KR101200929B1 - Method for manufacturing micro-macro channel reactor - Google Patents
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Abstract
본 발명은 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법에 관한 것으로서, 반응물의 균일한 분배, 반응물의 유량 증가, 촉매 성능의 극대화 및 촉매반응기의 내구성 향상 등이 가능하고, 이를 통해 소형 컴팩트화가 가능해지는 마이크로-매크로 채널 반응기를 제조할 수 있는 방법에 관한 것이다. 특히, 마이크로-매크로 채널 반응기 내에 고정되는 촉매의 성능을 극대화하여 반응 성능 및 수율을 향상시킬 수 있고, 촉매의 내구성을 증대시킬 수 있는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법에 관한 것이다. 이를 위해, 외곽으로 조립되는 상부엔드플레이트 및 하부엔드플레이트, 열교환물질이 통과하게 되는 유로가 형성되어 상기 유로를 통과하는 열교환물질과 하기 촉매플레이트의 촉매부를 통과하는 반응물, 생성물 또는 그 혼합물의 유체 간의 열전달을 수행하게 되는 열교환플레이트, 촉매부가 삽입 가능하게 측면부에 삽입구가 형성된 촉매플레이트, 그리고 반응물이 상기 촉매플레이트의 촉매부를 통과하도록 하기 위한 유로를 제공하는 받침플레이트를 각각 제작하는 단계와; 상기 상부엔드플레이트와 하부엔드플레이트 사이에 열교환플레이트, 촉매플레이트, 받침플레이트를 적층하여 접합, 고정하는 단계와; 상기 촉매플레이트의 내부에 상기 삽입구를 통해 반응물의 촉매반응에 필요한 반응촉매를 포함하는 촉매부를 삽입하는 단계와; 상기 촉매부가 삽입된 상태에서 상기 촉매플레이트의 삽입구에 밀봉부재를 끼워 접합, 고정함으로써 밀봉하는 단계;를 포함하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법이 개시된다.The present invention relates to a method for producing a micro-macro channel reactor, which enables uniform distribution of reactants, increased flow rate of reactants, maximization of catalyst performance, and improved durability of the catalytic reactor, thereby enabling compact compactness. A method for producing a macro channel reactor is disclosed. In particular, the present invention relates to a method for preparing a micro-macro channel reactor capable of maximizing the performance of a catalyst fixed in a micro-macro channel reactor, improving reaction performance and yield, and increasing durability of the catalyst. To this end, an upper end plate and a lower end plate to be assembled to the outside, a flow path through which the heat exchange material passes, is formed between the heat exchange material passing through the flow path and the fluid of the reactants, products or mixtures passing through the catalyst portion of the catalyst plate below Manufacturing a heat exchange plate for performing heat transfer, a catalyst plate having an insertion hole formed at a side surface thereof so that the catalyst portion can be inserted therein, and a support plate providing a flow path for allowing the reactant to pass through the catalyst portion of the catalyst plate; Laminating, bonding and fixing a heat exchange plate, a catalyst plate, and a support plate between the upper end plate and the lower end plate; Inserting a catalyst part including a reaction catalyst necessary for catalytic reaction of a reactant through the insertion hole into the catalyst plate; Disclosed is a method for manufacturing a micro-macro channel reactor including a step of sealing by inserting and fixing a sealing member to an insertion hole of the catalyst plate while the catalyst part is inserted.
Description
본 발명은 컴팩트(Compact) 반응기의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 마이크로-매크로 채널 반응기 내에 고정되는 촉매의 성능을 극대화하여 반응 성능 및 수율을 향상시킬 수 있고, 촉매의 장기적인 내구성을 획기적으로 증대시킬 수 있는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a method of manufacturing a compact reactor, and more particularly, to maximize the performance of the catalyst fixed in the micro-macro channel reactor to improve the reaction performance and yield, and to significantly improve the long-term durability of the catalyst It relates to a method for producing a micro-macro channel reactor that can be increased.
일반적으로 마이크로 채널을 이용한 반응기(이하, 마이크로 채널 반응기라 함)는 마이크로 채널이 구비된 다수의 단위 반응기를 결합한 구조로서, 탄화수소의 개질반응과 같은 화학반응을 수행하기에 매우 효과적인 컴팩트 반응기이다.In general, a reactor using a microchannel (hereinafter referred to as a microchannel reactor) is a structure in which a plurality of unit reactors equipped with microchannels are combined, and is a very compact reactor that is very effective for performing chemical reactions such as hydrocarbon reforming.
특히, 기존의 고정층 반응기에 비해 물질 및 열교환이 원활히 이루어져 촉매의 성능을 극대화할 수 있는 구조를 가지므로 소형 연료전지의 수소공급장치, 천연가스로부터 합성석유를 제조하는 GTL(gas to liquid) 공정, 해상환경에 적용 가능한 GTL-FPSO 공정, 석유화학공정, 정밀화학공정 및 에너지 환경 공정 등에 효과적인 것으로 평가되고 있다.In particular, since the material and the heat exchange is smoother than the conventional fixed bed reactor to have a structure that can maximize the performance of the catalyst, the hydrogen supply device of the small fuel cell, GTL (gas to liquid) process for producing synthetic oil from natural gas, It is evaluated to be effective for GTL-FPSO process, petrochemical process, fine chemical process and energy environment process applicable to the marine environment.
예를 들어 마이크로 채널 반응기에서 수소발생기를 구성하는 단위 반응기는 반응을 촉진시키기 위해 각종 유체가 흐르게 되는 미세 폭의 마이크로 채널이 내부에 구비되는 바, 이러한 마이크로 채널은 금속 박판의 표면에 정밀 기계가공이나 화학적 식각, 엑스-선 식각, 도금 및 주조 등을 혼용한 리가(LIGA) 공법 등에 의해 만들어진다.For example, in a micro-channel reactor, a unit reactor constituting a hydrogen generator is provided with a micro-channel having a micro-width through which various fluids flow to facilitate the reaction. It is made by the LIGA process using chemical etching, X-ray etching, plating and casting.
상기와 같은 마이크로 채널은 폭이 좁으면서 폭에 비해 깊이가 깊어야 촉매반응이나 열교환 측면에서 바람직하며, 단위 반응기의 용량을 증가시키기 위해 마이크로 채널이 형성된 다수의 마이크로 채널 박판을 적층시켜 반응기로 공급된 유체가 반응기를 구성하는 각 박판의 마이크로 채널로 분배되어 흐르도록 하고 있다.Such microchannels are preferred in terms of catalytic reaction or heat exchange in that they are narrow in width and deep in comparison to the width, and are laminated to a plurality of microchannel thin plates in which microchannels are formed to increase the capacity of a unit reactor. The fluid is distributed to and flows through the microchannels of each thin plate constituting the reactor.
이러한 반응기는 앞서 간단히 언급한 바와 같이 소형 연료전지의 연료개질장치로 유용한데, 연료전지는 연료인 수소와 산화제인 산소를 사용하여 그 화학적 반응에 의해 생성되는 화학 에너지를 전기 에너지로 변환하는 전지로서, 산화환원반응을 이용한다는 점에 있어서는 보통의 화학전지와 동일하나, 폐쇄계 내에서 전지 반응을 하는 화학전지와는 달리, 반응물이 연속적으로 외부에서 공급되면서 반응생성물인 물과 전기가 연속적으로 계 외로 전달되는 무공해 고효율 발전장치이다.Such a reactor is useful as a fuel reformer of a small fuel cell, as briefly mentioned above. A fuel cell is a cell that converts chemical energy generated by the chemical reaction into electrical energy using hydrogen as a fuel and oxygen as an oxidant. It is the same as a normal chemical cell in that it uses a redox reaction, but unlike a chemical cell that performs a battery reaction in a closed system, the reactant is continuously supplied from the outside and the reaction product water and electricity are continuously transferred to the system. It is a pollution-free, high efficiency power generator.
연료전지는 다양한 분야에 걸쳐 전기를 공급하는 시스템으로 적용될 수 있으며, 특히 소형 전자기기 부문에서는 기존의 이차 전지를 대체하는 전원으로서 그 연구가 활발히 진행 중이나, 연료로 사용되는 수소의 보관, 저장 및 공급 상에 문제가 있다.Fuel cells can be applied as a system for supplying electricity in various fields. In particular, in the field of small electronic devices, research is being actively conducted as a power source for replacing secondary batteries, but storage, storage, and supply of hydrogen used as fuel There is a problem with the image.
즉, 연료전지를 작동시키기 위해서는 연료인 수소의 공급이 필수적이나, 수소를 저장하여 사용하기 위해서는 대용량의 저장탱크가 필요할 뿐만 아니라 취급시 상당한 주의를 필요로 한다.In other words, the supply of hydrogen, which is a fuel, is essential to operate a fuel cell, but a large storage tank is required to store and use hydrogen, and requires considerable care in handling.
따라서, 액상의 탄화수소계 물질을 개질하여 수소를 얻은 뒤 이를 연료로 사용하는 것이 바람직하며, 특히 연료전지를 소형화하기 위해서는 컴팩트한 연료개질장치의 개발이 필요하다. 또한 GTL 공정의 컴팩트화를 통한 해상 중소형 가스전 개발을 위해서 기존의 GTL 공정에 비해 부피가 1/10으로 감소된 컴팩트 GTL 기술이 요구되며, 특히 이를 활용한 GTL-FPSO 기술의 개발이 절실하다.Therefore, it is preferable to use hydrogen as a fuel after reforming a liquid hydrocarbon-based material, and in particular, in order to miniaturize a fuel cell, it is necessary to develop a compact fuel reformer. In addition, in order to develop small and medium-sized gas fields using compact GTL process, compact GTL technology with volume reduced to 1/10 compared to the existing GTL process is required. In particular, the development of GTL-FPSO technology using this technology is urgently needed.
통상적인 마이크로 채널 반응기의 구조는 단위 반응기로 사용되는 박판과 유로차단판을 함께 적층하여 구성되며, 개질반응의 예를 들면, 개질반응용 유체와 촉매연소용 유체의 흐름이 서로 섞이지 않도록 구성됨으로써, 촉매연소열이 각 단위 반응기에 효과적으로 전달되어 촉매 반응이 진행되고, 전체 반응기의 효율이 향상되어 유체의 흐름이 나누어지지 않기 때문에 유량 분할 및 분배 문제가 발생하지 않는 장점이 있다.The structure of a conventional micro-channel reactor is configured by laminating together a thin plate and a flow path blocking plate used as a unit reactor, and for example, the reforming reaction is configured such that the flows of the reforming fluid and the catalytic combustion fluid are not mixed with each other. Since the catalytic combustion heat is effectively transferred to each unit reactor, the catalytic reaction proceeds, and the efficiency of the entire reactor is improved, so that the flow of the fluid is not divided, so there is an advantage that flow rate division and distribution problems do not occur.
Anna Lee Tonkovich 등은 탄화수소의 연소영역과 이의 발열을 이용한 흡열층을 인접하게 구성하고 열교환 영역을 가지는 금속 재질의 미세유로 반응기를 제시한 바 있다(미국공개특허 2004/0033455 A1). Anna Lee Tonkovich et al. Proposed a metal microfluidic reactor having a heat exchange zone adjacent to a hydrocarbon combustion zone and an endothermic layer using heat generation thereof (US Patent Publication No. 2004/0033455 A1).
또한 독일의 Ehrfeld Wolfgang은 금속 박판을 이용한 미세유로 열교환기의 구성에 대해 제시하였으며, 탄화수소의 연소를 통해 열을 생산하고 이를 이용하여 흡열반응의 진행이 가능하도록 한 구성을 개시하고 있다(미국특허 제6,230,408호).In addition, the German Ehrfeld Wolfgang presented the configuration of the microfluidic heat exchanger using a thin metal plate, and discloses a configuration that allows the endothermic reaction to proceed by producing heat through the combustion of hydrocarbons (US Patent No. 6,230,408).
하지만 통상의 마이크로 채널 반응기에서 촉매반응이 수행되기 위해서는 반응기 내에서 일정한 온도가 요구되는데, 이때 촉매에 반응물을 고르게 분배시킬 수 있는 분배장치의 역할이 중요하다. However, in order to perform the catalytic reaction in a conventional micro-channel reactor, a constant temperature is required in the reactor. In this case, the role of a distribution device capable of evenly distributing the reactants to the catalyst is important.
설령 마이크로 채널을 통해 반응물이 통과하더라도 반응물이 반응기에 공급되어지는 앞쪽 부분(채널의 상류측)에서 반응한 후의 생성물, 즉 반응물과 다른 성분을 가지는 반응 후 생성물이 뒤쪽(채널의 하류측)으로 이동하면서 반응물과 혼합되기 때문에, 마이크로 채널 뒤쪽의 촉매에서는 반응이 원활하게 수행되지 않게 되고, 이로 인해 결국 반응기 앞과 뒤에서 온도차가 발생하게 된다. Even if the reactant passes through the microchannel, the product after the reaction is reacted in the front part (upstream of the channel) where the reactant is fed to the reactor, i.e., the product after the reaction having a different component from the reactant is moved backwards (downstream of the channel). While being mixed with the reactants, the reaction is not performed smoothly in the catalyst behind the micro-channel, resulting in a temperature difference before and after the reactor.
그러므로, 미세 유로를 갖는 반응기라 하여도 반응물이 도입되는 위치에서 국부적인 연소열이 발생하여 반응기 온도의 균일성을 잃게 되고, 결국 연소 촉매 또는 피 가열부에 불균일성을 야기하여 촉매의 활성저하를 초래하게 된다.Therefore, even in a reactor having a micro flow path, localized heat of combustion is generated at the position where the reactant is introduced, thereby causing a loss of uniformity of the reactor temperature, which in turn causes non-uniformity in the combustion catalyst or the part to be heated, resulting in deactivation of the catalyst. .
이는 미국특허 제6,159,434호, 한국공개특허 제2003-28829호 등에 개시되어 있는 바, 이들 특허의 구성에서는 단위 반응기 사이에 분리판과 같은 온도 및 열전달 제어 매체가 존재하지 않기 때문에 각 반응기의 효과적인 화학반응 수행에 필요한 온도 제어에 어려움이 있다. This is disclosed in U.S. Patent No. 6,159,434 and Korean Laid-Open Patent Publication No. 2003-28829. In the structure of these patents, since there is no temperature and heat transfer control medium such as a separator between unit reactors, the effective chemical reaction of each reactor There is a difficulty in controlling the temperature required for performance.
