KR100976372B1 - Reaction equipment for hi nitrogen monoxide production - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고순도 암모니아(NH3) 가스와 공기의 산화반응에 의하여 일산화질소 가스를 제조하는 고순도 일산화질소 제조용 반응장치에 관한 것이다.The present invention relates to a high purity nitrogen monoxide production reactor for producing nitrogen monoxide gas by oxidation of high purity ammonia (NH 3 ) gas and air.
일산화질소는 반도체 공정에서 산화막을 증착시킬 때 사용하는 재료로서 반도체산업의 활성화로 일산화질소의 소요는 증가되는 추세이다. 또한, 반도체산업의 발달로 일산화질소의 순도 또한 점점 고순도를 요구하고 있는 실정이다. Nitrogen monoxide is a material used to deposit an oxide film in a semiconductor process, and the demand of nitrogen monoxide is increasing due to the activation of the semiconductor industry. In addition, with the development of the semiconductor industry, the purity of nitrogen monoxide is also increasingly required.
일반적으로, 일산화질소는 금속 구리와 묽은 질산을 접촉시켜 제조하고 있으나, 이 제조방법으로 대량 합성시 연속공정이 용이하지 않으며 이 방법으로 제조되는 일산화질소에는 많은 불순물이 포함되어 있을 뿐만 아니라 폐수가 발생하고 생산단가가 매우 비싸기 때문에 대용량의 일산화질소 제조에는 적합하지 않다. In general, nitrogen monoxide is prepared by contacting metal copper with dilute nitric acid. However, this method does not facilitate continuous processing in large-scale synthesis. Nitrogen monoxide produced by this method contains many impurities as well as wastewater. And because the production cost is very expensive, it is not suitable for the production of large-capacity nitrogen monoxide.
다른 일산화질소의 제조방법으로는 한국 공개번호 특1997-003275호의 황-함 유 중합제를 이용한 NO2-비함유 일산화질소의 제조방법이 제공되어 있고, 또 다른 일산화질소의 제조방법으로는 암모니아와 산소를 고온에서 반응시켜 제조할 수 있는데, 이 방법들 또한 불순물의 함유량이 높거나 반응온도의 상승으로 인한 폭발의 가능성이 매우 높아 일산화질소의 대량합성 방법으로는 적합하지 못하다.As another method for producing nitrogen monoxide, a method for producing NO 2 -free nitrogen monoxide using a sulfur-containing polymer of Korean Patent Publication No. 1997-003275 is provided. Another method for preparing nitrogen monoxide includes ammonia and ammonia. Oxygen can be prepared by reacting at a high temperature, and these methods are also not suitable for the mass synthesis method of nitrogen monoxide due to the high content of impurities or the possibility of explosion due to an increase in reaction temperature.
따라서, 일산화질소를 대용량으로 합성하기 위해서는 다른 합성방법이 발명될 필요성이 있으며 생산단가가 낮고 반응온도를 일정하게 유지하기 용이하며 불순물의 대부분이 수분 또는 질소로 발생되어 정제작업하기가 수월한 상기 암모니아 가스와 공기를 반응시켜 일산화질소를 제조하는 방법이 적합하다.Therefore, in order to synthesize nitrogen monoxide in a large amount, a different synthesis method needs to be invented, the production cost is low, the reaction temperature is easy to be maintained constant, and most of the impurities are generated by water or nitrogen, which is easy to purify the ammonia gas. A method of producing nitrogen monoxide by reacting with air is suitable.
상기 암모니아 가스와 공기를 반응시켜 고순도의 일산화질소를 제조하기 위해서는 고순도의 암모니아 가스가 필요하다. High purity ammonia gas is required to produce high purity nitrogen monoxide by reacting the ammonia gas and air.
따라서, 일산화질소의 순도를 높이기 위해서는 그 중에 함유되어 있는 N2O(아산화질소)의 농도를 50ppm 이하로 저하시킬 필요가 있으며, 상기 N2O(아산화질소)의 농도가 50ppm 이하인 고순도의 일산화질소를 제조하기 위해서는 고순도인 99.99995% 이상의 암모니아가 필요하고, 상기 고순도인 99.99995% 이상의 암모니아는 본 발명의 출원인이 제시한 한국 등록특허공보 제10-0584686호의 고순도 암모니아의 대용량 정제방법에 의하여 제조할 수 있다.Therefore, in order to increase the purity of nitrogen monoxide, it is necessary to reduce the concentration of N 2 O (nitrous oxide) contained therein to 50 ppm or less, and the high purity nitrogen monoxide having the concentration of N 2 O (nitrous oxide) of 50 ppm or less. In order to prepare a high purity 99.99995% or more of ammonia is required, the high purity 99.99995% or more of ammonia can be prepared by a large-capacity purification method of high purity ammonia of the Korean Patent Publication No. 10-0584686 proposed by the applicant of the present invention. .
