WO2013062226A1 - 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기 - Google Patents

동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기 Download PDF

Info

Publication number
WO2013062226A1
WO2013062226A1 PCT/KR2012/006926 KR2012006926W WO2013062226A1 WO 2013062226 A1 WO2013062226 A1 WO 2013062226A1 KR 2012006926 W KR2012006926 W KR 2012006926W WO 2013062226 A1 WO2013062226 A1 WO 2013062226A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
bubble
disk
rotating disk
gas distributor
dynamic gas
Prior art date
Application number
PCT/KR2012/006926
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
양정훈
정헌
이호태
양정일
김학주
천동현
박지찬
김병권
Original Assignee
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from KR1020120094731A external-priority patent/KR101399403B1/ko
Application filed by 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국에너지기술연구원
Publication of WO2013062226A1 publication Critical patent/WO2013062226A1/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/1818—Feeding of the fluidising gas
    • B01J8/1827—Feeding of the fluidising gas the fluidising gas being a reactant
    • 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
    • B01J8/005—Separating solid material from the gas/liquid stream
    • B01J8/006—Separating solid material from the gas/liquid stream by filtration
    • 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
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/20—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles with liquid as a fluidising medium
    • B01J8/22—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles with liquid as a fluidising medium gas being introduced into the liquid
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C10—PETROLEUM, GAS OR COKE INDUSTRIES; TECHNICAL GASES CONTAINING CARBON MONOXIDE; FUELS; LUBRICANTS; PEAT
    • C10G—CRACKING HYDROCARBON OILS; PRODUCTION OF LIQUID HYDROCARBON MIXTURES, e.g. BY DESTRUCTIVE HYDROGENATION, OLIGOMERISATION, POLYMERISATION; RECOVERY OF HYDROCARBON OILS FROM OIL-SHALE, OIL-SAND, OR GASES; REFINING MIXTURES MAINLY CONSISTING OF HYDROCARBONS; REFORMING OF NAPHTHA; MINERAL WAXES
    • C10G2/00—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon
    • C10G2/30—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen
    • C10G2/32—Production of liquid hydrocarbon mixtures of undefined composition from oxides of carbon from carbon monoxide with hydrogen with the use of catalysts
    • C10G2/34—Apparatus, reactors
    • C10G2/342—Apparatus, reactors with moving solid catalysts
    • 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
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00796—Details of the reactor or of the particulate material
    • B01J2208/00893—Feeding means for the reactants
    • B01J2208/0092—Perforated plates