이러한 문제를 해결하기 위해 한국등록특허 제599382호, 한국등록특허 제816361호에서와 같이 박막 분배판을 제공하여 반응물과 촉매 간의 균일한 접촉을 유도하거나 접촉면적을 늘리려는 시도가 있었다. In order to solve this problem, there has been an attempt to induce uniform contact between the reactants and the catalyst or increase the contact area by providing a thin film distribution plate as in Korean Patent No. 599382 and Korean Patent No. 881661.
하지만 반응물의 유량에 상관없이 분배판을 지나가게 되므로 반응물이 반응기의 앞쪽부터 구멍을 통해 촉매로 전달되어 반응기의 뒤쪽으로 진행하는 과정에서 반응물이 전달되기 힘들어진다는 문제점이 있다. However, since the reactant passes through the distribution plate regardless of the flow rate of the reactants, there is a problem that the reactants are difficult to be delivered in the process of passing the catalyst through the hole from the front of the reactor to the rear of the reactor.
더욱이, 반응물의 유량이 많은 경우 반응기의 출구측에 많은 압력이 걸리게 되는데, 이 경우 반응기 입구측에서 유입되는 반응물과 반응기 내부에서 생성된 생성물과의 충돌로 인해 더 큰 압력이 걸리게 되어 전체적인 반응 흐름에 영향을 주는 문제점이 있고, 반응물의 유량이 적은 경우에는 가스 이동이 늦어져서 오히려 반응물의 분배가 어려워지는 문제점이 있다.Moreover, when the flow rate of the reactants is high, a lot of pressure is applied to the outlet side of the reactor, in which case a greater pressure is applied due to the collision of the reactants introduced at the reactor inlet side and the product generated inside the reactor, thereby increasing the overall reaction flow. There is a problem that affects, and when the flow rate of the reactants is low, there is a problem that the distribution of the reactants becomes difficult because the gas movement is slow.
상기의 문제점을 해결하기 위해 마이크로 채널 사이에 수직방향으로 유로를 형성하는 3차원 미세채널을 적용하는 특허가 공개되었다. In order to solve the above problem, a patent has been disclosed that applies a three-dimensional microchannel that forms a flow path in a vertical direction between microchannels.
한국등록특허 제585374호, 한국등록특허 제594185호 및 한국등록특허 제646375의 특허를 살펴보면, 마이크로 열교환기의 플레이트에 형성된 마이크로 채널은 직관 형태를 가지고 있고, 여기에 유동이 혼합될 수 있는 혼합공간을 구비하고 있으며, 채널을 따라 유체가 흐를 때 2차 유동인 와류를 발생시키는 3차원 마이크로 채널을 형성하여 채널 내 유동혼합에 의해 보다 높은 열전달을 유도하도록 구성되어 있다.Looking at the patents of Korean Patent No. 585374, Korean Patent No. 594185 and Korean Patent No. 646375, the microchannel formed on the plate of the micro heat exchanger has a straight pipe shape, and the mixing space in which the flow can be mixed It is configured to form a three-dimensional micro-channel for generating a secondary flow vortex when the fluid flows along the channel is configured to induce higher heat transfer by flow mixing in the channel.
하지만 상기한 목적을 달성하기 위해, 유체의 진행방향에 대해 3차원 형상을 가지면서 다수의 미세 관통공을 가지는 미세채널부, 배출분배구 및 연속적으로 형성된 공급분배구, 미세채널 판, 그리고 반응부와 블랭크판이 적층되는 차단판 등을 필요로 하여, 3차원 미세채널을 이용한 미세채널 반응기의 제작에는 과다한 비용이 수반되기 때문에 경제적인 해결방법이 되지 못한다.However, in order to achieve the above object, the microchannel portion having a three-dimensional shape with respect to the flow direction of the fluid and having a plurality of fine through holes, the discharge distribution port and the continuously formed supply distribution port, the microchannel plate, and the reaction portion and Since a blank plate is required to be laminated, such as a blocking plate, the manufacture of a microchannel reactor using a three-dimensional microchannel is not an economical solution because it involves excessive costs.
이와 더불어 종래의 마이크로 채널 반응기를 제조하는 과정에 있어서도 촉매를 반응기의 마이크로 채널 내에 고정해야 하는 점 때문에 다음과 같은 문제점이 있다.In addition, in the process of manufacturing a conventional micro-channel reactor, there is the following problem because the catalyst must be fixed in the micro-channel of the reactor.
먼저 반응기 내에 마이크로 채널을 형성하기 위해서는 미세 유로가 형성된 다수의 플레이트를 교대로 적층해야 하며, 이때 적층되는 각 플레이트를 상호 접합, 고정하는 데에는 디퓨전 본딩(diffusion bonding), 블레이징(blazing), 또는 웰딩(welding) 등의 방법이 적용된다.First, in order to form microchannels in a reactor, a plurality of plates having fine flow paths must be alternately stacked. In this case, diffusion bonding, blazing, or welding is required for bonding and fixing each of the stacked plates. (welding) or the like is applied.
또한 미세 유로 내에는 촉매를 고정해야 하는 바, 상기와 같은 접합 방법을 적용하여 미세 유로가 형성된 각 플레이트를 적층상태로 상호 접합, 고정한 뒤, 미세 유로 내에 촉매를 코팅하여 촉매 성능을 나타내는 마이크로 채널 반응기를 제조하게 된다.In addition, it is necessary to fix the catalyst in the micro-channel, by applying the bonding method as described above, the micro-channel reactor showing the catalytic performance by bonding and fixing each plate in which the micro-channel is formed in a laminated state and then coating the catalyst in the micro-channel. It will be prepared.
이때 반응기의 미세 유로 내에 촉매를 코팅하는 방법으로는 졸-겔(sol-gel) 법 등이 주로 적용되고 있는데, 이러한 방법에 의한 촉매 코팅은 촉매의 담지량을 높일 수 없다는 문제점이 있고, 더욱이 각 플레이트의 접합 후 내부의 미세 유로에 대해 촉매의 코팅이 이루어지므로 촉매 코팅 유무를 확인할 수 없는 문제점이 있다. In this case, a sol-gel method or the like is mainly applied as a method of coating the catalyst in the fine flow path of the reactor, and there is a problem in that the catalyst coating by such a method cannot increase the amount of catalyst supported, and furthermore, each plate Since the coating of the catalyst is made to the internal micro-path after the bonding of the catalyst there is a problem that can not be confirmed whether the coating.
또한 미세 유로에 고정된 촉매의 접합 강도가 약하여 장기적인 촉매 성능을 얻을 수 없는 문제점이 있다.In addition, there is a problem in that the bond strength of the catalyst fixed in the micro-channel is weak and thus long-term catalyst performance cannot be obtained.
또 다른 방법으로, 마이크로 채널을 형성하게 되는 각 플레이트의 미세 유로에 촉매를 우선 코팅한 뒤, 촉매가 코팅된 플레이트를 교대로 적층하여 디퓨전 본딩, 블레이징, 또는 웰딩 등의 방법에 의해 상호 접합, 고정함으로써 마이크로 채널 반응기를 제조하는 것이 가능하다.In another method, the catalyst is first coated on the micro-channel of each plate to form the microchannels, and then the plates coated with the catalyst are alternately stacked to be bonded to each other by diffusion bonding, blazing, or welding. By fixing it is possible to produce a micro channel reactor.
이러한 경우에서 각 플레이트가 접합되고 난 뒤 졸-겔 법 등에 의해 반응기 내 미세 유로에 촉매를 다시 코팅하여 촉매 성능을 개선시킬 수도 있다. In this case, after each plate is bonded, the catalyst performance may be improved by recoating the catalyst in the microchannel in the reactor by the sol-gel method or the like.
그러나, 이러한 제조방법 역시 미세 유로에 촉매를 코팅함에 있어서 촉매 담지량을 늘리는데 한계가 있고, 특히 촉매 코팅 후 플레이트의 접합이 이루어지므로 고온 접합에 의해 촉매의 성능 및 내구성에 문제가 발생하게 된다.However, such a manufacturing method also has a limit in increasing the amount of supported catalyst in coating the catalyst in the micro-channel, and in particular, since the plate is bonded after the catalyst coating, the performance and durability of the catalyst are caused by high temperature bonding.
즉, 미세 유로에 촉매를 먼저 코팅하게 되면, 각 플레이트를 1000℃ 이상의 고온에서 접합하는 과정에서 선 코팅된 촉매층이 소결(sintering)되고, 이러한 촉매층의 소결은 촉매의 성능 및 유로 내 접합강도를 약화시키는 바, 이로 인해 촉매의 내구성이 저하될 수 밖에 없고, 장기적인 촉매 성능을 얻기가 어려워지는 문제점이 있는 것이다.
That is, when the catalyst is first coated on the micro-channel, the pre-coated catalyst layer is sintered in the process of bonding each plate at a high temperature of 1000 ° C. or higher, and the sintering of the catalyst layer weakens the performance of the catalyst and the bond strength in the channel. As a result, the durability of the catalyst is inevitably lowered, and it is difficult to obtain long-term catalytic performance.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 마이크로-매크로 채널 반응기 내에 고정되는 촉매의 성능을 극대화하여 반응 성능 및 수율을 향상시킬 수 있고, 촉매의 장기적인 내구성을 증대시킬 수 있는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Therefore, the present invention is invented to solve the above problems, it is possible to maximize the performance of the catalyst fixed in the micro-macro channel reactor to improve the reaction performance and yield, and to increase the long-term durability of the catalyst It is an object of the present invention to provide a method for preparing a micro-macro channel reactor.
또한 본 발명은 반응에 필요한 촉매의 비표면적을 쉽게 증가시킬 수 있고, 촉매 성능 및 열교환 효율이 극대화될 수 있는 마이크로-매크로 채널 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.It is also an object of the present invention to provide a micro-macro channel reactor that can easily increase the specific surface area of the catalyst required for the reaction and can maximize the catalyst performance and the heat exchange efficiency.
또한 본 발명은 반응물의 불균일한 분배 문제, 압력 상승의 문제 및 압력 변화에 의한 반응활성 저하의 문제들이 해소될 수 있는 마이크로-채널 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다. It is also an object of the present invention to provide a micro-channel reactor in which problems of non-uniform distribution of reactants, problems of pressure rise and problems of lowering of reaction activity due to pressure change can be solved.
또한 본 발명은 반응의 열전달 특성 및 열교환 성능이 향상됨으로써 효율이 향상될 수 있는 마이크로-채널 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.Another object of the present invention is to provide a micro-channel reactor in which efficiency can be improved by improving heat transfer characteristics and heat exchange performance of a reaction.
또한 본 발명은 반응물의 균일한 분배, 반응물의 유량 증가, 촉매 성능의 극대화, 반응기의 효율 향상 등이 가능하여 소형 컴팩트화가 가능해지는 마이크로-매크로 채널 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.
It is another object of the present invention to provide a micro-macro channel reactor capable of compact compaction by enabling uniform distribution of the reactants, increasing the flow rate of the reactants, maximizing the catalytic performance, and improving the efficiency of the reactor.
상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 외곽으로 조립되는 상부엔드플레이트 및 하부엔드플레이트, 열교환물질이 통과하게 되는 유로가 형성되어 상기 유로를 통과하는 열교환물질과 하기 촉매플레이트의 촉매부를 통과하는 반응물, 생성물 또는 그 혼합물의 유체 간의 열전달을 수행하게 되는 열교환플레이트, 촉매부가 삽입 가능하게 측면부에 삽입구가 형성된 촉매플레이트, 그리고 반응물이 상기 촉매플레이트의 촉매부를 통과하도록 하기 위한 유로를 제공하는 받침플레이트를 각각 제작하는 단계와; 상기 상부엔드플레이트와 하부엔드플레이트 사이에 열교환플레이트, 촉매플레이트, 받침플레이트를 적층하여 접합, 고정하는 단계와; 상기 촉매플레이트의 내부에 상기 삽입구를 통해 반응물의 촉매반응에 필요한 반응촉매를 포함하는 촉매부를 삽입하는 단계와; 상기 촉매부가 삽입된 상태에서 상기 촉매플레이트의 삽입구에 밀봉부재를 끼워 접합, 고정함으로써 밀봉하는 단계;를 포함하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법을 제공한다. In order to achieve the above object, the present invention, the upper end plate and the lower end plate to be assembled to the outside, the flow path through which the heat exchange material is formed to pass through the heat exchange material passing through the flow path and the catalyst portion of the catalyst plate below A heat exchange plate for performing heat transfer between the fluids of the reactants, products or mixtures thereof, a catalyst plate having an insertion hole formed in the side surface thereof so that the catalyst portion can be inserted therein, and a support plate providing a flow path for allowing the reactant to pass through the catalyst portion of the catalyst plate. Producing each step; Laminating, bonding and fixing a heat exchange plate, a catalyst plate, and a support plate between the upper end plate and the lower end plate; Inserting a catalyst part including a reaction catalyst necessary for catalytic reaction of a reactant through the insertion hole into the catalyst plate; It provides a method for producing a micro-macro channel reactor including a; by sealing by inserting, fixing, and sealing the sealing member in the insertion hole of the catalyst plate in the catalyst portion inserted state.
여기서, 상기 열교환플레이트와 받침플레이트 사이에 촉매플레이트가 개재된 형태로 하여 이들 플레이트를 상기 상부엔드플레이트와 하부엔드플레이트 사이에 반복 적층하는 것을 특징으로 한다.Here, the catalyst plate is interposed between the heat exchange plate and the support plate, characterized in that the plate is repeatedly laminated between the upper end plate and the lower end plate.
또한 상기 촉매플레이트를 측면부에 삽입구가 형성된 틀 구조로 제작하고, 상기 촉매플레이트의 틀 구조 내부에 삽입구를 통해 촉매부를 측방으로 삽입하여, 받침플레이트의 유로와 물질 이동이 가능하게 접하도록 상기 촉매부를 배치하는 것을 특징으로 한다.In addition, the catalyst plate is manufactured in a frame structure having an insertion hole formed in the side portion, and the catalyst part is inserted laterally through an insertion hole in the frame structure of the catalyst plate, and the catalyst part is disposed so as to be in contact with the flow path of the support plate. Characterized in that.