본 발명은 종래에 사용중인 일산화질소의 제조방법이 아닌, 대용량의 제조 방법에 적합한 암모니아와 공기를 고온에서 반응시켜 일산화질소를 획득할 수 있는 고순도 일산화질소 제조용 반응장치를 제공하는데 목적이 있다. It is an object of the present invention to provide a reaction apparatus for producing high-purity nitrogen monoxide, which is capable of obtaining nitrogen monoxide by reacting ammonia and air suitable for a large-capacity manufacturing method at a high temperature, rather than a conventional method for producing nitrogen monoxide.
즉, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 암모니아 가스와 공기를 고온에서 반응시켜 일산화질소를 제조하는 방법에 가장 적합한 반응기의 구조와 이러한 반응기 구조를 가지는 반응장치를 제시하여 일산화질소의 대량합성에 기초가 되는 반응장치를 마련하는데 목적이 있다.That is, the technical problem to be achieved by the present invention is to present a structure of a reactor most suitable for a method of producing nitrogen monoxide by reacting ammonia gas and air at a high temperature, and presenting a reactor having such a reactor structure, based on the mass synthesis of nitrogen monoxide. The purpose is to provide a reaction apparatus.
상기 목적을 달성하고자 본 발명인 고순도 일산화질소 제조용 반응장치는, In order to achieve the above object, the present invention provides a high purity nitrogen monoxide production apparatus,
고순도 암모니아(NH3) 공급장치와 공기공급장치(20)로부터 암모니아(NH3)와 공기를 일정비율로 공급받아 4단으로 이루어진 혼합통과필터와 예열용 히터가 구비된 혼합기에서 혼합/예열하고, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합가스를 반응기는 열처리하여 일산화질소를 생성하고, 상기 생성된 일산화질소는 영하의 저온으로 냉각시켜 수분을 분리하는 냉각분리기를 통과시켜 고순도 일산화질소를 제조하되,Mixing / pre-heating at equipped with a high-purity ammonia (NH 3) supplies the air supplying ammonia from the apparatus (20) (NH 3) and the mixture passed through the filter and the pre-heating heaters made of a four-stage receives the air supply to scale mixer and The mixed gas mixed in the mixer is heat treated to produce nitrogen monoxide, and the produced nitrogen monoxide is cooled to a low temperature below zero to pass a cooling separator separating water, thereby producing high purity nitrogen monoxide.
고순도 암모니아(NH3) 공급장치와 공기공급장치로부터 암모니아(NH3)와 공기를 일정비율로 공급받아 혼합기에서 혼합하고, 상기 혼합기에서 혼합된 혼합가스를 반응기는 열처리하여 일산화질소를 생성하고, 상기 생성된 일산화질소는 영하의 저온으로 냉각시켜 수분을 분리하는 냉각분리기를 통과시켜 고순도 일산화질소를 제조하되,High-purity ammonia (NH 3) supply and the ammonia out of the air supply (NH 3) and receives the air supplied by a percentage mixed in a mixer, and the mixed gas mixed in the mixing reactor is heat-treated produced nitrogen monoxide, wherein The produced nitrogen monoxide is cooled to a low temperature below zero to pass through a cooling separator that separates moisture to produce high purity nitrogen monoxide,
상기 반응기는 양측 단에 각각 혼합가스와 반응한 혼합가스인 일산화질소를 배출하는 유입구와 배출구가 형성된 원통형의 외부몸체와, 상기 외부몸체의 내측면과 이격되어 에어쿨링포트가 형성되도록 설치된 원통형의 내부몸체와, 상기 내부몸체에 다수의 촉매지지대 고정판과 촉매지지대로 이격되어 설치되는 다수개의 Pt-Rh 촉매와, 상기 내부몸체 내의 온도를 측정하는 다수의 온도센서와, 상기 온도센서에 의해 제어되는 히터를 포함하도록 구성됨을 특징으로 한다.The reactor has a cylindrical outer body formed with an inlet and an outlet for discharging nitrogen monoxide, which is a mixed gas reacted with a mixed gas, respectively, at both ends thereof, and an inner side of the cylindrical body disposed to form an air cooling port spaced apart from an inner surface of the outer body. A body, a plurality of catalyst support plates fixed to the inner body and a plurality of Pt-Rh catalysts spaced from the catalyst support, a plurality of temperature sensors for measuring the temperature in the inner body, and a heater controlled by the temperature sensor Characterized in that configured to include.
