KR100825260B1 - 탄소나노튜브제조장치에 사용되는 연속생산형 수소추출장치 - Google Patents

탄소나노튜브제조장치에 사용되는 연속생산형 수소추출장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 탄소나노튜브제조장치에 사용되는 연속생산형 수소추출장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 암모니아로부터 탄소나노튜브 제조장치에 공급하기 위한 수소를 추출하는 수소추출장치는 상기 암모니아를 가열하여 상기 암모니아를 상기 수소와 질소로 분해하여 수소혼합물을 생성하는 반응장치와; 상기 수소혼합물을 온도변환흡착(Thermal Swing Adsorption)을 통해 상기 수소혼합물에 함유된 수분을 제거하는 온도변환흡착장치와; 상기 수소혼합물을 압력변환흡착(Pressure Swing Adsorption)을 통해 상기 수소혼합물에서 상기 질소를 제거하는 압력변환흡착장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 암모니아가 통과하는 복수의 반응관을 가열하여 암모니아를 수소와 질소로 분해하고, 이를 이용하여 분해된 암모니아를 압축변환흡착 및 온도변환흡착하여 고순도의 수소를 추출할 수 있다.

Description

탄소나노튜브제조장치에 사용되는 연속생산형 수소추출장치{CONTINUOUS PRODUCTION TYPE HYDROGEN EXTRACTION APPARATUS FOR CARBON NANOTUBE MANUFACTURING APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 수소추출장치의 구성을 도시한 도면이고,
도 2는 도 1의 수소추출장치의 반응장치의 단면도이고,
도 3은 도 1의 수소추출장치의 반응장치의 평면도이고,
도 4는 도 1의 수소추출장치의 분배기의 단면도이고
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 압력변환흡착장치의 수소추출공정을 도시한 도면이고,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 수소추출장치를 이용한 수소추출공정을 도시한 도면이다.
<도면의 주요부호에 대한 설명>
1 : 수소추출장치 10: 반응장치
11 : 분배기 12 : 반응관
20 : 온도변환흡착장치 21 : 열교환기
22 : 제1 냉각기 30 : 압력변환흡착장치
40 : 압축기 41 : 제2 냉각기
본 발명은 탄소나노튜브제조장치에 사용되는 연속생산형 수소추출장치에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 암모니아가 통과하는 복수의 반응관을 가열하여 암모니아를 수소와 질소로 분해하고, 수소와 질소로 분해된 암모니아를 압축변환흡착 및 온도변환흡착하여 고순도의 수소를 추출하는 연속생산형 수소추출장치에 관한 것이다.
여기서, 탄소나노튜브를 생산하는 방법은 열화학 기상증착식, 레이져증착식, 전기방전식등 다수의 생산방법이 개발되었으나, 탄소나노튜브 양산 시 효율적인 열화학 기상증착식을 주로 사용하고 있다. 여기서, 열화학 기상증착식은 금속촉매에 탄화수소를 고온 하에 반응시켜서 탄소나노튜브를 생산하는 방식이다. 이 방식에서 사용되는 금속촉매는 공기에 노출됨에 의해 산화되어 있으므로, 수소와 반응시켜 환원되도록 하는 공정을 거치게 된다. 이에, 탄소나노튜브 생산공정에 사용되는 수소는 고순도의 것이 요구된다.
산업용으로 수소를 생산하는 대표적인 방법으로는 석유 부산물 및 나프타분해공정을 들 수 있다. 나프타 분해 공정(NCC : NAPHTHA CRACKING CENTER)은 일반적으로 석유화학의 기초원료인 에틸렌(C2H4)과 프로필렌(C2C3H6)을 생산하는 공정이나, 수소 생산을 위해 연결 공정으로 접목한 것이다. 그러나, 위 공정은 수소 생산을 위한 에너지 소비가 높을 뿐만 아니라 단위 공정으로써 수소만을 필요로 하는 산업에 접목하기가 어려운 실정이다. 또한, 차량 등의 운송 수단을 이용함으로 인해 상당량의 추가 비용을 증가시키는 요인이 된다.
한편, 열화학 기상증착식 탄소나노튜브 생산 방식에서는 많은 양의 수소를 필요로 하고 수소에 함유된 불순물에 의해 생산되는 탄소나노튜브의 품질이 저하되는 문제점도 가지고 있었다. 따라서, 현장에서 고 순도의 수소를 생산하여 곧바로 생산설비에 공급할 수 있는 On-Site시스템 적용이 생산력을 갖추는데 있어서 필요하다. 기타의 방법으로는 탄화수소와 물을 촉매분해하거나, 물을 전기분해 하는 등 여러방법이 시도되고 있으나, 아직 기술적으로 연구 수준에 있다.
또한, 탄소나노튜브 생산공정 시, 생산되는 탄소나노튜브의 양, 탄소나노튜브의 종류, 제조공정상의 단계에 따라 요구되는 수소의 양도 변화한다. 따라서, 종래에서 수소가 담긴 용기를 구입하여 탄소나노튜브 생산공정에 사용할 시 생산공정에 공급되는 수소의 양을 탄소나노튜브의 생산량에 대응하여 일일이 조절해야하는 문제점이 있었다. 또한, 수소가 담긴 용기는 가격이 고가이며, 수소가 담긴 용기의 운송, 보관 및 취급에 어려움이 있었다.