또한 상기 촉매부는 다수의 기공이 형성되고 이 다수의 기공이 유체 이동이 가능하게 연통된 구조로 된 폼 구조물과, 상기 폼 구조물의 기공 내측면에 코팅된 반응촉매를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the catalyst unit is characterized in that it comprises a foam structure having a structure in which a plurality of pores are formed and the plurality of pores are in communication with the fluid movement, and a reaction catalyst coated on the inner surface of the pores of the foam structure .
또한 상기 촉매부는 상기 폼 구조물의 표면에 내산화 코팅층을 형성한 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 상기 반응촉매를 코팅하여 제작하는 것을 특징으로 한다.In addition, the catalyst unit is characterized in that to form an oxidation-resistant coating layer on the surface of the foam structure and to coat the reaction catalyst on the oxidation-resistant coating layer.
또한 상기 촉매부는 상기 삽입구를 통해 펠릿 또는 펠트 형상의 반응촉매를 충전하여 구성하는 것을 특징으로 한다.In addition, the catalyst unit is characterized in that the filling through the insertion hole pellet or felt-shaped reaction catalyst is configured.
또한 상기 받침플레이트의 유로 내측면에 내산화 코팅층을 형성한 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 반응에 필요한 반응촉매를 코팅하는 것을 특징으로 한다.In addition, after forming the oxidation-resistant coating layer on the inner surface of the flow path of the support plate is characterized in that for coating the reaction catalyst for the reaction on the oxidation-resistant coating layer.
또한 상기 열교환플레이트의 유로 내측면에 내산화 코팅층을 형성한 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 연소촉매를 코팅하는 것을 특징으로 한다.In addition, after forming the oxidation-resistant coating layer on the inner surface of the flow path of the heat exchange plate, it characterized in that the combustion catalyst is coated on the oxidation-resistant coating layer.
또한 상기 열교환플레이트의 유로가 형성된 면에 접합되고 연소촉매부가 삽입 가능하게 측면부에 삽입구가 형성된 연소촉매플레이트를 추가로 제작하고, 상기 열교환플레이트의 유로 내측면에 연소촉매를 코팅하며, 상기 상부엔드플레이트와 하부엔드플레이트 사이에 연소촉매플레이트, 열교환플레이트, 촉매플레이트, 받침플레이트를 적층하여 접합, 고정한 뒤, 상기 연소촉매플레이트의 내부에 열교환플레이트의 유로를 통과하는 열교환물질이 통과할 수 있게 상기 삽입구를 통해 연소촉매를 포함하는 연소촉매부를 삽입하고, 상기 연소촉매부가 삽입된 상태에서 상기 연소촉매플레이트의 삽입구에 밀봉부재를 끼워 접합, 고정함으로써 밀봉하는 것을 특징으로 한다.In addition, further comprising a combustion catalyst plate bonded to the surface formed with the flow path of the heat exchange plate and the insertion portion is inserted into the combustion catalyst portion, the combustion catalyst is coated on the inner surface of the flow path of the heat exchange plate, the upper end plate After the combustion catalyst plate, the heat exchanger plate, the catalyst plate, and the backing plate are laminated and bonded between the lower end plate and the lower end plate, the insertion hole is allowed to pass through the heat exchange material passing through the flow path of the heat exchanger plate inside the combustion catalyst plate. Inserting a combustion catalyst including a combustion catalyst through the through, and inserting the sealing member in the insertion hole of the combustion catalyst plate in the state where the combustion catalyst is inserted, characterized in that the sealing by bonding.
또한 상기 연소촉매플레이트를 측면부에 삽입구가 형성된 틀 구조로 제작하고, 상기 연소촉매플레이트의 틀 구조 내부에 삽입구를 통해 연소촉매부를 측방으로 삽입하여, 열교환플레이트의 유로와 물질 이동이 가능하게 접하도록 상기 연소촉매부를 배치하는 것을 특징으로 한다.In addition, the combustion catalyst plate is made of a frame structure having an insertion hole formed in the side portion, and inserted into the combustion catalyst portion to the side through the insertion hole inside the frame structure of the combustion catalyst plate, so that the material flow in contact with the flow path of the heat exchange plate. It is characterized by arranging the combustion catalyst.
또한 상기 연소촉매부는 다수의 기공이 형성되고 이 다수의 기공이 열교환물질의 이동이 가능하게 연통된 구조로 된 폼 구조물과, 상기 폼 구조물의 기공 내측면에 코팅된 연소촉매를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.In addition, the combustion catalyst unit is formed of a foam structure having a structure in which a plurality of pores are formed and the plurality of pores are in communication with the movement of the heat exchange material, and a combustion catalyst coated on the inner surface of the pores of the foam structure It features.
또한 상기 연소촉매부는 상기 폼 구조물의 표면에 내산화 코팅층을 형성한 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 상기 연소촉매를 코팅하여 제작하는 것을 특징으로 한다.In addition, the combustion catalyst is characterized in that after forming the oxidation-resistant coating layer on the surface of the foam structure by coating the combustion catalyst on the oxidation-resistant coating layer.
또한 상기 연소촉매부는 상기 삽입구를 통해 펠릿 또는 펠트 형상의 연소촉매를 충전하여 구성하는 것을 특징으로 한다.
In addition, the combustion catalyst unit is characterized in that the filling through the insertion hole pellet or pellet-shaped combustion catalyst is configured.
이에 따라, 본 발명에 따른 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법에서는 다음과 같은 이점이 있다.Accordingly, the method of manufacturing a micro-macro channel reactor according to the present invention has the following advantages.
1) 별도의 촉매층을 구성하게 되는 각 플레이트, 즉 별도의 촉매플레이트, 열교환플레이트를 구비하되, 촉매를 코팅하여 제조된 구조촉매 형태의 촉매부를 제작하고, 플레이트의 적층 및 접합 후에 해당되는 플레이트의 내부에 상기한 구조촉매형 촉매부를 삽입한 뒤 밀봉하여 제조하게 되므로, 반응기 내에서 필요에 따라 반응에 사용되는 촉매의 전체적인 양 및 촉매의 담지량을 대폭 증가시킬 수 있으면서도, 플레이트의 고온 접합에 따른 촉매의 소결 및 내구성 등에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 바, 촉매 성능의 극대화, 반응 수율 및 생산성의 극대화, 촉매의 장기적인 내구성 증대 등과 같은 여러 장점이 있게 된다. 1) Each plate constituting a separate catalyst layer, that is, provided with a separate catalyst plate, a heat exchange plate, the production of a catalyst catalyst in the form of a structural catalyst prepared by coating the catalyst, and the inside of the plate after lamination and bonding of the plate Since it is manufactured by inserting the above-described structure catalyst type catalyst part into the sealant, it is possible to greatly increase the overall amount of the catalyst used in the reaction and the amount of catalyst supported in the reactor as needed, The effects on sintering and durability can be minimized, such as maximizing catalyst performance, maximizing reaction yield and productivity, and increasing long-term durability of the catalyst.
2) 촉매플레이트와 촉매부의 두께를 조절하는 경우 반응기의 촉매층 높이(두께)를 원하는 수준으로 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있고, 특히 마이크로 채널(받침플레이트의 유로)에 별도 구성되는 촉매층(촉매부를 구비한 촉매플레이트)을 두어, 반응에 필요한 촉매의 비표면적을 원하는 수준까지 대폭적으로 증가시킬 수 있는 바, 반응기의 단위 부피당 성능을 극대화할 수 있는 이점이 있다. 무엇보다 촉매부의 기공 내부에도 촉매가 있는 구조이면서 이러한 촉매부를 다양한 높이(두께)로 조절할 수 있으므로 비표면적의 증가를 쉽게 달성할 수 있다.2) In the case of adjusting the thickness of the catalyst plate and the catalyst portion, there is an advantage that the height (thickness) of the catalyst layer of the reactor can be easily adjusted to a desired level. Catalyst plate), the specific surface area of the catalyst required for the reaction can be significantly increased to a desired level, and there is an advantage of maximizing the performance per unit volume of the reactor. Above all, since the catalyst is also present in the pores of the catalyst part, the catalyst part can be adjusted to various heights (thickness), thereby increasing the specific surface area easily.
3) 발열반응이나 흡열반응의 정도에 따라 촉매플레이트와 촉매부의 두께를 용이하게 조절할 수 있기 때문에 구조체 촉매 형태의 조절을 통한 반응기 성능의 극대화가 가능해지고, 다양한 방향에서의 촉매반응이 가능한 동시에 반응면적을 크게 증대시킬 수 있어 반응기의 효율을 향상시킬 수 있다. 또한 공급되는 반응물의 양이 증가하더라도 동일하거나 그 이상의 촉매 접촉면적을 갖게 되고, 반응온도의 급격한 변화가 제어될 수 있다. 또한 촉매부의 촉매층 및 기공을 통해 반응물의 분배가 다양한 방향으로 원활히 이루어지므로 종래 반응물의 불균일한 분배 문제, 압력 상승의 문제 및 압력 변화에 의한 반응활성 저하의 문제들이 해소될 수 있다. 3) Since the thickness of the catalyst plate and the catalyst part can be easily adjusted according to the degree of exothermic or endothermic reaction, the reactor performance can be maximized through the control of the structure catalyst type, and the reaction area is possible at the same time in various directions. It can greatly increase the efficiency of the reactor can be improved. In addition, even if the amount of reactant supplied increases, the catalyst contact area is the same or higher, and a sudden change in the reaction temperature can be controlled. In addition, since the distribution of the reactants is smoothly made in various directions through the catalyst layer and the pores of the catalyst part, the problem of non-uniform distribution of the conventional reactants, a problem of pressure rise, and a decrease in reaction activity due to pressure change can be solved.
4) 본 발명에서는 촉매플레이트와 받침플레이트가 구성하게 되는 반응용 마이크로-매크로 채널이 열교환용 마이크로 채널 사이에 적용되는 동시에 촉매부(촉매플레이트)의 상측에 열교환플레이트가 배치되어, 반응의 열전달 특성이 개선될 수 있고, 더욱이 열교환플레이트의 두께를 용이하게 조절할 수 있는 동시에 열교환물질의 이동통로가 되는 마이크로 채널(유로)의 형태(유로 폭, 깊이, 방향 등) 등을 다양하게 조절할 수 있으므로, 열교환 성능을 쉽고 효과적으로 조절할 수 있는 바, 전체 반응기의 효율을 크게 향상시킬 수 있다. 특히, 촉매플레이트 및 받침플레이트에서의 촉매반응이 흡열반응이면, 열교환플레이트의 유로 내측면에 연소촉매가 코팅되거나, 상기 열교환플레이트의 유로 내측면에 연소촉매가 코팅되는 것과 함께 연소촉매가 담지된 폼, 펠트 및 펠렛 형상의 촉매 구조물이 구비된 연소촉매플레이트를 추가하여 촉매반응에 필요한 열원을 효과적으로 공급할 수 있다. 또한 촉매플레이트 및 받침플레이트에서의 촉매반응이 발열반응이면, 연소촉매 대신에 열전달을 증진시키기 위한 폼 및 펠트 형태의 3차원 열교환 매체가 구비되어 발열량을 효과적으로 제어할 수 있다.4) In the present invention, the reaction micro-macro channel constituted by the catalyst plate and the support plate is applied between the microchannels for heat exchange, and a heat exchange plate is disposed on the upper side of the catalyst portion (catalyst plate), so that the heat transfer characteristics of the reaction are improved. It can be improved and moreover, it is possible to easily adjust the thickness of the heat exchanger plate, and at the same time, it is possible to variously control the shape (e.g., width, depth, direction, etc.) of the microchannel (euro) that becomes the moving passage of the heat exchange material, Can be easily and effectively controlled, it can greatly improve the efficiency of the entire reactor. In particular, if the catalytic reaction in the catalyst plate and the support plate is an endothermic reaction, the combustion catalyst is coated on the inner surface of the flow path of the heat exchange plate, or the combustion catalyst is coated on the inner surface of the flow path of the heat exchange plate, and the foam is supported on the combustion catalyst. In addition, a combustion catalyst plate having a catalyst structure in the form of a pellet and a pellet may be added to effectively supply a heat source required for the catalytic reaction. In addition, if the catalytic reaction in the catalyst plate and the support plate is an exothermic reaction, instead of the combustion catalyst is provided with a three-dimensional heat exchange medium in the form of foam and felt to promote heat transfer can effectively control the calorific value.
5) 반응물의 균일한 분배, 반응물의 유량 증가, 촉매 성능의 극대화, 반응기의 효율 향상 등이 가능해지므로, 결국 반응기의 컴팩트화가 가능해지면서 연료전지용 소형 개질기, 수소스테이션, 청정연료제조용 XTL공정(GTL, CTL, BTL), GTL-FPSO 제조공정, DME-FPSO 공정, MEOH-FPSO공정, 석유화학공정, 정밀화학공정, 환경공정 및 에너지 공정 등의 컴팩트화에 기여할 수 있게 된다.
5) Uniform distribution of the reactants, increase in the flow rate of the reactants, maximization of the catalyst performance, and the efficiency of the reactors are possible, and thus the compactness of the reactors becomes possible. CTL, BTL), GTL-FPSO manufacturing process, DME-FPSO process, MEOH-FPSO process, petrochemical process, fine chemical process, environmental process and energy process can contribute to the compactness.
도 1은 본 발명에 따른 마이크로-매크로 채널 반응기의 구성을 나타내는 분리 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 일 실시예의 조립 과정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 일 실시예의 조립 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로-매크로 채널 반응기의 구성을 나타내는 분리 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 다른 실시예의 조립 과정을 설명하기 위한 사시도이다.
도 6은 도 4에 도시된 다른 실시예의 조립 사시도이다.
도 7은 본 발명에 따른 마이크로-매크로 채널 반응기에서 구조촉매 형태로 제작되는 촉매부(또는 연소촉매부)를 예시한 사시도이다.1 is an exploded perspective view showing the configuration of a micro-macro channel reactor according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view illustrating an assembly process of the embodiment illustrated in FIG. 1.
3 is an assembled perspective view of one embodiment shown in FIG.
