때 가열 유닛들간의 간격의 표준 편차도 전술한 범위 내일 수 있다.
또한, 상기 반응 장치에서 상기 가열 유닛들은, 상기 식 2의 R2의 값이 전술한 범위가 되도록 설치되어 있을 수 있다.
또한, 상기 반응 장치에서 상기 가열 유닛들은, 상기 식 4의 △T2의 값이 전술한 범위가 되도록 구동될 수 있다.
또한, 상기 반응 장치에서 상기 가열 유닛들은, 상기 식 13을 만족하도록 구동될 수 있고, 필요한 경우에 상기 식 14의 △T3 및/또는 식 15의 △T4의 값이 전술한 범위가 되도록 구동될 수 있다.
상기 촉매 구간의 시작 지점, 상기 촉매 구간의 중간 지점 및/또는 상기 촉매 구간 내의 종료 지점 중 어느 하나의 지점에 가열 유닛이 2개 이상 복수 존재할 경우에, 지점에 따라서 가열 유닛들의 온도 변화율이 상기 기술한 범위 내가 되도록 구동될 수 있다.
또한, 상기 반응 장치에서 상기 가열 유닛들은, 상기 식 16을 만족하도록 구동될 수 있고, 필요한 경우에 상기 식 17의 △T5의 값이 전술한 범위가 되도록 구동될 수 있다.
상기 촉매 구간 전 지점에 가열 유닛이 2개 이상 복수 존재할 경우에, 지점에 따라서 가열 유닛들의 온도 변화율이 상기 기술한 범위 내가 되도록 구동될 수 있다.
또한, 상기 반응 장치에서 상기 가열 유닛들은, 상기 식 18을 만족하도록 구동될 수 있고, 필요한 경우에 상기 식 19의 △T6의 값이 전술한 범위가 되도록 구동될 수 있다.
상기 촉매 구간 후 지점에 가열 유닛이 2개 이상 복수 존재할 경우에, 지점에 따라서 가열 유닛들의 온도 변화율이 상기 기술한 범위 내가 되도록 구동될 수 있다.
본 명세서는 또한 합성 가스 생산 장치를 개시한다. 이러한 합성 가스 생산 장치는 상기 기술한 반응 장치이거나, 혹은 그 반응 장치를 포함할 수 있다. 상기 반응 장치에서 SMR(Steam Methane Reforming) 공정 또는 DRM(Dry Reforming of Methane) 공정을 진행함으로써 목적하는 합성 가스의 생산이 가능하다. 이러한 반응 장치 또는 합성 가스 생산 장치는 상기 DRM 공정이 진행되는 장치, 즉 DRM 장치이거나, 그 일 부분일 수 있다.
본 명세서는 반응 장치, 상기 반응 장치를 사용한 반응 방법 및 상기 반응 장치의 용도를 개시한다. 상기 반응 장치는, 과량의 수증기 또는 이산화탄소를 투입하는 고비용이고, 많은 에너지를 소모하는 방식을 적용하지 않고도 합성 가스를 생산하는 과정에서 발생할 수 있는 코킹 문제를 해결할 수 있다. 상기 반응 장치는, 수증기를 적용하지 않는 DRM 공정에서도 상기 목적을 달성할 수 있다. 본 명세서는 상기 반응 장치를 사용한 반응 방법 및 상기 반응 장치의 용도를 또한 개시한다.
도 1은 예시적인 반응 장치의 도면이다.
도 2는 예시적인 파이프 라인의 형태를 보여주는 도면이다.
도 3은 예시적인 파이프 라인의 단면 형태를 보여주는 도면이다.
도 4는 가열 영역의 설명을 위한 파이프 라인의 도면이다.
도 5는, 촉매 구간을 포함하는 반응 장치의 예시이다.
도 6은 촉매 구간을 포함하는 반응 장치의 예시이다.
도 7은, 중심 온도를 설명하기 위한 파이프 라인의 도면이다.
