WO2024096694A1 - 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 및 탈수소화 반응 시스템 - Google Patents

액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 및 탈수소화 반응 시스템 Download PDF

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organic hydrogen
carrier
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이상용
송명호
박상현
이주한
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동국대학교 산학협력단
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Definitions

  • the present invention relates to a dehydrogenation reactor and dehydrogenation reaction system using a liquid organic hydrogen carrier, and more specifically, to a dehydrogenation reactor and dehydrogenation reaction using a liquid organic hydrogen carrier that has an improved reaction rate and prevents deterioration at high temperatures. It's about the system,
  • Representative commercialized hydrogen storage technologies include high-pressure gas storage (compressed storage) and low-temperature liquid storage (liquefied storage).
  • the disadvantages of liquefied storage technology are high processing costs and short storage period.
  • the relatively recently developed liquid organic hydrogen carrier (LOHC) technology enables transportation and long-term storage (several months to years) without loss of hydrogen under room temperature and pressure conditions, and existing oil storage facilities can be utilized. It is advantageous compared to existing compressed storage and liquefied storage technologies.
  • the LOHC technology chain consists of hydrogenation process, transportation/storage, and dehydrogenation process.
  • the hydrogenation process is a process that produces a hydrogen enriched carrier (LOHC+) by combining hydrogen with a hydrogen carrier (LOHC0) through an exothermic catalytic reaction under high temperature and high pressure conditions.
  • the dehydrogenation process is a process that produces hydrogen from LOHC+ and recovers LOHC0 through an endothermic catalytic reaction under high temperature and low pressure conditions.
  • the present invention solves the problem of the slow reaction rate of the dehydrogenation process, which is an obstacle in the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) technology chain, and the deterioration of the hydrogen carrier at high temperatures, and provides a hydrogen storage technology that allows transportation and long-term storage at room temperature and pressure.
  • the purpose is to provide a dehydrogenation reactor and dehydrogenation reaction system using a liquid organic hydrogen carrier that secures economic feasibility and accelerates entry into the hydrogen society.
  • the dehydrogenation reactor using a liquid organic hydrogen carrier includes a rotating shaft provided in a vertical line; a rotating charging layer of a disk provided on an upper part of the rotating shaft and rotating in conjunction with the rotation of the rotating shaft; A plurality of catalyst pockets provided in the rotating packed bed and desorbing hydrogen gas from the liquid organic hydrogen carrier (LOHC); a hydrogen discharge hollow tube disposed at the center of the rotating packed bed and allowing hydrogen gas to be discharged; And a case having the rotating charging layer inside and forming a chamber to accommodate liquid organic hydrogen carrier (LOHC) introduced from the outside.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • the catalyst pocket according to the present invention is composed of a pellet-shaped catalyst that reacts with the liquid organic hydrogen carrier to desorb hydrogen (gas) from the liquid organic hydrogen carrier, and a mesh network through which the liquid organic hydrogen carrier permeates, and the catalyst Contains a network of pockets accommodated as a group.
  • a plurality of vertical partitions are formed radially with respect to the center of the rotating packed bed to divide the catalyst pockets into a plurality of regions.
  • the rotating charging layer according to the present invention forms a space where hydrogen desorbed from the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) due to centripetal force due to the rotation of the rotating charging layer collects.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • the dehydrogenation reactor according to the present invention may be configured by stacking a plurality of units.
  • the dehydrogenation reaction system includes a storage tank accommodating a liquid organic hydrogen carrier (LOHC); A dehydrogenation reactor connected to the storage tank and a liquid organic hydrogen carrier (LOHC) through a flowing pipe, receiving the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) contained in the storage tank, and dehydrogenating the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) from the LOHC; A pump connected to the storage tank through a pipe through which the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) flows, and sending the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) contained in the storage tank to a heating device; The pump and the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) are connected through a flowing pipe, and the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) delivered to the pump is heated to convert it into a vaporous liquid organic hydrogen carrier (LOHC) and discharged into the storage tank. Heating device that does; And a hydrogen treatment device connected to the storage tank and a pipe through which the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) flows, and separating hydrogen by condensing the vapor phase liquid organic hydrogen carrier (LOHC) discharged
  • the dehydrogenation reactor includes a rotating shaft provided in a vertical line, a rotating packed bed of a disk provided on an upper part of the rotating shaft and rotating in conjunction with the rotation of the rotating shaft, and a rotating packed bed, A plurality of catalyst pockets for desorbing hydrogen gas from a liquid organic hydrogen carrier (LOHC), a hydrogen discharge hollow tube disposed at the center of the rotating packed bed and allowing hydrogen gas to be discharged, and the rotating packed bed being provided inside the , and includes a case forming a chamber to accommodate liquid organic hydrogen carrier (LOHC) introduced from the outside.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • the storage tank according to the present invention is connected to the dehydrogenation reactor, and includes a low flow rate discharge pipe for supplying a low flow rate of liquid organic hydrogen carrier (LOHC) from the storage tank to the dehydrogenation reactor, and the dehydrogenation reactor. It is connected to a low flow rate recovery pipe that recovers the low flow rate liquid organic hydrogen carrier (LOHC) discharged from the dehydrogenation reactor to the dehydrogenation reactor, and is connected to the dehydrogenation reactor, and is connected to the catalyst from the dehydrogenation reactor.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • a primary hydrogen inflow pipe that introduces hydrogen desorbed from the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) as a result of the reaction is connected to the hydrogen treatment device, and a liquid organic hydrogen carrier (LOHC) in vapor form is connected to the hydrogen treatment device from the dehydrogenation reactor.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • a secondary hydrogen discharge pipe that supplies hydrogen a condensation LOHC recovery pipe that is connected to the hydrogen treatment device and introduces liquid organic hydrogen carrier (LOHC) condensed by cooling in the hydrogen treatment device, and is connected to the pump
  • a catalyst with a relatively large support density compared to the density of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) is selected for the dehydrogenation reaction, centrifugal force due to high centripetal acceleration stabilizes the fluctuation of the catalyst due to flow, preventing damage to the catalyst due to wear. Contamination of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) due to damaged catalyst can be prevented.
  • Figure 1 is a schematic illustration of a dehydrogenation reaction system using a liquid organic hydrogen carrier according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is an exemplary diagram showing a cross section of a dehydrogenation reactor using a liquid organic hydrogen carrier according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is an exemplary view showing the inside of a dehydrogenation reactor according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is an exemplary diagram showing a state in which a plurality of dehydrogenation reactors according to an embodiment of the present invention are stacked.