Figure 4 is an exploded perspective view showing the configuration of a micro-macro channel reactor according to another embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a perspective view illustrating an assembly process of another embodiment illustrated in FIG. 4.
6 is an assembled perspective view of another embodiment shown in FIG.
7 is a perspective view illustrating a catalyst part (or a combustion catalyst part) manufactured in the form of a structural catalyst in a micro-macro channel reactor according to the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.
본 발명은 전술한 종래의 모든 문제점을 해결하기 위해 마이크로-매크로 채널 개념을 적용한 컴팩트 반응기의 제조방법에 관한 것으로서, 연료전지, 청정연료 등의 에너지 분야, 석유화학 산업에서 필요로 하는 화학반응 분야, 환경장치 분야 및 GTL-FPSO 등의 해양플랜트 분야 등에서 유용하게 응용이 가능한 반응기의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for manufacturing a compact reactor applying the micro-macro channel concept to solve all the above-mentioned problems, which is required in the field of energy, such as fuel cells, clean fuels, chemical reaction fields required by the petrochemical industry, The present invention relates to a reactor manufacturing method that can be usefully applied in the field of environmental devices and offshore plant such as GTL-FPSO.
특히, 본 발명은 구조촉매형 촉매를 구비한 컴팩트형 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법에 관한 것으로서, 마이크로-매크로 채널 반응기 내에 고정되는 촉매의 성능을 극대화하여 반응 성능 및 수율을 향상시킬 수 있고, 촉매의 내구성을 증대시킬 수 있는 컴팩트형 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법에 관한 것이다.In particular, the present invention relates to a method for producing a compact micro-macro channel reactor having a structure catalyst catalyst, and can maximize the performance of the catalyst fixed in the micro-macro channel reactor to improve reaction performance and yield, It relates to a method for producing a compact micro-macro channel reactor capable of increasing the durability of the catalyst.
이를 위하여, 본 발명의 제조방법에서는, 컴팩트형 마이크로-매크로 채널 반응기를 제조함에 있어서, 촉매부(후술하는 촉매플레이트의 촉매부와 더불어 연소촉매플레이트의 연소촉매부를 포함하는 것임)를 해당 플레이트(촉매플레이트 및 연소촉매플레이트)의 틀 구조 내부에 삽입하여 조립한 뒤 각 플레이트를 적층 조립하는 방식 대신, 각 플레이트를 적층 조립한 뒤 촉매부를 해당 플레이트의 삽입구(도면에서 도면부호 44, 74임)를 통해 틀 구조 내부로 삽입하고 상기 해당 플레이트의 삽입구(44,74)를 밀봉부재(도면부호 45, 75임)로 밀봉하는 방식으로 제조하는 것에 주된 특징이 있는 것이다.To this end, in the production method of the present invention, in the production of a compact micro-macro channel reactor, the catalyst portion (which includes the catalyst portion of the catalyst plate as well as the catalyst portion of the combustion catalyst plate described below) is a corresponding plate (catalyst). Instead of inserting and assembling each plate after stacking and inserting it into the frame structure of the plate and combustion catalyst plate, stacking and assembling each plate and then attaching the catalyst part through the insertion holes (corresponding to reference
이러한 본 발명에서는 각 플레이트를 적층상태로 접합, 고정함에 있어서 종래와 마찬가지로 디퓨전 본딩(diffusion bonding), 블레이징(blazing), 또는 웰딩(welding) 등의 방법을 적용하여 접합, 고정하지만, 별도의 구조촉매 형태로 제작된 촉매부가 상기한 플레이트의 접합, 고정 이후에 해당 플레이트의 틀 구조 내부에 삽입되므로, 고온의 접합 과정에서 발생하는 열에 의해 상기 촉매부가 열화되거나 손상되는 것을 방지할 수 있게 되고, 결국 촉매 성능의 극대화, 반응 수율 및 생산성의 극대화, 촉매의 장기적인 내구성 증대 등을 달성할 수 있게 된다. In the present invention, in bonding and fixing each plate in a laminated state, as in the prior art, bonding and fixing are performed by applying a method such as diffusion bonding, blazing, or welding, but in a separate structure. Since the catalyst part manufactured in the form of catalyst is inserted into the frame structure of the plate after the bonding and fixing of the plate, the catalyst part can be prevented from being deteriorated or damaged by the heat generated during the high temperature bonding process. Maximizing catalyst performance, maximizing reaction yield and productivity, and increasing catalyst long-term durability can be achieved.
우선, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 마이크로-매크로 채널 반응기의 구성을 나타내는 분리 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 일 실시예의 조립 과정을 설명하기 위한 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 일 실시예의 조립 사시도이다. First, Figure 1 is an exploded perspective view showing the configuration of a micro-macro channel reactor according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view for explaining the assembly process of the embodiment shown in Figure 1, Figure 3 is Figure 1 Assembled perspective view of one embodiment shown in.
도 3에서 각 플레이트의 교대 적층 및 접합 이후에 조립되는 구조촉매형 촉매부(41)와 밀봉부재(45)에 대해서는 별도로 분리하여 도시하였다. 상기 밀봉부재(45)는 구조촉매 형태로 제작된 촉매부(41)가 촉매플레이트(40)의 틀 구조 내부로 삽입되고 난 뒤 밀봉을 위해 결합되는 마감부재로서, 촉매플레이트(40)와는 별도로 분리 제작되는 부재가 될 수 있고, 촉매플레이트(40) 등의 반응기와 동일한 재질의 사각봉 형태로 제작될 수 있다. 바람직하게는 틀 형태의 촉매플레이트(40)에서 삽입구(44)가 형성되도록 촉매플레이트(40)의 측면부를 절단한 사각봉 형태의 밀봉부재(45)가 재사용될 수 있다. In FIG. 3, the
즉, 각 플레이트(20,30,40,50,60)가 후술하는 바와 같이 교대로 적층된 상태가 되도록 상호 접합, 고정된 뒤, 구조촉매형 촉매부(41)가 촉매플레이트(40)의 틀 구조 내부로 촉매플레이트의 삽입구(44)를 통해 측방 삽입되고 나면, 이어 내부공간을 밀폐하도록 상기 밀봉부재(45)가 촉매플레이트의 삽입구(44)에 끼워져 접합, 고정되면서 밀봉하도록 하는 것이다. That is, after the
우선, 반응기(10)의 구성에 대해서 상술하기로 한다.First, the configuration of the
도시된 바와 같이, 본 발명의 반응기(10)는 상하의 엔드플레이트와 상하로 적층 조립되는 복수의 박판들로 구성되며, 이때 각 박판은 충분한 강성 확보를 위해 금속을 재질로 하여 제작될 수 있다(즉, 금속 박판으로 제작). As shown, the
본 발명의 반응기(10)를 구성하는 박판의 소재로는, 우수한 열교환 성능 및 내구성을 고려해야 하는 동시에 유체가 흐를 수 있는 유로(채널)(32,52,62)를 용이하게 형성할 수 있어야 하므로, 열전도성과 기계가공성이 좋은 알루미늄이나 구리, 또는 우수한 내열성 및 내식성을 가지는 스테인리스강이나 니켈, 코발트 계열의 합금(인코넬, 모넬 등) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.As the material of the thin plate constituting the
또한 마이크로 채널을 형성하게 되는 박판의 미세한 홈, 즉 유체가 흐르게 되는 미세한 유로(32,52,62)를 형성함에 있어서는 화학적 부식법이나 건식 에칭법 또는 기계적인 방법을 이용하여 가공할 수 있으며, 금속분말을 몰딩하는 금속사출성형법을 통해서도 가공될 수 있다.In addition, in forming the fine groove of the thin plate to form the microchannel, that is, the fine flow path (32, 52, 62) through which the fluid flows, it can be processed by chemical corrosion method, dry etching method or mechanical method. It can also be processed through metal injection molding to mold the powder.
또한 박판에서 미세한 유로(32,52,62)를 형성하는 홈의 폭 및 깊이는 특정한 수치로 한정하지 않으며, 홈의 모양과 방향에 있어서도 특정하게 한정하지는 않는다.In addition, the width and depth of the grooves forming the
예컨대, 도 1의 실시예에서는 박판의 유로(홈)(32,52,62)들이 나란하게 도면상 좌우방향, 즉 박판의 길이방향을 따라 길게 형성된 구조가 적용됨을 볼 수 있으며, 중간은 직선 모양으로, 양단은 사선 모양으로 형성되고 있다. 이는 하나의 예시일 뿐 유로의 모양과 방향은 다양하게 변경 실시될 수 있다.For example, in the embodiment of Figure 1, the flow path (grooves) (32, 52, 62) of the thin plate can be seen to be applied to the structure formed long along the left and right directions, that is, the longitudinal direction of the thin plate side by side, the middle is a straight shape Both ends are formed diagonally. This is just one example, and the shape and direction of the flow path may be variously changed.
또한 반응기(10)를 구성하는 박판들은 상하로 적층 고정된 상태가 되도록 디퓨젼 본딩(diffusion bonding), 브레이징(brazing), 레이저 용접, 전기도금, 티그(TIG) 용접, 프레싱, 엠보싱 프레싱 등에 의해 접합 고정될 수 있다.In addition, the thin plates constituting the
다음으로, 본 발명의 마이크로-매크로 채널 반응기(10)에서 각 박판의 종류 및 구성에 대해 설명하면, 우선 5종류의 박판이 기본적으로 사용될 수 있는데, 반응기(10) 외곽으로 조립되는 상부엔드플레이트(20) 및 하부엔드플레이트(60)와, 표면에 형성된 유로(32)를 통해 열교환물질을 통과시켜 상기 열교환물질과 하기 촉매플레이트(40)를 통과하는 반응물, 생성물 또는 그 혼합물의 유체 간의 열전달을 수행하는 열교환플레이트(30)와, 상기 열교환플레이트(30)와 적층 조립되고 반응에 필요한 촉매를 포함하는 촉매부(41)를 구비하여 반응물이 상기 촉매부(41)를 통과하는 동안 반응물의 촉매반응이 일어나는 촉매플레이트(40), 상기 촉매플레이트(40)와 적층 조립되고 반응물(생성물을 포함하는 것일 수 있음)이 상기 촉매플레이트(40)의 촉매부(41)를 통과하도록 하기 위한 유로(52)를 제공하는 받침대 역할의 받침플레이트(50)를 포함하여 구성된다.Next, when describing the type and configuration of each thin plate in the
여기서, 상부엔드플레이트(20)와 하부엔드플레이트(60)는 압력 증가에 따른 휨을 방지하기 위해 나머지 플레이트(박판, 즉 열교환플레이트, 촉매플레이트, 받침플레이트)에 비해 두꺼운 두께를 가진다.Here, the
또한 상부엔드플레이트(20)에는 어떠한 유로도 형성되지 않으며, 일단부에는 액상 또는 기상의 반응물이 공급되는 반응물공급구(21)와, 액상 또는 기상의 열교환물질이 공급되는 열교환물질공급구(22)가 관통 형성된다.In addition, no flow path is formed in the
또한 하부엔드플레이트(60)에는 도 1에 나타낸 바와 같이 적층 조립시 내측면이 되는 면, 즉 도면상 상면에 홈을 형성하여 열교환물질이 통과하게 되는 유로(62)가 만들어지는데, 하부엔드플레이트(60)의 일단부에는 상기 유로(62)의 후단부가 연결되는 열교환물질배출구(63)가 관통 형성되고, 하부엔드플레이트(60)의 타단부에는 반응에 의해 생성된 생성물이 배출되는 생성물배출구(64)가 상기 유로(62)와는 독립된 위치에서 관통 형성된다.In addition, as shown in FIG. 1, the
또한 하부엔드플레이트(60)의 내측면에 형성된 상기 유로(62)의 전단부는 내측면에 홈 구조로 형성된 분배부(61)에 연결되고, 상기 분배부(61)는 하부엔드플레이트(60)의 상측으로 조립된 받침플레이트(50)의 관통공(54)과 연결되도록 되어 있다.In addition, the front end portion of the
이하, 본 명세서에서 각 유로(32,52,62)의 전단부와 후단부의 구분은 각 유로에서 유체의 흐름방향을 기준으로 상류측 단부를 전단부로, 하류측 단부를 후단부로 칭하기로 한다.Hereinafter, in the present specification, the front end and the rear end of each
상기 열교환플레이트(30)/촉매플레이트(40)/받침플레이트(50)는 서로 접합된 상태로 적층 조립되는데, 열교환플레이트(30)와 받침플레이트(50) 사이에 촉매플레이트(40)가 개재되며, 이렇게 적층되는 열교환플레이트(30) 1개와 촉매플레이트(40) 1개, 받침플레이트(50) 1개를 한 조라 할 때, 반응기(10) 내에서 이들의 단수 조 또는 복수 조가 적층 조립된다.The
도 1을 참조하면 각 조에서 열교환플레이트(30)는 상측에, 촉매플레이트(40)는 중간에, 받침플레이트(50)는 하측에 위치되게 조립되고 있으며, 촉매플레이트(40)와 그 하측의 받침플레이트(50)는 기능상으로 서로 관련된 구성부, 즉 반응물(생성물을 포함하는 것일 수 있음)을 촉매와 접촉될 수 있게 정해진 방향으로 안내하면서 촉매부(41)에 통과시키는 구성부이다. Referring to FIG. 1, in each tank, the
결국, 열교환플레이트(30)/촉매플레이트(40)/받침플레이트(50)의 순으로 다수의 박판이 반복 적층되어 하나의 반응기(10)가 구성될 수 있으며, 이들이 각각 복수로 반복 적층된 상태에서 상, 하 최외곽으로 상기 상부엔드플레이트(20)와 하부엔드플레이트(60)가 조립되는 것이다.As a result, a plurality of thin plates may be repeatedly stacked in the order of the
도 1에 예시한 실시예에서는 2개 조의 열교환플레이트(30)와 촉매플레이트(40), 받침플레이트(50)가 적층되어 반응기(10)를 구성하고 있으며, 하부엔드플레이트(60)의 상측에 받침플레이트(50)가 적층 조립되고 있다.In the embodiment illustrated in FIG. 1, two sets of
상기 열교환플레이트(30)의 구조를 살펴보면, 일면 또는 양면에 유로(32)가 형성되는데, 열교환플레이트(30)의 일단부에는 열교환물질이 통과하게 되는 유로(32)의 후단부와 연결된 배출통공(33)이 관통 형성되고, 열교환플레이트(30)의 타단부에는 반응물, 생성물 또는 그 혼합물의 유체를 바로 아래로 통과시키기 위한 관통공(34)이 유로(32)와는 독립된 위치에서 관통 형성된다.Looking at the structure of the
또한 상기 유로(32)의 전단부는 열교환플레이트의 타단부에 표면상의 홈 구조로 형성된 분배부(31)에 연결되고, 상기 분배부(31)는 상측으로 적층 조립된 상부엔드플레이트(20)의 열교환물질공급구(22)나 받침플레이트(50)의 관통공(54)과 연결되도록 되어 있다.In addition, the front end portion of the
또한 열교환플레이트(30)의 관통공(34)은 상측에 조립된 상부엔드플레이트(20)의 반응물공급구(21)나 받침플레이트(50)의 배출통공(53)을 하측에 조립된 촉매플레이트(40)의 주입공(42)에 연결하는 구조로 되어 있다.In addition, the through
상기 열교환플레이트(30)의 배출통공(33)은 하측으로 조립된 촉매플레이트(40)의 관통공(43)과 연결되도록 되어 있는데, 촉매플레이트(40)의 관통공(43)이 그 하측으로 조립된 받침플레이트(50)의 관통공(54)과 연결되고, 이 받침플레이트(50)의 관통공(54)이 그 하측의 열교환플레이트(30)의 분배부(31)와 연결되며, 이 분배부(31)는 해당 열교환플레이트(30)의 유로(32)와 연결된다.The
본 발명의 반응기(10) 내에서, 상하로 배치되는 복수의 열교환플레이트(30)가 그 사이에 촉매플레이트(40) 및 받침플레이트(50)를 개재한 상태로 적층된다고 할 때, 열교환플레이트(30)의 배출통공(33)은 촉매플레이트(40)의 관통공(43), 받침플레이트(50)의 관통공(54)을 통해 그 하측으로 배치되는 다른 열교환플레이트(30)의 분배부(31)와 연통되며, 이에 반응기(10) 내 전체 열교환플레이트(30)의 유로(32)가 직렬로 연결되도록 되어 있다.In the
결국, 상측의 열교환플레이트(30)의 분배부(31)로 공급된 열교환물질은 각 유로(32)로 분배된 뒤 배출통공(33), 촉매플레이트(40)의 관통공(43), 받침플레이트(50)의 관통공(54), 하측 열교환플레이트(30)의 분배부(31)로 공급되고, 하측 열교환플레이트(30)의 분배부(51)로 공급된 열교환물질은 다시 유로(32), 배출통공(33)을 거쳐 그 하측으로 연통된 경로, 즉 하측으로 적층된 촉매플레이트(40)의 관통공(43), 받침플레이트(50)의 관통공(54)를 통과하는 바, 이러한 경로를 반복하여 최종적으로는 하부엔드플레이트(60)의 유로(62)를 거쳐 열교환물질배출구(63)를 통해 외부 배출되게 된다.As a result, the heat exchange material supplied to the
물론, 열교환물질의 경우 상기 경로를 역으로, 즉 하측에서 상측으로 통과하여 흐르도록 할 수도 있다(하부엔드플레이트를 통해 공급된 열교환물질이 각 열교환플레이트를 통과하여 상부엔드플레이트를 통해 배출될 수 있음).Of course, in the case of heat exchange material, the path may be reversed, that is, passed from the lower side to the upper side (the heat exchange material supplied through the lower end plate may pass through each heat exchange plate and be discharged through the upper end plate). ).
