KR102590997B1 - Bubble Column Reactor Containing More than two molten layers for Catalytic pyrolysis of Hydrocarbon - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 탄화수소 촉매 열분해 반응을 위한 2개 층 이상의 용융물을 포함하는 기포탑 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 최소량의 액상 용융촉매를 사용하면서 탄화수소의 촉매 열분해율을 상승시켜 탄소 침적 없이 높은 수율로 목표하는 열분해 생성물을 수득할 수 있는, 탄화수소의 촉매 열분해를 위한 기포탑 반응기에 관한 것이다. It relates to a bubble column reactor containing two or more layers of melt for a hydrocarbon catalytic pyrolysis reaction according to the present invention, and more specifically, to increase the catalytic pyrolysis rate of hydrocarbons while using a minimum amount of liquid melt catalyst, resulting in high yield without carbon deposition. It relates to a bubble column reactor for catalytic pyrolysis of hydrocarbons, capable of obtaining target pyrolysis products.
Description
본 발명에 따른 탄화수소 촉매 열분해 반응을 위한 2개 층 이상의 용융물을 포함하는 기포탑 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 액상 혹은 기상의 탄화수소를 액상 용융 촉매 및 열전달 유체 존재하에 촉매 열분해시켜 수소나 탄소, 혹은 투입한 탄화수소보다 저분자의 탄화수소를 제조하는, 탄화수소의 촉매 열분해를 위한 기포탑 반응기에 관한 것이다. It relates to a bubble column reactor containing two or more layers of melt for a hydrocarbon catalytic pyrolysis reaction according to the present invention, and more specifically, to catalytically pyrolyze liquid or gaseous hydrocarbons in the presence of a liquid melt catalyst and a heat transfer fluid to produce hydrogen, carbon, Or, it relates to a bubble column reactor for catalytic thermal decomposition of hydrocarbons, which produces hydrocarbons with lower molecular weight than the input hydrocarbons.
기포탑 반응기는 탑형 반응기로서 종횡비가 크며, 반응물을 하부에 도입하고 부상하는 동안 반응이 일어나도록 하는 장치이다. 기포탑 반응기는 교반 탱크 반응기와 비교했을 때 비교적 저렴한 설비 비용과 간단한 구조, 그리고 적은 에너지 비용으로 운전비가 낮아 화학공학 전반에서 다양하게 사용하고 있다. 여러 적용 분야 중 탄화수소의 열분해에도 기포탑 반응기를 적용할 수 있는데, 기존의 열분해 공정은 짧은 시간 동안 가열관을 통과시켜 열분해를 일으키는 방식이다. A bubble column reactor is a tower-type reactor that has a large aspect ratio and is a device that introduces reactants into the bottom and allows the reaction to occur while floating. Compared to stirred tank reactors, bubble column reactors are widely used in chemical engineering due to their relatively low equipment costs, simple structure, and low operating costs due to low energy costs. Among various application fields, a bubble column reactor can also be applied to the thermal decomposition of hydrocarbons. The existing thermal decomposition process involves passing a heating tube for a short period of time to cause thermal decomposition.
그러나 가열관의 벽체를 통해 반응물로 열을 전달하여 열분해하는 방식은 열 전달율이 낮아 공정의 효율이 낮고, 이를 보완하기 위해 가열관 내에 고체 촉매를 도입하는 방석을 적용하고 있으나, 탄화수소의 열분해 산물 중 하나인 탄소가 촉매에 침적되어 비활성화를 일으키는 단점이 있었다. However, the method of thermal decomposition by transferring heat to the reactant through the wall of the heating tube has a low heat transfer rate and low process efficiency. To compensate for this, a cushion that introduces a solid catalyst into the heating tube is applied, but among the thermal decomposition products of hydrocarbons One disadvantage was that carbon was deposited on the catalyst, causing deactivation.
이에 본 발명에서는 금속이나 염과 같은 열분해 온도에서 액체인 물질을 기포탑 반응기에 수용하여 열분해하는 방식을 제시하고자 한다. 특히, 용융물이 반응기 내에서 촉매적 작용을 수행하면 고체 촉매와는 다르게 탄소 침적이 일어나지 않으며, 금속이나 염과 같은 용융물에 비해 비교적 밀도가 낮은 탄소는 용융물로부터 분리되어 반응로 상층부로 부상한다. 또한, 용융물은 열 전달율이 매우 높아 빠르게 반응에 필요한 열을 공급할 수 있어 반응기의 크기를 줄이는 데에도 효과적이다. Accordingly, the present invention proposes a method of thermally decomposing materials that are liquid at the thermal decomposition temperature, such as metals or salts, by receiving them in a bubble column reactor. In particular, when the melt performs a catalytic action in the reactor, unlike a solid catalyst, carbon deposition does not occur, and carbon, which has a relatively lower density than the melt such as metal or salt, is separated from the melt and floats to the upper layer of the reactor. In addition, the melt has a very high heat transfer rate, so it can quickly supply the heat needed for the reaction, making it effective in reducing the size of the reactor.
한편, 공정의 비용에는 용융물의 비용 또한 포함되는데, 용융물의 양을 줄이거나 더 저렴한 용융물로 대체할 수 있다면 공정 비용 절감에 도움이 될 것이다.Meanwhile, the cost of the process also includes the cost of the melt, and if the amount of melt can be reduced or replaced with a cheaper melt, it will help reduce the process cost.
본 발명의 주된 목적은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 최소량의 액상 용융촉매를 사용하면서 탄화수소의 촉매 열분해율을 상승시켜 탄소 침적 없이 높은 수율로 목표하는 열분해 생성물을 수득할 수 있는 기포탑 반응기를 제공하는데 있다. The main purpose of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and to provide a bubble column reactor that can obtain the target thermal decomposition product in high yield without carbon deposition by increasing the catalytic thermal decomposition rate of hydrocarbons while using a minimum amount of liquid molten catalyst. It is provided.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, 일측에는 액상 또는 기상의 탄화수소 유체가 유입되는 유입부가 형성되고, 타측에는 반응 생성물이 배출되는 배출부가 형성되는 열분해 반응로; 및 상기 열분해 반응로 내부에 배치되며, 비중이 서로 다른 액상 용융촉매 및 열전달 유체를 수용하여 상기 열분해 반응로의 유입부로부터 배출부 방향으로 액상 용융촉매층 및 열전달 유체층이 순차적으로 배치되어 있는 구조를 갖는 촉매 반응부를 포함하되, 상기 촉매 반응부에 있어서, 열전달 유체의 표면장력은 83 mN/m이상이고, 상기 액상 용융촉매는 Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr Ga, In, Sn, Bi, Te 및 Sb로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속이며, 상기 액상 용융촉매층과 열전달 유체층의 층 두께비는 1 : 0.1 ~ 10인 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기를 제공한다.In order to achieve the above object, one embodiment of the present invention includes a pyrolysis reactor in which an inlet through which a liquid or gaseous hydrocarbon fluid flows is formed on one side, and an outlet through which a reaction product is discharged is formed on the other side; And a structure disposed inside the thermal decomposition reactor, accommodating liquid molten catalysts and heat transfer fluids with different specific gravity, and having the liquid molten catalyst layer and heat transfer fluid layer sequentially arranged from the inlet to the outlet of the thermal decomposition reactor. A catalytic reaction unit having a catalytic reaction unit, wherein the surface tension of the heat transfer fluid is 83 mN/m or more, and the liquid melt catalyst includes Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr is one or more metals selected from the group consisting of Ga, In, Sn, Bi, Te and Sb, and the layer thickness ratio of the liquid molten catalyst layer and the heat transfer fluid layer is 1: 0.1 to 10. to provide.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 액상 용융촉매는 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 상기 제1 금속은 제2 금속보다 녹는점이 높은 금속인 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the liquid melting catalyst may include a first metal and a second metal, and the first metal may be a metal with a higher melting point than the second metal.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 제1 금속은 Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V 및 Cr로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속이고, 상기 제2 금속은 Ga, In, Sn, Bi, Te 및 Sb로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속이며, 액상 용융촉매 총 중량에 대하여, 제1 금속 3 wt% 내지 15 wt% 및 제2 금속 85 wt% 내지 97 wt%를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the first metal is one or more metals selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V and Cr, and the second metal is It is one or more metals selected from the group consisting of Ga, In, Sn, Bi, Te, and Sb, and contains 3 wt% to 15 wt% of the first metal and 85 wt% to 97 wt% of the second metal, based on the total weight of the liquid molten catalyst. It may be characterized as containing wt%.