상술한 문제점을 해소하기 위해, 본 발명은 탄소나노튜브제조장치에 사용되는 연속생산형 수소추출장치에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 암모니아가 통과하는 복수의 반응관을 가열하여 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 반응장치와, 반응장치를 사용하여 분해된 암모니아를 압축변환흡착 및 온도변환흡착하여 고순도의 수소를 추출하는 수소추출장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적은 본 발명에 따른 암모니아로부터 탄소나노튜브 제조장치에 공급하기 위한 수소를 추출하기 위한, 상기 암모니아를 가열하여 상기 암모니아를 상기 수소와 질소로 분해하여 수소혼합물을 생성하는 반응장치와; 상기 수소혼합물을 온도변환흡착(Thermal Swing Adsorption)을 통해 상기 수소혼합물에 함유된 수분을 제거하는 온도변환흡착장치와; 상기 온도변환흡착장치에 의해 수분이 제거된 상기 수소혼합물로부터 상기 압력변환흡착(Pressure Swing Adsorption)을 통해 상기 질소를 제거하여 상기 수소를 추출하는 압력변환흡착장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소추출장치에 의해 달성된다.
여기서, 상기 반응장치는 상기 암모니아가 통과하는 복수의 반응관과; 공급되는 상기 암모니아를 상기 복수의 반응관으로 분배하는 분배기와; 상기 반응관을 통과하는 상기 암모니아를 가열하여 상기 수소혼합물을 생성하는 제1 가열기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 가열기는 상기 반응관과 인접하게 상기 반응관을 따라 배치되어 상기 반응관에 열을 전달하기 위한 적어도 하나의 열전달부와; 상기 열전달부를 발열시키는 열공급부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 온도변환흡착장치는 상기 수소혼합물을 냉각하는 수소혼합물냉각기와; 상기 수소혼합물냉각기에 의해 냉각된 상기 수소혼합물로부터 상기 수분을 흡착 제거하기 위한 온도흡착제를 갖는 적어도 하나의 온도변환흡착탑을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 온도변환흡착장치는 상기 수분을 흡착하는 흡착모드와 상기 온도흡착제에 흡착된 상기 수분을 배출하는 재생모드 중 어느 하나도 동작 가능하며;상기 흡착모드로 동작시 상기 온도변환흡착탑에 의해 수분이 제거된 상기 수소혼합물이 상기 압력변환흡착장치로 공급되도록 개방되는 제1 TSA밸브와, 상기 재생모드로 동작시 상기 수분이 흡착된 온도흡착제를 가열하는 제2 가열기와; 상기 재생모드로 동작시 상기 제2 가열기에 의해 가열된 상기 수분 및 상기 수소혼합물이 외부로 배출되도록 개방되는 제2 TSA밸브와; 상기 제2 TSA밸브를 통해 외부로 배출되는 상기 수소혼합물을 연소시키는 연소장치를 더 포함하며, 상기 흡착모드로 동작시 상기 제2 TSA밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제1 TSA밸브가 개방되고, 상기 재생모드로 동작시 상기 제1 TSA밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제2 TSA밸브가 개방될 수 있다.
여기서, 상기 암모니아가 상기 반응장치로 공급되는 제1 공급관과; 상기 수소혼합물이 상기 반응장치에서 상기 온도변환흡착장치로 공급되는 제2 공급관을 더 포함하고, 상기 수소혼합물냉각기는 상기 제1 공급관 및 상기 제2 공급관이 상호 인접하게 배치되어, 상기 제1 공급관을 통과하는 상기 암모니아과 상기 제2 공급관을 통과하는 상기 수소혼합물 간의 열교환이 발생하는 열교환부와; 상기 열교환부를 통과한 상기 수소혼합물을 냉각시키는 제1 냉각기를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 온도변환흡착장치는 상기 온도변환흡착탑과 상기 압력변환흡착장치 사이에 마련되어, 상기 온도변환흡착탑에 의해 상기 수분이 제거된 상기 수소 혼합물을 저장하기 위한 제1 저장탱크를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 압력변환흡착장치는 상기 온도변환흡착장치에 의해 수분이 제거된 상기 수소혼합물을 압축하는 압축기와; 상기 압축기에 의해 압축된 상기 수소혼합물을 냉각하는 제2 냉각기와; 상기 제2 냉각기에 의해 냉각된 상기 수소혼합물로부터 상기 질소를 흡착 제거하기 위한 적어도 하나의 압력흡착제를 갖는 압력변환흡착탑을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 압력변환흡착장치는 상기 제2 냉각기에 의해 냉각된 상기 수소혼합물의 상기 압력변환흡착탑으로의 공급 여부를 단속하기 위한 제1 PSA밸브와, 상기 압력변환흡착탑에 의해 상기 질소가 흡착되어 추출된 상기 수소의 배출을 단속하기 위한 제2 PSA밸브와, 상기 압력변환흡착탑으로부터 상기 압력흡착제에 흡착된 상기 질소의 배출을 단속하기 위한 제3 PSA밸브와, 상기 제2 PSA밸브를 통과한 상기 수소 중 소정량을 추출하기 위한 제1 유량조절기와, 상기 