KR100550467B1 - 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응로와 상기 반응로 내측에 설치되는 전극과의 높은 전압차를 이용하여 플라즈마 반응을 유도하고 스월구조를 형성하여 플라즈마 반응 원료가 회전유동하도록 함으로써 수 초 내에 고온 상태의 반응을 개시할 수 있으며, 촉매를 구비함으로써 플라즈마 반응 후 재차 촉매반응을 일으키도록 할 수 있으며, 반응구간과 촉매구간 또는 제 1차 반응구간과 제 2차 반응구간 및 촉매구간을 구획함으로써 다양한 플라즈마 반응을 유도할 수 있는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치에 관한 것이다.

플라즈마, 촉매, 반응로, 연속반응구간

Description

연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치{Plasma Reaction Apparatus Having Sequence Reaction block}

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도.

도 2은 본 발명의 제 2실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도.

도 3 및 도 4는 본 발명의 제 2실시예의 변형 가능한 실시예를 나타내는 도면.

도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 반응로 11 : 벽체

15 : 반응구간 15a : 제 1차 반응구간

15b : 제 2차 반응구간 16 : 촉매구간

16a : 반응물질 유입부 20 : 전극

30 : 원료유입로 35 : 보조원료유입구

35a : 유출구 40 : 배출구

50 : 촉매 60 : 열교환수단

본 발명은 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응로와 상기 반응로 내측에 설치되는 전극과의 높은 전압차를 이용하여 플라즈마 반응을 유도하고 스월구조를 형성하여 플라즈마 반응 원료가 회전유동하도록 함으로써 수 초 내에 고온 상태의 반응을 개시할 수 있으며, 촉매를 구비함으로써 플라즈마 반응 후 재차 촉매반응을 일으키도록 할 수 있으며, 반응구간과 촉매구간 또는 제 1차 반응구간과 제 2차 반응구간 및 촉매구간을 구획함으로써 다양한 플라즈마 반응을 유도할 수 있는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치에 관한 것이다.

일반적으로 물질의 상태는 고체, 액체, 기체 등 세가지로 나뉘는데, 상기 고체에 에너지를 가하면 액체가 되고, 이러한 액체에 다시 에너지를 가하면 기체가 되며, 이러한 기체에 보다 높은 에너지를 가하면 전기적 극성을 갖는 전자 및 이온으로 구성된 제 4의 물질 상태인 플라즈마가 발생되는데 자연상태에서는 번개, 오로라, 대기 속의 이온층 등으로 관찰되며, 일상 생활에서 볼 수 있는 인공적인 플라즈마 상태로는 형광등, 수은등, 네온사인 등이 있다.

이러한 플라즈마는 초고온에서 운동에너지가 큰 기체가 상호 충돌에 의해 원자나 분자로부터 음전하를 띈 전자로 분리된 것으로, 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 말하며, 전하의 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 거의 같은 밀도로 분포되어 전기적으로도 거의 중성인 상태이다.

플라즈마는 아크와 같이 온도가 높은 고온 플라즈마와 전자의 에너지는 높지만 이온의 에너지가 낮아 실제로 느끼는 온도는 상온에 가까운 저온 플라즈마로 분류되는데, 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법을 가해 생성한 다음 자기장 등을 이용해 이러한 상태를 유지 하도록 하여 사용한다.

상기 플라즈마는 어떠한 압력조건에서 발생시키느냐에 따라 발생기술 및 활용처가 크게 달라지는데, 압력이 낮은 진공조건에서는 플라즈마를 안정적으로 발생시킬 수 있기 때문에 반도체 공정, 신소재 합성 공정에서는 플라즈마를 발생시켜 화학반응, 증착, 부식에 이용하고, 대기압 상태의 플라즈마는 환경에 유해한 가스를 처리하거나 새로운 물질을 만드는데 이용된다.

최근에는 산업 공정에서 배출되는 악취, 휘발성 유기화합물, 염소 및 다이옥신 등은 인체에 매우 유해하고 전 세계적으로 그 배출규제를 강화하고 있는 추세이므로, 이에 따라 유해가스를 처리하기 위해 많은 기술들이 개발되고 있으며, 기존의 대기오염정화기술인 소각, 촉매, 흡착 또는 생물학적 처리 방법들이 있으나 강화되는 규제를 만족하기에는 충분하지 못한 점이 있다.