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 열전달 유체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 어느 하나 이상의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the heat transfer fluid may include one or more compounds represented by the following formula (1).
[화학식 1][Formula 1]
MX MX
화학식 1에서 M은 Li, Na, K, Sr, Ba, Mg, Ca, Mn, Zn, La, Co, Ni, Cu, Ce, Fe, Sc, Ti, V 및 Cr로 구성된 군에서 선택되고, X는 F, Cl, Br, I, OH, SO3 및 NO3로 구성된 군에서 선택된다In Formula 1, M is selected from the group consisting of Li, Na, K, Sr, Ba, Mg, Ca, Mn, Zn, La, Co, Ni, Cu, Ce, Fe, Sc, Ti, V and Cr, is selected from the group consisting of F, Cl, Br, I, OH, SO 3 and NO 3
본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 촉매 열분해 반응은 500 ℃ ~ 1100 ℃로 수행하는 것을 특징으로 할 수 있다.In a preferred embodiment of the present invention, the catalytic thermal decomposition reaction may be performed at 500°C to 1100°C.
본 발명에 따르면, 탄화수소를 촉매 열분해하여 수소, 탄소 및 투입 탄화수소보다 저분자의 탄화수소로 전환시킴에 있어 열분해 촉매로 액상 용융촉매를 이용함과 동시에 상기 액상 용융촉매와 탄화수소 간의 균일한 접촉으로 탄화수소로의 열전달 효율을 향상시킬 수 있고, 융용물 자체가 촉매로 작용함에 따라 탄화수소의 탄소-수소 결합을 절단하는데 필요한 시간이나 에너지를 줄일 수 있다.According to the present invention, in converting hydrocarbons into hydrogen, carbon, and hydrocarbons with lower molecular weight than the input hydrocarbons by catalytic thermal decomposition, a liquid molten catalyst is used as a thermal decomposition catalyst, and at the same time, heat is transferred to the hydrocarbons through uniform contact between the liquid molten catalyst and the hydrocarbons. Efficiency can be improved, and as the melt itself acts as a catalyst, the time or energy required to cleave the carbon-hydrogen bonds of hydrocarbons can be reduced.
또한, 본 발명에 따르면, 액상 용융촉매와 열전달 유체 사이의 계면에서 계면장력에 의해 투입 탄화수소 기포 혹은 액적의 상승 속도를 늦춰 탄화수소의 체류 시간을 증가시킴으로써, 탄화수소 열분해율을 상승시킬 수 있고, 고가의 액상 용융촉매는 그 비율을 줄여 반응 초반의 라디칼 형성에만 기여하고, 이어지는 전환반응은 열 전달 유체에서 진행하도록 함으로써 액상 용융촉매의 양을 최소화하여 스케일업(scale up) 등의 상업화 과정에 경제성을 상승시킬 수 있다. In addition, according to the present invention, the rate of thermal decomposition of hydrocarbons can be increased by increasing the residence time of hydrocarbons by slowing down the rising speed of injected hydrocarbon bubbles or droplets due to interfacial tension at the interface between the liquid melt catalyst and the heat transfer fluid, and increasing the hydrocarbon thermal decomposition rate. By reducing the ratio, the liquid molten catalyst only contributes to the formation of radicals at the beginning of the reaction, and by allowing the subsequent conversion reaction to proceed in a heat transfer fluid, the amount of liquid molten catalyst is minimized, increasing economic efficiency in commercialization processes such as scale up. You can do it.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소의 촉매 열분해를 진행하는 기포탑 반응기의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1 및 2와 비교예 1, 2 및 5에서의 촉매 열분해 온도에 따른 수소 수율 측정 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예 3 및 4와 비교예 3, 4 및 6에서의 촉매 열분해 온도에 따른 수소 수율 측정 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2에서의 열전달 유체의 표면장력에 따른 수소 수율 측정 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예 3 및 4와 비교예 3 및 4에서의 열전달 유체의 표면장력에 따른 수소 수율 측정 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예 5 내지 7 및 비교예 8 및 9에서의 액상 용융촉매층 및 열전달 유체층의 층 두께비에 따른 수소 수율 측정 그래프이다.Figure 1 is a schematic diagram of a bubble column reactor performing catalytic thermal decomposition of hydrocarbons according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a graph measuring hydrogen yield according to catalytic thermal decomposition temperature in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1, 2, and 5 of the present invention.
Figure 3 is a graph measuring hydrogen yield according to catalytic thermal decomposition temperature in Examples 3 and 4 and Comparative Examples 3, 4, and 6 of the present invention.
Figure 4 is a graph measuring hydrogen yield according to the surface tension of the heat transfer fluid in Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
Figure 5 is a graph measuring hydrogen yield according to the surface tension of the heat transfer fluid in Examples 3 and 4 and Comparative Examples 3 and 4 of the present invention.
Figure 6 is a graph measuring hydrogen yield according to the layer thickness ratio of the liquid molten catalyst layer and the heat transfer fluid layer in Examples 5 to 7 and Comparative Examples 8 and 9 of the present invention.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.Unless otherwise defined, all technical and scientific terms used in this specification have the same meaning as commonly understood by a person skilled in the art to which the present invention pertains. In general, the nomenclature used herein is well known and commonly used in the art.
본 명세서에 기재된 "구비한다", "함유한다", "포함한다" 또는 "가진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재함을 지칭하는 것이고, 언급되지 않은 다른 특징, 수치, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들의 조합이 존재하거나 부가될 수 있는 가능성을 배제하지 않는다.As used herein, terms such as “comprises,” “contains,” “includes,” or “has” indicate the presence of features, values, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification. It refers to, and does not exclude the possibility that other features, values, steps, operations, components, parts, or combinations thereof not mentioned may exist or be added.