제2 PSA밸브를 통과한 상기 수소 중 상기 제1 유량조절기에 의해 추출된 상기 수소의 량과 상이한 량을 추출하기 위한 제2 유량조절기와, 상기 제1 유량조절기에 의해 추출된 상기 수소의 상기 압축변환흡착탑으로의 공급 여부를 단속하기 위한 제4 PSA밸브와, 상기 제2 유량조절기에 의해 추출된 상기 수소의 상기 압축변환흡착탑으로의 공급 여부를 단속하기 위한 제5 PSA밸브와, 상기 압력변환흡착탑 내의 상기 수소혼합물의 다른 압축변환흡착탑으로의 공급 여부를 단속하기 위한 제6 PSA밸브를 포함하며; 상기 제3 PSA밸브, 상기 제4 PSA밸브, 상기 제5 PSA밸브 및 상기 제6 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제1 PSA밸브 및 상기 제2 PSA밸브를 개방된 상태에서, 상기 압력변환흡 착탑이 상기 수소를 추출하는 공정과, 상기 제1 PSA밸브, 상기 제2 PSA밸브, 상기 제3 PSA밸브, 상기 제4 PSA밸브 및 상기 제5 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제6 PSA밸브가 개방된 상태에서, 상기 압력변환흡착탑의 내부가 감압되어 상기 압력흡착제에 흡착된 상기 질소가 탈착되고 상기 다른 압력변환흡착탑의 내부가 증압되도록 상기 압력변환흡착탑으로부터 상기 다른 압력변환흡착탑으로 상기 수소를 공급하는 공정과, 상기 제1 PSA밸브, 상기 제2 PSA밸브, 상기 제4 PSA밸브, 상기 제5 PSA밸브 및 상기 제6 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제3 PSA밸브가 개방된 상태에서, 상기 증압되도록 상기 수소를 공급하는 공정에 의해 탈착된 상기 질소가 배출되는 공정과, 상기 제1 PSA밸브, 상기 제2 PSA밸브, 상기 제5 PSA밸브 및 상기 제6 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제3 PSA밸브 및 상기 제4 밸브가 개방된 상태에서 상기 압력변환흡착탑의 내부를 세정하는 공정과, 상기 제1 PSA밸브, 상기 제2 PSA밸브, 상기 제3 PSA밸브, 상기 제4 PSA밸브 및 상기 제6 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제5 밸브가 개방된 상태에서 상기 압력변환흡착탑의 내부를 증압하는 공정을 순차적으로 반복수행 할 수 있다.
여기서, 상기 압력변환흡착장치는 상기 제2 냉각기와 상기 압력변환흡착장치 사이에 마련되어, 상기 제2 냉각기에 의해 냉각되고 수분이 제거된 상기 수소가 제거된 상기 수소혼합물을 저장하기 위한 제2 저장탱크와; 상기 압력변환흡착탑으로부터 추출된 상기 수소를 저장하기 위한 수소저장탱크를 더 포함할 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 탄소나노튜브제조장치에 사용되는 연속생산형 수소추출장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 수소추출장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이 반응장치(10), 온도변환흡착장치(20), 압력변환흡착장치(30)를 포함한다.
반응장치(10)는 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 암모니아가 통과하는 복수의 반응관(12), 공급되는 암모니아를 복수의 반응관(12)으로 분배하는 분배기(11) 및 반응관(12)을 통과하는 암모니아를 가열하는 제1 가열기(13,14)를 포함한다. 여기서, 본 실시예에서의 암모니아(NH3)는 암모니아공급밸브(101)을 개방하여 암모니아저장고(100)로부터 제1 공급관(17)을 통해 반응장치(10)로 공급되는 것을 일 예로 하였다. 여기서, 암모니아공급밸브(101)는 반응장치(10) 내부의 압력변환에 따라 공급하는 암모니아의 량을 조절하는 압력조절밸브로 마련된다.
그리고, 분배기(11)는 도 4에 도시된 바와 같이, 암모니아저장고(100)로부터 제1 공급관(17)을 통해 공급되는 암모니아를 복수의 반응관(12)으로 분배한다. 여기서, 분배기(11)는 각 반응관(12)으로 암모니아의 균일한 분배을 도모하기 위해, 내부에 배플판(18)과 천공판(19)이 구비된다. 이에, 분배기(11) 내에서 배플판(18)의 크기 및 상대위치와 천공판(19)의 구멍 직경 및 간격에 의해 각 반응관(12)으로의 암모니아의 분배를 결정한다.
본 실시예에서 반응관(12)은 내열성 및 내식성을 중시한 오스테나이트계 강종인 SUS310S 재질로 구비되며, 여섯 개가 마련되어 제1 가열기(13,14)에 의해 암모니아가 가열될 시 가열효율을 증가시키는 것을 일 예로 하였다.
또한, 본 실시예에서의 제1 가열기(13,14)는 반응관(12)을 통과하는 암모니 아에 열을 전달하기 위한 열전달부(13)와 열전달부(13)를 발열시키기 위한 열공급부(14)를 포함한다. 따라서, 도 3에 도시된 바와 같이, 여섯개의 반응관(12)의 중심은 열전달부(13)의 중심을 기준으로 소정간격 이격되어 설치되고 반응관(12)의 표면과 열전달부의 표면을 인접하게 하여, 열전달부(13)로부터 전달되는 열을 각 반응관(12)으로 동일하게 전달하도록 한다.