  • the dehydrogenation reactor and dehydrogenation reaction system using a liquid organic hydrogen carrier include a storage tank accommodating a liquid organic hydrogen carrier (LOHC), and the storage tank is connected to a pipe through which the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) flows.
  • a dehydrogenation reactor that receives the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) contained in the storage tank and desorbs hydrogen from the LOHC, and a pipe through which the storage tank and the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) flow. It is connected to a pump that delivers the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) contained in the storage tank to a heating device, and is connected to a pipe through which the pump and the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) flow, and the liquid organic hydrogen delivered to the pump is connected to the pump.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • a heating device that heats the carrier (LOHC) to convert it into a vaporous liquid organic hydrogen carrier (LOHC) and discharges it to the storage tank, and is connected to the storage tank and a pipe through which the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) flows, and the storage tank is connected to the liquid organic hydrogen carrier (LOHC). It includes a hydrogen treatment device that separates hydrogen by condensing the vapor phase liquid organic hydrogen carrier (LOHC) discharged from the tank.
  • the present invention relates to a dehydrogenation reaction system using a liquid organic hydrogen carrier that increases the dehydrogenation reaction rate and prevents deterioration of the liquid organic hydrogen carrier at high temperatures.
  • the present invention is as follows.
  • liquid organic hydrogen carrier candidates for liquid organic hydrogen carrier (LOHC) technology considered for commercialization include toluene, naphthalene, quinaldine, biphenyl, and benzyltoluene. (Benzyl-Toluene), Methyl-Benzyl-Pyridine, N-Ethyl-Carbazole, Di-Benzyl-Toluene, etc.
  • the maximum mass of hydrogen stored in these carriers ranges from about 5.89 wt.% (methylbenzylpyridine) to 7.29 wt.% (toluene) of the mass of the hydrogen-loaded carrier (LOHC+).
  • the volume of gaseous hydrogen (H2) generated during the dehydrogenation process ranges from about 561 times (benzyltoluene) to 648 times (biphenyl) the volume of the hydrogen-filled hydrogen carrier (LOHC+) based on standard conditions.
  • Hydrogen bubbles attached to the surface of the catalyst have low thermal conductivity, which simultaneously reduces the mass transfer and heat transfer required for the reaction, which is the main cause of the low dehydrogenation reaction rate.
  • the dehydrogenation reaction system using a liquid organic hydrogen carrier is equipped with a catalyst having a relatively large support density compared to the density of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) to improve the dehydrogenation reaction, and has a high centripetal acceleration.
  • the centrifugal force stabilizes the fluctuation of the catalyst due to flow, preventing damage to the catalyst due to wear and contamination of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) due to damaged catalyst.
  • the dehydrogenation reaction system using a liquid organic hydrogen carrier includes a dehydrogenation reactor 100, a storage tank 200, a pump 300, a heating device 400, and hydrogen. Includes a processing device 500.
  • the parallel flow of the liquid organic hydrogen carrier consists of a low flow loop circulating through the reactor 100 and the storage tank 200, and a high flow rate loop circulating through the storage tank 200, pump 300, and heating device 400. It consists of a flow loop.
  • the liquid moving together with the hydrogen generated in the reactor 100 is removed from the storage tank 200, and the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) vapor is removed from the hydrogen treatment device 500.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • the dehydrogenation reactor 100 according to an embodiment of the present invention will be examined in more detail as follows.
  • the dehydrogenation reactor 100 includes a rotating shaft 110, a rotating packed bed 120, a catalyst pocket 130, a hydrogen discharge hollow tube 140, and a case 150. ) is provided in a vertical line, and the lower part of the length of the rotation shaft 110 is mechanically connected to a rotational force generating means (electric motor, etc., not shown), and receives the rotational force generated from the rotational force generating means so that the center is rotated as an axis. It rotates.
  • a rotational force generating means electric motor, etc., not shown
  • the lower side connected to the rotating force generating means and the upper side opposite to the rotating charging layer 120 are connected to the rotating charging layer 120.
  • a rotating force generating means may be connected to the upper part of the length of the rotating shaft 110, and a rotating charging layer 120 may be connected to the opposite lower part.
  • the center of the rotating shaft 110 and the center of the rotating charging layer 120 are concentric, and the rotating charging layer 120 is formed in the shape of a disk made of a metal material to smoothly exert centrifugal force and centripetal force. It is desirable.
  • the rotation charge layer 120 also rotates about its center.
  • the rotating packed layer 120 is provided with a catalyst pocket 130.
  • the catalyst pocket 130 may be provided in a ring shape along the circumference of the rotating packed layer 120.
  • the catalyst pocket 130 is a catalyst that reacts with the hydrogen-filled carrier (LOHC+) to combine hydrogen and desorbs hydrogen (gas: H2) from the hydrogen-filled carrier (LOHC+), and a mesh network through which the hydrogen-filled carrier (LOHC+) is transmitted. It consists of a pocket network member that accommodates a plurality of catalysts therein.
  • the catalyst pockets 130 which form a ring shape along the circumference of the rotating packed layer 120, are concentric with the center of the rotating packed layer 120 and are divided into a plurality of layers along the circumference of the rotating packed layer 120. It can be provided.
  • the catalyst pocket 130 is provided at a sufficient distance from the center of the rotating packed layer 120 in response to the rotational speed such that the centripetal acceleration within the rotating packed layer 120 is tens to hundreds of times the gravitational acceleration. Therefore, As catalyst pockets 130 are provided along the circumference of the rotating packed layer 120, hydrogen (gas: H2) desorbed from the hydrogen-filled carrier (LOHC+) is stored in the inner center of the rotating packed layer 120 by centripetal force. It creates a gathering space.
  • H2 hydrogen
  • LOHC+ hydrogen-filled carrier
  • a vertical barrier wall 121 is formed in the rotating charging layer 120.
  • the vertical barrier walls 121 are plural in number and their lengths are arranged radially with respect to the center of the rotating charging layer 120.
  • the catalyst pocket 130 provided in the layer 120 is divided into a plurality of regions.
  • the rotating packed layer 120 takes the shape of an impeller of a typical pump, and is in the form of the rotating packed layer 120 described above. , a radial pressure increase easily develops.
  • the shape of the vertical partition 121 may be formed in various shapes for the purpose of enhancing the pressurizing effect of the pump. For example, it may be changed to the shape of a curved impeller.