본 발명은 일측에는 액상 또는 기상의 탄화수소 유체가 유입되는 유입부가 형성되고, 타측에는 반응 생성물이 배출되는 배출부가 형성되는 열분해 반응로; 및 상기 열분해 반응로 내부에 배치되며, 비중이 서로 다른 액상 용융촉매 및 열전달 유체를 수용하여 상기 열분해 반응로의 유입부로부터 배출부 방향으로 액상 용융촉매층 및 열전달 유체층이 순차적으로 배치되어 있는 구조를 갖는 촉매 반응부를 포함하되, 상기 촉매 반응부에 있어서, 열전달 유체의 표면장력은 83 mN/m이상이고, 상기 액상 용융촉매는 Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr Ga, In, Sn, Bi, Te 및 Sb로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속이며, 상기 액상 용융촉매층과 열전달 유체층의 층 두께비는 1 : 0.1 ~ 10인 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기에 관한 것이다.The present invention provides a thermal decomposition reactor in which an inlet is formed on one side through which liquid or gaseous hydrocarbon fluid flows, and on the other side, an outlet through which reaction products are discharged is formed; And a structure disposed inside the thermal decomposition reactor, accommodating liquid molten catalysts and heat transfer fluids with different specific gravity, and having the liquid molten catalyst layer and heat transfer fluid layer sequentially arranged from the inlet to the outlet of the thermal decomposition reactor. A catalytic reaction unit having a catalytic reaction unit, wherein the surface tension of the heat transfer fluid is 83 mN/m or more, and the liquid melt catalyst includes Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr is one or more metals selected from the group consisting of Ga, In, Sn, Bi, Te and Sb, and the layer thickness ratio of the liquid molten catalyst layer and the heat transfer fluid layer is 1: 0.1 to 10. It's about.
종래 탄화수소의 촉매 열분해 방법에 있어서, 고체 촉매 및 열전달 유체를 사용한 경우, 열전달 이후 메탄 등과 같은 탄화수소의 분해 과정에서 고체 촉매에 탄소침적이 가속화되어 장기적인 효율을 기대하기 어려웠고, 액상 용융촉매를 이용한 경우에는 고가의 액상 용융촉매를 대량으로 사용함에 따라 경제성이 떨어지는 문제점이 있었다. In the conventional catalytic thermal decomposition method of hydrocarbons, when a solid catalyst and a heat transfer fluid were used, carbon deposition on the solid catalyst accelerated during the decomposition of hydrocarbons such as methane after heat transfer, making it difficult to expect long-term efficiency, and when a liquid molten catalyst was used, There was a problem of low economic feasibility due to the use of large quantities of expensive liquid molten catalyst.
이에 본 발명에서는 2개 층 이상의 액상 용융촉매 및 열전달 유체를 사용하되, 상기 열전달 유체로 액상 용융촉매보다 비중이 작고, 액상 용융촉매와의 계면에서 큰 계면장력을 나타낼 수 있는 열전달 유체를 적용하여 액상 또는 기상의 탄화수소 유체가 유입되는 유입부로부터 배출부 방향으로 액상 용융촉매층 및 열전달 유체층을 각각 배치시켜 탄화수소 유체의 촉매 열분해를 수행함으로써, 열분해가 진행되는 동안 활성화 에너지가 가장 높은 탄화수소 유체의 첫번째 탄소-수소 결합이 액상 용융촉매층에서 절단되고, 이후 활성화 에너지가 낮은 탄화수소 라디칼에 의한 라디칼 변환반응이 열전달 유체층에서 일어나 탄화수소의 열분해 과정에 필요한 액상 용융촉매의 함량이 감소될 수 있고, 액상 용융촉매와 열전달 유체사이의 계면에서 계면장력에 의해 탄화수소 유체의 상승속도가 지체되어서, 체류시간이 향상되고 탄화수소의 열분해율이 상승될 수 있다. Accordingly, in the present invention, a liquid molten catalyst and a heat transfer fluid of two or more layers are used, but the heat transfer fluid has a specific gravity smaller than that of the liquid molten catalyst and can exhibit large interfacial tension at the interface with the liquid molten catalyst. Alternatively, by performing catalytic pyrolysis of the hydrocarbon fluid by arranging a liquid molten catalyst layer and a heat transfer fluid layer in the direction from the inlet into which the gaseous hydrocarbon fluid flows to the outlet, respectively, the first carbon of the hydrocarbon fluid with the highest activation energy is removed during pyrolysis. -Hydrogen bonds are cut in the liquid molten catalyst layer, and then a radical conversion reaction by hydrocarbon radicals with low activation energy occurs in the heat transfer fluid layer, which can reduce the content of liquid molten catalyst required for the thermal decomposition process of hydrocarbons, and the liquid molten catalyst and The rising speed of the hydrocarbon fluid is delayed due to interfacial tension at the interface between the heat transfer fluids, thereby improving the residence time and increasing the thermal decomposition rate of hydrocarbons.
이하 본 발명에 따른 탄화수소의 촉매 열분해를 이용한 기포탑 반응기의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, a preferred embodiment of a bubble column reactor using catalytic thermal decomposition of hydrocarbons according to the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소의 촉매 열분해를 진행하는 기포탑 반응기의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 기포탑 반응기(100)는 열분해 반응로(10) 및 촉매 반응부(50)를 포함한다.Figure 1 is a schematic diagram of a bubble column reactor performing catalytic thermal decomposition of hydrocarbons according to an embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the bubble column reactor 100 according to the present invention includes a thermal decomposition reactor 10 and a catalytic reaction unit 50.
상기 열분해 반응로(10)는 내부에 후술되는 액상 용융촉매 및 열전달 유체가 수용되어 액상 용융촉매층 및 열전달 유체층을 형성시키고, 처리 대상인 메탄 등의 기상 또는 액상의 탄화수소 유체를 공급받아 촉매 열분해시키는 용융 분해반응기로, 통상의 열분해에 적용되는 반응로이면 제한 없이 사용 가능하고, 바람직하게는 연속적인 처리가 가능하고 공정 비용이 낮은 버블 유동층 반응로일 수 있다. The thermal decomposition reactor 10 accommodates a liquid molten catalyst and a heat transfer fluid, which will be described later, therein to form a liquid molten catalyst layer and a heat transfer fluid layer, and receives a gaseous or liquid hydrocarbon fluid such as methane to be treated and catalytically decomposes the melt. The decomposition reactor can be used without limitation as long as it is a reactor applied to general thermal decomposition, and is preferably a bubble fluidized bed reactor that allows continuous processing and has low process costs.
상기 열분해 반응로(10)는 일측에 액상 또는 기상의 탄화수소 유체가 유입되는 유입부(11)가 형성되고, 타측에는 촉매 열분해 후 반응 생성물 미반응 생성물이 배출되는 배출부(12,13)가 형성된다. 상기 액상 또는 기상의 탄화수소 유체의 유입은 열분해 반응로에 1개 이상으로 형성된 유입부를 통해서 열분해 반응로 내부로 공급될 수 있으며, 바람직하기로는 상기 유입부가 열분해 반응로 하부에 연결되어 액상 또는 기상의 탄화수소 유체를 열분해 반응로 하부에 배치된 액상 용융촉매층으로 투입할 수 있다. 특히 상기 액상 또는 기상의 탄화수소 유체가 열분해 반응로 하부로 투입됨으로써, 액상 또는 기상의 탄화수소 유체가 부상하면서 액상 용융촉매와 열전달 유체에 순차적으로 접촉하여 촉매 열분해가 이루어진다. 이로써 반응면적의 증대와 열 및 물질 전달의 효율성이 증대되어 분해효율을 극대화할 수 있다.The pyrolysis reactor 10 has an inlet 11 through which liquid or gaseous hydrocarbon fluid flows in on one side, and an outlet 12 and 13 through which unreacted reaction products after catalytic pyrolysis are discharged on the other side. do. The inflow of the liquid or gaseous hydrocarbon fluid may be supplied into the thermal decomposition reactor through one or more inlets formed in the thermal decomposition reactor. Preferably, the inlet is connected to the lower part of the thermal decomposition reactor to produce liquid or gaseous hydrocarbons. The fluid can be introduced into the liquid molten catalyst layer disposed at the bottom of the thermal decomposition reactor. In particular, as the liquid or gaseous hydrocarbon fluid is introduced into the lower part of the thermal decomposition reactor, the liquid or gaseous hydrocarbon fluid rises and sequentially contacts the liquid molten catalyst and the heat transfer fluid to achieve catalytic thermal decomposition. This increases the reaction area and increases the efficiency of heat and mass transfer, thereby maximizing decomposition efficiency.