그리고, 반응장치(10)는 열전달부(13)로부터 전달되는 열의 손실을 최소화시키기 위해, 열전달부(13)와 반응관(12)을 내부에 수용하는 하우징(120)과 반응관(12)을 통해 가열되어 암모니아가 분해된 수소혼합물을 제2 공급관(16)으로 배출하는 배출장치(15)를 더 포함한다. 여기서 하우징(120)은 열응력을 중시한 연강판 및 형강의 용접구조로 마련되며, 내면에는 단열을 위한 세라믹화이버(Ceramic Fiber)가 코팅되어 있다. 여기서, 세라믹화이버(Ceramic Fiber)재질의 판을 하우징(120)의 내면에 부착하여 단열을 할 수 있음은 물론이다. 그리고, 배출장치(15)는 각 반응관(12)을 통해 가열되어 분해된 수소혼합물을 통합하여 반응장치의 외부로 배출하는 닥트등으로 구비될 수 있다.
그리고, 열공급부(14)는 열전달부(13)를 가열하기 위한 전기히터등으로 마련되는 비금속 발열체로 구비될 수 있으며, 열전달부(13)에 의해 하우징(120) 내부의 온도가 대략 1200℃로 유지되도록 열전달부(13)를 가열한다.
온도변환흡착장치(20)는 반응장치(10)로부터 추출되는 수소혼합물에서 수분을 제거하여 수분이 제거된 수소혼합물을 배출하기 위해 마련된다. 이에, 온도변환흡착장치(20)는 수소혼합물냉각기(21,22), 온도변환흡착탑(23a,23b), 제2 가열기 (26) 및 연소장치(28)를 포함한다.
수소혼합물냉각기(21,22)는 반응장치(10)로부터 배출되는 고온의 수소혼합물을 냉각한다. 본 실시예에서의 수소혼합물냉각기(21,22)는 열교환기(21)와 제1 냉각기(22)를 포함하는 것을 일 예로 하였다.
열교환기(21)는 암모니아가 공급되는 제1 공급관(17)과 반응장치(10)로부터 수소혼합물이 배출되는 제2 공급관(16)을 상호 인접하게 위치하도록 하여 저온의 암모니아과 고온의 수소혼합물이 상호 열교환을 하게 한다. 따라서, 반응장치(10)로 공급되는 암모니아가 예열되어 열효율성을 증가시키고, 수소혼합물을 냉각하는 기능를 동시에 수행할 수 있다.
제1 냉각기(22)는 열교환기(21)에 의해 냉각된 수소혼합물을 다시 냉각하여 온도변환흡착탑(23a,23b)으로 공급한다. 여기서, 열교환기 및 제1 냉각기에 의해 수소혼합물을 냉각하는 것은 온도변환흡착탑(23a,23b)내에서 온도흡착제에 의해 수분을 제거할 시, 온도가 낮은 상태에서 수행하는 것이 효율적이기 때문이다.
온도변환흡착탑(23a,23b)은 온도흡착제를 내부에 포함하여, 제1 냉각기(22)로부터 냉각되어 공급되는 수소혼합물에 포함된 수분을 온도흡착제에 의해 온도변환흡착하여 제거함으로써 수분이 제거된 수소혼합물을 배출한다. 본 실시예에서의 온도흡착제는 제습효과가 우수한 제올라이트 3A-Type으로 마련되는 것이 바람직하다. A-TYPE 제올라이트는 세공의 크기에 따라 3A, 4A, 5A 등으로 구분되며, 3A, 4A, 5A 타입의 제올라이트의 세공의 크기는 각각 대략 3, 4, 5 옹스트롱(Å)이다. 제올라이트가 흡착할 수 있는 물질은 세공의 크기보다 작은 물질이므로, 제올라이트 3A-TYPE은 3옹스트롱 이하의 크기의 물질만을 흡착할 수 있다. 물의 분자의 크기는 2.8옹스트롱이므로 제올라이트 3A-TYPE은 수분을 흡착하는데 매우 적합하다. 즉 본 실시예의 온도흡착제로 사용된 제올라이트 3A-TYPE은 세공의 크기가 대략 3옹스트롱인 것으로서 크기가 3옹스트롱 이상의 물질은 흡착하지 않고 수분만을 흡착하게 되므로 수분흡착용도로 매우 적합하다. 여기서 온도변환흡착은 저온일 시 온도흡착제에 의해 흡착이 이루어지고, 고온일 시 탈착이 이루어지는 공정이다.
제2 가열기(26)는 온도변환흡착을 수행한 온도흡착제를 가열하여, 흡착된 수 분을 온도흡착제로부터 탈착 방출하기 위해 마련된다. 이 경우, 온도흡착제를 가열하는 온도는 대략 300℃인 것이 바람직하다.
본 실시예에서의 온도변환흡착탑(23a,23b)은 두 개가 마련되어 제1 온도변환흡착탑(23a), 제2 온도변환흡착탑(23a)인 것을 일 예로 하였다. 이에, 각 온도변환흡착탑(23a,23b)은 수분이 제거된 수소혼합물을 배출하기 위한 제1 TSA밸브(25a,25b)와 온도변환흡착을 통해 수분이 흡착된 온도흡착제를 제2 가열기(26)를 통해 가열하여, 온도흡착제로부터 방출된 수분과 수소혼합물을 배출하는 제2 TSA밸브(24a,24b)를 각각 포함한다. 따라서, 제1 TSA밸브(25a,25b)와 제2 TSA밸브(24a,24b)가 순차적으로 개폐됨으로써, 각 온도변환흡착탑(23a,23b)은 수소혼합물을 온도변환흡착하는 흡착모드와, 또는 온도변환흡착하여 수분이 흡착된 온도흡착제를 재생하는 재생모드를 수행한다.