  • the hydrogen discharge hollow tube 140 is a tube body with a hollow interior, and the rotating charging layer 120 ) The length of the hollow in the center is provided to form a vertical line, so that hydrogen (gas: H The hydrogen flows into the hollow of the hydrogen discharge hollow pipe 140 and is discharged to the outside through the hollow.
  • case 150 has the rotating charging layer 120 inside and forms a chamber that accommodates liquid organic hydrogen carrier (LOHC) introduced from the outside.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • the case 150 includes a lower plate member 151, an upper plate member 152, and an outer peripheral member 153.
  • the lower plate member 151 is brought into close contact with the lower surface of the rotating filling layer 120 as much as possible. It is desirable to minimize the amount of interstitial fluid (liquid organic hydrogen carrier (LOHC) that does not participate in the reaction at the bottom of the rotating packed layer 120), and the upper member 152 and the outer peripheral member 153 are rotated. It is provided at a distance of about 10 mm or less from the packed layer 120 to smoothly induce the circumferential secondary flow occurring inside the catalyst pocket 130.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • a primary hydrogen outlet 154 is formed through which hydrogen (gas) generated by the dehydrogenation reaction is discharged.
  • the primary hydrogen outlet 154 is formed in the center of the hydrogen discharge hollow pipe 140. It is desirable to communicate with the hollow space.
  • the rotating packed layer 120 with the catalyst pocket 130 rotates about its center by the rotating shaft 110 inside the chamber formed by the case 150,
  • the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) and the catalyst contained in the chamber come into contact with each other and react to separate the hydrogen (gas) contained in the liquid organic hydrogen carrier (LOHC), and the separated hydrogen (gas) is released into the hydrogen discharge hollow tube. It is discharged to the outside of the reactor 100 through the hollow of 140 and the primary hydrogen outlet 154.
  • liquid organic hydrogen carrier (LOHC) is generated in a liquid state. It can also be discharged and moved to the storage tank 200.
  • the dehydrogenation reaction system using a liquid organic hydrogen carrier stacks several dehydrogenation reactors 100 in a stack to scale up the processing capacity, and includes a large-capacity storage tank ( 200), a reaction facility batch module can be configured.
  • each of the plurality of dehydrogenation reactors 100 stacked in a stack can be operated with time lag to achieve smoothing of hydrogen production according to time changes.
  • deterioration of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) is prevented by circulating the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) through the dehydrogenation reactor 100 and the storage tank 200.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • the top member 152 of the case 150 a low-flow LOHC inlet is formed through which the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) contained in the storage tank 200 flows, and the reactor is located below the lower plate member 151 or the outer peripheral member 153 of the case 150.
  • a low flow rate LOHC outlet is formed through which the LOHC flows out from 100 and flows into the storage tank 200.
  • the low flow rate LOHC outlet may be formed in at least one or more plurality.
  • the dehydrogenation reactor 100 has a low flow rate LOHC inlet formed in the upper plate member 152 of the case 150, and a low flow rate LOHC inlet formed on the lower side of the lower plate member 151 or the outer peripheral member 153 of the case 150. It is connected to the storage tank 200 through a flow rate LOHC outlet, and the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) circulates through the dehydrogenation reactor 100 and the storage tank 200 at a low flow rate.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • liquid organic hydrogen carrier (LOHC) circulating through the dehydrogenation reactor 100 and the storage tank 200 is preferably circulated at a flow rate of usually 20 LPM or less (can be adjusted differently depending on the reaction time). , It is preferable that the reactants pass through the dehydrogenation reactor 100 a certain number of times until the desired reaction is reached.
  • the storage tank 200 preferably has a receiving space formed therein so as to sufficiently store a preset batch of liquid organic hydrogen carrier (LOHC), and scales up the processing capacity of the dehydrogenation reaction system. -up), several dehydrogenation reactors 100 can be stacked and connected to a large capacity storage tank 200 to form a reactor batch module.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • a multi-flow beam is installed inside the storage tank 200 so that the flow rate of LOHC supplied to the reactor 100 is uniformly distributed.
  • a channel weir is installed, and a downstream water tank is provided downstream of each flow path.
  • the cross-sectional area of the pipe must be sufficient to form a free surface in the water tank.
  • the temperature of the storage tank 200 is set to 20°C or lower than the deterioration temperature, and the temperature of the heating surface is set to 10°C or lower than the deterioration temperature.
  • the storage tank 200 includes a liquid organic hydrogen carrier (LOHC) and a pipe through which hydrogen (H2) flows. Looking at it, it is connected to the dehydrogenation reactor 100 and performs the dehydrogenation in the storage tank 200.
  • a low flow rate discharge pipe 201 supplies a low flow rate of liquid organic hydrogen carrier (LOHC) to the reactor 100, and is connected to the dehydrogenation reactor 100 to discharge a low flow rate from the dehydrogenation reactor 100.
  • a low flow rate recovery pipe 202 that recovers the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) to the dehydrogenation reactor 100, is connected to the dehydrogenation reactor 100, and is connected to the catalyst in the dehydrogenation reactor 100.
  • a secondary hydrogen discharge pipe 204 supplies liquid organic hydrogen carrier (LOHC) in the form of vapor to the treatment device 500, and is connected to the hydrogen treatment device 500, and is cooled in the hydrogen treatment device 500.
  • a condensed LOHC recovery pipe 205 that introduces the condensed liquid organic hydrogen carrier (LOHC), and a high-flow discharge pipe that is connected to the pump 300 and discharges the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) to the pump 300. (206) and a high-flow recovery pipe 207 that is connected to the heating device 400 and flows in the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) that is heated and converted to vapor while passing through the heating device 400. .
  • the flow rate of the high-flow loop is usually 50 LPM or more. (This is adjusted according to the heat capacity and the time required to heat to a sufficient temperature.)
  • the specifications of the pump 300 are selected so that the flow rate of the high-flow loop is sufficiently large, and the heat transfer area inside the heating device 400 is secured so that the temperature of the heating surface does not exceed the deterioration temperature of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC). .
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • liquid moving with the primary hydrogen generated in the dehydrogenation reactor 100 can be removed from the storage tank 200, and the secondary hydrogen containing a large amount of liquid organic hydrogen carrier (LOHC) vapor is stored in the storage tank. It is supplied to the hydrogen treatment device (500) through the secondary hydrogen discharge pipe (204) of (200).