Definitions

  • the present invention relates to a bubble column reactor, and more particularly, uniformly converts the bubble particles of the incoming synthesis gas, as well as generating a bubble column by the wake (wake: flow of disturbed air) generated after the bubble particles.
  • the present invention relates to a dynamic gas distributor and a bubble column reactor to which the catalyst is applied so as to increase the catalyst and the reaction efficiency in the reaction body by suppressing the phenomenon.
  • bubble column reactors have the advantages of high heat and mass transfer and are widely used in reactions such as biochemical reactions, wastewater treatment and coal liquefaction.
  • reaction takes place while the gaseous reactants (synthetic gas) pass through a continuous phase consisting of a catalyst and a product.
  • the mass transfer rate through uniform contact and dispersion between the reactant (synthetic gas) and the catalyst is very important as a variable for determining the reaction efficiency.
  • a method of increasing the fluidity in the reactor and a method of increasing the gas collection rate in the continuous phase are mainly utilized.
  • the fluid flow in a bubble column reactor is largely divided into two regions: a uniform flow region and a heterogeneous flow region.
  • the gas capture rate is defined as the volume fraction of the gas phase present in the continuous phase.
  • the ratio of gas capture rate to mass transfer rate of the reactant is constant at about 0.5. Therefore, increasing the gas capture rate is an important variable for increasing the mass transfer rate.
  • the gas collection rate is influenced by the linear velocity of the reactor body, the reactor diameter, the physical properties of the continuous phase, and the like.
  • the rate of bubble rise is closely related to the size and size distribution of the bubble particles.
  • the rate of bubble rise increases in proportion to 0.5 square of the size of the bubble particles.
  • An increase in bubble rise rate is negative in terms of gas capture rate because it leads to a decrease in the time of residence in the reactor for a unit time.
  • the technique of controlling the size of the bubble particles introduced into the reactor is very essential for improving the reactor efficiency.
  • a porous gas distribution plate As a representative example of this, a porous gas distribution plate, a porous gas distribution pipe, a metal foam, and the like can be considered.
  • the bubble column formed at this time is estimated to appear as the wake formed at the rear end of the bubble particle which rises earlier promotes the rate of rise of the bubble particle which follows.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and the first object of the present invention is to uniformly convert the bubble particles of the synthesis gas reacting with the catalyst in the reaction body and the Fischer-Tropsch reaction.
  • a dynamic gas distributor and bubble tower reactor employing the same can be used to suppress the phenomenon in which a column of bubbles are generated by a wake generated at the rear of the bubble particles so that the catalyst and reaction efficiency in the reaction body can be enhanced. To provide.
  • the second object of the present invention is to prevent the slurry inside the reaction body from flowing back to the dynamic gas distributor when the reaction body is operated or stopped, as well as maintaining the rotation cycle of the rotating disk to prevent the settling of the slurry.
  • to provide a dynamic gas distributor and a bubble column reactor using the same to stop the backflow of the slurry by stopping the rotating disk at a fixed position to eliminate or minimize the opening ratio of the fixed dispersion disk at the end of the reactor have.
  • the present invention provides a bubble column reactor comprising a reaction base and a dynamic gas distributor.
  • the reactor body stores a slurry containing a catalyst, and reacts with the synthesis gas into which the slurry containing the catalyst is introduced to generate synthetic fuel.
  • the dynamic gas distributor is disposed in communication with the lower portion of the reaction base, dispersing the synthesis gas supplied through the inlet tube in rotation, and converts the dispersed synthesis gas into uniform bubble particles to be supplied into the reaction base body do.
  • the dynamic gas distributor includes a fixed dispersion disk, a mixing cylinder, and gas dispersing means.
  • the fixed dispersion disk is formed with a plurality of opening holes on the surface to convert the bubble particles of the synthesis gas supplied through the inlet pipe to a uniform size.
  • the compounding cylinder extends vertically downward to the edge of the fixed dispersion disk to guide the synthesis gas supplied through the inlet pipe, and mixes it with a constant composition and pressure.
  • the gas dispersing means disperses the synthesis gas introduced into the compounding cylinder in rotation to provide the fixed dispersion disk.
  • the gas dispersing means includes a rotating disk and a driving means.
  • the rotating disk is spaced apart from the lower portion of the fixed dispersion disk to control the opening and closing period of the opening hole.
  • the driving means is disposed outside the compounding barrel to rotate the rotating disk.
  • the rotating disk is a semi-circular disk, a plurality of arc-shaped disks are formed symmetrically with each other, a semi-circle disk with a plurality of opening holes, a plurality of openings are formed and a plurality of arc-shaped disks are formed symmetrically It may be any one selected from the circular disk in which the opening hole is formed.
  • the opening ratio of the rotating disk may range from 10 to 90% of the circular disk.
  • the material of the rotating disk is any one selected from iron, copper, nickel, nickel-chromium alloy and iron-chromium-aluminum alloy, which is a hydrophobic material having a contact angle with water of 80 ° or more. It can be one.
  • the driving means may be a magnetic mixer capable of operating at 50 atm or less.
  • the distance between the fixed dispersion disk and the rotating disks spaced apart from each other may be in the range of 0.01 mm to 10 mm.
  • the rotation speed of the rotating disk may be proportional to the linear velocity of the syngas gas.
  • At least one rotating disk may be installed in the mixing barrel.
  • At least one of the inlet pipes may be connected to a side surface of the mixing vessel below the portion where the rotating disk is installed.
  • the size of the aperture diameter of the fixed dispersion disk is in the range of 0.1 ⁇ 2mm, the opening ratio may be in the range of 0.05 ⁇ 2.0%.
  • the catalyst contained in the slurry in the reaction base is iron, cobalt, copper, potassium, cesium, sodium, molybdenum, tungsten, zinc, nickel, rubidium, having a particle size distribution of 0.1 ⁇ 200um, It may be configured by mixing one or more kinds selected from the group consisting of rhodium and palladium.
  • the bubble column reactor according to the present invention further includes filtering means which is disposed above the inside of the reaction base to filter the catalyst and to discharge only the synthetic fuel produced by the reaction to the outside of the reaction base.
  • the upper end of the reaction base may be connected to an outlet pipe for outflowing the unreacted synthesis gas and the chemical gas generated during the reaction to the outside of the reaction base.
  • the present invention also includes a mixing vessel, a gas dispersing means, and a fixed dispersing disk as a dynamic gas distributor installed in communication with the reaction base of the bubble column reactor.
  • the compounding vessel has an open portion formed at an upper portion thereof to be connected to the reaction base, and temporarily stores the synthesis gas introduced through the inlet pipe and mixes the same at a constant composition and pressure.
  • the gas dispersing means disperses the synthesis gas introduced into the mixing vessel by rotation.
  • the fixed dispersion disk is coupled to the opening of the mixing cylinder, and a plurality of opening holes are formed on the surface to convert the bubble particles of the synthesis gas dispersed by the gas dispersing means into a uniform size.
  • a wake generated at the rear end of the bubble particles as well as uniformly converting the bubble particles of the synthesis gas reacting with the catalyst in the reaction body and the Fischer-Tropsch reaction. (wake: disturbed flow of air) by suppressing the phenomenon that the bubble column is generated there is an effect that can increase the catalyst and the reaction efficiency in the reaction base.
  • FIG. 1 is a block diagram of a bubble column reactor to which a dynamic gas distributor according to the present invention
  • FIG 2 is a perspective view of the dynamic gas distributor extracted in Figure 1,
  • Figure 7 is a photograph showing the bubble particles discharged from the fixed dispersion disk of the bubble column reactor according to a comparative example
  • FIG. 8 is a conceptual diagram showing the bubble particles of the bubble column reactor to which the dynamic gas distributor according to the present invention
  • FIG. 9 is a photograph showing bubble particles discharged from the fixed dispersion disk of the bubble column reactor in FIG. 8.
  • FIG. 1 is a block diagram of a bubble column reactor to which a dynamic gas distributor according to the present invention is applied
  • FIG. 2 is a perspective view of a dynamic gas distributor extracted from FIG. 1
  • FIG. 3 is a diagram showing various embodiments of a rotating disk according to the present invention.
  • 5 is a diagram illustrating various embodiments of the inlet pipe connected to the mixing vessel according to the present invention
  • FIG. 6 is another embodiment of the gas dispersing means according to the present invention.
  • the present invention by controlling the bubble particles of the synthesis gas in Fischer-Tropsch reaction with the catalyst in the reaction body 10, the reaction body 10
  • the present invention relates to a bubble column reactor (100) employing a dynamic gas distributor (20) having a structure capable of improving mass transfer and reaction efficiency of a catalyst and synthesis gas.
  • the bubble column reactor 100 to which the dynamic gas distributor 20 is applied is merged with a wake (flow: disturbed air flow) generated at the rear end of the bubble particles uniformly converted through the dynamic gas distributor 20 to generate a bubble column. It is a configuration including a gas dispersing means 23 that rotates to prevent the phenomenon.
  • the bubble column reactor 100 to which the dynamic gas distributor 20 of the present invention is applied is largely composed of three parts, which is a reaction body 10 having a filtering means 30, an outlet pipe 11, and a reaction body ( 10 is disposed below the dynamic gas distributor 20 for converting the synthesis gas flowing through the inlet tube 24 into uniform particles.
  • the reaction base 10 has a structure in which a slurry (oil and wax) containing a catalyst for reacting with a synthesis gas and a Fischer-Tropsch reaction is stored.