도 8은, 촉매 구간을 설명하기 위한 파이프 라인의 도면이다.
도 9는, 외부 열원의 구비 형태를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 실시예 1의 외부 열원에 대한 온도를 나타낸 것이다.
도 11은 실시예 1의 파이프 라인의 유체의 흐름 방향에 따른 온도를 나타낸 그래프이다.
도 12는 참조예 1의 외부 열원에 대한 온도를 나타낸 것이다.
도 13은 참조예 1의 파이프 라인의 유체의 흐름 방향에 따른 온도를 나타낸 그래프이다.
도 14는 참조예 2의 외부 열원에 대한 온도를 나타낸 것이다.
도 15은 참조예 2의 파이프 라인의 유체의 흐름 방향에 따른 온도를 나타낸 그래프이다.
도 16은, 촉매 구간 전 지점, 촉매 구간의 시작, 중간 및 종료 지점과 촉매 구간 후 지점을 설명하기 위한 도면이다.
이하, 실시예 및 참조예를 통해 본 명세서에서 개시하는 반응 장치 등을 보다 구체적으로 상기 반응 장치 등의 범위가 하기 제시된 내용으로 인해 한정되는 것은 아니다.
실시예 1.
하기와 같은 반응 장치를 구현하여 결과를 도출하였다.
전체 길이(L)가 약 12 m 정도이고 단면에 원형(도 3의 좌측 형태)인 일자형 파이프 라인(100)을 사용하였다. 파이프 라인(100)의 끝의 한 지점(PX)에서 2.4 m 정도 떨어진 거리에 해당하는 지점부터 상기 지점(PX)에서 약 10 m 정도 떨어진 지점까지에 해당하는 부분까지 연속적으로 고정상(fixed bed)의 DRM(Dry Reforming of Methane) 촉매를 충진시켜 촉매 구간을 형성하였다. 촉매로는 니켈이 도핑된 페로브스카이트(Ni doped perovskite) 금속 산화물을 사용하였고, 상기 촉매를 상기 촉매 구간 전체를 거쳐 균일하게 충전하였다. 상기 촉매가 충전되지 않은 파이프 라인(100)의 내부 통로는 비촉매 구간이다.
상기 파이프 라인(100)의 상기 지점 Px에서 1.5 m 정도 떨어진 거리에 해당하는 지점(가열원 순서: 1)에 파이프 라인(100)을 둘러싼 형태(도 9의 형태)로 외부 열원(400)을 설치하였다. 상기 외부 열원으로는 전기적 간접 가열 유닛(400)을 사용하였다. 상기 외부 열원을 상기 지점 Px에서 1.5 m 정도 떨어진 거리에 해당하는 지점을 기준(Center)으로 좌우로 각각 약 0.2 m (P) 씩 가열 영역(130)이 형성되도록 설치하였다. 또한, 상기 외부 열원(400)과 파이프 라인(100)의 표면(110) 사이의 평균 이격 거리(d)는 약 1 m 정도로 하였다. 외부 열원(400)은 상기 파이프 라인(100)의 원주 방향으로 9개의 서브 열원(430)을 구비하도록 설치하였다. 도 9는 외부 열원(400)의 구비 형태에 대한 방식을 간단히 도시한 것이다.
상기 파이프 라인(100)의 상기 지점 Px에서 3 m 정도 떨어진 지점(가열원 순서: 2), 4.5 m 정도 떨어진 지점(가열원 순서: 3), 6 m 정도 떨어진 지점(가열원 순서: 4), 7.5 m 정도 떨어진 지점(가열원 순서: 5), 9 m 정도 떨어진 지점(가열원 순서: 6), 10.5 m 정도 떨어진 지점(가열원 순서: 7) 및 12 m 정도 떨어진 지점(가열원 순서: 8)에 마찬가지의 방식으로 외부 열원(400)을 구비설치하였다. 각각의 외부 열원(400)은 각각 독립적으로 열 에너지를 상기 파이프 라인(100)에 전달할 수 있도록 설치하였다.