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • the hydrogen treatment device 500 is connected to the secondary hydrogen discharge pipe 204 of the storage tank 200, and includes a produced hydrogen discharge pipe, a condensation LOHC discharge pipe 206, a cooling coil, a liquid pool, and an oil level gauge (as shown). does not include).
  • the liquid pool is maintained at a constant temperature by a cooling coil, and as the secondary hydrogen passes, most of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) vapor contained in the secondary hydrogen is cooled and condensed and removed, and the resulting produced hydrogen is discharged through the discharge pipe. captured through.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • the latent heat of condensation of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) vapor is at the level of several tens of kJ/mol.
  • the partial pressure of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) vapor contained in the secondary hydrogen increases, so the cooling coil
  • the heat transfer area must be designed to be sufficient to maintain the temperature of the liquid pool at the desired value.
  • the dehydrogenation reaction system using a liquid organic hydrogen carrier solves the problems of the slow reaction rate of the dehydrogenation process, which is an obstacle in the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) technology chain, and the deterioration of the hydrogen carrier at high temperatures. , it is possible to hasten entry into the hydrogen society by securing the economic feasibility of hydrogen storage technology that can be transported and stored for a long time under room temperature and pressure conditions, and to achieve a relatively large support density compared to the density of liquid organic hydrogen carrier (LOHC) for dehydrogenation reaction.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier
  • centrifugal force due to high centripetal acceleration can stabilize the fluctuation of the catalyst due to flow, preventing damage to the catalyst due to wear and contamination of the liquid organic hydrogen carrier (LOHC) due to a damaged catalyst.
  • LOHC liquid organic hydrogen carrier

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Abstract

본 발명은 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 수용하는 저장탱크와, 상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급받아 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 수소를 탈리하는 탈수소화 반응기와, 상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 가열장치로 송출하는 펌프와, 상기 펌프와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 펌프에 송출한 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 가열하여 증기상의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)로 전환시켜 상기 저장탱크로 배출하는 가열장치, 및 상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에서 배출된 증기상의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 응축시켜 수소를 분리하는 수소처리장치를 포함하는 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 및 탈수소화 반응 시스템을 제공한다.

Description

액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 및 탈수소화 반응 시스템
본 발명은 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 및 탈수소화 반응 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 향상된 반응 속도를 갖고, 고온에서 열화를 방지하는 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 및 탈수소화 반응 시스템에 관한 것이다,
상용화된 대표적인 수소 저장 기술에는 고압 기체 저장(압축 저장)과 저온 액체 저장(액화 저장) 기술이 있다.
압축 저장 기술의 경우, 높은 용기 제작 단가와 낮은 수소 저장 밀도가 단점이다.
액화 저장 기술의 경우 높은 공정비용과 짧은 저장 기간이 단점이다.
상대적으로 최근에 개발된 액상 유기물 수소 운반체 기술(Liquid Organic Hydrogen Carrier: LOHC)은 상온 및 상압 조건하에서 수소의 손실 없이 운송과 장기간(수개월 내지 수년) 저장이 가능하며, 기존의 유류 저장 설비를 활용할 수 있어 기존의 압축 저장 및 액화 저장 기술에 비해 유리하다.
LOHC 기술 체인은 수소화 공정, 운송/저장, 탈수소화 공정으로 구성된다.
수소화 공정은 고온 고압 조건에서 발열 촉매 반응을 통해 수소 운반체(hydrogen carrier, 이하 LOHC0)와 수소를 결합하여 수소 충진 운반체(hydrogen enriched carrier, 이하 LOHC+)를 생산하는 공정이다. 탈수소화 공정은 고온 저압 조건에서 흡열 촉매 반응을 통해 LOHC+로부터 수소를 생산하고 LOHC0를 회수하는 공정이다.
상용화 초기 단계에서 LOHC 기술 체인의 가장 심각한 장애 요소들은 첫째 탈수소화 반응속도가 느리다는 점과, 둘째 고온 조건에서 액체 유기물 수소 운반체가 열화(degradation)한다는 단점을 가진다.
종래기술로는 대한민국 공개특허 제10-2020-0135587호(2020.12.03)를 참조할 수 있다.
본 발명은 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 기술 체인의 장애 요소인 탈수소화 공정의 느린 반응 속도와, 고온에서 수소 운반체의 열화 문제를 해결함으로써, 상온상압 조건에서 운송 및 장기간 저장이 가능한 수소 저장 기술의 경제성을 확보하여 수소사회로의 진입을 앞당기는 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 및 탈수소화 반응 시스템을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명에 따른 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기는 수직선상으로 구비되는 회전축; 상기 회전축의 상부에 구비되고, 상기 회전축의 회전에 연동하여 회전하는 원판의 회전 충전층; 상기 회전 충전층에 구비되고, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 수소 기체를 탈리시키는 복수 개의 촉매포켓; 상기 회전 충전층의 중심에 배치되고, 수소 기체를 배출되도록 하는 수소 배출 중공관; 및 상기 회전 충전층을 내부에 구비하면서, 외부에서 유입된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 수용하도록 챔버를 이루는 케이스를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 상기 촉매포켓은 액상 유기물 수소 운반체와 반응하여 액상 유기물 수소 운반체에서 수소(기체)를 탈리시키는 펠릿 형상의 촉매와, 액상 유기물 수소 운반체가 투과되는 메쉬망으로 이루어지고, 상기 촉매를 하나의 그룹으로 수용하는 포켓망을 포함한다.
또한, 본 발명에 따른 상기 회전 충전층에는 상기 촉매포켓을 복수 개의 영역으로 구획하도록, 상기 회전 충전층의 중심을 기준으로 복수 개의 수직격벽을 방사상으로 형성한다.
여기서 본 발명에 따른 상기 회전 충전층에는 상기 회전 충전층의 회전 따른 구심력에 의해 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 탈리된 수소가 집합하는 공간을 형성한다.
더불어 본 발명에 따른 상기 탈수소화 반응기는 복수 개가 스택으로 적층되어 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 탈수소화 반응 시스템은 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 수용하는 저장탱크; 상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급받아 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 수소를 탈리하는 탈수소화 반응기; 상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 가열장치로 송출하는 펌프; 상기 펌프와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 펌프에 송출한 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 가열하여 증기상의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)로 전환시켜 상기 저장탱크로 배출하는 가열장치; 및 상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에서 배출된 증기상의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 응축시켜 수소를 분리하는 수소처리장치를 포함한다.