예컨데, 제1 온도변환흡착탑(23a)의 제1 TSA밸브(25a)와 제2 온도변환흡착탑(23b)의 제2 TSA밸브(24b)가 개방되고, 제1 온도변환흡착탑(23a)의 제2 TSA밸브(24a)와 제2 온도변환흡착탑(23b)의 제1 TSA밸브(25b)가 폐쇄되었다고 가정하겠다. 이 경우, 제1 온도변환흡착탑(23a)은 수소혼합물냉각기(21,22)를 통해 냉각된 수소혼합물의 수분을 온도흡착제로 흡착 제거하고, 수분이 제거된 수소혼합물을 제1 TSA밸브(25a)를 통해 배출한다. 그리고, 제2 온도변환흡착탑(23b)은 수분이 흡착된 온도흡착제를 가열하여 수분을 온도흡착제로부터 탈착시키고, 수소혼합물냉각기(21,22)를 통해 냉각된 수소혼합물과 탈착된 수분을 제2 TSA밸브(24b)를 통해 배출된다. 이에 따라, 각 온도변환흡착탑(23a,23b)은 순차적으로 온도에 의해 흡착 및 탈착을 상호 반복함으로써, 수소혼합물의 수분을 제거하는 공정을 연속적으로 수행한다.
연소장치(28)는 제2 TSA밸브(24a,24b)를 통해 배출되는 수소혼합물를 연소시켜 외기로 배기한다. 수소혼합물에는 수소가 포함됨에 의해 향후 배기되었을 시, 폭발할 수 있는 위험성이 있다. 따라서, 이를 사전에 예방하기 위해 연소장치(28)는 수소혼합물 내의 포함된 수소를 연소시킨다.
또한, 본 실시예에서의 온도변환흡착장치(20)는 배출되는 수분이 제거된 수소혼합물을 저장하기 위한 제1 저장탱크(27)를 더 포함하는 것을 일 예로 하였다.
압력변환흡착장치(30)는 온도변환흡착장치(20)로부터 배출되는 수분이 제거된 수소혼합물에서 질소를 제거하여 고순도의 수소를 추출하기 위해 마련된다.
따라서, 본 실시예에 따른 압력변환흡착장치(30)는 도 1에 도시된 바와 같이, 압축기(40), 제2 냉각기(41) 및 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)을 포함한다.
압축기(40)는 수분이 제거된 수소혼합물이 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)내에서 흡착공정이 이루어지도록 수분이 제거된 수소혼합물을 가압한다. 본 실시예에서의 압축기는 수분이 제거된 수소혼합물이 대략 5~6Kg/cm2의 압력을 유지하도록 가압하며, 저에너지소모율과 안정성이 있는 왕복동식 압축기로 마련되는 것이 바람직하다.
제2 냉각기(41)는 압축기(40)에 의해 가압됨에 따라, 온도가 소정 상승한 수분이 제거된 수소혼합물을 냉각하기 위해 마련된다.
본 실시예에서의 압력변환장치는 압축기(40)와 제2 냉각기(41)에 의해 압축되고 냉각되고 수분이 제거된 수소혼합물을 저장하기 위한 제2 저장탱크(42)를 포함하는 것을 일 예로 하였다.
압력변환흡착탑(31a,31b,31c)은 압력흡착제를 내부에 포함하여, 제2 냉각기(41)로 냉각되고 수분이 제거된 수소혼합물의 질소를 압력흡착제에 의해 압력변환흡착하여 제거함으로써 고 순도의 수소를 추출하기 위해 마련된다. 또한, 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)은 압력변환흡착탑의 내부를 감압하여 압력흡착공정에 의해 질소가 흡착된 압력흡착제에서 탈착된 질소를 배기하여 압력흡착제를 재생한다.
여기서, 수분이 제거된 수소혼합물은 반응장치(10)에 의해 분해되지 않은 소량의 암모니아 또는 온도변환흡착장치(20)에 의해 제거되지 않거나 공정 중에 유입된 소량의 수분을 더 포함할 수 있다.
따라서, 압력흡착제는 수분이 제거된 수소혼합물의 질소를 흡착 제거하기 위한 Li-LSX흡착제, 소량의 암모니아를 흡착 제거하기 위한 제오라이트 13X 흡착제, 및 소량의 수분을 흡착 제거하기 위한 알루미나 흡착제를 포함하는 것을 일 예로 하였다. 따라서, 압력흡착제에 의해 질소가 제거된 수소는 대략 99.99%의 고순도를 가질 수 있다.