상기와 같은 열교환플레이트(30)는, 유로(32)를 통해 열교환물질을 통과시키면서, 이 유로(32)를 통과하는 열교환물질과 촉매플레이트(40)를 통과하는 반응물, 생성물 또는 그 혼합물의 유체 사이에 열교환이 이루어질 수 있도록 열을 전달하는 역할을 하게 된다.The
본 발명의 반응기(10)에서 열교환물질이 통과하게 되는 유로, 즉 열교환플레이트(30)의 유로(32)(마이크로 채널)에는 연소촉매가 코팅될 수 있다. 연소촉매는 후술하는 촉매플레이트(40) 및 받침플레이트(50)에 사용되는 반응촉매(반응물의 촉매반응을 위한 촉매)와는 구분되는 것으로서, 본 발명의 반응기(10)에서 연소촉매의 종류로는 특정하게 한정하지 않는다. In the
이를 보다 상세히 설명하면, 촉매플레이트(40) 및 받침플레이트(50)에서의 촉매반응이 흡열반응이면, 열교환플레이트(30)의 유로 내측면에 연소촉매가 코팅되어, 열교환플레이트(30)의 유로(32)를 통과하는 열교환물질과 유로 내측면에 코팅된 연소촉매의 반응에 의해 발생하는 열을 제공할 수 있도록 구성되는 것이다.In more detail, if the catalytic reaction in the
또는 도 4 내지 도 6에 나타낸 다른 실시예에서와 같이, 열교환플레이트(30)의 유로(32)가 형성된 면에 접합되어 적층 조립되는 별도의 플레이트(이하, 연소촉매플레이트라 칭함)(70)를 추가로 개재하는 것이 가능하다. 이 연소촉매플레이트(70)는 후술하는 촉매플레이트(40)와 마찬가지로 내부가 빈 틀 구조로 구비되어, 틀 구조의 내부에 연소촉매부(71), 즉 연소촉매가 포함된 촉매 구조물이 삽입 설치되는 구조가 될 수 있다. 즉, 연소촉매플레이트(70)는 연소촉매가 사용되는 것을 제외하고는 촉매부(41)를 가진 촉매플레이트(40)와 동일한 구조가 될 수 있는 것이다. 도 4의 실시예에서는 연소촉매부(71)를 구비한 연소촉매플레이트(70)가 열교환물질이 통과하는 미세 유로(32,62)가 형성된 각 열교환플레이트(30)와 하부엔드플레이트(60)의 상측에 적층 조립되고 있다.Alternatively, as in another embodiment shown in FIGS. 4 to 6, a separate plate 70 (hereinafter referred to as a combustion catalyst plate) 70 which is bonded to the surface on which the
여기서, 상기 연소촉매부(71)는 열교환플레이트(30) 및 하부엔드플레이트(60)의 유로(32,62)를 통과하는 열교환물질이 통과하도록 구비되는데, 하측의 열교환플레이트(30) 및 하부엔드플레이트(60)의 분배부(31,61)로 공급된 열교환물질이 상측 연소촉매부(71)의 연소촉매를 거친 뒤 열교환플레이트(30)의 배출통공(33) 및 하부엔드플레이트(60)의 열교환물질배출구(63)를 통해 배출되게 된다. Here, the
상기 연소촉매부(71)는 반응에 필요한 연소촉매가 고정되어 있는 부분으로서, 도 7에 나타낸 바와 같이 지지체에 촉매가 고정된 구조촉매 형태로 제작될 수 있으며, 후술하는 삽입구(74)를 통해 연소플레이트(70)의 틀 구조 내부에 삽입된다.The
상기 연소촉매부(71)의 구성을 살펴보면, 이는 기공이 형성되고 상기 기공이 연소촉매플레이트(70)의 길이방향(도면상 좌우방향) 및 두께방향(도면상 상하방향), 폭방향 등 다양한 방향으로 열교환플레이트(30)의 유로(32)에서 유입된 열교환물질의 이동이 가능하게 연통되어 형성된 폼(form) 구조물과, 상기 폼 구조물의 기공 표면에 고정된 연소촉매를 포함하여 구성된다.Looking at the configuration of the
여기서, 상기 폼 구조물은 금속 폼, 세라믹 폼, 금속 펠트(felt) 등이 될 수 있고, 폼 구조물의 기공 표면 위에 연소촉매가 고정된 상태로 제작되어 연소촉매플레이트(70)에 설치되는 바, 기공 연결로 형성된 유로로 인해 연소촉매플레이트(70)의 연소촉매부(71) 내에서는 열교환물질이 다양한 방향으로 분배되어 통과하도록 되어 있다.Here, the foam structure may be a metal foam, a ceramic foam, a metal felt (felt) and the like, the combustion catalyst is fixed on the pore surface of the foam structure is installed on the
폼 구조물과 더불어 연소촉매부(71)를 구성하는 연소촉매는 기공 표면, 보다 명확히는 기공의 내측면에 코팅된 코팅 촉매가 될 수 있으며, 연소촉매의 종류에 대해서는 마이크로 채널 반응기 분야에서 다양하게 공지되어 사용되고 있으므로 본 명세서에서 예시하지는 않는다. In addition to the foam structure, the combustion catalyst constituting the
또한 상기한 연소촉매부(71)의 다른 실시예로서, 구형 또는 실린더형 등과 같은 펠렛(pellet) 또는 펠트(felt) 형상으로 제조된 연소촉매를 연소촉매플레이트(70)의 틀 구조 내부에 충전하여 연소촉매부를 구성할 수도 있는데, 이 경우 펠렛 형상의 크기는 하측에 위치되는 열교환플레이트(30)의 유로(32)를 통해 누출되지 않을 정도의 크기로 하며, 펠렛 형상의 연소촉매들 사이로 간극이 존재하므로 이 간극을 통해 열교환물질이 통과하도록 한다.In addition, as another embodiment of the
상기 연소촉매플레이트(70)는 도 4 내지 도 6에 예시한 바와 같이 반응기(10)에서 열교환플레이트(30) 및 하부엔드플레이트(60)의 상측에 각각 적층되므로, 상부엔드플레이트(20)와 열교환플레이트(30) 사이, 그리고 받침플레이트(50)와 열교환플레이트(30) 사이, 그리고 받침플레이트(50)와 하부엔드플레이트(60) 사이에 개재되며, 또한 연소촉매플레이트(70)에는 연소촉매부(71)의 주변으로 배치되는 주입공(72)과 관통공(73)이 각각 관통 형성된다.Since the
여기서, 상기 주입공(72)은 하측에 위치되는 열교환플레이트(30)의 분배부(31) 및 하부엔드플레이트(60)의 분배부(61)에 공급되도록 구비되는 것으로서, 상부엔드플레이트(20)의 열교환물질공급구(22)와 하측 열교환플레이트(30)의 분배부(31) 사이에, 그리고 상측에 위치되는 받침플레이트(50)의 관통공(54)과 하측 열교환플레이트(30)의 분배부(31) 사이에, 그리고 상측 받침플레이트(50)의 관통공(54)과 하부엔드플레이트(60)의 분배부(61) 사이에 연결되도록 형성된다.Here, the
또한 상기 관통공(73)은 반응물, 생성물 또는 그 혼합물이 통과할 수 있도록 구비되는 것으로서, 상측에 위치되는 상부엔드플레이트(20)의 반응물공급구(21) 및 받침플레이트(50)의 배출통공(53)과 하측에 위치되는 열교환플레이트(30)의 관통공(34) 사이에, 그리고 상측 받침플레이트(50)의 배출통공(53)과 하부엔드플레이트(60)의 생성물배출구(64) 사이에 연결되도록 형성된다.In addition, the through
또한 상기 각 연소촉매플레이트(70)에는 다른 플레이트와 적층 조립된 상태에서 그 틀 구조의 내부로 연소촉매부(71)를 측방 삽입할 수 있도록 일 측면부가 개구된 구조로 형성되는 바, 이 개구된 부분이 연소촉매플레이트(70)의 틀 구조 내부로 연소촉매부(71)가 측방 삽입되는 삽입구(74)가 되며, 이 삽입구(74)에는 연소촉매부(71)가 삽입되고 난 뒤 밀봉하기 위한 밀봉부재(75)가 끼워져 고정된다. In addition, each of the
상기 밀봉부재(75)는 연소촉매부(71)가 연소촉매플레이트(70)의 틀 구조 내부로 삽입되고 난 뒤 밀봉을 위해 결합되는 마감부재로서, 연소촉매플레이트(70)와는 별도로 분리 제작되는 부재가 될 수 있고, 연소촉매플레이트(70) 등의 반응기와 동일한 재질의 사각봉 형태로 제작될 수 있다. 바람직하게는 틀 형태의 연소촉매플레이트(70)에서 삽입구(74)가 형성되도록 연소촉매플레이트(70)의 측면부를 절단한 사각봉 형태의 밀봉부재(75)가 재사용될 수 있다.The sealing
이와 같이 열교환플레이트(30)의 유로(32) 내측면에 연소촉매가 코팅되거나, 열교환플레이트(30)의 유로(32) 내측면에 연소촉매가 코팅되는 것과 함께 연소촉매가 담지된 폼, 펠트 및 펠렛 형상의 촉매 구조물(연소촉매부)(71)가 구비된 연소촉매플레이트(70)를 추가함으로써 촉매반응에 필요한 열원을 효과적으로 공급할 수 있다. As such, the combustion catalyst is coated on the inner surface of the
그리고, 촉매플레이트(40) 및 받침플레이트(50)에서의 촉매반응이 발열반응이면, 연소촉매 대신에 열전달을 증진시키기 위한 폼 및 펠트 형태의 3차원 열교환 매체가 구비되어 발열량을 효과적으로 제어할 수 있다.In addition, if the catalytic reaction in the
한편, 촉매플레이트(40)는 반응물의 반응에 필요한 촉매(반응촉매)가 구비되는 것으로, 상기 촉매를 포함하는 촉매부(41)의 주변으로 배치되는 주입공(42)과 관통공(43)이 각각 관통 형성된다.On the other hand, the
즉, 도 1과 도 4에 나타낸 바와 같이, 촉매플레이트(40)의 일단부에는 반응물(생성물을 포함하는 것일 수 있음)이 공급되는 주입공(42)이 형성되고, 타단부에는 열교환물질을 상하로 바로 통과시키기 위한 관통공(43)이 관통 형성된다.That is, as shown in Figures 1 and 4, one end of the
상기 촉매플레이트(40)의 주입공(42)은 상측에 조립된 열교환플레이트(30)의 관통공(34)과 하측에 조립된 받침플레이트(50)의 분배부(51) 사이에 연결되어, 상측 열교환플레이트(30)의 관통공(34)을 통과하여 공급되는 유체를 하측 받침플레이트(50)의 분배부(51)로 주입하는 통로 역할을 하게 된다. The
또한 촉매플레이트(40)의 관통공(43)은 상측에 조립된 열교환플레이트(30)의 배출통공(33)과 하측에 조립된 받침플레이트(50)의 관통공(54) 사이에서 이들과 연결되며, 이때 받침플레이트(50)의 관통공(54)이 그 하측으로 조립된 열교환플레이트(30)의 분배부(31)에 연결되므로, 촉매플레이트(40)의 관통공(43)과 받침플레이트(50)의 관통공(54)은 열교환플레이트(30)의 배출통공(33)과 다른 열교환플레이트의 분배부(31)를 연결하는 통로 역할을 하게 된다.In addition, the through
본 발명의 반응기(10) 내에서, 상하로 배치되는 복수의 촉매플레이트(40)가 그 사이에 받침플레이트(50) 및 열교환플레이트(30)를 개재한 상태로 적층된다고 할 때, 촉매플레이트(40)의 주입공(42)을 통해 받침플레이트(50)의 분배부(51)로 주입된 반응물(생성물을 포함하는 것일 수 있음)은 받침플레이트(50)의 유로(52)를 따라 이동하는 동안 상측의 촉매플레이트(40)에 설치된 촉매부(41)로 주입되어 촉매와 접촉한 뒤 받침플레이트(50)의 배출통공(53)을 통해 배출되고, 받침플레이트(50)의 배출통공(53)을 통해 배출된 유체는 그 하측 열교환플레이트(30)의 관통공(34), 촉매플레이트(40)의 주입공(42)을 통해 그 하측 받침플레이트(50)의 분배부(51)로 주입되어서 다시 촉매부(41)를 통과하게 된다.In the
즉, 상측 촉매플레이트(40)의 주입공(42)을 통해 하측 받침플레이트(50)의 분배부(51)로 공급된 반응물 유체(생성물을 포함하는 것일 수 있음)가 받침플레이트(50)의 유로(52)를 이동하는 동안 상기 상측 촉매플레이트(40)에 설치된 촉매부(41)로 주입된 뒤, 촉매부(41)를 거친 유체가 상기 하측 받침플레이트(50)의 배출통공(53)으로 배출되고, 상기 배출통공(53)으로 배출된 유체는 그 하측 열교환플레이트(30)의 관통공(34), 그 하측 촉매플레이트(40)의 주입공(42)을 통해 그 하측 받침플레이트(50)의 분배부(51)로 공급되게 된다.That is, the reactant fluid (which may include the product) supplied to the
결국, 상기와 같은 경로를 반복하여 거치는 동안 반응물 유체는 반응기(10) 내 촉매부(41)를 반복하여 통과하게 되고, 최종적으로는 반응을 끝낸 생성물(예컨대, 반응으로 생성된 가스)이 하부엔드플레이트(60)의 생성물배출구(64)를 통해 배출되게 된다.As a result, the reactant fluid is repeatedly passed through the
상기 촉매부(41)는 반응물의 유체가 촉매를 통과하도록 구비되는데, 바람직한 실시예에서 촉매플레이트(40)가 내부가 빈 틀 구조로 형성되고, 또한 이 틀 구조의 내부에는 촉매부(41)가 구성되는 바, 하측 받침플레이트(50)의 분배부(51)로 공급된 유체가 촉매부(41)를 거친 뒤 배출통공(53)을 통해 배출되게 된다. The
여기서, 촉매플레이트(40)에 촉매부(41)가 조립되는 방식은 상기한 연소촉매플레이트(70)에 연소촉매부(71)가 조립되는 방식과 동일하다. 즉, 촉매플레이트(40)가 다른 플레이트와 적층 조립된 이후에 촉매부(41)가 촉매플레이트(40)의 틀 구조 내부에 삽입되고, 이어 밀봉부재(45)가 끼워지면 상기 틀 구조의 내부가 밀봉되는 것이다.Here, the manner in which the
이를 위해, 각 촉매플레이트(40)에는 다른 플레이트와 적층된 상태에서 그 틀 구조의 내부로 촉매부(41)를 측방 삽입할 수 있도록 일 측면부가 개구된 구조로 형성되는 바, 이 개구된 부분이 촉매플레이트(40)의 틀 구조 내부로 촉매부(41)가 측방 삽입되는 삽입구(44)가 되며, 이 삽입구(44)에는 촉매부(41)가 삽입되고 난 뒤 밀봉하기 위한 밀봉부재(45)가 끼워져 고정된다. To this end, each