이때 본 발명에 따른 상기 탈수소화 반응기는 수직선상으로 구비되는 회전축과, 상기 회전축의 상부에 구비되고, 상기 회전축의 회전에 연동하여 회전하는 원판의 회전 충전층과, 상기 회전 충전층에 구비되고, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 수소 기체를 탈리시키는 복수 개의 촉매포켓과, 상기 회전 충전층의 중심에 배치되고, 수소 기체를 배출되도록 하는 수소 배출 중공관과, 상기 회전 충전층을 내부에 구비하면서, 외부에서 유입된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 수용하도록 챔버를 이루는 케이스를 포함한다.
그리고 본 발명에 따른 상기 저장탱크는 상기 탈수소화 반응기와 연결되어, 상기 저장탱크에서 상기 탈수소화 반응기로 저유량의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급하는 저유량 배출배관과, 상기 탈수소화 반응기와 연결되어, 상기 탈수소화 반응기에서 배출되는 저유량의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 상기 탈수소화 반응기로 회수하는 저유량 회수배관과, 상기 탈수소화 반응기와 연결되어, 상기 탈수소화 반응기에서 촉매와의 반응으로 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 탈리된 수소를 유입하는 1차수소유입배관과, 상기 수소처리장치와 연결되어, 상기 탈수소화 반응기에서 상기 수소처리장치로 증기 형태의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급하는 2차수소배출배관과, 상기 수소처리장치와 연결되어, 상기 수소처리장치에서 냉각으로 응축된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 유입하는 응축 LOHC 회수배관과, 상기 펌프와 연결되어, 상기 펌프로 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 배출하는 고유량 배출배관과, 상기 가열장치와 연결되어, 상기 가열장치를 통과하면서 가열되어 증기로 전환된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 유입하는 고유량 회수배관을 포함한다.
본 발명에 따른 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 및 탈수소화 반응 시스템에 의해 나타나는 효과는 다음과 같다.
액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 기술 체인의 장애 요소인 탈수소화 공정의 느린 반응 속도와, 고온에서 수소 운반체의 열화 문제를 해결함으로써, 상온상압 조건에서 운송 및 장기간 저장이 가능한 수소 저장 기술의 경제성을 확보하여 수소사회로의 진입을 앞당기는 효과를 갖는다.
탈수소화 반응을 위해 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 밀도에 비해 비교적 큰 지지체 밀도를 갖는 촉매를 선택한다면, 높은 구심 가속도의 의한 원심력이 유동으로 인한 촉매의 요동을 안정화하여 마모에 의한 촉매의 손상 및 파손된 촉매로 인한 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 오염을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응 시스템을 간략하게 보인 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 단면을 보인 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응기 내부를 보인 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 탈수소화 반응기 복수 개를 스택으로 적층 구성한 상태를 보인 예시도이다.
본 발명에 따른 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기 및 탈수소화 반응 시스템은 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 수용하는 저장탱크와, 상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급받아 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 수소를 탈리하는 탈수소화 반응기와, 상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 가열장치로 송출하는 펌프와, 상기 펌프와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 펌프에 송출한 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 가열하여 증기상의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)로 전환시켜 상기 저장탱크로 배출하는 가열장치, 및 상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에서 배출된 증기상의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 응축시켜 수소를 분리하는 수소처리장치를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들은 대체할 수 있는 균등한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 탈수소화 반응 속도를 증가시키고 고온에서 액체 유기물 수소 운반체의 열화를 방지하는 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응 시스템에 관한 것으로, 도면을 참조하여 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 상용화를 고려한 액상 유기물 수소 운반체(Liquid Organic Hydrogen Carrier: LOHC) 기술의 액체 유기물 수소 운반체 후보군으로는 톨루엔(Toluene), 나프탈렌(Naphthalene), 퀴날딘(Quinaldine), 바이페닐(Biphenyl), 벤질톨루엔(Benzyl-Toluene), 메틸벤질피리딘(Methyl-Benzyl- Pyridine), 노말에틸카바졸(N-Ethyl-Carbazole), 디벤질톨루엔(Di-Benzyl-Toluene) 등이 포함된다.
이들 운반체에 저장되는 수소의 최대 질량은 수소를 결합한 수소 충진 운반체(LOHC+) 질량의 약 5.89 wt.% (메틸벤질피리딘) ~ 7.29 wt.%(톨루엔)의 범위를 갖는다.
탈수소화 과정에서 발생하는 기체 수소(H₂)의 부피는 표준 상태 기준으로 수소를 결합한 수소 충진 운반체(LOHC+) 부피의 약 561 배(벤질톨루엔) ~ 648 배(바이페닐)의 범위를 갖는다.
탈수소 반응이 활발하게 진행되기 위해서는 촉매 표면과, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 사이의 접촉이 양호하고, 흡열 반응에 소요되는 열전달이 원활하게 이루어져야 한다.
그러나 탈수소화 과정에서 발생하는 막대한 부피의 기체 수소(H₂) 중 상당량이 기포 형태로 촉매의 표면에 머물면서 촉매의 표면과 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 사이의 접촉을 방해한다.
촉매의 표면에 부착된 수소 기포들은 열전도도가 작아서 반응에 필요한 물질전달과 열전달을 동시에 감소시키므로 탈수소화 반응속도가 작은 주요 원인이다.
본 발명의 실시 예에 따른 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응 시스템은 탈수소화 반응 향상을 위해 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 밀도에 비해 비교적 큰 지지체 밀도를 갖는 촉매를 구비하여, 높은 구심 가속도의 의한 원심력이 유동으로 인한 촉매의 요동을 안정화하여 마모에 의한 촉매의 손상 및 파손된 촉매로 인한 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 오염을 방지할 수 있다.
또한, 촉매 표면에 부착된 수소 기포들을 효과적으로 제거하여 물질전달과 열전달이 충분히 일어나는 경우 현저한 반응 속도의 증가가 가능하고, 고온에서 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 열화를 방지하면서 탈수소화 반응 온도를 증가시켜 반응속도를 극대화할 수 있다.
도 1 내지 도 4를 참조한 본 발명의 실시 예에 따른 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응 시스템은 탈수소화 반응기(100), 저장탱크(200), 펌프(300), 가열장치(400) 및 수소처리장치(500)를 포함한다.
이때 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 병렬 유동은 반응기(100)와 저장탱크(200)를 순환하는 저유량 루프와, 저장탱크(200), 펌프(300)와 가열장치(400)를 순환하는 고유량 루프로 구성된다.
