주요 연구내용

마이크로채널 반응기를 이용한 고효율 반응공정 연구

마이크로채널 반응기(microchannel reactor, MCR)는 촉매 반응층과 냉각층이 교대로 적층된 형태로서, 단위 부피당 열교환 면적이 기존의 반응기에 비해 크므로 강한 흡열이나 발열반응에 적합하다. 또한 MCR은 기존 열교환능에 의해 제약받던 낮은 촉매 수행능력을 극대화할 수 있어 반응기 단위부피당 생산성이 10배 이상 증가시킬 수 있는 장점이 있고 기존 반응기에 비해 보다 컴팩트화되어 Fischer-Tropsch 합성분야에서는 이미 상업화가 진행되고 있다. 또한 MCR은 반응층과 냉각층을 적층한 후 한번에 확산접합(diffusion bond)과 같은 방법으로 비 교적 쉽게 제작이 가능 하며 제작비용도 크지 않다. MCR은 일정규모 반응기 크기까지 검증이 되면 이를 number up에 의해 scale up이 가능하므로 기술의 상업화가 보다 용이하다. 본 연구실에서는 Fischer-Tropsch 합성용 MCR을 개발하고 이를 파이럿 규모(0.2bpd)에서 기술 검증을 한 바 있다 [그림 2, 3].

메탄의 산화이량화 반응용 반응기 연구

C1가스 리파이너리 사업단의 과제로서 메탄의 산화이량화 반응(Oxidative Coupling of Methane, OCM)용 반응기를 개발하는 연구를 수행하고 있다. 본 연구에서도 마이크로채널 반응기를 사용함으로서 강한 발열반응인 OCM 반응의 반응열을 제어하고자 한다. OCM 반응은 800도씨 이상의 고온에서 반응이 주로 일어나기 때문에 반응열 제어를 위한 냉매의 사용이 제한된다. 주로 사용되는 고온의 스팀은 사용량이 너무 많기 때문에, 본 연구에서는 비슷한 온도 조건에서 흡열 반응인 메탄의 스팀 리포밍 반응으로 냉각제 대신 사용하는 방법을 채택하였다. 이 방법의 이점은 적은 가스양으로도 온도조절이 용이하고, 덤으로서 합성가스를 얻기 때문에 전체 공정의 에너지 효율과 탄소 효율을 획기적으로 개선할 수 있는 이점이 있다. OCM 반응으로 생성된 C2 화합물은 활용하고 나머지 부산물(CO, CO2, H2)과 미반응 메탄은 별도의 분리없이 리포밍 반응으로 재순환하여 사용하게 하면 공정의 단순화를 이룰 수 있다. 공정의 단순화와 소형화/compact화는 중소규모 가스 활용에 매우 중요한 요소가 될 것이기 때문에 기술의 상업화 가능성이 기대된다.

연구실 현황

본 연구실은 2016년 5월부터 ‘C1가스 리파이너리 사업단’의 C1가스 리파이너리 공정시스템 개발에 참여하고 있으며, 이를 위해 열 및 물질전달이 성능을 극대화하는 메탄의 산화이량화 반응층과 메탄의 개질 반응층을 교대로 적층하는 형태인 마이크로채널 반응기를 개발을 위해 아주대학교 박명준 교수 연구팀과 함께 진행하고 있다.
한국화학연구원 C1가스전환연구그룹은 박사급 연구원 7명 석사급 연구원 8명 석사과정 학생 2명이 있으며 최근 5년 동안 40여편의 SCI급 논문과 국내외 특허출원 45여건 및 특허등록 55 여건 등의 연구실적이 있다.