상기 촉매부(41)는 반응에 필요한 촉매가 고정되어 있는 부분으로서, 도 7에 나타낸 바와 같이 지지체에 촉매가 고정된 구조촉매 형태로 제작될 수 있으며, 이는 기공이 형성되고 상기 기공이 촉매플레이트(40)의 길이방향(도면상 좌우방향) 및 두께방향(도면상 상하방향), 폭방향 등 다양한 방향으로 유체 이동이 가능하게 연통되어 형성된 폼 구조물과, 상기 폼 구조물의 기공 표면에 고정된 촉매를 포함하여 구성된다.The
여기서, 상기 폼 구조물은 금속 폼, 세라믹 폼, 금속 펠트 등이 될 수 있고, 금속 폼의 기공 표면에 촉매가 고정된 상태로 제작되어 촉매플레이트(40)에 설치되는 바, 기공 연결로 형성된 유로로 인해 촉매부(41) 내에서는 유체가 다양한 방향으로 분배되어 통과하도록 되어 있다.Here, the foam structure may be a metal foam, ceramic foam, metal felt, and the like, the catalyst is fixed to the pore surface of the metal foam is installed on the
상기 촉매는 기공 표면, 보다 명확히는 기공의 내측면에 코팅된 코팅 촉매가 될 수 있으며, 반응에 필요한 촉매의 종류로는 특정하게 한정되지 않는다.The catalyst may be a coating catalyst coated on the pore surface, more specifically the inner surface of the pore, and is not particularly limited to the kind of catalyst required for the reaction.
그리고, 바람직한 실시예에서, 상술한 바와 같이 상기 촉매가 촉매 지지체가 되는 상기한 폼 구조물의 표면 또는 받침플레이트(50)의 미세 유로(52) 내측면에 직접 코팅되는 대신, 상기 폼 구조물의 표면 또는 미세 유로(52) 내측면에 먼저 내산화 코팅층이 코팅 형성된 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 상기 촉매가 코팅될 수도 있는데, 이 경우 내산화 코팅층에 의해 고온에서의 내부식성 및 내산화성, 내열성이 개선될 수 있다. 이는 촉매부(41)와 연소촉매부(71)에서 동일하게 실시될 수 있다(연소촉매부의 폼 구조물 표면과 열교환플레이트의 미세 유로 내측면에 내산화 코팅층 형성).And, in a preferred embodiment, as described above, instead of being directly coated on the surface of the foam structure as a catalyst support or the inner surface of the micro-channel 52 of the
예를 들어, 폼 구조물로 금속 폼 지지체인 니켈(Ni) 폼을 사용하는 경우, 니켈 폼의 표면에 니켈-알루미나이드(NiAl)로 이루어진 내산화 코팅층이 형성된 폼 구조물이 사용될 수 있다.For example, in the case of using a nickel (Ni) foam which is a metal foam support as the foam structure, a foam structure in which an oxidation-resistant coating layer made of nickel-aluminate (NiAl) is formed on the surface of the nickel foam may be used.
본 발명에서 일례로 사용될 수 있는 니켈 폼과 금속계 반응기와 같이 고온에서 사용되는 재료는 기지 합금으로부터 안정한 산화 보호 피막을 형성하는 원소인 Al이나 Cr에 의해서 Al2O3와 Cr2O3를 재료 표면에 성장시켜 재료를 보호할 수 있다. Materials used at high temperatures, such as nickel foam and metal-based reactors, which can be used as an example in the present invention, may be used to form Al 2 O 3 and Cr 2 O 3 by Al or Cr, which are elements forming a stable oxide protective film from a known alloy. To protect the material.
상기와 같이 보호 피막이 형성된 재료에서는 사용 도중 열 이력을 겪으면서 기지 금속과 피막 사이의 열팽창 계수의 차이에 의한 열 응력의 발생으로 산화 피막이 박리되고 기지 금속 내의 보호 피막 원소가 외부로 확산하여 보호 피막을 형성하는 과정이 반복된다.In the material in which the protective film is formed as described above, the oxide film is peeled off due to the generation of thermal stress due to the difference in the coefficient of thermal expansion between the base metal and the film while undergoing a thermal history during use, and the protective film element in the base metal diffuses to the outside to form the protective film. The forming process is repeated.
상기의 산화 보호 피막을 형성하는 방법으로는 팩 세멘테이션(Pack cementation)이 이용될 수 있는데, 이는 금속을 분말로 이루어진 팩에 장입 후 고온으로 가열하여, 이때 생성되는 기체와 금속의 반응으로 인해 표면에 코팅층이 형성되도록 하는 방법이다. 일반적으로 팩은 소스(source) 물질, 활성제, 소결 방지제의 세 가지로 구성되어 있는데, 소스 물질은 코팅에 필요한 원소를 공급하는 역할을 하는 순수한 금속이나 합금의 분말이 사용되고, 활성제는 고체상태의 소스 물질을 기체상태의 화합물로 만들어 시편 표면까지 운반하는 역할을 하며, NaX, NH4X(X: 할로겐 원소) 등의 염이 많이 사용된다. 소결 방지제는 소스 물질 분말 간의 응집을 방지하여 팩 내부에서 기체확산의 경로를 유지시켜 준다. Pack cementation may be used as a method of forming the oxide protective film, which is loaded into a pack made of powder and heated to a high temperature. The coating layer is formed on. In general, the pack consists of three materials: source material, active agent, and anti-sintering agent. The source material is a powder of pure metal or alloy which supplies the elements necessary for coating, and the active agent is a solid source. The material is made into a gaseous compound and transports to the surface of the specimen. Salts such as NaX and NH 4 X (X: halogen element) are frequently used. The antisintering agent prevents agglomeration between source material powders to maintain the path of gas diffusion inside the pack.
위의 요소들이 장입된 팩을 로 내에 위치시킨 후 고온에서 유지하면 팩 내부에서 소스 물질과 활성제의 반응으로 금속 할로겐 화합물이 형성된다. 금속 할로겐 화합물은 대개 휘발성이 강하여 기체상태로 팩 내에 존재하며, 이때 팩 내부와 금속 표면에는 금속 할로겐 화합물의 압력 구배가 생기게 된다. 따라서, 금속 할로겐 화합물은 금속 표면으로 확산, 반응하여 금속 할로겐 화합물에서 분리된 금속원자가 팩 내 금속 내부로 확산한다. When the pack containing the above elements is placed in a furnace and kept at a high temperature, a metal halide compound is formed inside the pack by the reaction of the source material with the activator. Metal halides are usually highly volatile and present in the pack in a gaseous state, where pressure gradients of the metal halides are created in the pack and on the metal surface. Therefore, the metal halide compound diffuses and reacts on the metal surface, and metal atoms separated from the metal halide compound diffuse into the metal in the pack.
소스 물질로 알루미늄 화합물을 사용하여 금속 표면을 알루미나이드화 하는 팩 알루미나이징(pack aluminizing)의 반응예를 살펴보면 다음과 같다. Looking at the reaction of the pack aluminizing (alumina) to aluminize the metal surface using an aluminum compound as a source material as follows.
- 단독 반응-Single reaction
Al + M = MAl (M: 금속) Al + M = MAl (M: metal)
- 교환반응(활성제 : NH4Cl)Exchange reaction (activator: NH 4 Cl)
NH4Cl = NH3 + HClNH 4 Cl = NH 3 + HCl
2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3H2 2Al + 6HCl = 2AlCl 3 + 3H 2
AlCl3 +2Al = 3AlClAlCl 3 + 2Al = 3AlCl
3AlCl + M = MAl2 + AlCl3 3AlCl + M = MAl 2 + AlCl 3
-열분해 반응Pyrolysis reaction
2AlCl3 = 3Cl2 + 2Al2AlCl 3 = 3Cl 2 + 2Al
또한 촉매부(41)의 다른 실시예로서, 구형 또는 실린더형 등과 같은 펠렛 형상으로 제조된 촉매를 촉매플레이트(40)의 틀 구조 내부에 삽입구(44)를 통해 충전하여 촉매부를 구성할 수도 있는데, 이 경우 펠렛 형상의 크기는 받침플레이트(50)의 유로(52)를 통해 누출되지 않을 정도의 크기로 하며, 펠렛 형상의 촉매들 사이로 간극이 존재하므로 이 간극을 통해 유체(반응물, 생성물 또는 그 혼합물의 유체)가 통과하도록 한다. In addition, as another embodiment of the
다음으로, 상기 받침플레이트(50)는 촉매플레이트(40)의 하측으로 조립되는 것으로, 상측의 촉매플레이트(40)와 한 조를 이루어 기능을 수행하는 바, 이때 촉매플레이트(40) 자체가 촉매층 역할을 하게 되고, 받침플레이트(50)는 반응물 유체(생성물을 포함하는 것일 수 있음)를 이동시키는 유로(52)을 제공하게 된다. Next, the
구조를 살펴보면, 받침플레이트(50)의 일단부에는 일면, 즉 도면상 상면에 분배부(51)가 형성되고, 받침플레이트(50)의 타단부에는 배출통공(53)이 형성된다.Looking at the structure, one end of the
또한 상기 일면에는 분배부(51)와 배출통공(53) 간을 연결하는 미세한 유로(52)가 형성되며, 적층 조립 후 상기 유로(52)는 상측의 촉매플레이트(40)에 설치된 촉매부(41)에 접하도록 형성되는 바, 이 유로(52)와 촉매부(41) 사이에 물질 이동이 가능하도록 되어 있다.In addition, the one surface is formed with a
또한 마이크로 채널 형태를 이루게 되는 상기 유로(52)의 내측면에도 반응에 필요한 촉매가 박막 형태로 코팅되는데, 이 촉매 코팅에 의해 촉매플레이트(40)의 촉매부(41)와는 별도로 마이크로 채널 내에서의 촉매층이 추가로 제공될 수 있게 된다.In addition, a catalyst necessary for the reaction is also coated in a thin film form on the inner surface of the
촉매플레이트(40)와 받침플레이트(50)의 촉매는 전술한 연소촉매와는 구분되는 반응촉매(반응물의 촉매반응을 위한 것임)로서, 본 발명의 반응기(10)에서 반응촉매의 종류로는 특정하게 한정하지 않으며, 이러한 반응촉매의 종류에 대해서는 마이크로 채널 반응기 분야에서 다양하게 공지되어 사용되고 있으므로 본 명세서에서 상세히 예시하지는 않는다. The catalyst of the
이와 같이 하여, 마이크로-매크로 채널 반응기의 구성에 대해 설명하였는 바, 이하 본 발명에 따른 제조 과정에 대해 상술하면 다음과 같다.As such, the configuration of the micro-macro channel reactor has been described. Hereinafter, the manufacturing process according to the present invention will be described in detail.