또한, 상기 열분해 반응로(10)는 비중차에 의한 액상 또는 기상의 탄화수소 유체의 부상이 반응의 완료보다 빠를 수 있기 때문에 반응로의 높이를 충분히 높게 만들거나, 용융된 액상 용융촉매 및 열전달 유체의 교반 등을 통해 액상 용융촉매 및 열전달 유체내에서 액상 또는 기상의 탄화수소 유체의 체류하는 시간을 증가시킬 수 있다.In addition, in the thermal decomposition reactor 10, since the levitation of the liquid or gaseous hydrocarbon fluid due to the difference in specific gravity may be faster than the completion of the reaction, the height of the reaction reactor must be made sufficiently high or the height of the melted liquid molten catalyst and heat transfer fluid may be raised. The residence time of the liquid or gaseous hydrocarbon fluid in the liquid melt catalyst and heat transfer fluid can be increased through stirring, etc.
상기 열분해 반응로는 액상 용융촉매 및 열전달 유체를 용융 상태로 유지시키기 위해 히터와 같은 별도의 가열수단(미도시)에 의해 외부의 열원으로부터 열공급이 추가로 이루어질 수 있으며, 이로써 액상 용융촉매 및 열전달 유체는 계속하여 용융상태로 유지될 수 있으며, 액상 또는 기상의 탄화수소 유체의 열분해에 필요한 반응열을 공급받을 수 있다.In order to maintain the liquid molten catalyst and heat transfer fluid in a molten state, the thermal decomposition reactor may additionally supply heat from an external heat source by a separate heating means such as a heater (not shown), thereby maintaining the liquid molten catalyst and heat transfer fluid in a molten state. Can be continuously maintained in a molten state and can receive the reaction heat necessary for thermal decomposition of liquid or gaseous hydrocarbon fluid.
상기 열분해 반응로로 투입되는 탄화수소 유체는 액상 또는 기상 상태의 탄화수소 유체라면 제한 없이 적용 가능하고, 일 예로, 메탄, 천연가스 등일 수 있으며, 상기 액상 또는 기상 상태의 탄화수소 유체 이외에 불활성 가스 및/또는 비불활성 가스를 함유할 수 있다. The hydrocarbon fluid introduced into the thermal decomposition reactor can be applied without limitation as long as it is a hydrocarbon fluid in a liquid or gaseous state. For example, it may be methane, natural gas, etc., and inert gas and/or rain in addition to the hydrocarbon fluid in a liquid or gaseous state. May contain inert gas.
상기 액상 또는 기상 상태의 탄화수소 유체에 함유된 메탄 등의 탄화수소는 반응기 내부로 공급되는 액상 또는 기상 상태의 탄화수소 유체 총부피에 대하여 2 %(v/v) 이상일 수 있고, 더욱 바람직하게는 40 %(v/v) ~ 100 %(v/v)일 수 있으며, 불활성 가스 및/또는 비불활성 가스는 액상 또는 기상 상태의 탄화수소 유체 총부피에 대하여 98 %(v/v)이하, 보다 바람직하게는 60 %(v/v) 이하일 수 있다. Hydrocarbons such as methane contained in the liquid or gaseous hydrocarbon fluid may be 2% (v/v) or more, more preferably 40% (v/v), based on the total volume of the liquid or gaseous hydrocarbon fluid supplied into the reactor. v/v) may be ~100% (v/v), and the inert gas and/or non-inert gas is 98% (v/v) or less, more preferably 60%, based on the total volume of the hydrocarbon fluid in the liquid or gas phase. It may be less than %(v/v).
한편, 상기 열분해 반응로 내부에 배치되는 촉매 반응부(50)는 열분해 반응로에 유입된 액상 또는 기상의 탄화수소 유체에 열전달 효율을 높이고, 탄화수소 유체 구성 분자간의 결합, 탄소-수소 결합을 끊어 메틸 라디칼과 수소 라디칼로 변환시켜 탄화수소를 수소화시키기 위한 것으로, 비중이 서로 다른 액상 용융촉매 및 열전달 유체를 수용하여 전술된 열분해 반응로의 유입부로부터 배출부 방향으로 액상 용융촉매층(60) 및 열전달 유체층(70)이 순차적으로 배치되어 있는 구조를 갖는다.Meanwhile, the catalytic reaction unit 50 disposed inside the thermal decomposition reactor increases heat transfer efficiency to the liquid or gaseous hydrocarbon fluid flowing into the thermal decomposition reactor and breaks the bonds and carbon-hydrogen bonds between the constituent molecules of the hydrocarbon fluid to form methyl radicals. It is intended to hydrogenate hydrocarbons by converting them into hydrogen radicals, and accommodates liquid molten catalysts and heat transfer fluids with different specific gravity, forming a liquid molten catalyst layer 60 and a heat transfer fluid layer ( 70) has a structure in which they are arranged sequentially.
상기 액상 용융촉매층(60)은 액상 용융촉매(61)로 형성된 것으로, 열전달 유체층보다 비중이 커 비중 차이로 촉매 반응부에서 열전달 유체층(70) 하부에 배치되며, 액상 또는 기상의 탄화수소 유체 중 탄화수소 구성 분자간의 결합을 절단시켜 이후 후술되는 열전달 유체층(60)에서 탄화수소 유체의 메틸 라디칼이 후속 반응으로 C2, C3, 방향족 화합물 등을 거쳐 탄소와 수소로 변환이 이루어지도록 할 수 있다. The liquid molten catalyst layer 60 is formed of the liquid molten catalyst 61, and has a larger specific gravity than the heat transfer fluid layer, so it is disposed below the heat transfer fluid layer 70 in the catalytic reaction section due to the difference in specific gravity, and is either a liquid or gaseous hydrocarbon fluid. By cutting the bonds between hydrocarbon constituent molecules, the methyl radicals of the hydrocarbon fluid can be converted into carbon and hydrogen through C2, C3, aromatic compounds, etc. in a subsequent reaction in the heat transfer fluid layer 60, which will be described later.
상기 액상 용융촉매(61)는 탄화수소를 수소화할 수 있는 액상의 용융촉매이면 제한 없이 적용 가능하고, 일 예로, Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Ga, In, Sn, Bi, Te, Sb 등일 수 있으며, 바람직하게는 용융 상태의 제1 금속 및 제2 금속을 포함할 수 있고, 상기 제1 금속은 제2 금속보다 녹는점(melting point)이 높은 금속일 수 있다. The liquid melt catalyst 61 can be applied without limitation as long as it is a liquid melt catalyst capable of hydrogenating hydrocarbons. For example, Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, Ga, It may be In, Sn, Bi, Te, Sb, etc., and may preferably include a first metal and a second metal in a molten state, wherein the first metal is a metal with a higher melting point than the second metal. It can be.