본 실시예에서의 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)은 제1 압력변환흡착탑(31a), 제2 압력변환흡착탑(31b), 제3 압력변환흡착탑(31c)으로 세 개가 마련되는 것을 일 예로 하였다. 그리고 각각의 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)들은 제2 냉각기(41)로 냉각된 수분이 제거된 수소혼합물을 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)으로의 공급 여부 를 단속하는 제1 PSA밸브(32a,32b,32c), 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)으로부터 추출된 수소의 배출을 단속하기 위한 제2 PSA밸브(33a,33b,33c), 제2 PSA밸브(33a,33b,33c)를 통과한 수소 중 소정량을 추출하기 위한 제1 유량조절기(38a),제1 유량조절기(38a)에 의해 추출된 수소의 량과 상이한 량을 추출하기 위한 제2 유량조절기(38b), 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)으로부터 추출된 질소의 배출을 단속하기 위한 제3 PSA밸브(34a,34b,34c), 제1 유량조절기(38a)에 의해 추출된 수소를 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)으로 공급하는 여부를 단속하기 위한 제4 PSA밸브(35a,35b,35c), 제2 유량조절기(38b)에 의해 추출된 수소를 압축변환흡착탑(31a,31b,31c)으로 공급 여부를 단속하기 위한 제5 PSA밸브(36a,36b,36c), 및 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)들 중 적어도 어느 하나로부터 추출된 수소를 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)들 중 다른 하나로 공급하여 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)들 중 적어도 어느 하나의 내부 압력을 감소시키고 압력변환흡착탑(31a,31b,31c) 중 적어도 다른 하나의 내부압력을 증가시키기 위한 제6 PSA밸브(37a,37b,37c)를 각각 포함한다.
이에 따라, 각 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)들은 제1 PSA밸브(32a,32b,32c), 제2 PSA밸브(33a,33b,33c), 제3 PSA밸브(34a,34b,34c), 제4 PSA밸브(35a,35b,35c), 제5 PSA밸브(36a,36b,36c), 제6 PSA밸브(37a,37b,37c)의 개폐의 의해 수분이 제거된 수소혼합물로부터 질소를 흡착하는 공정, 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)의 내부를 감압하는 공정, 압력흡착제에 흡착된 질소를 탈착하는 공정, 탈착된 질소를 배기하는 공정, 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)의 내부를 세정하는 공정 및 압력변환흡 착탑(31a,31b,31c)의 내부를 가압하여 흡착을 준비하는 공정을 차례로 반복수행하여 수분이 제거된 수소혼합물에서 고순도의 수소를 추출한다.
여기서, 각 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)이 동작하는 공정을 도 5을 참조하여 설명하겠다. 제1 압력변환흡착탑(31a)이 제1 PSA밸브(32a)와 제2 PSA밸브(33a)를 개방하여 흡착공정을 수행하여 수소를 추출하고, 제2 압력변환흡착탑(31b)은 제3 PSA밸브(34b)를 개방하여 탈착된 질소를 배기하며, 제3 압력변환흡착탑(31c)은 제3 PSA밸브(34c) 및 제4 PSA밸브(35c)를 개방하여 제3 압력변환흡착탑(31c)의 내부를 고순도의 수소로 세정한다(a).
그리고, 제1 압력변환흡착탑(31a)과 제2 압력변환흡착탑(31b)이 각 제6 PSA밸브(37a,37b)를 개방하여 제1 압력변환흡착탑(31a)에 잔존하는 수소를 제2 압력변환흡착탑(31b)에 공급하여 제1 압력변환흡착탑(31a)의 내부의 압력을 감소시키면서 제2 압력변환흡착탑(31b)의 내부의 압력을 증가시킴에 의해 제1 압력변환흡착탑(31a)의 압력흡착제의 질소를 탈착하고, 제3 압력변환흡착탑(31c)은 제1 PSA밸브(32c)와 제2 PSA밸브(33c)를 개방하여 흡착공정을 수행하여 수소를 추출한다(b).
그리고, 제1 압력변환흡착탑(31a)은 제3 PSA밸브(34a)를 개방하여 탈착된 질소를 배기하며, 제2 압력변환흡착탑(31b)은 제5 PSA밸브(36b)를 개방하여 제2 압력변환흡착탑(31b)의 내부의 압력을 흡착이 가능한 압력으로 증가시켜 다음 흡착을 대비한다(c).
그리고, 제2 압력변환흡착탑(31b)은제1 PSA밸브(32b) 및 제2 PSA밸브(33b)를 개방하여 수소를 추출하고, 제1 압력변환흡착탑(31a)과 제3 압력변환흡착탑(31c)은 각 제6 PSA밸브(37a,37c)를 개방하여 제1 압력변환흡착탑(31a)의 내부를 증압하고 제3 압력변환흡착탑(31c)의 내부의 감압을 유도하여 탈착 공정을 준비한다. 그리고, 제1 압력변환흡착탑(31a)은 제4 PSA밸브(35a)와 제3 PSA밸브(34a)를 개방하여 제1 압력변환흡착탑(31a)의 내부를 세정한다(d).
그리고, 제1 압력변환흡착탑(31a)은 제5 PSA밸브(36a)를개방하여 제1 압력변환흡착탑(31a)의 내부를 증압하고, 제3 압력변환흡착탑(31c)는 제3 PSA밸브(34c) 및 제4 PSA밸브(35c)를 개방하여 제3 압력변환흡착탑(31c)의 내부를 세정한다(e).
이처럼, 각 압력변환흡착탑(31a,31b,31c)들은 순차적으로 흡착 및 탈착을 반복하여 연속적인 수소의 추출이 가능하다.
또한, 본 실시예에서의 압력변환흡착장치(30)는 추출된 수소를 저장하기 위한 수소저장탱크(43)를 포함하는 것을 일 예로 하였다.
한편, 본 실시예에서의 수소추출장치(1)는 내부에 존재하는 불순물을 제거하기 위해, 수소추출장치(1)를 운전하기 전, 후에 질소를 공급하여 불순물을 수소추출장치(1)의 외부로 배기하는 질소공급장치(110)를 더 포함하는 것을 일 예로 하였다.
이하에서는 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 수소추출장치(1)를 사용하여 수소를 추출하는 공정을 설명하겠다.