우선, 마이크로-매크로 채널 반응기(10)를 구성하는 상기한 각 플레이트(20,30,40,50,60,70)를 제작하고, 이와 더불어 도 7에 예시한 바와 같이 구조촉매 형태의 촉매부(41) 및 연소촉매부(71)(도 4 내지 도 6의 실시예 경우)를 제작하여 준비한다.First, the above-described
상기 촉매부(41) 및 연소촉매부(71)는 전술한 바와 같이 반응촉매 및 연소촉매를 지지체, 즉 폼 구조물(니켈 폼 등 금속 폼)의 표면에 코팅하여 제작할 수 있는데, 폼 구조물의 표면에 반응촉매 및 연소촉매를 직접 코팅하여 제작하거나, 촉매 지지체가 되는 상기한 폼 구조물의 표면에 먼저 내산화 코팅층을 코팅 형성한 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 상기 반응촉매 및 연소촉매를 코팅하여 제작할 수도 있다.As described above, the
이후 도 1 내지 도 3, 또는 도 4 내지 도 6에 예시한 적층 순서대로 각 플레이트(20,30,40,50,60,70)를 적층하여 접합하는데, 접합 방법으로는 디퓨전 본딩, 블레이징, 또는 웰딩(예, 레이저 용접) 등의 방법을 적용하여 접합, 고정한다.Thereafter, the
이때, 촉매부(41)와 연소촉매부(71)는 해당 플레이트(40,70)에 삽입되지 않은 상태로 각 플레이트(40,70)만을 적층하여 접합한다.At this time, the
상기 각 플레이트의 접합 전에 열교환플레이트(30) 및 받침플레이트(50), 하부엔드플레이트(60)의 미세 유로(32,52,62)에는 해당하는 촉매를 미리 코팅해야 한다. 즉, 열교환플레이트(30) 및 하부엔드플레이트(60)의 미세 유로(32,62)의 내측면에는 연소촉매가, 받침플레이트(50)의 미세 유로(52) 내측면에는 반응촉매가 코팅되는 것이다. 물론, 반응물로부터 목표로 하는 생성물을 얻기 위해서 반응촉매층을 구성하는 촉매플레이트(40) 및 받침플레이트(50)에서 반응촉매에 의해 흡열반응이 일어나는 경우에는 열교환플레이트(30) 및 하부엔드플레이트(60)의 미세 유로(32,62) 내에 연소촉매가 코팅되고 또한 연소촉매플레이트(70) 및 연소촉매부(71)가 구비되어야 하나, 발열반응인 경우 상기한 미세 유로(32,62) 내의 연소촉매, 연소촉매플레이트(70) 및 연소촉매부(71)는 생략될 수 있다. Before joining the plates, the corresponding catalysts should be coated in advance on the
상기와 같이 각 플레이트(20,30,40,50,60,70)가 접합되고 나면, 촉매플레이트(40)의 틀 구조 내부에 반응촉매가 담지된 촉매부(41)를 삽입하고, 도 4 내지 도 6의 실시예와 같이 연소촉매플레이트(70)가 추가로 사용되는 경우에는 연소촉매가 담지된 연소촉매부(71)를 연소촉매플레이트(70)의 틀 구조 내부에 삽입하게 된다(도 3 및 도 6 참조).After the
이때, 촉매부(41)는 촉매플레이트(40)의 측면에 형성된 삽입구(44)를 통해, 연소촉매부(71)는 연소촉매플레이트(70)의 측면에 형성된 삽입구(74)를 통해 삽입하며, 촉매부(41)와 연소촉매부(71)가 모두 삽입되고 나면, 각 플레이트(40,70)의 삽입구(44,74)를 밀봉부재(45,75)로 밀봉하여 마감한다(도 3 및 도 6 참조).At this time, the
상기 밀봉부재(45,75)는 촉매플레이트(40)와 연소촉매플레이트(70), 그리고 그 상측 및 하측에 적층되는 플레이트들과 디퓨전 본딩, 블레이징 또는 웰딩(예, 레이저 용접) 등에 의해 접합, 고정될 수 있다.The sealing
이와 같이 하여, 본 발명에 따른 제조 과정에 대해 설명하였는 바, 이에 의해 제조되는 마이크로-매크로 채널 반응기(10)에서, 상측 촉매플레이트(40)의 주입공(42)을 통해 받침플레이트(50)의 분배부(51)로 공급된 반응물 유체는 상기 유로(52)를 통해 배출통공(53)으로 이동되도록 되고, 이동 동안 반응물 유체가 상측 촉매플레이트(40)의 촉매부(41)로 주입된 뒤 촉매부의 촉매를 거치게 된다.As described above, the manufacturing process according to the present invention has been described. In the
결국, 본 발명의 반응기(10)는 촉매플레이트(40)를 틀 구조로 형성하여 그 내부에 촉매를 포함하는 촉매부(41)를 삽입 설치하고, 그 하측의 받침플레이트(50)에 반응(생성)물 유체가 상기 촉매부(41)를 거치도록 하는 유로(52)를 형성한 것으로, 이에 의해 본 발명의 반응기(10)에서는 촉매를 통과하도록 구비되는 반응물 통로가, 종래와 같이 단순한 마이크로 채널 개념이 아닌, 이에 더하여 마이크로 채널과 반응 생성물의 보다 확장된 통로, 즉 마이크로-매크로 채널 개념의 통로가 된다.As a result, the
즉, 종래의 경우 제한된 폭과 높이를 가지는 마이크로 채널 내에 다공성 촉매를 코팅하여 반응물 유체가 마이크로 채널을 통과하는 동안 촉매와 접촉하도록 하는 것인 반면, 본 발명의 반응기는, 마이크로 채널 내 코팅 촉매와 더불어, 별도 촉매플레이트(40)에 별도 촉매부(41)를 구비하고 하측의 받침플레이트(50)로 반응물 유체를 유도하여 반응물 유체가 상기 촉매부(41)의 촉매와 접촉하도록 하는 것이다.That is, in the conventional case, the porous catalyst is coated in a microchannel having a limited width and height so that the reactant fluid is in contact with the catalyst while passing through the microchannel, whereas the reactor of the present invention, together with the coating catalyst in the microchannel In addition, a
상기한 종래의 구조에서는 마이크로 채널 내에 촉매를 박막 형태로 코팅하여 반응물의 촉매반응에 필요한 다공성 촉매 코팅층을 형성하므로, 촉매 코팅층의 두께에 제한이 있을 수밖에 없고, 또한 촉매의 비표면적을 증가시키는 한계가 있으며, 반응기 출구의 유로가 막혀서 압력 상승의 문제점이 발생하여 장기 운전에 따른 촉매 내구성 감소 등의 단점이 있게 된다. In the above-described conventional structure, since the catalyst is coated in a microchannel in the form of a thin film to form a porous catalyst coating layer necessary for the catalytic reaction of the reactants, there is no limit to the thickness of the catalyst coating layer, and there is a limit to increase the specific surface area of the catalyst. In addition, the flow path of the reactor outlet is blocked, there is a problem of pressure rise, there is a disadvantage such as reduced catalyst durability due to long-term operation.
반면, 본 발명의 구조에서는 촉매플레이트와 촉매부의 두께를 조절하는 경우 반응기의 촉매층 높이(두께)를 원하는 수준으로 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다. On the other hand, in the structure of the present invention, when adjusting the thickness of the catalyst plate and the catalyst portion, there is an advantage that the catalyst layer height (thickness) of the reactor can be easily adjusted to a desired level.
이는 반응촉매층을 형성하는 촉매플레이트(40)와 받침플레이트(50)와 더불어, 연소촉매층을 형성하는 연소촉매플레이트(70)와 열교환플레이트(30)에서도 마찬가지이다.The same applies to the
특히, 본 발명의 구조는 종래의 비표면적 감소 문제점을 개선할 수 있는 것으로, 기존의 마이크로 채널 개념에 별도 구성되는 촉매층(촉매부를 구비한 촉매플레이트)을 두어, 반응에 필요한 촉매의 비표면적을 원하는 수준까지 대폭적으로 증가시킬 수 있고, 이에 반응기의 단위 부피당 성능을 극대화할 수 있는 장점이 있다. In particular, the structure of the present invention can improve the conventional specific surface area reduction problem, by providing a catalyst layer (catalyst plate having a catalyst) separately configured in the conventional micro-channel concept, the desired specific surface area of the catalyst required for the reaction Can be significantly increased to the level, there is an advantage that can maximize the performance per unit volume of the reactor.
무엇보다 촉매부의 기공 내측면에 촉매가 코팅된 구조(또는 촉매 펠렛들 사이에 기공이 있는 구조)이면서 이러한 촉매부를 다양한 높이(두께)로 조절할 수 있으므로 반응물이 접촉하는 비표면적의 증가를 쉽게 달성할 수 있는 장점이 있다.Above all, the catalyst is coated on the inner surface of the pores of the catalyst (or the pores between the catalyst pellets), and the catalyst can be adjusted to various heights (thickness), so that the specific surface area of the reactants can easily be increased. There are advantages to it.
또한 발열반응이나 흡열반응의 정도에 따라 촉매반응을 위한 촉매플레이트와 촉매부의 두께를 용이하게 조절할 수 있고 열교환을 위한 연소촉매플레이트와 연소촉매부의 두께를 조절할 수 있기 때문에 촉매부의 촉매 형태의 조절을 통한 반응기 성능의 극대화가 가능해진다.In addition, since the thickness of the catalyst plate and the catalyst for the catalytic reaction can be easily adjusted according to the degree of exothermic or endothermic reaction, and the thickness of the combustion catalyst plate and the combustion catalyst for the heat exchange can be controlled, Maximize reactor performance.
또한 다양한 방향에서의 촉매반응이 가능한 동시에 반응면적을 크게 증대시킬 수 있어서 반응기의 효율이 향상될 수 있게 된다. In addition, the catalytic reaction can be performed in various directions and the reaction area can be greatly increased, thereby improving the efficiency of the reactor.
또한 공급되는 반응물의 양이 증가하더라도 동일하거나 그 이상의 촉매 접촉면적을 갖게 되고, 반응온도의 급격한 변화가 제어될 수 있다.In addition, even if the amount of reactant supplied increases, the catalyst contact area is the same or higher, and a sudden change in the reaction temperature can be controlled.
또한 촉매부의 기공을 통해 반응물의 분배가 다양한 방향으로 원활히 이루어지므로 종래 반응물의 불균일한 분배 문제, 압력 상승의 문제 및 압력 변화에 의한 반응활성 저하의 문제들이 해소될 수 있다. In addition, since the distribution of the reactants is smoothly made in various directions through the pores of the catalyst part, problems of non-uniform distribution of the conventional reactants, problems of pressure rise, and lowering of reaction activity due to pressure changes can be solved.
또한 본 발명에서는 촉매플레이트와 받침플레이트가 구성하게 되는 반응용 마이크로-매크로 채널이 열교환용 마이크로 채널 사이에 적용되는 동시에 촉매부(촉매플레이트)의 상측에 열교환플레이트가 배치되어, 반응의 열전달 특성이 개선될 수 있고, 더욱이 열교환플레이트의 두께를 용이하게 조절할 수 있는 동시에 열교환물질의 이동통로가 되는 마이크로 채널(유로)의 형태(유로 폭, 깊이, 방향 등) 등을 다양하게 조절할 수 있으므로, 열교환 성능을 쉽고 효과적으로 조절할 수 있는 바, 전체 반응기의 효율을 크게 향상시킬 수 있다.In addition, in the present invention, the reaction micro-macro channel constituted by the catalyst plate and the support plate is applied between the microchannels for heat exchange, and a heat exchange plate is disposed on the upper side of the catalyst portion (catalyst plate), thereby improving heat transfer characteristics of the reaction. In addition, the thickness of the heat exchanger plate can be easily adjusted, and at the same time, the shape (e.g., width, depth, direction, etc.) of the microchannel (euro), which is a moving passage of the heat exchange material, can be variously adjusted, thereby improving heat exchange performance. Easy and effective control can greatly improve the efficiency of the entire reactor.
또한 반응물의 균일한 분배, 반응물의 유량 증가, 촉매 성능의 극대화, 반응기의 효율 향상 등으로 반응기의 소형 컴팩트화가 가능해진다. In addition, the compact size of the reactor is possible by uniform distribution of the reactants, increase in the flow rate of the reactants, maximization of the catalyst performance, and improvement of the reactor efficiency.
아울러, 무엇보다 별도의 구조촉매 형태로 제작된 촉매부(연소촉매부 포함)가 상기한 플레이트의 접합, 고정 이후에 해당 플레이트의 틀 구조 내부에 삽입되므로, 고온의 접합 과정에서 발생하는 열에 의해 상기 촉매부가 열화되거나 손상되는 것을 방지할 수 있게 되고, 결국 촉매 성능의 극대화, 반응 수율 및 생산성의 극대화, 촉매의 장기적인 내구성 증대 등을 달성할 수 있게 된다.
In addition, since the catalyst portion (including the combustion catalyst portion) manufactured in the form of a separate structure catalyst is inserted into the frame structure of the plate after bonding and fixing the plate, the heat generated during the high temperature bonding process It is possible to prevent deterioration or damage to the catalyst portion, and thus to maximize catalyst performance, maximize reaction yield and productivity, and increase long-term durability of the catalyst.