그리고 반응기(100)에서 발생한 수소와 함께 이동하는 액체는 저장탱크(200)에서 제거되고, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 증기는 수소처리장치(500)에서 제거된다.
여기서 본 발명의 실시 예에 따른 상기 탈수소화 반응기(100)를 보다 상세하게 살펴보면 다음과 같다.
상기 탈수소화 반응기(100)는 회전축(110)과, 회전 충전층(120)과, 촉매포켓(130)과, 수소 배출 중공관(140)과, 케이스(150)를 포함하는데, 상기 회전축(110)은 수직선상으로 구비되고, 상기 회전축(110)의 길이 중 하측이 회전력발생수단(전동모터 등, 도시하지 않음)과 기계적으로 연결되어, 상기 회전력발생수단에서 발생한 회전력을 전달받아 중심을 축으로 회전하게 된다.
그리고 상기 회전축(110)의 길이 중 상기 회전력발생수단과 연결되는 하측과 대향진 상측에는 회전 충전층(120)과 연결된다.(여기서, 상기한 구성은 일례로 제시한 것으로, 이에 한정하지 않고 상기 회전축(110)의 길이 중 상측에는 회전력발생수단이 연결되고, 대향진 하측에는 회전 충전층(120)이 연결될 수 있다.)
이때 상기 회전축(110)의 중심과 상기 회전 충전층(120)의 중심은 동심을 이루는 것이 바람직하고, 상기 회전 충전층(120)은 원활한 원심력과 구심력이 발휘되도록 금속 재질로 이루어진 원판 형태로 형성되는 것이 바람직하다.
따라서 상기 회전축(110)의 회전에 연동하여 상기 회전 충전층(120) 역시, 중심을 축으로 회전하게 된다.
그리고 상기 회전 충전층(120)에는 촉매포켓(130)을 구비하는데, 상기 촉매포켓(130)은 상기 회전 충전층(120) 중 원주를 따라 링 형태로 구비될 수 있다.
이때 상기 촉매포켓(130)은 수소를 결합한 수소 충진 운반체(LOHC+)와 반응하여 수소 충진 운반체(LOHC+)에서 수소(기체: H₂)를 탈리시키는 촉매와, 수소 충진 운반체(LOHC+)가 투과되는 메쉬망으로 이루어지고, 내부에 다수의 촉매들을 수용하는 포켓망부재를 포함한다.
상기 회전 충전층(120) 중 원주를 따라 링 형태를 이루는 상기 촉매포켓(130)은 상기 회전 충전층(120)의 중심과 동심을 이루면서 상기 회전 충전층(120)의 원주를 따라 복수 개의 겹으로 구비될 수 있다.
상기 촉매포켓(130)은 회전 충전층(120)의 내부에서 구심 가속도가 중력 가속도의 수십 내지 수백 배가 되도록 회전속도에 대응하여 회전 충전층(120)의 중심으로부터 충분한 거리를 확보하여 구비되는데, 따라서 상기 회전 충전층(120) 중 원주를 따라 촉매포켓(130)이 구비됨에 따라 상기 회전 충전층(120) 중 내측 중심에는 수소 충진 운반체(LOHC+)에서 탈리된 수소(기체: H₂)가 구심력에 의해 집합하는 공간을 형성하게 된다.
더불어 상기 회전 충전층(120)에는 수직격벽(121)을 형성하는데, 상기 수직격벽(121)은 복수 개로, 그 길이가 상기 회전 충전층(120) 중심을 기준으로 방사상으로 배열되어, 상기 회전 충전층(120)에 구비된 상기 촉매포켓(130)을 복수 개의 영역으로 구획한다.
따라서 상기 회전 충전층(120)에 복수 개의 수직격벽(121)이 방사상으로 배열됨에 따라 상기 회전 충전층(120)은 통상의 펌프의 임펠러 형태를 이루고, 상기한 회전 충전층(120)의 형태로, 반경 방향의 압력 증가가 용이하게 발달하게 된다.
또한, 상기 수직격벽(121)의 형상은 펌프의 가압효과를 증진할 목적으로 다양한 형태로 형성될 수 있는데, 일례로, 곡선형 임펠러의 형상으로 변경할 수 있다.
또한, 상기 회전 충전층(120) 중심에 일정 거리를 두고 이격되어 수소 배출 중공관(140)을 구비하는데, 상기 수소 배출 중공관(140)은 내부가 중공인 관체로, 상기 회전 충전층(120) 중심에 중공의 길이가 수직 선상을 이루도록 구비되어, 상기 회전 충전층(120)의 회전에 다른 구심력에 의해 상기 회전 충전층(120)의 중심으로 집합되는 수소(기체: H₂)가 이격 틈을 통해 상기 수소 배출 중공관(140)의 중공으로 유동하여 상기 중공을 통해 외부로 배출된다.
그리고 상기 케이스(150)는 상기 회전 충전층(120)을 내부에 구비하면서, 외부에서 유입된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 수용하는 챔버를 이룬다.
이때 상기 케이스(150)는 하판부재(151)와, 상판부재(152)와, 외주부재(153)를 포함하는데, 상기 하판부재(151)는 상기 회전 충전층(120)의 하면에 가능한 밀착시켜 틈새 유체(상기 회전 충전층(120)의 하면에서 반응에 참여하지 않는 액상 유기물 수소 운반체(LOHC))의 양을 최소화되도록 하는 것이 바람직하고, 상기 상판부재(152)와 외주부재(153)는 회전 충전층(120)과 약 10mm 이하의 간격을 두고 이격 구비되어 촉매포켓(130) 내부에서 일어나는 원주 방향 2차 유동이 원활하게 유도되도록 한다.
상기 상판부재(152)의 중앙에는 탈수소화 반응으로 발생한 수소(기체)가 배출되는 1차 수소배출구(154)를 형성하는데, 상기 1차 수소배출구(154)는 상기 수소 배출 중공관(140)의 중공과 서로 연통하는 것이 바람직하다.
따라서 촉매포켓(130)을 구비한 상기 회전 충전층(120)은 상기 케이스(150)에 의해 형성된 챔버 내부에서 상기 회전축(110)에 의해 중심을 축으로 회전하여, 상기 케이스(150)에 의해 이루어진 챔버에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)와 촉매가 서로 접촉 반응하여, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에 포함된 수소(기체)를 탈리시켜 분리하고, 분리된 수소(기체)는 상기 수소 배출 중공관(140)의 중공과 상기 1차 수소배출구(154)를 통해 상기 반응기(100) 외부로 배출된다.