도 10과 같은 형태로 상기 8개의 외부 열원(400)의 가열 온도를 제어하였고, 도 10은, 실시예 1의 각각의 외부 열원(400)에 의해서 달성되는 상기 파이프 라인의 내부 통로의 중심(Center) 부분의 온도를 y축에 나타낸 것이고, 그 단위는 섭씨(℃)이다. 또한, x축은 상기 파이프 라인(100)의 상기 지점 Px의 좌표를 0으로 하여 그로부터 떨어진 거리(단위: m)를 표시한 것이고, 숫자는 각 외부 열원을 표시한다. 따라서, x축에서 약 1.5 m 정도의 지점에 설치된 외부 열원(400)을 1로 표시하였고, 이 후 상기 지점 Px에서 3 m 정도 떨어진 지점, 4.5 m 정도 떨어진 지점, 6 m 정도 떨어진 지점, 7.5 m 정도 떨어진 지점, 9 m 정도 떨어진 지점, 10.5 m 정도 떨어진 지점 및 12 m 정도 떨어진 지점에 설치된 외부 열원(400)을 각각 2, 3, 4, 5, 6, 7 및 8로 표시하였다.
도 10과 같이 2번 외부 열원(400)이 가장 열 에너지를 많이 전달하도록 하였고, 파이프 라인(100)에서 해당 부분과 대응하는 영역은 촉매 구간의 반응 시작 구간(또는 촉매 구간의 시작 지점)에 해당한다.
상기 파이프 라인(100)이 상기 도 10과 같은 중심 온도의 분포를 가지도록 안정화된 상태에서 메탄(CH4)과 이산화탄소(CO2)를 1:1.12(CH4:CO2)의 비율로 혼합한 반응 대상 물질을 0.07 kg/s로 상기 파이프 라인(100)의 상기 지점 Px에서 유입시켰다.
파이프 라인(100)은 지면에서부터 90도가 되도록 수직으로 설치하였고, 상기 유체는 중력의 영향을 받아 파이프 라인(100)에 유입되었다. 또한, 상기 유체에는 스팀을 포함시키지 않았다. 또한, 반응은 전반적으로 약 3 barg 내지 6 barg의 범위 내로 유지되도록 하였다.
도 10과 같은 온도 분포에서 상기 유체에 대해서 DRM 반응을 수행하였다. 그 결과 상기 조건에서 메탄(CH4)의 전환율(conversion)은 반응의 정상 상태(steady-state)에서 약 80% 정도였다.
도 11은 실시예 1의 반응 과정에서 파이프 라인(100)의 유체의 흐름 방향(DF)에 따라 각 지점에서 측정한 중심 온도 그래프이다. 도 11을 참조하면, 상기 촉매 구간(600)의 시작 후 대략 촉매 구간의 길이의 50%가 되는 지점부터 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지의 구간에 안정화 구간이 형성된 것을 확인할 수 있다. 상기 안정화 구간의 평균 중심 온도(TCA)는 약 850℃ 정도였다. 상기 안정화 구간에 대해서 식 3의 △T1(= TS/TCA×100, TCA은 상기 안정화 구간의 평균 중심 온도이고, TS는 상기 안정화 구간 내의 임의의 지점의 온도 Ti와 상기 TCA의 차이의 절대값)을 확인한 결과 약 0.2% 이하의 값을 확인하였다. 또한, 상기에서 비촉매 구간의 평균 중심 온도는, 약 836.7℃ 정도였고, 촉매 구간의 최저 중심 온도는 약 800℃ 정도였으며, 비촉매 구간의 최대 중심 온도는 약 900℃ 정도였고, 촉매 구간의 최대 중심 온도는 약 855℃ 정도였으며, 비촉매 구간의 최저 중심 온도는 약 770℃ 정도였다.
참조예 1.