상기 제1 금속은 Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr로 구성된 군에서 선택될 수 있으며, 분해효율 측면에서 바람직하게는 Ni, Mn, Fe 등일 수 있고, 상기 제2 금속은 제1 금속보다 상대적으로 녹는점이 낮으며, 다른 금속과 합금을 잘 이루는 금속이면 제한 없이 사용 가능하고, 바람직하게는 Ga, In, Sn, Bi, Te 및 Sb일 수 있다. 또한 상기 액상 용융촉매의 제1 금속 및 제2 금속의 조합에 있어서, 더욱 더 바람직하게는 Ni-Bi일 수 있다. The first metal may be selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr, and is preferably Ni, Mn, Fe, etc. in terms of decomposition efficiency. The second metal has a relatively lower melting point than the first metal, and can be used without limitation as long as it is a metal that alloys well with other metals. Preferably, it may be Ga, In, Sn, Bi, Te, and Sb. In addition, in the combination of the first metal and the second metal of the liquid melt catalyst, Ni-Bi may be even more preferable.
이때, 상기 액상 용융촉매는 액상 용융촉매 총 중량에 대하여, 제1 금속이 3 wt% 내지 15 wt% 및 제2 금속이 85 wt% 내지 97 wt%를 포함할 수 있다. 만일 제1 금속이 액상 용융촉매 총 중량에 대하여 3 wt% 미만으로 포함시킬 경우에는 반응성 부족으로 인해 열분해가 제대로 일어나지 않거나, 생성물의 분포 폭이 너무 넓어지는 문제점이 발생될 수 있고, 15 wt%를 초과할 경우에는 제1 금속이 제2 금속에 충분히 용융되지 않아 제1 금속이 탄소 침적의 시발점이 되어 활성이 저하되는 문제점이 발생될 수 있다. At this time, the liquid melt catalyst may include 3 wt% to 15 wt% of the first metal and 85 wt% to 97 wt% of the second metal, based on the total weight of the liquid melt catalyst. If the first metal is included in less than 3 wt% based on the total weight of the liquid melt catalyst, thermal decomposition may not occur properly due to lack of reactivity, or problems may arise where the product distribution width is too wide, and 15 wt% may occur. If it exceeds this, the first metal may not be sufficiently melted into the second metal, which may cause the first metal to become a starting point for carbon deposition and cause a decrease in activity.
또한, 제2 금속이 액상 용융촉매 총 중량에 대하여, 85 wt% 미만으로 포함시킬 경우에는 제1 금속이 충분히 용융되지 않아 제1 금속이 탄소 침적의 원인이 될 수 있고, 97 wt%를 초과할 경우에는 반응성 부족으로 인해 열분해가 효율적으로 일어나지 않거나 생성물의 분포 폭이 넓어지는 문제점이 발생될 수 있다.In addition, if the second metal is included in less than 85 wt% based on the total weight of the liquid melt catalyst, the first metal may not be sufficiently melted and may cause carbon deposition, and if it exceeds 97 wt%, the first metal may not be sufficiently melted. In this case, problems may arise such as thermal decomposition not occurring efficiently due to lack of reactivity or the distribution range of the product being widened.
본 발명의 용융된 금속촉매는 2종 이상의 녹는점이 다른 금속을 용융된 액상 상태로 열분해 반응로에 수용함으로써, 기존의 금속촉매를 낮은 온도에서 액화시킬 수 있어 열전달 효율 및 열분해 효율을 향상시킬 수 있고 활성 저하를 막는 시너지 효과를 얻을 수 있다. The molten metal catalyst of the present invention can liquefy existing metal catalysts at low temperatures by receiving two or more metals with different melting points in a molten liquid state in a thermal decomposition reactor, thereby improving heat transfer efficiency and thermal decomposition efficiency. A synergistic effect can be achieved to prevent activity decline.
한편, 열전달 유체층(70)은 상기 액상 용융촉매에 비해 비중이 작고, 표면장력이 83 mN/m 이상인 것으로, 상기 열전달 유체(71)는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 어느 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있으며, 바람직하게는 NaCl, NaBr, KCl, KBr일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 NaCl일 수 있다.Meanwhile, the heat transfer fluid layer 70 has a smaller specific gravity than the liquid molten catalyst and a surface tension of 83 mN/m or more, and the heat transfer fluid 71 contains one or more compounds among the compounds represented by the following formula (1): It can be preferably NaCl, NaBr, KCl, KBr, and more preferably NaCl.
[화학식 1][Formula 1]
MX MX
상기 화학식 1에서 M은 Li, Na, K, Sr, Ba, Mg, Ca, Mn, Zn, La, Co, Ni, Cu, Ce, Fe, Sc, Ti, V 및 Cr로 구성된 군에서 선택되고, X는 F, Cl, Br, I, OH, SO3 및 NO3으로 구성된 군에서 선택된다.In Formula 1, M is selected from the group consisting of Li, Na, K, Sr, Ba, Mg, Ca, Mn, Zn, La, Co, Ni, Cu, Ce, Fe, Sc, Ti, V and Cr, X is selected from the group consisting of F, Cl, Br, I, OH, SO 3 and NO 3 .
상기 열전달 유체는 표면장력이 83 mN/m 미만일 경우, 계면장력이 충분치 않아 의도대로 탄화수소 유체의 체류시간을 증가시킬 수 없다. If the surface tension of the heat transfer fluid is less than 83 mN/m, the interfacial tension is insufficient and the residence time of the hydrocarbon fluid cannot be increased as intended.
이와 같은 액상 용융촉매층(60) 및 열전달 유체층(70)은 촉매 반응부(50)에 있어서 층 두께 비율이 1 : 0.1 ~ 10으로, 바람직하게는 1 : 1 ~ 5로 형성할 수 있다. 만일 액상 용융 촉매층에 대한 열전달 유체층의 층 두께 비율이 1 : 1 미만인 경우에는 고가의 액상 용융 촉매를 대량으로 수용함에 따라 촉매 열분해 효과 대비 경제성이 떨어지고, 액상 용융촉매층에 대한 열전달 유체층의 층 두께 비율이 1 : 10을 초과할 경우에는 액상 용융촉매 함량이 적어 저온에서 분해 효율이 떨어지는 문제점이 발생될 수 있다. The liquid molten catalyst layer 60 and the heat transfer fluid layer 70 may be formed in the catalytic reaction unit 50 at a layer thickness ratio of 1:0.1 to 10, preferably 1:1 to 5. If the layer thickness ratio of the heat transfer fluid layer to the liquid molten catalyst layer is less than 1:1, the economic feasibility compared to the catalytic thermal decomposition effect is low as a large amount of expensive liquid molten catalyst is received, and the layer thickness of the heat transfer fluid layer to the liquid molten catalyst layer is reduced. If the ratio exceeds 1:10, the content of liquid molten catalyst may be low, which may cause problems with decomposition efficiency at low temperatures.
본 발명의 용융 상태의 액상 용융촉매 및 열전달 유체는 종래 열분해에 사용되는 유동사나, 기체, 스팀과 비교하여 열용량이 크고, 열전도도가 높아 탄화수소 유체에 많은 열량을 빠르게 공급할 수 있으며, 해당 액상 용융촉매 및 열전달 유체는 탄화수소 유체에 비해 비중이 큰 반면 점성이 낮으므로 투입된 탄화수소 유체에 효과적으로 침투하여 촉매 열분해를 수행할 수 있고, 열분해된 반응 생성물과도 비중에 차이가 있어 분리에 효과적이다.The liquid molten catalyst and heat transfer fluid in a molten state of the present invention have a large heat capacity and high thermal conductivity compared to fluidized sand, gas, or steam used in conventional pyrolysis, so they can quickly supply a large amount of heat to the hydrocarbon fluid, and the corresponding liquid molten catalyst And the heat transfer fluid has a larger specific gravity than the hydrocarbon fluid but has a low viscosity, so it can effectively penetrate the input hydrocarbon fluid and perform catalytic thermal decomposition. It is also effective in separation because it has a different specific gravity from the pyrolyzed reaction product.