  • the catalyst contained in the slurry stored in the reaction body 10 is active for the Fischer-Tropsch reaction and the water gas shift reaction, depending on the components of the synthetic fuel obtained, iron, cobalt, copper, potassium , Cesium, sodium, molybdenum, tungsten, zinc, nickel, rubidium, rhodium, palladium from the group consisting of one or two or more may be mixed.
  • the catalyst has a particle size distribution of 0.1um ⁇ 200um in order to spray evenly in the reaction base (10). If the particle size is smaller than 0.1 ⁇ m, this may cause the outflow of the catalyst because it is not filtered by the filtering means 30. If the particle size is larger than 200 ⁇ m, precipitation of the catalyst is strongly observed and the catalyst in the reaction body 10 is increased. It is not preferred because the even dispersion of the particles is difficult.
  • the filtering means 30 discharges the synthetic fuel produced by the Fischer-Tropsch reaction and the catalyst functions to filter.
  • the filtering means 30 is disposed above the inside of the reaction body 10 to filter the catalyst and to discharge only the synthetic fuel produced by the reaction to the outside.
  • the filtering means 30 may be made of a general stainless steel material, the pore size may be configured in the range of 0.1um ⁇ 10um, most preferably the pore size of 1um. When the filtering means 30 having a pore size of 1 ⁇ m is used, the catalyst particles in the reaction body 10 may be filtered and selectively only the synthetic fuel may be collected.
  • the outlet pipe 11 functions to discharge the unreacted syngas and the chemical gas (methane, propane, pentane, etc.) generated by the reaction in the reaction body (10).
  • the chemical gas and the synthetic fuel are similar in that they are all products of the Fischer-Tropsch reaction, but the chemical gas has a gaseous form under the reaction conditions, and the synthetic fuel has a liquid form. There is a difference.
  • the dynamic gas distributor 20 is connected to the lower portion of the reaction base 10 so that the bubble particles of the synthesis gas supplied through the inlet pipe 24 can be converted into uniform bubble particles and supplied into the reaction base 10.
  • the structure is arranged.
  • the dynamic gas distributor 20 includes a fixed dispersion disk 21, a mixing cylinder 22 and a gas dispersing means 23.
  • the mixing barrel 22 extends vertically downward to the edge of the fixed dispersion disk 21, and the inlet pipe 24 is connected.
  • the gas dispersing means 23 includes a rotating disk 231 embedded in the compounding barrel 22 and driving means 232 disposed outside the compounding barrel 22 to rotate the rotating disk 231. .
  • the fixed dispersion disk 21 has a plurality of opening holes (H) formed on the surface to function to convert the bubble particles of the synthesis gas supplied through the inlet pipe 24 to a uniform size.
  • the diameter of the aperture H of the fixed dispersion disk 21 is in the range of 0.1 mm to 2 mm, and the aperture ratio is preferably in the range of 0.05 to 2.0%.
  • the opening ratio of the opening hole H is 2.0% or more, even injection of the synthesis gas into the inside of the reaction body 10 becomes difficult, so that it is preferable to limit the opening ratio within the range of 0.05 to 2.0%.
  • the syngas having a uniform particle distribution provides sufficient fluidity in the continuous phase of the reaction body 10 to increase contact with the catalyst and slurry. Not only can the production yield of syngas be increased, but the heat of reaction by the Fischer-Tropsch exothermic reaction can be evenly released to the outside.
  • the compounding cylinder 22 is integrally coupled with the fixed dispersion disk 21, and more specifically, has a structure extending vertically downward to the edge of the fixed dispersion disk 21. That is, the compounding barrel 22 has an opening portion 221 formed at a portion connected to the reaction body 10, and the fixed dispersion disk 21 is coupled to the compounding cylinder 22 so as to cover the opening portion 211. do.
  • the compounding barrel 22 functions to temporarily store the synthesis gas introduced through the inlet pipe 24 to be mixed at a constant composition and pressure.
  • the inlet tube 24 is provided with a flow rate control unit 40 for adjusting the flow rate of the synthesis gas, and a flow meter 50 for checking the flow rate of the gas in real time to select the synthetic fuel obtained by the reaction with the catalyst Can improve the degree.
  • the inflow pipe 24 showed the example in which one was provided toward the center of the mixing barrel 22 like FIG. 2, it is not limited to this.
  • the inlet pipe 24 may be provided in plural in the mixing barrel 22.
  • the plurality of inflow pipes 24 are exposed inwardly of the compounding barrel 22 through the side surface of the compounding barrel 22 in a direction deviated at a predetermined angle from the center of the compounding barrel 22. Can be installed.
  • the plurality of inflow pipes 24 may be inserted into the mixing cylinder 22 to protrude, and the ends may be bent to one side.
  • the inlet pipe 24 to the mixing vessel 22
  • the synthesis gas flowing into the mixing vessel 22 can be more uniformly dispersed.
  • the gas dispersing means 23 is installed in the lower portion of the fixed dispersion disk 21 is a wake (wake) that is generated in the rear end of the bubble particles converted into uniform particles through the opening hole (H) of the fixed dispersion disk 21 Merged with the disturbed air flow) to prevent the occurrence of bubble columns.
  • the gas dispersing means 23 is disposed at the lower portion of the fixed dispersing disk 21 to be disposed outside of the mixing cylinder 22 and the rotating disk 231 for adjusting the opening / closing period of the opening hole H. And a driving means 232 for rotating the rotating disk 231.
  • the rotating disk 231 is a semicircular disk, a plurality of arc-shaped disks are formed symmetrically, a plurality, as shown in Figs. 3 and 4 (a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) A semicircular disk formed with an opening hole of a plurality of opening holes are formed, a plurality of arc-shaped disks are formed symmetrically and a plurality of circular holes formed with a plurality of opening holes.
  • the opening ratio of the rotating disk 231 is preferably in the range of 10 to 90% of the total size of the rotating disk 231, which is compounded when the shape of the rotating disk 231 is irregular or the opening ratio is smaller than 10%.
  • Unstable fluctuations occur in the pressure inside the cylinder 22, and a drift appears in the flow of the synthesis gas flowing into the reaction body 10, and the occurrence of this drift is caused by a gas collection rate in the reaction body 10. It is not preferable because it leads to a result of lowering the reaction efficiency because it sharply lowers.
  • the opening ratio of the rotating disk 231 is larger than 90%, the effect of suppressing the occurrence of the bubble column by the rotating disk 231 is not so preferable.
  • the rotation speed of the rotating disk 231 is proportional to the linear velocity of the syngas gas. Therefore, if the linear velocity of the incoming syngas gas is high, the wake becomes large to speed up the rotational speed of the rotating disk, and if the linear velocity of the syngas gas is low, the wake is small and the rotational speed of the rotating disk 231 is preferable.
  • the material of the rotating disk 231 is preferably any one selected from iron, copper, nickel, nickel-chromium alloy, iron-chromium-aluminum alloy, which is a hydrophobic material having a contact angle with respect to water of 80 ° or more.
  • the rotational speed of the rotating disk 231 is preferably 10,000rpm or less, which means that when the rotational speed is 10,000rpm or more, the unit time through which the small bubbles can pass through the opening hole H is smaller than the opening and closing unit time of the pore. It is not preferable because the synthesis gas cannot pass through the opening hole H of the fixed dispersion disk 21, and as a result, the pressure inside the compounding barrel 22 rises.
  • the rotating disk (231) 10,000rpm If you adjust the rotation speed below It is possible to minimize the generation of the bubble column by the wake effect and to control the size of the generated bubble particles.
  • the driving means 232 may be composed of an electric motor, and more preferably, it is preferably composed of a magnetic mixer for rotating the rotating disk 231 at a constant speed.
  • This magnetic mixer is a device that operates at 50 atm or less, and can control the rotation speed constantly.
  • the magnetic mixer can stably rotate the rotating disk 231.
  • the rotating disk 231 blocks the opening hole H of the fixed dispersion disk 21 to drive or stop the reaction body 10 when the slurry inside the reaction body 10 flows back to the dynamic gas distributor 20.
  • the rotation period of the rotating disk 231 can be kept constant to prevent the settling of the slurry, and when the reactor 100 is terminated, the rotating disk 231 is stopped and fixed at a fixed position. The backflow of the slurry can be prevented by eliminating or minimizing the aperture ratio of the dispersion disk 21.
  • the rotating disk 231 is installed in close proximity to the fixed dispersion disk 21 so that the opening and closing period of the opening hole H of the fixed dispersion disk 21 can be stably adjusted.
  • the distance between the fixed dispersion disk 21 and the rotating disk 231 spaced apart from the lower portion is preferably in the range of 0.01mm ⁇ 10mm.
  • the distance between the fixed dispersion disk 21 and the rotating disk 231 is 0.01 mm or less because it prevents the gas of the synthesis gas flowing through the fixed dispersion disk 21, and in the case of 10 mm or more. It is not preferable because the wake occurs again on a spaced gap.
  • Inlet tube 24 is connected to the lower portion of the mixing barrel 22 than the position.
  • the rotating disk 231 has been disclosed an example in which one is provided in the mixing barrel 22, but is not limited thereto.
  • a plurality of rotating disks 231a and 231b may be installed in the compounding barrel 22.
  • the plurality of rotating disks 231a and 231b may be installed above the inlet pipe 24.
  • the bubble tower reactor 100 having the dynamic gas distributor 20 according to the present invention and the bubble tower reactor according to the comparative example in which only the fixed dispersion disc is simply installed in the mixing cylinder will be described as follows.
  • FIG. 7 is a photograph showing bubble particles discharged from the fixed dispersion disk 121 of the bubble column reactor according to the comparative example.
  • FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating bubble particles of the bubble column reactor to which the dynamic gas distributor 20 is applied
  • FIG. 9 is a photograph showing bubble particles discharged from the fixed dispersion disc 21 of the bubble column reactor in FIG. 8.
  • the present comparative example does not have a separate gas dispersing means, it can be confirmed that the size of the formed bubbles is not uniform.
  • the inlet synthesis gas is not converted into uniform bubble particles through the opening of the fixed dispersion disc 121 and merges with a wake (wake: flow of disturbed air) generated at the rear end. It can be seen that rounds are generated.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)