이때 탈수소 반응 시, 상기 회전 충전층(120) 및 촉매포켓(130)의 회전에 의해 원심력 및 구심력이 발생하여, 탈수소화 과정에서 발생하는 수소(기포)가 상기 촉매의 표면에 머물지 않고, 상기 회전 충전층(120)의 중심으로 집합함에 따라 촉매 표면과, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 사이의 접촉이 양호하여, 흡열 반응에 소요되는 열전달이 원활하게 이루어진다.
또한, 탈수소화 반응기(100) 내부의 유동이 불안정한 경우, 1차 수소배출구(154)를 통해 발생 수소(H₂)와, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 증기 외에도 액체 상태의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)도 함께 배출되어, 상기 저장탱크(200)로 이동할 수 있다.
더불어, 본 발명의 실시 예에 따른 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응 시스템은 처리 용량을 스케일업(scale-up)하기 위해서 여러 개의 탈수소화 반응기(100)를 스택으로 적층하고, 대용량 저장탱크(200)에 연결하여 반응 설비 회분모듈을 구성할 수 있다.
여기서 스택으로 적층된 복수 개의 탈수소화 반응기(100)들 각각은 시차를 두고 운용하여 시간 변화에 따른 수소 생산량의 평활화를 달성할 수 있다.
그리고 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 탈수소화 반응기(100)와 저장탱크(200)를 순환하도록 하여, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 열화를 방지하는데, 이때 상기 케이스(150)의 상판부재(152)에는 상기 저장탱크(200)에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유입되는 저유량 LOHC 유입구가 형성되고, 상기 케이스(150)의 하판부재(151) 또는 외주부재(153)의 하측에는 상기 반응기(100)에서 유출되어 상기 저장탱크(200)로 유동시키는 저유량 LOHC 유출구가 형성된다.
이때 상기 저유량 LOHC 유출구는 적어도 하나 이상 복수 개로 형성할 수 있다.
따라서 상기 탈수소화 반응기(100)는 상기 케이스(150)의 상판부재(152)에 형성된 저유량 LOHC 유입구와, 상기 케이스(150)의 하판부재(151) 또는 외주부재(153)의 하측에 형성된 저유량 LOHC 유출구에 의해 상기 저장탱크(200)와 연결되어, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)이 저유량으로 상기 탈수소화 반응기(100)와 상기 저장탱크(200)를 순환하게 된다.
여기서 상기 탈수소화 반응기(100)와 상기 저장탱크(200)를 순환하는 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)는 그 유량이 통상 20 LPM 이하(반응시간에 따라 다르게 조정될 수 있다.)로 순환되는 것이 바람직하고, 원하는 반응에 도달하기까지 반응물은 탈수소화 반응기(100)를 일정 횟수 이상 통과하는 것이 바람직하다.
그리고 상기 저장탱크(200)는 미리 설정된 회분(batch)의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 충분히 저장할 수 있도록 수용공간을 내부에 형성하는 것이 바람직하고, 탈수소화 반응 시스템의 처리 용량을 스케일업(scale-up)하기 위해서는, 여러 개의 탈수소화 반응기(100)를 스택으로 적층하고 대용량 저장탱크(200)에 연결하여 반응기 회분모듈을 구성할 수 있다.
또한, 다수의 반응 설비 회분모듈을 시차를 두고 운용하여 시간 변화에 따른 수소 생산량의 평활화를 달성할 수 있다.
한 개의 저장탱크(200)에 다수의 탈수소화 반응기(100)가 연결되는 경우, 반응기(100)로 공급되는 LOHC의 유량이 일정하게 배분되도록, 저장탱크(200) 내부에 다유로 보(multi-channel weir)를 설치하고, 각 유로의 하류에 후단 일수조를 구비하며, 여기서 배관의 단면적을 충분히 하여 일수조에 자유 표면이 형성되어야 한다.
그리고 상기 저장탱크(200)의 온도는 열화온도보다 20℃ 이하로 하고, 가열 표면의 온도는 열화온도보다 10℃ 이하가 되도록 내부 분위기를 형성하는 것이 바람직하다.
상기 저장탱크(200)는 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 및 수소(H₂)가 유동하는 배관을 포함하는데, 이를 살펴보면 상기 탈수소화 반응기(100)와 연결되어, 상기 저장탱크(200)에서 상기 탈수소화 반응기(100)로 저유량의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급하는 저유량 배출배관(201)과, 상기 탈수소화 반응기(100)와 연결되어, 상기 탈수소화 반응기(100)에서 배출되는 저유량의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 상기 탈수소화 반응기(100)로 회수하는 저유량 회수배관(202)과, 상기 탈수소화 반응기(100)와 연결되어, 상기 탈수소화 반응기(100)에서 촉매와의 반응으로 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 탈리된 수소(H₂)를 유입하는 1차수소유입배관(203)과, 상기 수소처리장치(500)와 연결되어, 상기 탈수소화 반응기(100)에서 상기 수소처리장치(500)로 증기 형태의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급하는 2차수소배출배관(204)과, 상기 수소처리장치(500)와 연결되어, 상기 수소처리장치(500)에서 냉각으로 응축된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 유입하는 응축 LOHC 회수배관(205)과, 상기 펌프(300)와 연결되어, 상기 펌프(300)로 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 배출하는 고유량 배출배관(206)과, 상기 가열장치(400)와 연결되어, 상기 가열장치(400)를 통과하면서 가열되어 증기로 전환된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 유입하는 고유량 회수배관(207)을 구비한다.
여기서 고유량 루프의 유량은 통상 50 LPM 이상으로 한다.(이는 열용량에 따라 충분한 온도로 가열되는데 필요한 시간으로 조정한다.)
고유량 루프의 유량은 충분히 크도록 펌프(300) 사양을 선정하고 가열장치(400) 내부의 전열 면적을 충분히 확보하여 가열면의 온도가 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 열화온도를 초과하지 않도록 한다.
상기 탈수소화 반응기(100)에서 발생한 1차수소와 함께 이동하는 대부분의 액체는 저장탱크(200)에서 제거될 수 있고, 다량의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 증기가 포함된 2차수소는 저장탱크(200)의 2차수소배출배관(204)을 통해 수소처리장치(500)로 공급된다.