기존 일반적인 종래의 루프 버너(Roof burner)를 구현하였다. 실시예 1과 준하는 상태에서 상기 루프 버너(비예혼합 화염 길이 3 m 가정)를 적용하였을 때와 동일한 열 에너지 공급 분포를 구현하기 위해 도 12와 같이 같이 외부 열원(400)을 설치하고 열 에너지를 제어하였다. 도 12를 참조하면, 3번 외부 열원(400)이 가장 열 에너지를 많이 전달하는 것으로 나타나는데, 파이프 라인(100)에서 해당 부분과 대응하는 영역은 촉매 구간의 반응 계속 구간에 해당한다. 도 13은 참조예 1에 대한 파이프 라인(100)의 유체의 흐름 방향(DF)에 따라 각 지점에서 측정한 중심 온도 그래프를 나타낸 것이다. 도 13을 참조하면, 상기 촉매 구간(600)의 50% 지점부터 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지의 구간에 대한 평균 중심 온도(TCA)는 약 785℃ 정도였다. 또한, 상기 촉매 구간(600)의 50% 지점부터 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지의 구간에서 특정 지점에서 식 3의 △T1이 2%를 상회하였다. 또한, 비촉매 구간의 평균 온도는, 약 773.3℃ 정도였고, 촉매 구간의 최저 온도는, 약 730℃ 정도였으며, 비촉매 구간의 최대 온도는, 약 830℃ 정도였고, 촉매 구간의 최대 온도는, 약 970℃ 정도였다.
참조예 2.
상기 실시예 1과 동일하되, 도 14와 같이 같이 외부 열원(400)을 제어하고, 열 에너지가 일정하게 공급되도록 제어하였다. 도 15는 참조예 2에 대한 파이프 라인(100)의 유체의 흐름 방향(DF)에 따라 각 지점에서 측정한 중심 온도 그래프를 나타낸 것이다. 도 15를 참조하면, 상기 촉매 구간(600)의 50% 지점부터 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지의 구간에 대한 평균 중심 온도(TCA)는 약 875℃ 정도였다. 또한, 상기 촉매 구간(600)의 50% 지점부터 상기 촉매 구간(600)이 종료되는 지점까지의 구간에서 특정 지점에서 식 3의 △T1이 2%를 상회하였다. 또한, 비촉매 구간의 평균 온도는, 약 856.7℃ 정도였고, 촉매 구간의 최저 온도는 약 740℃ 정도였으며, 비촉매 구간의 최대 온도는, 약 880℃ 정도였고, 촉매 구간의 최대 온도는, 약 973℃ 정도였다.

Claims (36)

  1. 유체가 흐를 수 있도록 형성된 내부 통로를 가지는 파이프 라인;
    상기 내부 통로에 존재하는 촉매 구간; 및
    복수의 가열 유닛들을 포함하고,
    상기 복수의 가열 유닛들은 각각 독립적으로 상기 내부 통로에 열 에너지를 전달할 수 있도록 설치되어 있는 반응 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 촉매 구간은, 흡열 반응 촉매를 포함하는 반응 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 촉매 구간의 길이 LC의 파이프 라인의 길이 LP에 대한 비율 LC/LP가 0.3 이상인 반응 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 촉매 구간은 연속 촉매 구간인 반응 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 복수의 가열 유닛은 전기적 가열 유닛을 포함하는 반응 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 전기적 가열 유닛은, 전기적 직접 가열 유닛, 전기적 간접 가열 유닛 또는 유도 가열 유닛인 반응 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 하기 식 1의 R1이 1 내지 100의 범위 내의 수가 되도록 가열 유닛들이 설치되어 있는 반응 장치:
    [식 1]
    R1 = LC/HI
    식 1에서 LC는 촉매 구간의 길이이고, HI는 가열 유닛들간의 평균 간격이다.
  8. 제 1 항에 있어서, 하기 식 2의 R2가 0.01 내지 10의 범위 내의 수가 되도록 가열 유닛들이 설치되어 있는 반응 장치:
    [식 2]
    R2 = LC/n
    식 2에서 LC는 촉매 구간의 길이이고, n은 가열 유닛의 수이다.