상기 반응기와 냉각분리기 사이에는 드레인 포트가 더 설치될 수 있다.A drain port may be further installed between the reactor and the cooling separator.
상기 혼합기에는 4개의 통과필터가 형성되되, 상기 통과필터는 다수개의 통과홀이 형성되어 타공판 형태로 이루어진 2개의 제1통과필터와, 중앙에 통과홀이 형성된 2개의 제2통과필터로 이루어지고, 상기 제1통과필터와 제2통과필터는 서로 교차하여 설치됨을 특징으로 한다.Four pass filters are formed in the mixer, and the pass filters are formed of two first pass filters formed in the form of perforated plates with a plurality of pass holes formed therein, and two second pass filters formed with pass holes in the center thereof. The first pass filter and the second pass filter is characterized in that the installation is crossed with each other.
상기 촉매지지대 고정판은 일측에 설치되는 고정용 스프링으로 고정됨을 특징으로 한다.The catalyst support fixing plate is characterized in that it is fixed by a fixing spring installed on one side.
상기 촉매지지대는 Pt-Rh 촉매의 양측에 설치되고, 프레임과 메쉬망으로 이루어짐을 특징으로 한다.The catalyst support is installed on both sides of the Pt-Rh catalyst, characterized in that consisting of a frame and a mesh network.
상기와 같이 이루어진 본 발명의 고순도 일산화질소 제조용 반응장치에 의하면 반응기에 들어가는 반응 유량이 30L이상에서도 반응온도가 일정하게 유지되며 일산화질소 내 수분의 농도 또한 50ppm미만 수준으로 감소시키는 특징이 있다.According to the reactor for producing high-purity nitrogen monoxide according to the present invention made as described above, even if the reaction flow rate into the reactor is 30L or more, the reaction temperature is kept constant, and the concentration of moisture in nitrogen monoxide is also reduced to less than 50 ppm.
첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 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.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, terms or words used in the specification and claims should not be construed as having a conventional or dictionary meaning, and the inventors should properly explain the concept of terms in order to best explain their own invention. Based on the principle that can be defined, it should be interpreted as meaning and concept corresponding to the technical idea of the present invention.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Therefore, the embodiments described in the specification and the drawings shown in the drawings are only the most preferred embodiment of the present invention and do not represent all of the technical idea of the present invention, various modifications that can be replaced at the time of the present application It should be understood that there may be equivalents and variations.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 고순도 일산화질소 제조용 반응장치의 구성 개략도이다.Figure 1 is a schematic diagram of a high purity nitrogen monoxide production reactor showing a preferred embodiment of the present invention.