상기 수소처리장치(500)는 상기 저장탱크(200)의 2차수소배출배관(204)과 연결되고, 생산수소배출배관, 응축 LOHC 배출배관(206), 냉각코일, 액체 풀과 유면계(도시하지 않음)를 포함한다.
상기 액체 풀은 냉각코일에 의해 일정 온도로 유지되고, 2차수소가 통과하면서 2차수소에 포함된 대부분의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 증기가 냉각 응축되어 제거되고 결과물인 생산수소는 배출배관을 통해 포집된다.
액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 증기의 응축 잠열은 수십 kJ/mol 수준으로 저장탱크(200)의 운영 온도가 높은 경우 2차수소에 포함된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 증기의 분압이 증가하므로 냉각코일의 전열 면적이 충분하도록 설계하여야 액체 풀의 온도를 원하는 값으로 유지할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응 시스템은 액상 유기물 수소 운반체(LOHC) 기술 체인의 장애 요소인 탈수소화 공정의 느린 반응 속도와, 고온에서 수소 운반체의 열화 문제를 해결함으로써, 상온상압 조건에서 운송 및 장기간 저장이 가능한 수소 저장 기술의 경제성을 확보하여 수소사회로의 진입을 앞당길 수 있고, 탈수소화 반응을 위해 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 밀도에 비해 비교적 큰 지지체 밀도를 갖는 촉매를 선택한다면, 높은 구심 가속도의 의한 원심력이 유동으로 인한 촉매의 요동을 안정화하여 마모에 의한 촉매의 손상 및 파손된 촉매로 인한 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)의 오염을 방지할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 수직선상으로 구비되는 회전축;
    상기 회전축의 상부에 구비되고, 상기 회전축의 회전에 연동하여 회전하는 원판의 회전 충전층;
    상기 회전 충전층에 구비되고, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 수소 기체를 탈리시키는 복수 개의 촉매포켓;
    상기 회전 충전층의 중심에 배치되고, 수소 기체를 배출되도록 하는 수소 배출 중공관; 및
    상기 회전 충전층을 내부에 구비하면서, 외부에서 유입된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 수용하도록 챔버를 이루는 케이스를 포함하는 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매포켓은
    액상 유기물 수소 운반체와 반응하여 액상 유기물 수소 운반체에서 수소(기체)를 탈리시키는 펠릿 형상의 촉매와,
    액상 유기물 수소 운반체가 투과되는 메쉬망으로 이루어지고, 상기 촉매를 하나의 그룹으로 수용하는 포켓망을 포함하는 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전 충전층에는
    상기 촉매포켓을 복수 개의 영역으로 구획하도록, 상기 회전 충전층의 중심을 기준으로 복수 개의 수직격벽을 방사상으로 형성한 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전 충전층에는
    상기 회전 충전층의 회전 따른 구심력에 의해 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 탈리된 수소가 집합하는 공간을 형성한 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 탈수소화 반응기는 복수 개가 스택으로 적층되어 구성되는 액상 유기물 수소 운반체를 이용하는 탈수소화 반응기.
  6. 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 수용하는 저장탱크;
    상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급받아 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 수소를 탈리하는 탈수소화 반응기;
    상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에 수용된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 가열장치로 송출하는 펌프;
    상기 펌프와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 펌프에 송출한 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 가열하여 증기상의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)로 전환시켜 상기 저장탱크로 배출하는 가열장치; 및
    상기 저장탱크와 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)가 유동하는 배관으로 연결되고, 상기 저장탱크에서 배출된 증기상의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 응축시켜 수소를 분리하는 수소처리장치를 포함하는 탈수소화 반응 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 탈수소화 반응기는
    수직선상으로 구비되는 회전축과,
    상기 회전축의 상부에 구비되고, 상기 회전축의 회전에 연동하여 회전하는 원판의 회전 충전층과,
    상기 회전 충전층에 구비되고, 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 수소 기체를 탈리시키는 복수 개의 촉매포켓과,
    상기 회전 충전층의 중심에 배치되고, 수소 기체를 배출되도록 하는 수소 배출 중공관과,
    상기 회전 충전층을 내부에 구비하면서, 외부에서 유입된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 수용하도록 챔버를 이루는 케이스를 포함하는 탈수소화 반응 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 촉매포켓은
    액상 유기물 수소 운반체와 반응하여 액상 유기물 수소 운반체에서 수소 가스를 탈리시키는 펠릿 형상의 촉매와,
    액상 유기물 수소 운반체가 투과되는 메쉬망으로 이루어지고, 상기 촉매를 하나의 그룹으로 수용하는 포켓망을 포함하는 탈수소화 반응 시스템.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 회전 충전층에는
    상기 촉매포켓을 복수 개의 영역으로 구획하도록, 상기 회전 충전층의 중심을 기준으로 복수 개의 수직격벽을 방사상으로 형성한 탈수소화 반응 시스템.
  10. 청구항 7에 있어서,
    상기 회전 충전층에는
    상기 회전 충전층의 회전 따른 구심력에 의해 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 탈리된 수소가 집합하는 공간을 형성한 탈수소화 반응 시스템.
  11. 청구항 7에 있어서,
    상기 탈수소화 반응기는 복수 개가 스택으로 적층되어 구성되는 탈수소화 반응 시스템.
  12. 청구항 6에 있어서,
    상기 저장탱크는
    상기 탈수소화 반응기와 연결되어, 상기 저장탱크에서 상기 탈수소화 반응기로 저유량의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급하는 저유량 배출배관과,
    상기 탈수소화 반응기와 연결되어, 상기 탈수소화 반응기에서 배출되는 저유량의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 상기 탈수소화 반응기로 회수하는 저유량 회수배관과,
    상기 탈수소화 반응기와 연결되어, 상기 탈수소화 반응기에서 촉매와의 반응으로 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)에서 탈리된 수소를 유입하는 1차수소유입배관과,
    상기 수소처리장치와 연결되어, 상기 탈수소화 반응기에서 상기 수소처리장치로 증기 형태의 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 공급하는 2차수소배출배관과,
    상기 수소처리장치와 연결되어, 상기 수소처리장치에서 냉각으로 응축된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 유입하는 응축 LOHC 회수배관과,
    상기 펌프와 연결되어, 상기 펌프로 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 배출하는 고유량 배출배관과,
    상기 가열장치와 연결되어, 상기 가열장치를 통과하면서 가열되어 증기로 전환된 액상 유기물 수소 운반체(LOHC)를 유입하는 고유량 회수배관을 포함하는 탈수소화 반응 시스템.
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