  9. 제 1 항에 있어서, 가열 유닛들은, 촉매 구간이 하기 식 3의 △T1이 2% 이하인 안정화 구간을 포함하도록 설치되어 있는 반응 장치:
    [식 3]
    △T1 = TS/TCA×100
    식 3에서, TCA은 상기 안정화 구간의 평균 온도이고, TS는 상기 안정화 구간 내의 임의의 지점의 온도 Ti와 상기 TCA의 차이의 절대값이다.
  10. 제 9 항에 있어서, 안정화 구간의 길이 LS의 촉매 구간의 길이 LC에 대한 비율 LS/LC가 0.2 이상이 되도록 가열 유닛들이 설치되어 있는 반응 장치.
  11. 제 9 항에 있어서, TCA은 750℃ 내지 1,000℃의 범위 내인 반응 장치.
  12. 제 9 항에 있어서, 하기 식 4의 △T2의 절대값이 5% 내지 60%의 범위 내가 되도록 가열 유닛들이 설치되어 있는 반응 장치:
    [식 4]
    △T2 = (THA - TCA)/TCA×100
    식 4에서 THA는 가열 유닛들의 평균 가열 온도이고, TCA는 안정화 구간의 평균 온도이다.
  13. 제 1 항에 있어서, 파이프 라인은 비촉매 구간을 추가로 포함하고, 가열 유닛들은, 하기 식 5가 만족되도록 설치되어 있는 반응 장치:
    [식 5]
    TNCA ≥ TCL
    식 5에서, TNCA은 상기 비촉매 구간의 평균 온도이고, TCL은 상기 촉매 구간의 최저 온도이다.
  14. 제 1 항에 있어서, 파이프 라인은 비촉매 구간을 추가로 포함하고, 가열 유닛들은 하기 식 6이 만족되도록 설치되어 있는 반응 장치:
    [식 6]
    TNCH ≥ TCH
    식 6에서, TNCH은 상기 비촉매 구간의 최고 온도이고, TCH는 촉매 구간의 최고 온도이다.
  15. 제 9 항에 있어서, 파이프 라인은 비촉매 구간을 추가로 포함하고, 하기 식 7의 △R3의 절대값이 20% 이하인 반응 장치:
    [식 7]
    △R3 = (TNCA - TCA)/TCA×100
    식 7에서, TCA은 안정화 구간의 평균 온도이고, TNCA는 상기 비촉매 구간의 평균 온도이다.
  16. 제 9 항에 있어서, 하기 식 8의 △R4의 절대값 및 하기 식 9의 △R5의 절대값이 각각 20% 이하인 반응 장치:
    [식 8]
    △R4 = (TCH - TCA)/TCA×100
    [식 9]
    △R5 = (TCL - TCA)/TCA×100
    식 8 및 9에서 TCA은 안정화 구간의 평균 온도이고, TCH는 촉매 구간 내의 최대 온도이며, TCL는 상기 촉매 구간 내의 최저 온도이다:
  17. 제 9 항에 있어서, 파이프 라인은 비촉매 구간을 추가로 포함하기 식 10의 △R6의 절대값 및 하기 식 11의 △R7의 절대값이 각각 20% 이하인 반응 장치:
    [식 10]
    △R6 = (TNCH - TCA)/TCA×100
    [식 11]
    △R7 = (TCL - TCA)/TCA×100
    식 10 및 11에서 TCA은 안정화 구간의 평균 온도이고, TNCH는 상기 비촉매 구간 내의 최대 온도이며, THCL는 상기 비촉매 구간 내의 최저 온도이다.