또한, 상기 소각 및 촉매 이용 방식은 고온의 열원이 요구되며, 상기 고온의 열원이 지속적으로 유지되어야 하므로 상당히 높은 비용이 소비된다.

통상적으로, 연소 공정은 해리 반응과 산화 반응을 개시할 수 있는 O, OH, H와 같은 자유 라디칼이 형성되는 온도까지 대량의 가스를 가열함으로써 개시되어 유지되며, 순수한 탄화수소의 경우, 완전한 분자 전환에 의해 대기로 직접 방출될 수 있는 물과 이산화탄소가 형성되는데, 상기 분자 전환의 화학적 효율은 탄소 결 합을 효율적으로 끊는 자유 라디칼의 생성과 전파에 의존하므로, 라디칼을 생성하고 연소를 촉진하기 위한 대안적이고 효율적인 방식이 요구된다.

새로운 물질을 만드는 합성가스 생성의 경우 기존의 방식은 고온 상태에서 촉매를 통해 탄화수소계 연료를 개질하는 방법을 사용하여 왔으나 이 방법은 반응기를 고온 상태로 유지하기 위해 버너를 사용하여 1시간 이상의 긴 시동시간과 큰 반응 시스템의 부피 등의 한계를 가지고 있다.

또한, 플라즈마를 이용하여 개질 반응을 유도하는 최근의 다른 결과들에서는 플라즈마의 발생이 전극단에 고정되어 있어 반응의 효율이나 내구성에 있어 한계를 가지게 되며, 추가적인 복합 반응 시스템을 구현하기 위해 필요한 구성 요소들이 반응기와 별도의 장치로 존재하게 되어 시스템 구성상의 난점이 발생한다.

따라서, 빠른 시간내에 반응을 시작할 수 있는 작동성과 높은 내구성 및 반응 효율성을 지니도록 시스템의 개선이 요구된다.

본 발명은 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응로와 상기 반응로 내측에 설치되는 전극과의 높은 전압차를 이용하여 플라즈마 반응을 유도하고 스월구조를 형성하여 플라즈마 반응 원료가 회전유동하도록 함으로써 수 초 내에 고온 상태의 반응을 개시할 수 있으며, 촉매를 구비함으로써 플라즈마 반응 후 재차 촉매반응을 일으키도록 할 수 있으며, 반응구간과 촉매구간 또는 제 1차 반응구간과 제 2차 반응구간 및 촉매구간을 구획함으로써 다양한 플라즈마 반응을 유도할 수 있는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장 치에 관한 것이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 플라즈마 반응장치에 있어서, 일측에 원료를 유입하기 위한 원료유입로가 연통된 중공의 반응로와; 상기 반응로의 내부로 돌출되도록 상기 반응로의 저면에 결합되는 전극;을 포함하여 구성되고, 상기 반응로의 상측에는 반응물질의 배출을 위한 배출구가 형성되며, 상기 반응로는 상기 전극을 포함하는 반응구간과 촉매가 설치되는 촉매구간으로 구획되어 상기 반응구간에서의 반응물질이 상기 촉매구간에서 재차 반응된다.

또한 본 발명은 플라즈마 반응장치에 있어서, 일측에 원료를 유입하기 위한 원료유입로가 연통된 중공의 반응로와; 상기 반응로의 내부로 돌출되도록 상기 반응로의 저면에 결합되는 전극;을 포함하여 구성되고, 상기 반응로의 상측에는 반응물질의 배출을 위한 배출구가 형성되며, 상기 반응로는 상기 전극을 포함하는 제 1반응구간과 상기 제 1반응구간으로 부터의 반응물질이 추가 유입되는 원료에 의해 재차 반응될 수 있도록 보조원료유입관이 연통되는 제 2반응구간과 상기 제 2반응구간으로 부터의 반응물질이 촉매에 의해 반응될 수 있도록 촉매가 설치되는 촉매구간으로 구획되는 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된다.

또한 상기 반응로의 촉매구간 상에는 상기 전극구간에서의 반응물질이 분산되어 상기 촉매로 이동될 수 있도록 다공판이 설치되며, 상기 보조원료유입로의 상측면에는 유입되는 원료가 확산되어 분출될 수 있도록 다수개의 유출구가 형성된 다.