질소공급장치(110)로부터 공급되는 질소는 수소추출장치(1)로 공급한다. 이에, 수소추출장치(1)를 가동하지 않았을 시 유입된 불순물을 외기로 배출하여 수소추출장치(1)의 내부를 세정한다(S1). 그리고, 암모니아공급장치(100)에서 암모니아 를 수소추출장치(1)로 공급한다(S2). 그리고, 공급된 암모니아는 반응장치(10)에 의해 수소와 질소로 분해되어 수소혼합물이 추출된다(S3). 그리고, 추출된 수소혼합물은 열교환기(21)와 제1 냉각장치(22)를 통해 냉각된다(S4). 그리고, 냉각된 수소혼합물은 온도변환흡착장치(20)에 의해 수분이 제거된다.(S5). 그리고, 수분이 제거된 수소혼합물은 압축기(40) 및 제2 냉각기(41)에 의해 압축되고 냉각된다(S6). 그리고, 압축되고 냉각되고 수분이 제거된 수소혼합물은 압력변환흡착장치(30)에 의해 질소, 소량의 수분 및 소량의 암모니아가 제거되어(S7) 수소가 추출된다(S8).
본 실시예에 따른 수소추출장치(1)는 암모니아에서 수소를 추출하는 공정이 상술한 바와 같이 연속생산되므로, 탄소나노튜브 생산공장에 설치되어 탄소나노튜브 생산공정에 수소를 직접 공급하는 것이 가능하다. 이 경우, 탄소나노튜브생산공정에 요구되는 수소의 양은 가변적이므로, 수소추출장치(1)에 의해 추출되는 수소의 양도 가변적이 된다. 여기서, 본 발명에 따른 수소추출장치(1)는 추출되는 수소량이 증가하면 내부의 압력이 감소하여, 암모니아조절밸브(101)에 의해 암모니아의 공급이 증가한다. 따라서, 추출되는 수소량에 대응하여 암모니아 공급량이 자동으로 조절되므로, 추출되는 수소량을 조절하기 위해 암모니아 공급을 일일이 조절할 필요가 없다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 공급되는 암모니아가 통과하는 복수의 반응관을 가열하여 암모니아를 수소와 질소로 분해된 수소혼합물로 전환하고, 수소혼합물을 압축변환흡착 및 온도변환흡착하여 고순도의 수소를 추출하는 연속생산형 수소추출장치에 의해 고순도의 수소를 추출하는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 연속생산형 수소추출장치를 탄소나노튜브제조장치에 설치하여 추출되는 수소를 탄소나노튜브 생산공정에 직접 공급할 수 있는 효과가 있으며, 추출되는 수소량에 대응하여 암모니아의 공급량이 자동 조절되고, 암모니아 공급량의 가동 조절에 의해 추출되어 공급되는 수소량도 자동 조절되는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 암모니아로부터 탄소나노튜브 제조장치에 공급하기 위한 수소를 추출하는 수소추출장치에 있어서,
    상기 암모니아를 가열하여 상기 암모니아를 상기 수소와 질소로 분해하여 수소혼합물을 생성하는 반응장치와;
    상기 수소혼합물을 온도변환흡착(Thermal Swing Adsorption)을 통해 상기 수소혼합물에 함유된 수분을 제거하는 온도변환흡착장치와;
    상기 온도변환흡착장치에 의해 수분이 제거된 상기 수소혼합물로부터 상기 압력변환흡착(Pressure Swing Adsorption)을 통해 상기 질소를 제거하여 상기 수소를 추출하는 압력변환흡착장치를 포함하며,
    상기 반응장치는
    상기 암모니아가 통과하는 복수의 반응관과;
    공급되는 상기 암모니아를 상기 복수의 반응관으로 분배하는 분배기와;
    상기 반응관을 통과하는 상기 암모니아를 가열하여 상기 수소혼합물을 생성하는 제1 가열기를 포함하며,
    상기 온도변환흡착장치는
    상기 수소혼합물을 냉각하는 수소혼합물냉각기와;
    상기 수소혼합물냉각기에 의해 냉각된 상기 수소혼합물로부터 상기 수분을 흡착 제거하기 위한 온도흡착제를 갖는 적어도 하나의 온도변환흡착탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소추출장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 가열기는
    상기 반응관과 인접하게 상기 반응관을 따라 배치되어 상기 반응관에 열을 전달하기 위한 적어도 하나의 열전달부와;
    상기 열전달부를 발열시키는 열공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소추출장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 온도변환흡착장치는
    상기 수분을 흡착하는 흡착모드와 상기 온도흡착제에 흡착된 상기 수분을 배출하는 재생모드 중 어느 하나도 동작 가능하며;
    상기 흡착모드로 동작시 상기 온도변환흡착탑에 의해 수분이 제거된 상기 수소혼합물이 상기 압력변환흡착장치로 공급되도록 개방되는 제1 TSA밸브와,
    상기 재생모드로 동작시 상기 수분이 흡착된 온도흡착제를 가열하는 제2 가열기와;
    상기 재생모드로 동작시 상기 제2 가열기에 의해 가열된 상기 수분 및 상기 수소혼합물이 외부로 배출되도록 개방되는 제2 TSA밸브와;
    상기 제2 TSA밸브를 통해 외부로 배출되는 상기 수소혼합물을 연소시키는 연소장치를 더 포함하며,
    상기 흡착모드로 동작시 상기 제2 TSA밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제1 TSA밸브가 개방되고, 상기 재생모드로 동작시 상기 제1 TSA밸브가 폐쇄된 상태에서 상기 제2 TSA밸브가 개방되는 것을 특징으로 하는 수소추출장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 암모니아가 상기 반응장치로 공급되는 제1 공급관과;