  18. 제 1 항에 있어서, 가열 유닛은, 촉매 구간의 시작 지점, 촉매 구간의 중간 지점 및 촉매 구간 내의 종료 지점에 각각 존재하고,
    하기 식 12를 만족하며,
    하기 식 13의 △T3는 음수이고, 그 절대값이 1% 내지 150%의 범위 내이고,
    하기 식 14의 △T4가 음수이고, 그 절대값이 0.5% 내지 150%의 범위 내가 되도록 설치되어 있는 반응 장치:
    [식 12]
    TCS ≥ TCM ≥ TCE
    [식 13]
    △T3 = (TCM - TCS)/TCS×100
    [식 14]
    △T4 = (TCE - TCM)/TCM×100
    식 12 내지 14에서 TCS는, 상기 촉매 구간의 시작 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TCM은, 상기 촉매 구간의 중간 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TCE는, 상기 촉매 구간의 종료 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이다.
  19. 제 18 항에 있어서, 촉매 구간 전 지점에 가열 유닛을 추가로 포함하고, 하기 식 15를 만족하며, 하기 식 16의 △T5는 양수이고, 그 절대값이 1% 내지 150%의 범위 내가 되도록 설치되어 있는 반응 장치:
    [식 15]
    TCS ≥ TNS
    [식 16]
    △T5 = (TCS - TNS)/TNS×100
    식 15 및 16에서 TCS는 상기 촉매 구간의 시작 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TNS는, 촉매 구간 전 지점의 가열 유닛의 평균 가열 온도이다.
  20. 제 18 항에 있어서, 촉매 구간 후 지점에 가열 유닛을 추가로 포함하고, 하기 식 17을 만족하며, 하기 식 18의 △T6는 음수이고, 그 절대값이 0.5% 내지 50%의 범위 내가 되도록 설치되어 있는 반응 장치:
    [식 17]
    TCE ≥ TNE
    [식 18]
    △T6 = (TNE - TCE)/TCE×100
    식 17 및 18에서 TCE는 상기 촉매 구간의 종료 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TNE는, 촉매 구간 후 지점의 가열 유닛의 평균 가열 온도이다.
  21. 제 1 항의 반응 장치를 사용하여 반응을 수행하는 방법으로서,
    반응 대상 물질을 포함하는 유체를 파이프 라인의 내부 통로로 이동시키면서,
    2개 이상의 가열 유닛을 사용하여 각각 독립적으로 상기 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 것을 포함하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 유체는 이산화 탄소를 포함하고, 물을 포함하지 않으며, 유기 탄화수소 화합물을 포함하는 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 가열 유닛들은, 촉매 구간이 하기 식 3의 T1이 2% 이하인 안정화 구간을 포함하도록 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 3]
    △T1 = TS/TCA×100
    식 3에서, TCA은 상기 안정화 구간의 평균 온도이고, TS는 상기 안정화 구간 내의 임의의 지점의 온도 Ti와 상기 TCA의 차이의 절대값이다.
  24. 제 23 항에 있어서, 안정화 구간의 길이 LS의 촉매 구간의 길이 LC에 대한 비율 LS/LC가 0.2 이상인 방법.
  25. 제 23 항에 있어서, TCA가 750℃ 내지 1,000℃의 범위 내인 방법.
  26. 제 23 항에 있어서, 가열 유닛들은, 하기 식 4의 △T2의 절대값이 5% 내지 60%의 범위 내가 되도록 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 4]
    △T2 = (THA - TCA)/TCA×100
    식 4에서 THA는 가열 유닛들의 평균 가열 온도이고, TCA는 안정화 구간의 평균 온도이다.
  27. 제 21 항에 있어서, 파이프 라인은 비촉매 구간을 추가로 포함하고, 가열 유닛들은, 하기 식 5가 만족되도록 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 5]
    TNCA ≥ TCL
    식 5에서, TNCA은 상기 비촉매 구간의 평균 온도이고, TCL은 상기 촉매 구간의 최저 온도이다.
  28. 제 21 항에 있어서, 파이프 라인은 비촉매 구간을 추가로 포함하고, 가열 유닛들은 하기 식 6이 만족되도록 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 6]
    TNCH ≥ TCH
    식 6에서, TNCH은 상기 비촉매 구간의 최고 온도이고, TCH는 촉매 구간의 최고 온도이다.