아울러 상기 보조원료유입로은 상기 반응로 내부의 열을 흡수할 수 있도록 상기 반응로의 벽체 내부를 순환한다.

이하, 본 발명에 따른 하나의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 자세히 설명한다.

(실시예 1)

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명은 크게 일정 수용공간에 형성하며 원기둥 형상인 반응로(10)와, 상기 반응로(10)와의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 발생시키는 전극(20)과, 회전유동하며 플라즈마 반응을 일으키도록 원료가 유입되는 유입로(30)와, 반응구간(15)에서 플라즈마 반응 후 형성되는 반응 물질이 재차 촉매반응을 일으키도록 촉매구간(16)에 형성되는 촉매(50)와, 촉매반응 후의 반응물질이 배출되도록 구비되는 배출구(40)로 이루어진다.

상기 반응로(10)는 일정 수용공간을 가지도록 중공형태의 원기둥 형상을 가지며, 상기 전극(20)과의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 일으키도록 전기적으로 접지된다.

한편 상기 전극(20)은 반응로(10)의 수용공간에 반응로(10)의 벽체(11)와 일정간격 이격되어 설치되며 고전압상태가 형성되도록 전기적으로 연결된다.

또한 상기 전극(20)은 상협하광의 원추 형태로 저면에는 원기둥이 연장 형성 되고, 원추의 꼭지점과, 원추와 원기둥의 연결부분은 라운드 형성되되, 상기 원추와 원기둥의 연결지점은 길이 상향방향으로 점차 넓게 형성된다.

여기서 전극(20)의 원추형상에 연장형성되되 직경이 보다 작은 원기둥 구조를 가짐으로써 반응로(10) 내로 유입되는 원료 간에 혼합을 위한 충분한 공간 확보가 가능해진다.

또한 전극(20)의 상측이 라운드 형성됨에 따라 회전유동을 타고 상승한 플라즈마가 전극에서 떨어져 나가도록 유도되고 이는 전극 끝단에 고온의 반응영역이 형성하여 연료의 전환률을 현격히 상승시킨다.

한편 상기 유입로(30)는 상기 반응로(10) 하부측에 일체로 결합되며, 외부에서 원료를 유입할 수 있도록 외부와 연결된다.

또한 상기 유입로(30)는 유입되는 원료가 플라즈마 형성공간에 회전유동하도록 벽면과 경사지게 스월(swirl)구조로 관통 형성된다.

한편 상기 촉매(50)는 반응구간(15)에서 플라즈마 반응을 일으킨 반응물질이 재차 촉매반응(50)을 일으키도록 구비되는데 상기 촉매(50)는 반응로(10) 내에 반응구간(15) 상단의 촉매구간(16)에 위치한다.

또한 상기 촉매구간(16)에 유입되는 유입부(16a) 측에는 다수개의 관통홀을 형성하거나 다공판을 형성하여 반응물질이 유입됨에 있어 분산되어 보다 더 반응이 원활하도록 할 수 있다.

한편 상기 배출구(40)는 반응로(10) 상부측에 외부로 배출될 수 있게 개방된 형태로 구비되며, 상기 배출구(40)는 반응로(10)와 같은 직경을 가지도록 하여 신 속히 플라즈마 반응을 유도할 수 있으며, 보다 긴 플라즈마 반응시간을 목적하여 배출구의 직경을 작게 형성시키거나 다수개의 다공을 형성할 수 있음은 물론이다.

(실시예 2)

도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도이다.

본 발명의 제 2실시예는 크게 일정 수용공간에 형성하며 원기둥 형상인 반응로(10)와, 상기 반응로(10)와의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 발생시키는 전극(20)과, 회전유동하며 플라즈마 반응을 일으키도록 원료가 유입되는 유입로(30)와, 반응구간(15)에서 플라즈마 반응 후 형성되는 반응 물질이 재차 촉매반응을 일으키도록 촉매구간(16)에 형성되는 촉매(50)와, 촉매반응 후의 반응물질이 배출되도록 구비되는 배출구(40)로 이루어진다.