상기 열분해 반응로(10) 내부의 촉매 반응부에 유입된 액상 또는 기상의 탄화수소 유체는 액상 용융촉매층(60) 및 열전달 유체층(70)을 순차적으로 통과하여 촉매 열분해된 후 열분해 반응로의 배출부(12,13)를 통해 배출된다. The liquid or gaseous hydrocarbon fluid flowing into the catalytic reaction unit inside the thermal decomposition reactor 10 is catalytically decomposed by sequentially passing through the liquid molten catalyst layer 60 and the heat transfer fluid layer 70, and then through the discharge section of the thermal decomposition reactor. It is discharged through (12,13).
상기 열분해 반응로(10)로 투입된 액상 또는 기상의 탄화수소 유체는 액상 용융촉매층 및 열전달 유체층에 의해 촉매 열분해되어 반응 생성물로 수소, 고형 탄소, 투입한 탄화수소보다 낮은 분자량의 탄화수소 등을 생성시킬 수 있고, 상기 반응 생성물들은 액상 용융촉매 및 열전달 유체와의 비중차이에 의하여 원활하게 분리될 수 있다. 상기 분리된 반응 생성물은 열분해 반응로의 배출부(12,13)를 통해 외부로 배출될 수 있다. 이때, 상기 열분해 반응로의 배출부는 열분해된 생성물에 따라 1개 이상으로 형성될 수 있으며, 일 예로, 열분해된 생성물 중 수소는 열분해 반응로의 상단에 형성된 배출부(12)로, 열분해된 생성물 중 고형탄소 등은 열분해 반응로의 상부의 측면에 형성된 배출부(13)로 배출시킬 수 있다.The liquid or gaseous hydrocarbon fluid introduced into the thermal decomposition reactor 10 is catalytically decomposed by the liquid molten catalyst layer and the heat transfer fluid layer to produce hydrogen, solid carbon, and hydrocarbons with a lower molecular weight than the introduced hydrocarbon as reaction products. , the reaction products can be smoothly separated by the difference in specific gravity between the liquid melt catalyst and the heat transfer fluid. The separated reaction product may be discharged to the outside through the discharge portions 12 and 13 of the thermal decomposition reactor. At this time, one or more discharge ports of the pyrolysis reactor may be formed depending on the pyrolyzed product. For example, hydrogen among the pyrolyzed products is discharged to the discharge portion 12 formed at the top of the pyrolytic reaction reactor. Solid carbon, etc. can be discharged through the discharge portion 13 formed on the upper side of the thermal decomposition reactor.
상기 촉매 열분해는 용융된 액상 용융촉매 및 열전달 유체의 온도를 조절함으로써 수행되는 것으로, 상기 액상 용융촉매 및 열전달 유체의 온도 조절은 액상 용융촉매 및 열전달 유체의 종류나, 열분해된 생성물의 구성 비율 등에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 바람직하기로는 500 ℃ ~ 1100 ℃에서 수행할 수 있고, 바람직하게는 800 ℃ ~ 1000 ℃에서 수행할 수 있다. 상기 촉매 열분해 온도가 500 ℃보다 낮을 경우, 용융 촉매가 녹지 않아 탄소 침적의 시작점으로 작용할 수 있으며, 열분해에 충분한 열 에너지가 공급되지 않아 열분해 반응이 더디게 일어날 수 있고, 상기 촉매 열분해 온도가 1100 ℃보다 높을 경우, 열 에너지가 과하게 공급되어 에너지가 낭비되고, 비점이 낮은 용융촉매나 열전달유체는 기화하여 손실될 수 있다.The catalytic pyrolysis is performed by controlling the temperature of the molten liquid molten catalyst and the heat transfer fluid. The temperature control of the liquid molten catalyst and the heat transfer fluid depends on the type of the liquid molten catalyst and the heat transfer fluid, the composition ratio of the pyrolyzed product, etc. It can be selected appropriately, preferably at 500°C to 1100°C, and preferably at 800°C to 1000°C. If the catalytic pyrolysis temperature is lower than 500°C, the molten catalyst may not melt and serve as a starting point for carbon deposition, and sufficient heat energy may not be supplied for pyrolysis, so the pyrolysis reaction may occur slowly, and the catalytic pyrolysis temperature may be lower than 1100°C. If it is high, heat energy is supplied excessively and energy is wasted, and molten catalysts or heat transfer fluids with low boiling points may evaporate and be lost.
본 발명에 따른 탄화수소 유체의 촉매 열분해 방법은 전술된 기포탑 반응기에 탄화수소 유체를 공급하여 촉매 열분해 반응을 수행하여, 최소량의 액상 용융촉매를 사용하면서 탄화수소 유체의 열분해율을 상승시킴과 동시에 탄소 침적 문제를 해결할 수 있고, 반복적으로 탄화수소 유체를 유입시켜 촉매 열분해를 수행할 경우에는 고부가가치 생성물인 수소나 나프타, 저분자 단량체 등을 연속적으로 수득할 수 있다. The catalytic pyrolysis method of hydrocarbon fluid according to the present invention performs a catalytic pyrolysis reaction by supplying hydrocarbon fluid to the above-described bubble column reactor, thereby increasing the thermal decomposition rate of hydrocarbon fluid while using a minimum amount of liquid molten catalyst and at the same time eliminating the problem of carbon deposition. can be solved, and when catalytic pyrolysis is performed by repeatedly introducing hydrocarbon fluid, high value-added products such as hydrogen, naphtha, and low-molecular-weight monomers can be continuously obtained.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 열분해 방법은 하기의 실시예를 통해 보다 구체적으로 설명하겠는 바, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. The thermal decomposition method of the present invention as described above will be explained in more detail through the following examples, but the present invention is not limited thereto.
<실시예 1><Example 1>
단면적이 3.4 cm2이고, 길이가 20 cm인 원통형의 열분해 반응로에 Ni 10 wt% 및 Bi 90 wt%이 혼합된 액상 용융촉매층 및 NaCl 열전달 유체층(표면장력 100 mN/m)을 각각 5 cm 및 5 cm 길이로 형성시킨 촉매 반응부를 구비하여 기포탑 반응기를 제작하였다.In a cylindrical pyrolysis reactor with a cross-sectional area of 3.4 cm 2 and a length of 20 cm, a liquid molten catalyst layer mixed with 10 wt% Ni and 90 wt% Bi and a NaCl heat transfer fluid layer (surface tension 100 mN/m) were placed for 5 cm each. A bubble column reactor was manufactured including a catalytic reaction section formed to a length of 5 cm.
<실시예 2 내지 4><Examples 2 to 4>
실시예 1과 동일한 기포탑 반응기를 제작하되, 하기 표 1에 기재된 액상 용융촉매 및 열전달 유체를 조합하여 제작하였다. The same bubble column reactor as Example 1 was manufactured by combining the liquid melt catalyst and heat transfer fluid shown in Table 1 below.
<비교예 1 내지 7><Comparative Examples 1 to 7>
실시예 1과 동일한 기포탑 반응기를 제작하되, 하기 표 1에 기재된 액상 용융촉매 및 열전달 유체를 조합하여 제작하였다. The same bubble column reactor as Example 1 was manufactured by combining the liquid melt catalyst and heat transfer fluid shown in Table 1 below.