    상기 수소혼합물이 상기 반응장치에서 상기 온도변환흡착장치로 공급되는 제2 공급관을 더 포함하고,
    상기 수소혼합물냉각기는
    상기 제1 공급관 및 상기 제2 공급관이 상호 인접하게 배치되어, 상기 제1 공급관을 통과하는 상기 암모니아과 상기 제2 공급관을 통과하는 상기 수소혼합물 간의 열교환이 발생하는 열교환부와;
    상기 열교환부를 통과한 상기 수소혼합물을 냉각시키는 제1 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 수소추출장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 온도변환흡착장치는
    상기 온도변환흡착탑과 상기 압력변환흡착장치 사이에 마련되어, 상기 온도변환흡착탑에 의해 상기 수분이 제거된 상기 수소혼합물을 저장하기 위한 제1 저장탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소추출장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압력변환흡착장치는
    상기 온도변환흡착장치에 의해 수분이 제거된 상기 수소혼합물을 압축하는 압축기와;
    상기 압축기에 의해 압축된 상기 수소혼합물을 냉각하는 제2 냉각기와;
    상기 제2 냉각기에 의해 냉각된 상기 수소혼합물로부터 상기 질소를 흡착 제거하기 위한 적어도 하나의 압력흡착제를 갖는 압력변환흡착탑을 포함하는 것을 특징으로 하는 수소추출장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 압력변환흡착장치는
    상기 제2 냉각기에 의해 냉각된 상기 수소혼합물의 상기 압력변환흡착탑으로의 공급 여부를 단속하기 위한 제1 PSA밸브와,
    상기 압력변환흡착탑에 의해 상기 질소가 흡착되어 추출된 상기 수소의 배출 을 단속하기 위한 제2 PSA밸브와,
    상기 압력변환흡착탑으로부터 상기 압력흡착제에 흡착된 상기 질소의 배출을 단속하기 위한 제3 PSA밸브와,
    상기 제2 PSA밸브를 통과한 상기 수소 중 소정량을 추출하기 위한 제1 유량조절기와,
    상기 제2 PSA밸브를 통과한 상기 수소 중 상기 제1 유량조절기에 의해 추출된 상기 수소의 량과 상이한 량을 추출하기 위한 제2 유량조절기와,
    상기 제1 유량조절기에 의해 추출된 상기 수소의 상기 압축변환흡착탑으로의 공급 여부를 단속하기 위한 제4 PSA밸브와,
    상기 제2 유량조절기에 의해 추출된 상기 수소의 상기 압축변환흡착탑으로의 공급 여부를 단속하기 위한 제5 PSA밸브와,
    상기 압력변환흡착탑 내의 상기 수소혼합물의 다른 압축변환흡착탑으로의 공급 여부를 단속하기 위한 제6 PSA밸브를 포함하며;
    상기 제3 PSA밸브, 상기 제4 PSA밸브, 상기 제5 PSA밸브 및 상기 제6 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제1 PSA밸브 및 상기 제2 PSA밸브를 개방된 상태에서, 상기 압력변환흡착탑이 상기 수소를 추출하는 공정과,
    상기 제1 PSA밸브, 상기 제2 PSA밸브, 상기 제3 PSA밸브, 상기 제4 PSA밸브 및 상기 제5 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제6 PSA밸브가 개방된 상태에서, 상기 압력변환흡착탑의 내부가 감압되어 상기 압력흡착제에 흡착된 상기 질소가 탈착되고 상기 다른 압력변환흡착탑의 내부가 증압되도록 상기 압력변환흡착탑으로부터 상기 다른 압력변환흡착탑으로 상기 수소를 공급하는 공정과,
    상기 제1 PSA밸브, 상기 제2 PSA밸브, 상기 제4 PSA밸브, 상기 제5 PSA밸브 및 상기 제6 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제3 PSA밸브가 개방된 상태에서, 상기 증압되도록 상기 수소를 공급하는 공정에 의해 탈착된 상기 질소가 배출되는 공정과,
    상기 제1 PSA밸브, 상기 제2 PSA밸브, 상기 제5 PSA밸브 및 상기 제6 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제3 PSA밸브 및 상기 제4 밸브가 개방된 상태에서 상기 압력변환흡착탑의 내부를 세정하는 공정과,
    상기 제1 PSA밸브, 상기 제2 PSA밸브, 상기 제3 PSA밸브, 상기 제4 PSA밸브 및 상기 제6 PSA밸브가 폐쇄되고 상기 제5 밸브가 개방된 상태에서 상기 압력변환흡착탑의 내부를 증압하는 공정을 순차적으로 반복수행하는 것을 특징으로 하는 수소추출장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 압력변환흡착장치는
    상기 제2 냉각기와 상기 압력변환흡착장치 사이에 마련되어, 상기 제2 냉각기에 의해 냉각된 상기 수분이 제거된 상기 수소혼합물을 저장하기 위한 제2 저장탱크와;
    상기 압력변환흡착탑으로부터 추출된 상기 수소를 저장하기 위한 수소저장탱크를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수소추출장치.
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