여기서 상기 반응구간(15)은 다시 제 1차 반응구간(15a)와 제 2차 반응구간(15b)로 나뉘는데, 제 1차 반응구간(15a)에서는 원료유입로(30)로부터 유입되는 원료가 플라즈마 반응을 일으키는 구간이며, 제 2차 반응구간(15b)에서는 외부와 연통되어 있는 보조원료유입로(35)로부터 보조원료가 유입되어 플라즈마 반응물질과 재차 플라즈마 반응을 일으키게 된다.

상기 보조원료유입로(35)는 제 2차 반응구간(15b)에 보조원료가 유입되도록 외부와 연결되며 반응로(10) 내에 일정 길이 내입된 형태로 설치되며, 확산을 보다 원활히 하기 위해 다수개의 유출구(35a)가 형성되거나 다공판 형태로 설치될 수 있 다.

또한 변형 가능한 형태로서 도 3과 같이 보조원료유입로(35)는 나선형 관체의 형태로 설치되어 액상의 보조원료가 유입되어 반응로 내에 열에 노출됨으로써 기상으로 상태변화를 일으켜 기상의 보조원료가 반응로 내에 플라즈마 반응을 일으키도록 할 수 있다.

여기서도 나선형 관체의 유출구(35a)는 다수개가 형성되거나 다공판 형태로 설치될 수 있음은 물론이다.

또한 변형 가능한 실시예로서 제 2차 반응구간에 보조원료를 유입시키는 방법에 있어 도 4와 같이 반응로(10) 벽체(11) 내에 순환한 뒤 제 2차 반응구간에 유입되도록 보조원료유입로(35)를 형성할 수 있다.

이에 따라 액상인 보조원료가 반응로 벽체(11)를 순환하면서 기상으로 상태변화를 일으킨 뒤 반응로(10) 내의 제 2차 반응구간에 유입되게 된다.

(실시예 3)

도 5는 본 발명의 제 3실시예에 따른 플라즈마 반응장치를 나타내는 단면도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 제 3실시예는 일정 수용공간에 형성하며 원기둥 형상인 반응로(10)와, 상기 반응로(10)와의 전압차를 형성하여 플라즈마 반응을 발생시키는 전극(20)과, 회전유동하며 플라즈마 반응을 일으키도록 원료가 유입되는 유입로(30)와, 반응구간(15)에서 플라즈마 반응 후 형성되는 반응 물질이 재차 촉 매반응을 일으키도록 촉매구간(16)에 형성되는 촉매(50)와, 촉매반응 후의 반응물질이 배출되도록 구비되는 배출구(40)로 이루어진다.

여기서 상기 촉매구간(16)은 수차례의 촉매반응을 유도하기 위해 촉매(50)를 다수개 형성하고(도면에서는 2개 형성), 상기 다수개로 형성되는 촉매(50) 사이에 보조원료유입로(35)를 형성하여 유입되는 보조원료와 촉매반응을 일으킨 촉매반응물질과의 재차 플라즈마 반응을 유도할 수 있다.

또한 상기 다수개 형성된 촉매(50) 사이에 촉매반응의 반응조건을 조절하도록 반응로 내의 열을 흡수하는 열교환수단(60)을 설치할 수 있는데, 이러한 열교환 수단(60)은 열교환되는 표면적을 증대시켜 열교환 효율을 높이도록 중공의 나선형 관체인 것이 바람직하다.

또한 상기 열교환수단(60)의 일측은 외부와 연결되어 열교환을 목적으로 하는 유체가 유입되며, 타측이 외부와 연결되어 유체가 열교환 후 배출되도록 형성될 수 있으며, 열교환 후의 유체를 상기 반응로(10) 내측의 플라즈마 형성공간으로 유입되도록 벽체를 관통하여 연결할 수 있다.

여기서 상기 열교환 수단(60)에 유입되는 유체는 액상이 바람직하며, 상기 열교환 수단(60)의 관체를 유동하면서 열교환되며 열교환 수단(60)의 일측과 타측이 외부와 연결된 경우 고온의 액상 또는 기상으로의 상태변화를 일으키며, 타측이 반응로(10) 내부와 연결된 경우 기상으로의 상태변화 후 반응로(10) 내부로 유입되게 된다.

상술된 바와 같이 본 발명은 반응로와 상기 반응로 내측에 설치되는 전극과의 높은 전압차를 이용하여 플라즈마 반응을 유도하고 스월구조를 형성하여 플라즈마 반응 원료가 회전유동하도록 함으로써 수 초 내에 고온 상태의 반응을 개시할 수 있다.