바람직한 실시예에서, 엔드플레이트(상부/하부)(10,60), 연소촉매플레이트(70), 열교환플레이트(30), 촉매플레이트(40)의 두께는 각각 0.1 ~ 50 mm, 0.1 ~ 50 mm, 0.1 ~ 10 mm, 0.1 ~ 100 mm로 할 수 있고, 더욱 바람직하게는 1 ~ 10 mm, 1 ~ 25 mm, 0.1 ~ 5 mm, 1.0 ~ 50 mm로 할 수 있다.In a preferred embodiment, the thicknesses of the end plates (top / bottom) 10, 60, the
그리고, 촉매플레이트(40)와 받침플레이트(50)로 이루어지는 반응촉매층의 두께를 연소촉매플레이트(70)와 열교환플레이트(30)로 이루어지는 연소촉매층의 두께보다 크게 하는 것이 바람직하며, 이를 위해 도 3에 예시한 바와 같이 촉매플레이트 및 촉매부의 두께(D1)를 연소촉매플레이트 및 연소촉매부의 두께(D2)에 비해 크게 하는 것이 가능하다(도 3에 예시함). 반응촉매층의 두께를 연소촉매층의 두께에 비해 상대적으로 크게 하는 이유는 반응촉매의 전체 양을 증대시켜 반응의 생산성 및 수율을 증대시키기기 위함이다. In addition, it is preferable that the thickness of the reaction catalyst layer composed of the
그리고, 본 발명의 마이크로-매크로 채널 반응기의 내, 외부에 대하여 고온에서의 내산화성을 극대화시키기 위해 니켈폼 및 마이크로 채널의 유로에 코팅하는 방법과 유사한 화학적인 방법에 의해 박막 내산화-내열 코팅을 수행할 수도 있다.Then, in order to maximize the oxidation resistance at high temperature with respect to the inside and the outside of the micro-macro channel reactor of the present invention, the thin film oxidation-resistant coating is applied by a chemical method similar to that of coating on the flow path of nickel foam and the micro channel. It can also be done.
상술한 본 발명의 반응기는 연료전지용 소형 연료 개질기, 연료전지 자동차용 수소스테이션, 그리고 GTL(Gas-to-Liquid), CTL(Coal-to-Liquid), BTL(Biomass-to-Liquid), DME(Dimethyl Ether), MeOH(Methanol) 등과 같은 청정연료 제조 공정에 그리고 해상의 한계 가스전 및 유전에 부생가스에 적용할 수 있는 GTL-FPSO(Floating Production Storage and Offloading), DME-FPSO 및 MeOH-FPSO 공정 등의 반응기로서 유용하게 적용될 수 있다.The reactor of the present invention described above is a small fuel reformer for a fuel cell, a hydrogen station for a fuel cell vehicle, and gas-to-liquid (GTL), coal-to-liquid (CTL), biomass-to-liquid (BTL), and DME ( Floating Production Storage and Offloading (GTL-FPSO), DME-FPSO and MeOH-FPSO processes that can be applied to clean fuel manufacturing processes such as dimethyl ether), MeOH (Methanol), and off-gases in offshore gas fields and oil fields. It can be usefully applied as a reactor of.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는 바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. Modified forms are also included within the scope of the present invention.
10 : 반응기 20 : 상부엔드플레이트
21 : 반응물공급구 22 : 열교환물질공급구 30 : 열교환플레이트 31 : 분배부
32 : 유로 33 : 배출통공
34 : 관통공 40 : 촉매플레이트
41 : 촉매부 42 : 주입공
43 : 관통공 50 : 받침플레이트
51 : 분배부 52 : 유로
53 : 배출통공 54 : 관통공
60 : 하부플레이트 61 : 분배부
62 : 유로 63 : 열교환물질배출구
64 : 생성물배출구 70 : 연소촉매플레이트
71 : 연소촉매부 72 : 주입공
73 : 관통공 10: reactor 20: top end plate
21: reactant supply port 22: heat exchange material supply port 30: heat exchange plate 31: distribution
32: Euro 33: discharge through
34: through hole 40: catalyst plate
41: catalyst portion 42: injection hole
43: through hole 50: support plate
51: distribution unit 52: the euro
53: discharge hole 54: through hole
60: lower plate 61: distribution part
62: Euro 63: heat exchange material outlet
64: product outlet 70: combustion catalyst plate
71: combustion catalyst 72: injection hole
73: through hole
Claims (16)
상기 상부엔드플레이트(20)와 하부엔드플레이트(30) 사이에 열교환플레이트(30), 촉매플레이트(40), 받침플레이트(50)를 적층하여 접합, 고정하는 단계와;
상기 촉매플레이트(40)의 내부에 상기 삽입구(44)를 통해 반응물의 촉매반응에 필요한 반응촉매를 포함하는 촉매부(41)를 삽입하는 단계와;
상기 촉매부(41)가 삽입된 상태에서 상기 촉매플레이트(40)의 삽입구(44)에 밀봉부재(45)를 끼워 접합, 고정함으로써 밀봉하는 단계;
를 포함하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The upper end plate 20 and the lower end plate 60 are assembled to the outside, and a flow path 32 through which the heat exchange material passes is formed, and the heat exchange material passing through the flow path 32 and the catalyst of the catalyst plate 40 below. A heat exchange plate 30 which performs heat transfer between the fluid of a reactant, a product, or a mixture thereof passing through the portion 41, a catalyst plate 40 having an insertion hole 44 formed at a side surface thereof to allow the catalyst portion 41 to be inserted therein; And manufacturing a support plate 50 for providing a flow path for allowing a reactant to pass through the catalyst portion 41 of the catalyst plate 40;
Stacking and fixing the heat exchange plate (30), the catalyst plate (40) and the support plate (50) between the upper end plate (20) and the lower end plate (30);
Inserting a catalyst part (41) including a reaction catalyst necessary for catalytic reaction of a reactant through the insertion hole (44) in the catalyst plate (40);
Sealing by fitting and fixing the sealing member 45 to the insertion hole 44 of the catalyst plate 40 while the catalyst part 41 is inserted;
Method of producing a micro-macro channel reactor comprising a.
상기 열교환플레이트(30)와 받침플레이트(50) 사이에 촉매플레이트(40)가 개재된 형태로 하여 이들 플레이트(30,40,50)를 상기 상부엔드플레이트(20)와 하부엔드플레이트(60) 사이에 반복 적층하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1,
A catalyst plate 40 is interposed between the heat exchange plate 30 and the support plate 50 so that these plates 30, 40, 50 are disposed between the upper end plate 20 and the lower end plate 60. Method for producing a micro-macro channel reactor, characterized in that the lamination repeatedly.
상기 촉매플레이트(40)를 측면부에 삽입구(44)가 형성된 틀 구조로 제작하고,
상기 촉매플레이트(40)의 틀 구조 내부에 삽입구(44)를 통해 촉매부(41)를 측방으로 삽입하여, 받침플레이트(50)의 유로(52)와 물질 이동이 가능하게 접하도록 상기 촉매부(41)를 배치하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1,
The catalyst plate 40 is manufactured in a frame structure in which an insertion hole 44 is formed at a side portion thereof,
The catalyst part 41 is inserted laterally through the insertion hole 44 in the frame structure of the catalyst plate 40, so that the catalyst part may be in contact with the flow path 52 of the support plate 50. 41), the process for producing a micro-macro channel reactor.
상기 촉매부(41)는 다수의 기공이 형성되고 이 다수의 기공이 유체 이동이 가능하게 연통된 구조로 된 폼 구조물과, 상기 폼 구조물의 기공 내측면에 코팅된 반응촉매를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1 or 3,
The catalyst portion 41 includes a foam structure having a structure in which a plurality of pores are formed and the plurality of pores are in fluid communication with each other, and a reaction catalyst coated on the inner surface of the pores of the foam structure. Method for producing a micro-macro channel reactor, characterized in that.
상기 촉매부(41)는 상기 폼 구조물의 표면에 내산화 코팅층을 형성한 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 상기 반응촉매를 코팅하여 제작하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method of claim 4,
The catalyst unit 41 is a method of manufacturing a micro-macro channel reactor, characterized in that to form the oxidation-resistant coating layer on the surface of the foam structure and to coat the reaction catalyst on the oxidation-resistant coating layer.
상기 촉매부(41)는 상기 삽입구(44)를 통해 펠릿 또는 펠트 형상의 반응촉매를 충전하여 구성하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1 or 3,
The catalyst unit 41 is a method for producing a micro-macro channel reactor, characterized in that by filling the pellets or felt-shaped reaction catalyst through the insertion port (44).
상기 받침플레이트(50)의 유로(52) 내측면에는 반응에 필요한 반응촉매를 코팅하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1,
Method of manufacturing a micro-macro channel reactor, characterized in that for coating the reaction catalyst required for the reaction on the inner surface of the flow path (52) of the support plate (50).
상기 받침플레이트(50)의 유로(52) 내측면에는 내산화 코팅층을 형성한 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 반응에 필요한 반응촉매를 코팅하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1,
Forming an oxidation resistant coating layer on the inner surface of the flow path 52 of the support plate 50 and then coating a reaction catalyst for the reaction on the oxidation resistant coating layer, characterized in that for producing a micro-macro channel reactor.
상기 열교환플레이트(30)의 유로(32) 내측면에는 연소촉매를 코팅하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1,
Method of producing a micro-macro channel reactor, characterized in that for coating the combustion catalyst on the inner surface of the flow path (32) of the heat exchange plate (30).
상기 열교환플레이트(30)의 유로(32) 내측면에는 내산화 코팅층을 형성한 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 연소촉매를 코팅하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1,
Forming an oxidation resistant coating layer on the inner surface of the flow path (32) of the heat exchange plate (30) and then producing a micro-macro channel reactor, characterized in that to coat the combustion catalyst on the oxidation resistant coating layer.
상기 열교환플레이트(30)의 유로(32)가 형성된 면에 접합되고 연소촉매부(71)가 삽입 가능하게 측면부에 삽입구(74)가 형성된 연소촉매플레이트(70)를 추가로 제작하고,
상기 열교환플레이트(30)의 유로(32) 내측면에 연소촉매를 코팅하며,
상기 상부엔드플레이트(20)와 하부엔드플레이트(30) 사이에 연소촉매플레이트(70), 열교환플레이트(30), 촉매플레이트(40), 받침플레이트(50)를 적층하여 접합, 고정한 뒤, 상기 연소촉매플레이트(70)의 내부에 열교환플레이트(30)의 유로(32)를 통과하는 열교환물질이 통과할 수 있게 상기 삽입구(74)를 통해 연소촉매를 포함하는 연소촉매부(71)를 삽입하고, 상기 연소촉매부(71)가 삽입된 상태에서 상기 연소촉매플레이트(70)의 삽입구(74)에 밀봉부재(75)를 끼워 접합, 고정함으로써 밀봉하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1,
Further comprising a combustion catalyst plate 70 is bonded to the surface formed with the flow path 32 of the heat exchange plate 30 and the insertion hole 74 is formed in the side surface such that the combustion catalyst 71 is insertable,
Coating the combustion catalyst on the inner surface of the flow path 32 of the heat exchange plate 30,
After the combustion catalyst plate 70, the heat exchanger plate 30, the catalyst plate 40, and the support plate 50 are laminated and bonded between the upper end plate 20 and the lower end plate 30, the combustion is performed. Insert the combustion catalyst 71 including the combustion catalyst through the insertion hole 74 so that the heat exchange material passing through the flow path 32 of the heat exchange plate 30 inside the catalyst plate 70, Method of manufacturing a micro-macro channel reactor, characterized in that the sealing by inserting and fixing the sealing member 75 to the insertion hole 74 of the combustion catalyst plate 70 in the state where the combustion catalyst 71 is inserted. .
상기 연소촉매플레이트(70)를 측면부에 삽입구(74)가 형성된 틀 구조로 제작하고,
상기 연소촉매플레이트(70)의 틀 구조 내부에 삽입구(74)를 통해 연소촉매부(71)를 측방으로 삽입하여, 열교환플레이트(30)의 유로(32)와 물질 이동이 가능하게 접하도록 상기 연소촉매부(71)를 배치하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method of claim 11,
The combustion catalyst plate 70 is manufactured in a frame structure in which an insertion hole 74 is formed at a side surface thereof,
By inserting the combustion catalyst 71 to the side through the insertion hole 74 in the frame structure of the combustion catalyst plate 70, the combustion so that the material movement is in contact with the flow path 32 of the heat exchange plate (30). Method for producing a micro-macro channel reactor, characterized in that the catalyst portion 71 is disposed.
상기 연소촉매부(71)는 다수의 기공이 형성되고 이 다수의 기공이 열교환물질의 이동이 가능하게 연통된 구조로 된 폼 구조물과, 상기 폼 구조물의 기공 내측면에 코팅된 연소촉매를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 11 or 12,
The combustion catalyst part 71 includes a foam structure having a structure in which a plurality of pores are formed and the plurality of pores are in communication with each other to allow the movement of heat exchange material, and a combustion catalyst coated on the inner surface of the pores of the foam structure. Method for producing a micro-macro channel reactor, characterized in that configured.
상기 연소촉매부(71)는 상기 폼 구조물의 표면에 내산화 코팅층을 형성한 뒤 상기 내산화 코팅층 위에 상기 연소촉매를 코팅하여 제작하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 13,
The combustion catalyst unit 71 is a method of manufacturing a micro-macro channel reactor, characterized in that to form the oxidation-resistant coating layer on the surface of the foam structure and to coat the combustion catalyst on the oxidation-resistant coating layer.
상기 연소촉매부(71)는 상기 삽입구(74)를 통해 펠릿 또는 펠트 형상의 연소촉매를 충전하여 구성하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 11 or 12,
The combustion catalyst (71) is a method for producing a micro-macro channel reactor, characterized in that by filling the pellet or pellet-shaped combustion catalyst through the insertion hole (74).
반응기를 구성하는 각 플레이트(20,30,40,50,60,70)의 내부면 및 외부면에 내산화 코팅층을 코팅하는 것을 특징으로 하는 마이크로-매크로 채널 반응기의 제조방법.
The method according to claim 1 or 11,
Method for producing a micro-macro channel reactor characterized in that the coating of the oxidation-resistant coating on the inner and outer surfaces of each plate (20, 30, 40, 50, 60, 70) constituting the reactor.
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