<실험예 1 : 열분해 온도에 따른 촉매 열분해 성능 측정><Experimental Example 1: Measurement of catalytic thermal decomposition performance according to thermal decomposition temperature>
열분해 온도에 따른 촉매 열분해 성능을 측정하기 위해 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 6에서 제작된 기포탑 반응기를 사용하여 상압하에 880 ℃, 910 ℃, 940 ℃ 및 1000 ℃에서 120 분 동안 촉매 열분해를 각각 수행하여 생성된 수소 생성량을 측정하였다. 상기 기포탑 반응기로 주입되는 탄화수소 유체는 메탄 90 Vol% 및 질소 10 vol%이 혼합된 메탄 함유 가스를 사용하였고, 10 sccm 속도로 기포탑 반응기에 주입하였다. 촉매 열분해 반응 후 생성된 수소는 연결된 GC(Gas chromatography)를 이용하여 20분 간격으로 측정하고 최댓값/최솟값을 버린 4개 지점의 평균값을 기반으로 수율을 산출하여 그 결과는 도 2 및 도 3에 나타내었다.To measure the catalytic thermal decomposition performance according to the thermal decomposition temperature, catalytic thermal decomposition was performed at 880°C, 910°C, 940°C, and 1000°C for 120 minutes under normal pressure using the bubble column reactor manufactured in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6. was performed respectively to measure the amount of hydrogen produced. The hydrocarbon fluid injected into the bubble column reactor used a methane-containing gas mixed with 90 vol% methane and 10 vol% nitrogen, and was injected into the bubble column reactor at a rate of 10 sccm. Hydrogen generated after the catalytic pyrolysis reaction was measured at 20-minute intervals using connected GC (Gas chromatography), and the yield was calculated based on the average value of the four points, discarding the maximum/minimum values. The results are shown in Figures 2 and 3. It was.
도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 6의 수소 수율을 비교하면, 동일 열분해 온도 조건에서 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 4의 수소 수율이 액상 용융촉매층만을 구비한 비교예 5 및 6의 수소 수율에 비해 높은 것으로 나타났고, 열분해 온도별로 동일한 경향성을 나타내었다. 또한 열분해 온도가 증가할수록 수소 수율이 증가하는 것을 알 수 있었다.As shown in Figures 2 and 3, comparing the hydrogen yields of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 6, the hydrogen yields of Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4 were liquid phase melt under the same thermal decomposition temperature conditions. It was found to be higher than the hydrogen yield of Comparative Examples 5 and 6, which had only a catalyst layer, and showed the same tendency for each thermal decomposition temperature. Additionally, it was found that the hydrogen yield increased as the pyrolysis temperature increased.
<실험예 2 : 표면장력에 따른 촉매 열분해 성능 측정><Experimental Example 2: Measurement of catalytic thermal decomposition performance according to surface tension>
각 층의 표면장력에 따른 촉매 열분해 성능을 측정하기 위해 실시예 1 내지 4와 비교예 1 내지 4에서 제작된 기포탑 반응기를 사용하여 상압하에 1000 ℃에서 120분 동안 촉매 열분해를 각각 수행하여 생성된 수소 생성량을 측정하였다.In order to measure the catalytic pyrolysis performance according to the surface tension of each layer, catalytic pyrolysis was performed at 1000°C for 120 minutes under normal pressure using the bubble column reactor manufactured in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 4, respectively. The amount of hydrogen produced was measured.
상기 기포탑 반응기로 주입되는 탄화수소 유체는 메탄 90 Vol% 및 질소 10 vol%이 혼합된 메탄 함유 가스를 사용하였고, 10 sccm의 속도로 기포탑 반응기에 주입하였다. 촉매 열분해 반응 후 생성된 수소는 연결된 GC(Gas chromatography)를 이용하여 20분 간격으로 측정하고 최댓값/최솟값을 버린 4개 지점의 평균값을 기반으로 수율을 산출하여 그 결과는 도 4 및 도 5에 나타내었다.The hydrocarbon fluid injected into the bubble column reactor used a methane-containing gas mixed with 90 vol% methane and 10 vol% nitrogen, and was injected into the bubble column reactor at a rate of 10 sccm. Hydrogen generated after the catalytic pyrolysis reaction was measured at 20-minute intervals using connected GC (Gas chromatography), and the yield was calculated based on the average value of the four points, discarding the maximum/minimum values. The results are shown in Figures 4 and 5. It was.
도 4 및 도 5에 나타난 바와 같이, 실시예 1 및 2와 비교예 1 및 2, 그리고 실시예 3 및 4와 비교예 3 및 4의 수소 수율을 비교하면, 동일 열분해 온도 조건에서 열전달 유체층의 표면장력이 83 mN/m 이상(실시예 1 내지 4)이면 액상 용융촉매층만을 구비하였을 때에 비한 수소수율 증가분이 비교예 1 내지 4에 비해 현저하게 증가하는 것으로 나타났다.As shown in Figures 4 and 5, when comparing the hydrogen yields of Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2, and Examples 3 and 4 and Comparative Examples 3 and 4, the heat transfer fluid layer under the same pyrolysis temperature conditions When the surface tension was 83 mN/m or more (Examples 1 to 4), the increase in hydrogen yield compared to when only the liquid molten catalyst layer was provided was found to be significantly increased compared to Comparative Examples 1 to 4.
<실험예 3 : 층 두께에 따른 촉매 열분해 성능 측정><Experimental Example 3: Measurement of catalytic thermal decomposition performance according to layer thickness>
각 층의 두께에 따른 촉매 열분해 성능을 측정하기 위해 실시예 3과 동일한 기포탑 반응기에서 액상 용융촉매층과 열전달 유체층의 두께를 하기 표 2에 기재된 두께로 조절하여 1000 ℃에서 120분 동안 촉매 열분해 수행 후 생성된 수소 생성량을 측정하였다. 상기 기포탑 반응기로 주입되는 탄화수소 유체는 메탄 90 Vol% 및 질소 10 vol%이 혼합된 메탄 함유 가스를 사용하였고, 10 sccm의 속도로 기포탑 반응기에 주입하였다. 촉매 열분해 반응 후 생성된 수소는 연결된 GC(Gas chromatography)를 이용하여 20분 간격으로 측정하고 최댓값/최솟값을 버린 4개 지점의 평균값을 기반으로 수율을 산출하여 그 결과는 도 6에 나타내었다.In order to measure the catalytic pyrolysis performance according to the thickness of each layer, the thickness of the liquid molten catalyst layer and the heat transfer fluid layer were adjusted to the thicknesses shown in Table 2 below in the same bubble column reactor as in Example 3, and catalytic pyrolysis was performed at 1000 ° C. for 120 minutes. Afterwards, the amount of hydrogen produced was measured. The hydrocarbon fluid injected into the bubble column reactor used a methane-containing gas mixed with 90 vol% methane and 10 vol% nitrogen, and was injected into the bubble column reactor at a rate of 10 sccm. Hydrogen generated after the catalytic pyrolysis reaction was measured at 20-minute intervals using connected GC (Gas chromatography), and the yield was calculated based on the average value of the four points with the maximum/minimum values discarded, and the results are shown in Figure 6.