Abstract

본 발명은 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기에 관한 것으로, 합성가스의 기포입자를 균일하게 전환시킴은 물론, 기포입자의 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)에 의해 기포기둥이 발생되는 현상을 억제하여 반응기본체 내에서의 반응효율을 증진시키기 위한 것이다. 본 발명에 따른 기포탑 반응기는 반응기본체와 동적 기체분배기를 포함한다. 반응기본체는 촉매를 함유하는 슬러리가 저장되며, 촉매를 함유하는 슬러리가 유입되는 합성가스와 반응하여 합성연료를 생성한다. 그리고 동적 기체분배기는 반응기본체의 하부에 연통되게 배치되며, 유입관을 통해 공급되는 합성가스를 회전으로 분산시키고, 분산된 합성가스를 균일한 기포입자로 전환시켜 반응기본체의 내부로 공급한다.

Description

동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기
본 발명은 기포탑 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유입되는 합성가스의 기포입자를 균일하게 전환시킴은 물론, 기포입자의 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)에 의해 기포기둥이 발생되는 현상을 억제하여 반응기본체 내의 촉매와 반응효율이 증진될 수 있도록 한 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기에 관한 것이다.
일반적으로, 기포탑 반응기는 높은 열 및 물질 전달의 장점을 가지고 있어서 생화학반응, 폐수처리 및 석탄 액화반응과 같은 반응들에서 널리 활용되고 있다.
이러한 기포탑 반응기에서는 기상의 반응물(합성가스)이 촉매 및 생성물로 구성되어 있는 연속 상을 통과하면서 반응이 이루어진다.
이 때 반응물(합성가스)과 촉매간의 균일한 접촉 및 분산을 통한 물질전달 속도는 반응 효율을 결정하는 변수로서 매우 중요시된다.
여기서 반응기체의 물질전달 속도를 증진시키기 위한 주요 수단으로 반응기 내에 유동성을 증가시키는 방법과, 연속상 내에 기체 포집율을 증가시키는 방법이 주로 활용되고 있다.
일반적으로 기포탑 반응기에서의 유체 흐름은 크게 두 가지 영역으로 나누어지는데, 균일 흐름 영역과 불균일 흐름 영역이 그것이다.
기체의 선속도가 낮은 저유속에서는 균일 흐름 영역이 발생하는 반면 고유속에서는 불균일 흐름 영역이 형성된다.
따라서 높은 반응 수율을 요구하는 반응에서는 연속상의 유동성이 우수한 불균일 흐름 영역에서 반응을 진행시키는 것이 일반적이다.
반응기 내에 물질전달 속도를 증진시키는 또 다른 방법으로서 기체 포집율을 증가시키는 방법이 있다. 기체 포집율은 연속상 내에 존재하는 기체상의 부피비율로 정의된다.
Letzel et al.(1999)에 따르면, 기체 포집율과 반응기체의 물질전달 속도의 비는 약 0.5로 일정한 값을 보인다. 따라서 기체 포집율을 증진시키는 것은 물질전달 속도를 증가시키기 위한 중요한 변수이다.
일반적으로 기체 포집율은 반응기체의 선속도, 반응기 직경, 연속상의 물리적 특성 등에 따라 영향을 받는다.
즉, 반응 기체의 선속도가 증가할수록, 반응기의 직경이 작을수록, 연속상의 점도와 표면장력이 낮을수록 반응기 내에 기체 포집율은 증가하는 경향성을 보인다.
이와 같이 반응 조건에 따른, 또는 반응 첨가제에 따른 기체 포집율의 변화에 대한 연구는 많이 진행되어 왔다. 그러나 반응기의 설계에 따른 기체 포집율에 대한 연구는 제한적인 것이 현실이다.
일반적으로 기포의 상승속도는 기포입자의 크기 및 크기분포와 밀접한 관계를 갖는다.
즉, 기포의 상승속도는 기포입자의 크기의 0.5 제곱에 비례하여 증가한다.
또한 다양한 크기의 기포입자들이 공존할 경우에는, 기포입자 간의 상승속도에서 차이를 보이기 때문에 상호 간의 충돌 빈도수가 증가하게 된다. 이러한 높은 충돌 빈도수는 기포입자 간의 응집으로 이어지기 때문에 거대 기포입자의 생성을 초래할 수 있다.
기포 상승속도의 증가는 단위 시간 동안에 반응기 내에 체류하는 시간의 감소로 이어지기 때문에 기체 포집율 관점에서 부정적이다.
따라서 반응기 내로 유입되는 기포입자의 크기를 제어하는 기술은 반응기 효율을 증진시키는 데에 매우 필수적이다.
지금까지 많은 연구자들이 이러한 기포입자의 크기를 제어하기 위하여 다양한 기체분배기 유형들을 적용하여 왔다.
이에 대한 대표적인 예로서 다공성 기체분배판, 다공성 기체분배관, 메탈폼 등을 생각할 수 있다.
이들은 기체분산판의 기공크기 및 기공간극이 기포입자의 크기분포에 미치는 영향을 체계적으로 분석함으로써 기체분산판에 대한 설계를 최적화 할 수 있었다.
다만, 이들의 연구는 일정한 형태로 고정되어 있는 기체분산판을 사용함으로 인해서 발생하는 한계요소들을 극복할 수 없었다.
즉, 일정하게 열려있는 기공을 통해서, 기포기둥이 형성되기 때문에 이에 대한 제어가 불가능하다.
이 때 형성되는 기포기둥은 선행해서 상승하는 기포입자의 후단부에 형성되는 웨이크가 후행하는 기포입자의 상승속도를 촉진시킴에 따라서 나타나는 것으로 추정된다.
따라서 웨이크에 따른 기포기둥을 없애고 원하는 형태로의 기포입자의 크기를 제어할 수 있는 구조의 장치가 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 제 1 목적은, 반응기본체 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 균일하게 전환시킴은 물론, 기포입자의 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)에 의해 기포기둥이 발생되는 현상을 억제하여 반응기본체 내의 촉매와 반응효율이 증진될 수 있도록 한 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기를 제공하는데 있다.
본 발명의 제 2목적은 반응기본체를 운전하거나 운전을 멈출 때 반응기본체 내부의 슬러리가 동적 기체분배기로 역류하는 것을 방지함은 물론, 회전디스크의 회전 주기를 일정하게 유지시켜 슬러리의 침강을 막을 수 있고, 또한 반응기를 종료할 때, 일정한 위치에서 회전디스크를 정지시켜 고정분산디스크의 개구비를 없애거나 최소로 만들어줌으로써 슬러리의 역류를 방지할 수 있는 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기를 제공하는데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 반응기본체 및 동적 기체분배기를 포함하는 기포탑 반응기를 제공한다. 상기 반응기 본체는 촉매를 함유하는 슬러리가 저장되며, 상기 촉매를 함유하는 슬러리가 유입되는 합성가스와 반응하여 합성연료를 생성한다. 그리고 상기 동적 기체분배기는 상기 반응기본체의 하부에 연통되게 배치되며, 유입관을 통해 공급되는 합성가스를 회전으로 분산시키고, 분산된 합성가스를 균일한 기포입자로 전환시켜 상기 반응기본체의 내부로 공급한다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 동적 기체분배기는 고정분산디스크, 배합통 및 기체분산수단을 포함한다. 상기 고정분산디스크는 표면에 다수의 개구공이 형성되어 유입관을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시킨다. 상기 배합통은 상기 고정분산디스크의 테두리에 연직 하방으로 연장되어 유입관을 통해 공급되는 합성가스를 안내하여 일정한 조성과 압력으로 혼합시킨다. 그리고 상기 기체분산수단은 상기 배합통 안으로 유입된 합성가스를 회전으로 분산시켜 상기 고정분산디스크로 제공한다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 기체분산수단은 회전디스크와 구동수단을 포함한다. 상기 회전디스크는 상기 고정분산디스크의 하부에 이격 배치되어 개구공의 개폐주기를 조절한다. 상기 구동수단은 상기 배합통의 외부에 배치되어 상기 회전디스크를 회전시킨다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 회전디스크는 반원디스크, 상호 대칭 형성되는 다수의 호형디스크, 다수의 개구공이 형성된 반원디스크, 다수의 개구공이 형성되며 상호 대칭 형성되는 다수의 호형디스크 및 다수의 개구공이 형성된 원형디스크 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 회전디스크의 개구비는 원형디스크 대비 10 ~ 90% 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 회전디스크의 재질은 물에 대한 접촉각이 80°이상이 되는 소수성 재질인 철, 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금 및 철-크롬-알루미늄 합금 중 선택되는 어느 하나일 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 구동수단은 50 기압 이하에서 작동할 수 있는 마그네틱 믹서일 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 고정분산디스크와 하부에 이격 배치되는 상기 회전디스크의 상호 간 간격은 0.01mm ~ 10mm 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 회전디스크의 회전수는 합성가스 기체의 선속도에 비례할 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 배합통 내에 적어도 하나의 상기 회전디스크가 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 회전디스크가 설치되는 부분의 아래쪽의 상기 배합통의 측면에 적어도 하나의 상기 유입관이 연결될 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 고정분산디스크의 개구공 지름의 크기는 0.1 ~ 2mm 범위이고, 개구비는 0.05 ~ 2.0% 범위일 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기에 있어서, 상기 반응기본체 내의 슬러리에 포함된 촉매는 0.1 ~ 200um 의 입도 분포를 갖는 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 일종 또는 이종 이상 혼합되어 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 기포탑 반응기는, 상기 반응기본체의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응에 의해 생성된 합성연료만을 상기 반응기본체의 외부로 유출시키는 필터링수단을 더 포함한다. 상기 반응기본체의 상단에는 미반응 합성가스 및 반응시 생성되는 화학가스를 상기 반응기본체의 외부로 유출시키는 유출관이 연결될 수 있다.