또한 촉매를 구비함으로써 플라즈마 반응 후 재차 촉매반응을 일으키도록 할 수 있으며, 반응구간과 촉매구간 또는 제 1차 반응구간과 제 2차 반응구간 및 촉매구간을 구획함으로써 다양한 플라즈마 반응을 유도할 수 있다.

더불어 보조원료유입로의 형태를 나선형 관체 또는 반응로 벽체 내를 순환하도록 하여 액상인 반응 원료를 기상으로 상태변화 후 플라즈마 반응을 유도하도록 한다.

Claims (11)

1. 플라즈마 반응장치에 있어서,

   일측에 원료를 유입하기 위한 원료유입로(30)가 연통된 중공의 반응로(10)와;

   상기 반응로(10)의 내부로 돌출되도록 상기 반응로(10)의 저면에 결합되는 전극(20);을 포함하여 구성되고,

   상기 반응로(10)의 상측에는 반응물질의 배출을 위한 배출구(40)가 형성되며, 상기 반응로(10)는 상기 전극(20)을 포함하는 반응구간(15)과 촉매(50)가 설치되는 촉매구간(16)으로 구획되어 상기 반응구간(15)에서의 반응물질이 상기 촉매(50)가 설치되는 촉매구간(16)에서 재차 반응되고, 상기 원료유입로(30)는 유입되는 원료가 반응로(10)공간에 회전유동하도록 반응로(10)의 벽체(11)와 경사지게 스월구조로 형성된 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.
2. 플라즈마 반응장치에 있어서,

   일측에 원료를 유입하기 위한 원료유입로(30)가 연통된 중공의 반응로(10)와;

   상기 반응로(10)의 내부로 돌출되도록 상기 반응로(10)의 저면에 결합되는 전극(20);을 포함하여 구성되고,

   상기 반응로(10)의 상측에는 반응물질의 배출을 위한 배출구(40)가 형성되며, 상기 반응로(10)는 상기 전극(20)을 포함하는 제 1반응구간(15a)과 상기 제 1반응구간(15a)으로부터의 반응물질이 추가 유입되는 원료에 의해 재차 반응될 수 있도록 보조원료유입로(35)이 연통되는 제 2반응구간(15b)과 상기 제 2반응구간(15b)으로 부터의 반응물질이 촉매에 의해 반응될 수 있도록 촉매(50)가 설치되는 촉매구간(16)으로 구획되고, 상기 원료유입로(30)는 유입되는 원료가 반응로(10)공간에 회전유동하도록 반응로(10)의 벽체(11)와 경사지게 스월구조로 형성된 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 반응로(10)의 촉매구간(16)의 반응물질 유입부(16a)에는 상기 제 2반응구간(15b)에서의 반응물질이 분산되어 상기 촉매(50)로 이동될 수 있도록 다공판(60)이 설치되는 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.
4. 삭제
5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 보조원료유입로(35)은 나선형 관체인 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.
6. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 보조원료유입로(35)의 상측면에는 유입되는 원료가 확산되어 분출될 수 있도록 다수개의 유출구(35a)가 형성된 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.
7. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 보조원료유입로(35)은 상기 반응로(10) 내부의 열을 흡수할 수 있도록 상기 반응로(10)의 벽체(11) 내부를 순환하는 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.
8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 전극(20)은 상협하광의 원추 형태로 저면에는 원기둥이 연장 형성되고, 원추의 꼭지점과, 원추와 원기둥의 연결부분은 라운드 형성되되, 상기 원추와 원기둥의 연결지점은 길이 상향방향으로 점차 넓게 형성된 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.
9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 촉매구간(16)에는 다수개의 촉매(60)가 상,하 위치차를 형성하며 설치된 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 촉매구간(16)에 다수개로 설치되는 촉매(50) 사이에는 유입되는 원료와 촉매반응을 일으키도록 보조원료유입로(35)가 촉매구간(16)과 연통되는 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.
11. 제 9 항에 있어서,

    상기 촉매구간(16)에 다수개로 설치되는 촉매(50) 사이에는 반응로(10) 내의 열을 흡수하도록 열교환수단(60)이 설치되는 것을 특징으로 하는 연속 반응구간이 형성된 플라즈마 반응장치.

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