  29. 제 23 항에 있어서, 파이프 라인은 비촉매 구간을 추가로 포함하고, 가열 유닛들은, 하기 식 7의 △R3의 절대값이 20% 이하가 되도록 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 7]
    △R3 = (TNCA - TCA)/TCA×100
    식 7에서, TCA은 안정화 구간의 평균 온도이고, TNCA는 상기 비촉매 구간의 평균 온도이다.
  30. 제 23 항에 있어서, 하기 식 8의 △R4의 절대값 및 하기 식 9의 △R5의 절대값이 각각 20% 이하가 되도록 가열 유닛들이 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 8]
    △R4 = (TCH - TCA)/TCA×100
    [식 9]
    △R5 = (TCL - TCA)/TCA×100
    식 8 및 9에서 TCA은 안정화 구간의 평균 온도이고, TCH는 촉매 구간 내의 최대 온도이며, TCL는 상기 촉매 구간 내의 최저 온도이다:
  31. 제 23 항에 있어서, 파이프 라인은 비촉매 구간을 추가로 포함하기 식 10의 △R6의 절대값 및 하기 식 11의 △R7의 절대값이 각각 20% 이하가 되도록 가열 유닛들이 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 10]
    △R6 = (TNCH - TCA)/TCA×100
    [식 11]
    △R7 = (TCL - TCA)/TCA×100
    식 10 및 11에서 TCA은 안정화 구간의 평균 온도이고, TNCH는 상기 비촉매 구간 내의 최대 온도이며, THCL는 상기 비촉매 구간 내의 최저 온도이다.
  32. 제 21 항에 있어서, 가열 유닛은, 촉매 구간의 시작 지점, 촉매 구간의 중간 지점 및 촉매 구간 내의 종료 지점에 각각 존재하고,
    하기 식 12를 만족하며,
    하기 식 13의 △T3는 음수이고, 그 절대값이 1% 내지 150%의 범위 내이고,
    하기 식 14의 △T4가 음수이고, 그 절대값이 0.5% 내지 150%의 범위 내가 되도록 가열 유닛들이 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 12]
    TCS ≥ TCM ≥ TCE
    [식 13]
    △T3 = (TCM - TCS)/TCS×100
    [식 14]
    △T4 = (TCE - TCM)/TCM×100
    식 12 내지 14에서 TCS는, 상기 촉매 구간의 시작 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TCM은, 상기 촉매 구간의 중간 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TCE는, 상기 촉매 구간의 종료 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이다.
  33. 제 32 항에 있어서, 촉매 구간 전 지점에 가열 유닛을 추가로 포함하고, 하기 식 15를 만족하며, 하기 식 16의 △T5는 양수이고, 그 절대값이 1% 내지 150%의 범위 내가 되도록 가열 유닛들이 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 15]
    TCS ≥ TNS
    [식 16]
    △T5 = (TCS - TNS)/TNS×100
    식 15 및 16에서 TCS는 상기 촉매 구간의 시작 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TNS는, 촉매 구간 전 지점의 가열 유닛의 평균 가열 온도이다.
  34. 제 32 항에 있어서, 촉매 구간 후 지점에 가열 유닛을 추가로 포함하고, 하기 식 17을 만족하며, 하기 식 18의 △T6는 음수이고, 그 절대값이 0.5% 내지 50%의 범위 내가 되도록 가열 유닛들이 내부 통로에 열 에너지를 전달하는 방법:
    [식 17]
    TCE ≥ TNE
    [식 18]
    △T6 = (TNE - TCE)/TCE×100
    식 17 및 18에서 TCE는 상기 촉매 구간의 종료 지점에 존재하는 가열 유닛의 평균 가열 온도이고, TNE는, 촉매 구간 후 지점의 가열 유닛의 평균 가열 온도이다.
  35. 제 1 항에 따른 반응 장치를 포함하는 합성 가스 생산 장치.
  36. 제 1 항에 따른 반응 장치를 포함하는 DRM 장치.
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