도 6에 나타난 바와 같이, 액상 용융촉매층만 또는 열전달 유체층만 구비된 비교예 8 및 9에 비해 실시예 5 내지 7의 수소 수율은 20 % ~ 40 % 가량 높은 것으로 나타났고, 특히 실시예 6과 같이 액상 용융촉매층의 두께가 얇은 경우에도 실시예 7과 유사한 수소 수율을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 실시예 10과 11의 비교에서, 수소 수율의 차이는 계면 통과 이전이나 이후에 일어나는 것 보다 계면 그 자체에서 수율의 차이가 현저하게 발생하는 것으로 볼 수 있다. As shown in Figure 6, the hydrogen yields of Examples 5 to 7 were found to be about 20% to 40% higher than Comparative Examples 8 and 9, which were provided with only a liquid molten catalyst layer or only a heat transfer fluid layer, especially Examples 6 and 7. Likewise, it was confirmed that a hydrogen yield similar to Example 7 could be obtained even when the thickness of the liquid molten catalyst layer was thin. Additionally, in the comparison of Examples 10 and 11, it can be seen that the difference in hydrogen yield occurs significantly at the interface itself rather than before or after passing through the interface.
이에 본 발명과 같이 액상 용융촉매층과 열전달 유체층의 복합 반응층을 구성할 경우 액상 용융촉매를 적게 사용하더라도 높은 수소 수율을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 또한 계면의 위치에 따른 수소 수율의 차이가 크지 않음을 보임으로써 수소 수율의 차이가 계면에서 기포의 분쇄가 일어나 증가한다는 기존 문헌의 예상과는 다르게 반응물 기포 혹은 액적의 지체에 의해 일어나는 것으로 확인되었다.Accordingly, it was confirmed that when a composite reaction layer of a liquid molten catalyst layer and a heat transfer fluid layer is formed as in the present invention, a high hydrogen yield can be obtained even when a small amount of liquid molten catalyst is used. In addition, by showing that the difference in hydrogen yield depending on the position of the interface was not large, it was confirmed that the difference in hydrogen yield was caused by the delay of reactant bubbles or droplets, contrary to the prediction in the existing literature that the difference in hydrogen yield increases due to the crushing of bubbles at the interface.
따라서, 본 발명에 따른 탄화수소 촉매 열분해 반응을 위한 2개 층 이상의 용융물을 포함하는 기포탑 반응기는 최소량의 액상 용융촉매를 사용하면서 탄화수소 유체의 열분해율을 상승시킴과 동시에 탄소 침착 문제를 해결할 수 있음을 확인할 수 있었다.Therefore, the bubble column reactor containing two or more layers of melt for hydrocarbon catalytic pyrolysis reaction according to the present invention can increase the thermal decomposition rate of hydrocarbon fluid while using a minimum amount of liquid melt catalyst and at the same time solve the carbon deposition problem. I was able to confirm.
본 발명은 상기한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명의 개념 및 범위 내에서 상이한 실시예를 구성할 수도 있다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위 및 이와 균등한 것들에 의해 정해지며, 본 명세서에 기재된 특정 실시예에 의해 한정되지는 않는다.Although the invention has been described with reference to the above-described embodiments, different embodiments may be constructed within the spirit and scope of the invention. Accordingly, the scope of the present invention is defined by the appended claims and their equivalents, and is not limited by the specific embodiments described herein.
10 : 열분해 반응로
50 : 촉매 반응부
60 : 액상 용융촉매층
61 : 액상 용융촉매
70 : 열전달 유체층
71 : 열전달 유체
100 : 기포탑 반응기10: Pyrolysis reactor
50: Catalytic reaction unit
60: Liquid molten catalyst layer
61: Liquid melt catalyst
70: heat transfer fluid layer
71: heat transfer fluid
100: bubble column reactor
Claims (6)
상기 열분해 반응로 내부에 배치되며, 비중이 서로 다른 액상 용융촉매 및 열전달 유체를 수용하여 상기 열분해 반응로의 유입부로부터 배출부 방향으로 액상 용융촉매층 및 열전달 유체층이 순차적으로 배치되어 있는 구조를 갖는 촉매 반응부;를 포함하되,
상기 촉매 반응부에 있어서, 열전달 유체의 표면장력은 83 mN/m이상이고, 상기 액상 용융촉매는 Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr Ga, In, Sn, Bi, Te 및 Sb로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속이며, 상기 액상 용융촉매층과 열전달 유체층의 층 두께비는 1 : 0.1 ~ 10인 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기.
A pyrolysis reactor having an inlet formed on one side through which liquid or gaseous hydrocarbon fluid flows, and an outlet formed on the other side through which reaction products are discharged; and
It is disposed inside the thermal decomposition reactor, and has a structure in which liquid molten catalyst and heat transfer fluid with different specific gravity are accommodated, and the liquid molten catalyst layer and heat transfer fluid layer are sequentially arranged from the inlet to the outlet of the thermal decomposition reactor. Including a catalytic reaction unit;
In the catalytic reaction unit, the surface tension of the heat transfer fluid is 83 mN/m or more, and the liquid molten catalyst is Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, Cr Ga, In, Sn, A bubble column reactor comprising at least one metal selected from the group consisting of Bi, Te, and Sb, and wherein the layer thickness ratio of the liquid molten catalyst layer and the heat transfer fluid layer is 1:0.1 to 10.
상기 액상 용융촉매는 제1 금속 및 제2 금속을 포함하고, 상기 제1 금속은 제2 금속보다 녹는점이 높은 금속인 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기.
According to paragraph 1,
The liquid melt catalyst includes a first metal and a second metal, and the first metal is a metal with a higher melting point than the second metal.
상기 제1 금속은 Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V 및 Cr로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속이고, 상기 제2 금속은 Ga, In, Sn, Bi, Te 및 Sb로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상의 금속인 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기.
According to paragraph 2,
The first metal is one or more metals selected from the group consisting of Ni, Co, Mn, Fe, Cu, Zn, Sc, Ti, V, and Cr, and the second metal is Ga, In, Sn, Bi, Te. and at least one metal selected from the group consisting of Sb.
상기 액상 용융촉매는 액상 용융촉매 총 중량에 대하여, 제1 금속 3 wt% ~ 15 wt% 및 제2 금속 85 wt% ~ 97 wt%를 포함하는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기.
According to paragraph 2,
The liquid molten catalyst is a bubble column reactor characterized in that it contains 3 wt% to 15 wt% of the first metal and 85 wt% to 97 wt% of the second metal, based on the total weight of the liquid molten catalyst.
상기 열전달 유체는 하기 화학식 1로 표시되는 화합물 중 어느 하나 이상의 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기:
[화학식 1]
MX
상기 화학식 1에서 M은 Li, Na, K, Sr, Ba, Mg, Ca, Mn, Zn, La, Co, Ni, Cu, Ce, Fe, Sc, Ti, V 및 Cr로 구성된 군에서 선택되고, X는 F, Cl, Br, I, OH, SO3 및 NO3로 구성된 군에서 선택됨.
According to paragraph 1,
A bubble column reactor, wherein the heat transfer fluid contains one or more compounds represented by the following formula (1):
[Formula 1]
MX
In Formula 1, M is selected from the group consisting of Li, Na, K, Sr, Ba, Mg, Ca, Mn, Zn, La, Co, Ni, Cu, Ce, Fe, Sc, Ti, V and Cr, X is selected from the group consisting of F, Cl, Br, I, OH, SO 3 and NO 3 .
상기 액상 용융촉매 및 열전달 유체의 온도는 500 ℃ ~ 1100 ℃인 것을 특징으로 하는 기포탑 반응기.
According to paragraph 1,
A bubble column reactor, characterized in that the temperature of the liquid molten catalyst and heat transfer fluid is 500 ℃ ~ 1100 ℃.
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