그리고 본 발명은 또한, 기포탑 반응기의 반응기본체에 연통되게 설치되는 동적 기체분배기로서 배합통, 기체분산수단 및 고정분산디스크를 포함한다. 상기 배합통은 상부에 상기 반응기본체와 연결될 수 있는 개방부가 형성되어 있고, 유입관을 통해 유입된 합성가스를 일시 저장하여 일정한 조성과 압력으로 혼합시킨다. 상기 기체분산수단은 상기 배합통 안으로 유입된 합성가스를 회전으로 분산시킨다. 그리고 상기 고정분산디스크는 상기 배합통의 개방부에 결합되어 설치되며, 표면에 다수의 개구공이 형성되어 상기 기체분산수단에 의해 분산된 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시킨다.
본 발명의 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기에 따르면, 반응기본체 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 균일하게 전환시킴은 물론, 기포입자의 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)에 의해 기포기둥이 발생되는 현상을 억제하여 반응기본체 내의 촉매와 반응효율이 증진될 수 있는 효과가 있다.
또한 반응 도중에 또는 반응 종료시에 반응기본체 내부의 슬러리가 동적 기체분배기로 역류하는 것을 최소화하여 동적 기체분배기의 오작동 및 촉매의 유실을 막는 데에 효과가 있다
도 1은 본 발명에 따른 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기의 구성도,
도 2는 도 1에서 발췌된 동적 기체분배기의 사시도,
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 회전디스크의 다양한 실시예도,
도 5는 본 발명에 따른 배합통에 연결되는 유입관의 다양한 실시예도,
도 6은 본 발명에 따른 기체분산수단의 다른 실시예도,
도 7은 비교예에 따른 기포탑 반응기의 고정분산디스크에서 배출되는 기포입자를 나타내는 사진,
도 8은 본 발명에 따른 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기의 기포입자를 나타내는 개념도,
도 9는 도 8에서 기포탑 반응기의 고정분산디스크에서 배출되는 기포입자를 나타내는 사진이다.
이하에서는 본 발명에 따른 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기에 관하여 첨부되어진 도면과 함께 더불어 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기의 구성도이고, 도 2는 도 1에서 발췌된 동적 기체분배기의 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 회전디스크의 다양한 실시예도이고, 도 5는 본 발명에 따른 배합통에 연결되는 유입관의 다양한 실시예도이고, 도 6은 본 발명에 따른 기체분산수단의 다른 실시예도이다.
도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명은 반응기본체(10) 내 촉매와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 합성가스의 기포입자를 보다 균일하게 제어함으로써, 반응기본체(10) 내에 촉매와 합성가스의 물질전달 및 반응효율을 증진시킬 수 있는 구조의 동적 기체분배기(20)를 적용한 기포탑 반응기(100)에 관한 것이다.
이러한 동적 기체분배기(20)를 적용한 기포탑 반응기(100)는 동적 기체분배기(20)를 통해 균일하게 전환된 기포입자가 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)와 병합되어 기포기둥이 발생되는 현상을 방지하기 위해 회전하는 기체분산수단(23)을 포함하는 구성이다.
본 발명의 동적 기체분배기(20)를 적용한 기포탑 반응기(100)는 크게 3부분으로 구성되는데, 이는 필터링수단(30)과, 유출관(11)을 갖는 반응기본체(10)와, 반응기본체(10)의 하부에 배치되어 유입관(24)을 통해 유입되는 합성가스를 균일한 입자로 전환시키는 동적 기체분배기(20)로 구성된다.
반응기본체(10)는 합성가스와 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응하는 촉매를 함유하는 슬러리(오일, 왁스)가 저장되어 있는 구성이다.
반응기본체(10)에 저장된 슬러리에 포함된 촉매는 피셔-트롭쉬 반응 및 워터 가스 쉬프트(water gas shift) 반응에 대해 활성을 갖는 것으로, 획득되는 합성연료의 성분에 따라 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐, 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 일종 또는 이종이상 혼합되어 구성될 수 있다.
또한 촉매는 반응기본체(10) 내에 고르게 분사되기 위해서 0.1um ~ 200um 의 입도 분포를 갖는다. 이는 입자 크기가 0.1um보다 작을 경우, 필터링수단(30)에 의해서 걸러지지 않기 때문에 촉매의 유출을 야기할 수 있고, 200um보다 클 경우에는, 촉매의 침전 현상이 강하게 나타나고 반응기본체(10) 내에 촉매 입자의 고른 분산이 어렵기 때문에 바람직하지 않다.
여기서 필터링수단(30)은 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의해 생성된 합성연료를 배출시키고 촉매는 필터링하는 기능을 한다.
필터링수단(30)은 반응기본체(10)의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응에 의해 생성된 합성연료만을 외부로 유출시키는 기능을 한다.
이러한 필터링수단(30)은 일반 스테인리스 재질로 구성될 수 있으며, 기공크기가 0.1um ~ 10um 범위로 구성될 수 있으며, 가장 바람직하게는 기공 크기 1um인 것이 바람직하다. 기공 크기 1um의 필터링수단(30)을 사용하였을 경우, 반응기본체(10) 내에 촉매입자는 거르고 선택적으로 합성연료만을 수거할 수 있다.
그리고 유출관(11)은 반응기본체(10) 내에서 미반응 합성가스 및 반응에 의해 생성된 화학가스(메탄, 프로판, 펜탄 등)를 배출하는 기능을 한다. 여기서 화학가스와 합성연료는 모두 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 반응에 의한 생성물이라는 점에서 유사하지만, 화학가스는 반응조건에서 기상의 형태를 갖고, 합성연료는 액상의 형태를 취한다는 점에서 차이가 있다.
한편 동적 기체분배기(20)는 유입관(24)을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 기포입자로 전환시켜 반응기본체(10)의 내부로 공급할 수 있도록 반응기본체(10)의 하부에 연결되게 배치되는 구조이다.
이러한 동적 기체분배기(20)는 고정분산디스크(21), 배합통(22) 및 기체분산수단(23)을 포함하여 구성된다. 배합통(22)은 고정분산디스크(21)의 테두리에 연직 하방으로 연장되어 있으며, 유입관(24)이 연결된다. 기체분산수단(23)은 배합통(22)의 내부에 내장되는 회전디스크(231)와, 배합통(22)의 외부에 배치되어 회전디스크(231)를 회전시키는 구동수단(232)을 포함한다.
여기서 고정분산디스크(21)는 표면에 다수의 개구공(H)이 형성되어 유입관(24)을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시키는 기능을 한다. 이 때 고정분산디스크(21)의 개구공(H) 지름 크기는 0.1mm ~ 2mm 범위이고, 개구비는 0.05 ~ 2.0% 범위로 구성되는게 바람직하다.
상기에서 개구공(H)의 전체 개구비가 0.05%보다 작을 경우, 고정분산디스크(21)에서 작용하는 합성가스의 압력 강하가 매우 크게 되기 때문에, 반응기본체(10) 내의 슬러리에 포함된 촉매 및 반응에 의해 생성된 합성연료의 역류에 의해 막힘 현상이 발생하고 연속 상에 분사되어 있는 촉매 입자의 깨짐을 유발할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
또한 개구공(H)의 개구비가 2.0% 이상이면, 반응기본체(10)의 내부로 합성가스의 고른 분사가 어렵게 되기 때문에 개구비를 0.05 ~ 2.0% 범위 내로 한정하는 것이 바람직하다.
이렇게 고정분산디스크(21)의 개구비를 0.05 ~ 2.0% 범위로 한정하면, 균일한 입자 분포를 갖는 합성가스가 반응기본체(10)의 연속 상에 충분한 유동성을 공급함으로써 촉매 및 슬러리와 접촉을 높여 합성가스의 생산수율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 피셔-트롭쉬 발열 반응에 의한 반응열 역시 외부로 고르게 방출시킬 수 있는 구조가 마련된다.
배합통(22)은 고정분산디스크(21)와 일체로 결합된 것으로, 보다 상세하게는 고정분산디스크(21)의 테두리에 연직 하방으로 연장되어 결합되는 구조이다. 즉 배합통(22)는 반응기본체(10)와 연결되는 부분에 개방부(221)가 형성되어 있으며, 그 개방부(211)를 덮도록 고정분산디스크(21)가 배합통(22)에 결합된다.
이러한 배합통(22)은 유입관(24)을 통해 유입된 합성가스를 일시 저장하여 일정한 조성과 압력으로 혼합시키는 기능을 한다. 또한 유입관(24)은 합성가스의 유속을 조절할 수 있는 유량제어부(40)와, 기체의 유속을 실시간으로 확인할 수 있는 유량계(50)가 구비되어 촉매와의 반응에 의해 획득되는 합성연료의 선택도를 향상시킬 수 있다.
여기서 유입관(24)은, 도 2와 같이, 배합통(22)의 중심을 향하게 하나가 설치된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 5에 도시된 바와 같이, 유입관(24)은 배합통(22)에 복수개가 설치될 수 있다.
도 5의 (a)와 같이, 복수의 유입관(24)은 배합통(22)의 중심에서 일정 각도로 빗겨진 방향으로 배합통(22)의 측면을 통하여 배합통(22)의 안쪽으로 노출되게 설치될 수 있다. 또는 도 5의 (b)와 같이, 복수의 유입관(24)이 배합통(22)의 내부로 삽입되어 돌출되고, 끝단이 한 쪽으로 휘어지게 형성될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 배합통(22)에 유입관(24)을 연결함으로써, 배합통(22) 내로 유입되는 합성가스를 더욱 균일하게 분산시킬 수 있다.
아울러 기체분산수단(23)은 고정분산디스크(21)의 하부에 이격 설치되어 고정분산디스크(21)의 개구공(H)을 통해 균일한 입자로 전환된 기포입자가 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)와 병합되어 기포기둥이 발생되는 현상을 방지하기 위한 것이다.
보다 상세하게는 기체분산수단(23)은 고정분산디스크(21)의 하부에 이격 배치되어 개구공(H)의 개폐주기를 조절해주는 회전디스크(231)와, 배합통(22)의 외부에 배치되어 회전디스크(231)를 회전시키는 구동수단(232)으로 구성된다.
여기서 회전디스크(231)는 도 3 및 도 4의 (a)(b)(c)(d)(e)(f)(g)와 같이, 반원디스크, 상호 대칭 형성되는 다수의 호형디스크, 다수의 개구공이 형성된 반원디스크, 다수의 개구공이 형성되며 상호 대칭 형성되는 다수의 호형디스크 및 다수의 개구공이 형성된 원형디스크 중 선택되는 어느 하나로 구성된다.
이 때 회전디스크(231)의 개구비는 회전디스크(231)의 전체 크기의 10 ~ 90% 범위인 것이 바람직하며, 이는 회전디스크(231)의 형태가 불규칙하거나 개구비가 10%보다 작게 되면, 배합통(22)의 내부의 압력에 불안전한 요동이 발생하게 되어 반응기본체(10) 내부로 유입되는 합성가스의 흐름에 편류가 나타나게 되며, 이러한 편류의 발생은 반응기본체(10) 내에서 기체 포집율을 급격히 저하시키기 때문에 반응 효율을 낮추는 결과를 가져오기 때문에 바람직하지 않다.
또한 회전디스크(231)의 개구비가 90% 보다 크게 될 경우, 회전디스크(231)에 의한 기포기둥의 발생억제 효과가 매우 미미하게 되어 바람직하지 않다.
한편 도 3의 (d)와 같이, 회전디스크(231) 중 다수의 개구공(H)이 형성된 원형디스크의 경우에는 반응기(100)를 종료할 때, 고정분산디스크(21)의 개구비를 없애거나 최소로 만들어줌으로써 슬러리의 역류를 방지할 수 있다.
아울러 상기에서 회전디스크(231)의 회전수는 합성가스 기체의 선속도에 비례한다. 따라서 유입되는 합성가스 기체의 선속도가 빠르면 웨이크가 커져서 회전디스크의 회전수를 빠르게 하고, 합성가스 기체의 선속도가 늦으면 웨이크가 작아져서 회전디스크(231)의 회전수를 느리게 하는 것이 바람직하다.
또한 회전디스크(231)의 재질은 물에 대한 접촉각이 80°이상이 되는 소수성 재질인 철, 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금, 철-크롬-알루미늄 합금 중 선택되는 어느 하나인 것이 바람직하다.
이는 물에 대한 접촉각이 80°보다 낮은 친수성 재질을 이용하게 되면 기체의 흐름이 기공의 개폐주기에 의해서 제어되기보다는 회전디스크(231)와 기포 사이의 표면장력의 영향을 강하게 받기 때문에 바람직하지 않기 때문이다.
또한 회전디스크(231)의 회전속도는 10,000rpm 이하인 것이 바람직한데, 이는 회전속도가 10,000rpm 이상일 경우, 작은 기포가 개구공(H)을 통해서 투과할 수 있는 단위시간이 기공의 개폐 단위시간보다 작아지기 때문에 합성가스가 고정분산디스크(21)의 개구공(H)을 통과하지 못하게 되어 결과적으로 배합통(22)의 내부의 압력이 상승하기 때문에 바람직하지 않다.
반대로 회전디스크(231)를 10,000rpm 이하로 회전속도를 조절하면 웨이크 영향에 의한 기포기둥의 생성을 최소화하고 생성된 기포입자의 크기를 조절할 수 있다.
한편 구동수단(232)은 전기모터로 구성될 수 있으며, 보다 상세하게는 회전디스크(231)를 일정한 속도로 회전시키기 위한 마그네틱 믹서로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 마그네틱 믹서는 50 기압 이하에서 작동하고, 회전속도를 일정하게 제어할 수 있는 장치이다.
특히 반응기본체(10)에서 피셔-트롭쉬 반응은 일반적으로 15기압 이상에서 운전되기 때문에, 이러한 마그네틱 믹서를 이용하면 회전디스크(231)를 안정적으로 회전시킬 수 있다.
한편 회전디스크(231)는 고정분산디스크(21)의 개구공(H)을 막아 반응기본체(10)를 운전하거나 운전을 멈출 때 반응기본체(10) 내부의 슬러리가 동적 기체분배기(20)로 역류하는 것을 방지함을 물론, 회전디스크(231)의 회전 주기를 일정하게 유지시켜 슬러리의 침강을 막을 수 있고, 또한 반응기(100)를 종료할 때, 일정한 위치에서 회전디스크(231)를 정지시켜 고정분산디스크(21)의 개구비를 없애거나 최소로 만들어줌으로써 슬러리의 역류를 방지할 수 있다.
아울러 회전디스크(231)는 고정분산디스크(21)의 개구공(H)의 개폐주기를 안정적으로 조절할 수 있도록, 고정분산디스크(21)에 근접하게 설치된다. 예컨대 고정분산디스크(21)와 하부에 이격 배치되는 회전디스크(231)의 사이 간격은 0.01mm ~ 10mm 범위인 것이 바람직하다.
이는 고정분산디스크(21)와 회전디스크(231)의 사이 간격이 0.01mm 이하의 경우에는 유입되는 합성가스의 기체가 고정분산디스크(21)를 통과하는 것을 방해하기 때문에 바람직하지 않고, 10mm 이상의 경우에는 이격된 갭(Gap) 상으로 다시 웨이크가 발생되기 때문에 바람직하지 않다.
또한 유입관(24)을 통해서 배합통(22)으로 유입되는 합성가스가 직접 회전디스크(231)에 물리적인 영향을 주는 것을 최소화하기 위해서, 배합통(22) 내에 설치되는 회전디스크(231)의 위치보다는 아래쪽의 배합통(22) 부분에 유입관(24)이 연결된다.
여기서 회전디스크(231)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 배합통(22) 내에 하나가 설치된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 회전디스크(231a,231b)가 배합통(22) 내에 설치될 수 있다. 복수의 회전디스크(231a,231b)는 유입관(24) 보다는 위쪽에 설치될 수 있다.
이와 같은 본 발명에 따른 동적 기체분배기(20)를 갖는 기포탑 반응기(100)와, 단순히 배합통에 고정분산디스크만이 설치된 비교예에 따른 기포탑 반응기를 비교하여 설명하면 다음과 같다.
도 7은 비교예에 따른 기포탑 반응기의 고정분산디스크(121)에서 배출되는 기포입자를 나타내는 사진이다. 도 8은 동적 기체분배기(20)를 적용한 기포탑 반응기의 기포입자를 나타내는 개념도이며, 도 9는 도 8에서 기포탑 반응기의 고정분산디스크(21)에서 배출되는 기포입자를 나타내는 사진이다.
먼저 도 7을 참조하면, 본 비교예에서는 별도의 기체분산수단을 갖추지 않기 때문에, 형성된 기포의 크기가 균일하지 않은 것을 확인할 수 있다.
더욱이 비교예에 따른 기포탑 반응기에서는 유입되는 합성가스가 고정분산디스크(121)의 개구공을 통해 균일한 기포입자로 전환되지 않고 후단에 생기는 웨이크(wake:교란된 공기의 흐름)와 병합되어 기포기둥이 발생되는 것을 확인할 수 있다.
하지만 도 8 및 도 9와 같이, 본 발명의 동적 기체분배기(20)가 적용된 기포탑 반응기본체(10)에서는 배합통(22)의 내부에서 회전하는 회전디스크(231)를 통해 웨이크의 발생을 억제하여 결과적으로 고정분산디스크(21)의 개구공(H)으로 배출되는 기포입자를 균일하게 전환되는 것을 확인할 수 있다.
이는 결과적으로 균일한 기포입자를 갖는 합성가스를 통해 반응기본체(10) 내의 촉매와 반응효율을 증진시켜 합성연료의 획득 수율을 높일 수 있어 생산성이 증대되는 효과가 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 첨부된 청구의 범위는 본 발명의 진정한 범위내에 속하는 그러한 수정 및 변형을 포함할 것이라고 여겨진다.

Claims (20)

  1. 촉매를 함유하는 슬러리가 저장되며, 상기 촉매를 함유하는 슬러리가 유입되는 합성가스와 반응하여 합성연료를 생성하는 반응기본체;
    상기 반응기본체의 하부에 연통되게 배치되며, 유입관을 통해 공급되는 합성가스를 회전으로 분산시키고, 분산된 합성가스를 균일한 기포입자로 전환시켜 상기 반응기본체의 내부로 공급하는 동적 기체분배기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 동적 기체분배기는
    표면에 다수의 개구공이 형성되어 유입관을 통해 공급되는 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시키는 고정분산디스크;
    상기 고정분산디스크의 테두리에 연직 하방으로 연장되어 유입관을 통해 공급되는 합성가스를 안내하여 일정한 조성과 압력으로 혼합시키는 배합통;
    상기 배합통 안으로 유입된 합성가스를 회전으로 분산시켜 상기 고정분산디스크로 제공하는 기체분산수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 기체분산수단은,
    상기 고정분산디스크의 하부에 이격 배치되어 개구공의 개폐주기를 조절해주는 회전디스크;
    상기 배합통의 외부에 배치되어 상기 회전디스크를 회전시키는 구동수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 회전디스크는 반원디스크, 상호 대칭 형성되는 다수의 호형디스크, 다수의 개구공이 형성된 반원디스크, 다수의 개구공이 형성되며 상호 대칭 형성되는 다수의 호형디스크 및 다수의 개구공이 형성된 원형디스크 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 회전디스크의 개구비는 원형디스크 대비 10 ~ 90% 범위인 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 회전디스크의 재질은 물에 대한 접촉각이 80°이상이 되는 소수성 재질인 철, 구리, 니켈, 니켈-크롬 합금 및 철-크롬-알루미늄 합금 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 구동수단은 50 기압 이하에서 작동할 수 있는 마그네틱 믹서인 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 고정분산디스크와 하부에 이격 배치되는 상기 회전디스크의 상호 간 간격은 0.01mm ~ 10mm 범위인 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  9. 제 3항에 있어서,
    상기 회전디스크의 회전수는 합성가스 기체의 선속도에 비례하는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  10. 제 3항에 있어서,
    상기 배합통 내에 적어도 하나의 상기 회전디스크가 설치되는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 회전디스크가 설치되는 부분의 아래쪽의 상기 배합통의 측면에 적어도 하나의 상기 유입관이 연결되는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  12. 제 2항에 있어서,
    상기 고정분산디스크의 개구공 지름의 크기는 0.1 ~ 2mm 범위이고, 개구비는 0.05 ~ 2.0% 범위인 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 반응기본체 내의 슬러리에 포함된 촉매는 0.1 ~ 200um 의 입도 분포를 갖는 철, 코발트, 구리, 칼륨, 세슘, 나트륨, 몰리브덴, 텅스텐, 아연, 니켈, 루비듐, 로듐 및 팔라듐으로 이루어진 군으로부터 선택되는 일종 또는 이종 이상 혼합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  14. 제 1항 내지 제 13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기본체의 내부 상측에 배치되어 촉매는 필터링하고 반응에 의해 생성된 합성연료만을 상기 반응기본체의 외부로 유출시키는 필터링수단;을 더 포함하고,
    상기 반응기본체의 상단에는 미반응 합성가스 및 반응시 생성되는 화학가스를 상기 반응기본체의 외부로 유출시키는 유출관이 연결되는 것을 특징으로 하는 동적 기체분배기를 적용한 기포탑 반응기.
  15. 기포탑 반응기의 반응기본체에 연통되게 설치되는 동적 기체분배기로서,
    상부에 상기 반응기본체와 연결될 수 있는 개방부가 형성되어 있고, 유입관을 통해 유입된 합성가스를 일시 저장하여 일정한 조성과 압력으로 혼합시키는 배합통;
    상기 배합통 안으로 유입된 합성가스를 회전으로 분산시키는 기체분산수단;
    상기 배합통의 개방부에 결합되어 설치되며, 표면에 다수의 개구공이 형성되어 상기 기체분산수단에 의해 분산된 합성가스의 기포입자를 균일한 크기로 전환시키는 고정분산디스크;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 기체분산수단은,
    상기 고정분산디스크의 하부에 이격 배치되어 개구공의 개폐주기를 조절해주는 회전디스크;
    상기 배합통의 외부에 배치되어 상기 회전디스크를 회전시키는 구동수단;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 회전디스크는 반원디스크, 상호 대칭 형성되는 다수의 호형디스크, 다수의 개구공이 형성된 반원디스크, 다수의 개구공이 형성되며 상호 대칭 형성되는 다수의 호형디스크 및 다수의 개구공이 형성된 원형디스크 중 선택되는 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 배합통 내에 적어도 하나의 상기 회전디스크가 설치되고, 상기 회전디스크가 설치되는 부분의 아래쪽의 상기 배합통의 측면에 적어도 하나의 상기 유입관이 연결되는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 고정분산디스크와 하부에 이격 배치되는 상기 회전디스크의 상호 간 간격은 0.01mm ~ 10mm 범위인 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 회전디스크의 회전수는 합성가스 기체의 선속도에 비례하는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기의 동적 기체분배기.
PCT/KR2012/006926 2011-10-27 2012-08-30 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기 WO2013062226A1 (ko)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR20110110225 2011-10-27
KR10-2011-0110225 2011-10-27
KR1020120094731A KR101399403B1 (ko) 2011-10-27 2012-08-29 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기
KR10-2012-0094731 2012-08-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013062226A1 true WO2013062226A1 (ko) 2013-05-02

Family

ID=48168022

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/KR2012/006926 WO2013062226A1 (ko) 2011-10-27 2012-08-30 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2013062226A1 (ko)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103803712A (zh) * 2014-01-28 2014-05-21 辽宁工业大学 一种白腐真菌降解造纸废水的鼓泡塔反应器
CN108854859A (zh) * 2018-07-27 2018-11-23 中化蓝天霍尼韦尔新材料有限公司 一种悬浮液气液相反应装置及运行方法
CN112705060A (zh) * 2020-12-15 2021-04-27 燕山大学 旋转式多直径气泡发生装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10216501A (ja) * 1997-01-31 1998-08-18 Nkk Corp スラリー床反応器
US5905094A (en) * 1997-10-21 1999-05-18 Exxon Research And Engineering Co. Slurry hydrocarbon synthesis with reduced catalyst attrition and deactivation
US20100004419A1 (en) * 2008-07-03 2010-01-07 H R D Corporation High shear rotary fixed bed reactor
KR20120033623A (ko) * 2010-09-30 2012-04-09 한국에너지기술연구원 복합 반응이 가능한 ｆ-ｔ 기포탑 반응기

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH10216501A (ja) * 1997-01-31 1998-08-18 Nkk Corp スラリー床反応器
US5905094A (en) * 1997-10-21 1999-05-18 Exxon Research And Engineering Co. Slurry hydrocarbon synthesis with reduced catalyst attrition and deactivation
US20100004419A1 (en) * 2008-07-03 2010-01-07 H R D Corporation High shear rotary fixed bed reactor
KR20120033623A (ko) * 2010-09-30 2012-04-09 한국에너지기술연구원 복합 반응이 가능한 ｆ-ｔ 기포탑 반응기

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103803712A (zh) * 2014-01-28 2014-05-21 辽宁工业大学 一种白腐真菌降解造纸废水的鼓泡塔反应器
CN108854859A (zh) * 2018-07-27 2018-11-23 中化蓝天霍尼韦尔新材料有限公司 一种悬浮液气液相反应装置及运行方法
CN108854859B (zh) * 2018-07-27 2023-08-18 中化蓝天霍尼韦尔新材料有限公司 一种悬浮液气液相反应装置及运行方法
CN112705060A (zh) * 2020-12-15 2021-04-27 燕山大学 旋转式多直径气泡发生装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP6093885B2 (ja) 下降流触媒反応器の流れ分配装置
KR970006666B1 (ko) 다운플로우 반응기용 분배 시스템
CN101279229B (zh) 滴流床反应器
RU2345830C2 (ru) Многофазный распределитель жидкости для реактора с трубками
WO2013062226A1 (ko) 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기
CN105143507A (zh) 化学气相沉积装置
CN101351526A (zh) 鼓泡塔型费-托合成淤浆床反应***
DE69621998T2 (de) Verteilervorrichtung für abwärtsfliessende multibett katalytischer reaktoren
CA2595478A1 (en) Distribution device for two-phase concurrent downflow vessels
JP2004237283A (ja) 多段ガス導入を伴う改良された多相混合装置
US20040134836A1 (en) Mixing device for two-phase concurrent vessels
US10900507B2 (en) Distribution of a multi-phase fluid mixture
CN102489238A (zh) 一种高效气液自混合反应器
JP2004522567A (ja) スタック状モノリスリアクタ及びプロセス
CN109642169A (zh) 用于向下流动式加氢操作反应器的改进的混合装置
US20080152551A1 (en) Screenless moving bed reactor
TW201628710A (zh) 薄型流體混合裝置
WO2012043915A1 (ko) 다수의 재분산디스크를 갖는 ｆ-ｔ 기포탑 반응기
KR101399403B1 (ko) 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기
CN1958143A (zh) 锥环挡板振荡流管式反应器
CN1593740A (zh) 高效浆态床反应器
KR101390661B1 (ko) 동적 기체분배기 및 그를 적용한 기포탑 반응기
WO2021198818A1 (en) Apparatus for distributing fluid in downflow reactors
CN219765019U (zh) 一种高效防腐气体分布器装置
CN201404777Y (zh) 一种急冷混合箱

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12843265

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12843265

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1