도 1과 같이 고순도 일산화질소 제조용 반응장치는, 99.99995% 이상의 고순도 암모니아(NH3)를 일정한 유량으로 공급하는 암모니아 공급장치(10)와, 공기를 일정한 유량으로 공급하는 공기공급장치(20)와, 상기 암모니아 공급장치(10)와 공기공급장치(20)로부터 고순도 암모니아와 공기를 일정비율로 공급받아 혼합하고 예열하는 4단으로 이루어진 혼합통과필터(32)와 예열용 히터(35)가 구비된 혼합기(30)와, 상기 혼합기(30)에서 혼합된 혼합가스를 고온에서 열처리하는 다수의 Pt-Rh 촉매가 설치된 반응기(40)와, 상기 반응기(40)에서 열처리하여 생성된 일산화질소를 공급받아 불순물인 수분 등을 제거하는 드레인 포트(50, Drain Port)와, 상기 드레인 포트(50)를 통과한 일산화질소를 영하의 저온(-30~0℃)으로 냉각시켜 수분을 분리하는 냉각분리기(60, Cold Trap)로 구성된다.As shown in FIG. 1, the reactor for producing high purity nitrogen monoxide includes an
상기 암모니아(NH3) 공급장치(10)는 99.99995% 이상의 고순도 암모니아(NH3)가스가 저장된 암모니아(NH3) 탱크와, 상기 암모니아(NH3) 탱크에서 공급되는 암모니아량을 조절하는 유량조절기와, 개폐밸브를 포함하도록 구성되어 일정한 유량의 암모니아(NH3)를 공급 및 차단을 한다.The ammonia (NH 3 )
상기 공기 공급장치(20)는 공기가 저장된 공기 탱크와, 상기 공기 탱크에서 공급되는 공기량을 조절하는 유량조절기와, 개폐밸브(23)를 포함하도록 구성되어 일정한 유량의 공기를 공급 및 차단을 한다.The
상기 혼합기(30, Mixing Chamber)는 도 2와 같이 일단에 암모니아와 공기가 공급되는 유입구(31a)와 상기 유입구(31a) 타측인 단에 암모니아와 공기가 혼합된 혼합가스가 배출되는 배출구(31b)가 형성된 하우징(31)과, 상기 하우징(31) 내부에 설치된 4단의 혼합통과필터(32)와, 혼합되는 혼합가스를 예열하기 위한 히터(35)로 구성된다.The
상기 혼합통과필터(32)는 도 3과 같이 다수개의 통과홀이 형성되어 타공판 형태로 이루어진 2개의 제1통과필터(33)와, 도 4와 같이 중앙에 통과홀이 형성된 2개의 제2통과필터(34)로 이루어지고, 상기 제1통과필터(33)와 제2통과필터(34)는 도 2와 같이 서로 교차하여 설치되어 유입구(31a)로 유입되는 암모니아와 공기를 혼합한다. The mixed
상기 혼합통과필터(32)를 통과하여 혼합되는 암모니아와 공기의 혼합가스는 히터(35)에 의하여 예열된다.The mixed gas of ammonia and air mixed through the mixed
상기 혼합가스는 120 ~ 130℃로 예열되며, 이와 같이 혼합가스를 예열을 하는 경우에는 공기(AIR) 가스에 포함되어 있는 수분을 제거할 수 있다. 상기 예열 온도가 100℃ 미만이면 수분의 완전한 제거가 어려우므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. The mixed gas is preheated to 120 ~ 130 ℃, when preheating the mixed gas in this way it is possible to remove the moisture contained in the air (AIR) gas. If the preheating temperature is less than 100 ° C., it is difficult to completely remove moisture, and thus it is preferable to maintain the above range.
상기 다수의 Pt-Rh 촉매가 설치된 반응기(40)는 혼합기(30)에서 혼합가스를 공급받아 열처리하여 일산화질소를 생성시키는 것으로, 도 5와 같이 이루어진다.The
상기 반응기(40)는 양측 단에 대응되게 각각 혼합가스와 반응한 혼합가스인 일산화질소를 배출하는 유입구(41a)와 배출구(41b)가 형성된 원통형의 외부몸체(41)와, 상기 외부몸체(41)의 내측면과 이격되어 에어쿨링포트(43)가 형성되도록 설치된 원통형의 내부몸체(42)와, 상기 내부몸체(42)에 이격되어 설치된 다수의 Pt-Rh 촉매(44)와, 상기 Pt-Rh 촉매(44)의 양측에 설치되어 지지하는 촉매지지대(45)와, 상기 촉매지지대(45)가 간격을 유지하도록 고정하는 촉매지지대 고정 판(46)과, 상기 촉매지지대(46)를 고정하는 고정스프링(46')과, 상기 내부온도를 측정하는 다수의 온도센서(47)와, 상기 온도센서(47)에 의하여 제어되는 히터(48)와, 퍼지용 헬륨(He)공급관(49)으로 이루어진다.The
도 8과 같이 상기 내부몸체(42)에 촉매지지대 고정판(46)을 삽입하고, 양측으로 촉매지지대(45)가 설치된 Pt-Rh 촉매(44)를 삽입하고, 다시 촉매지지대 고정판(46)을 삽입하고, 양측으로 촉매지지대(45)가 설치된 Pt-Rh 촉매(44)를 삽입하고, 또다시 촉매지지대 고정판(46)을 삽입한 후 고정스프링(46')을 삽입하는 방식으로 내부몸체(42)에 일정한 간격으로 Pt-Rh 촉매(44)를 설치한다.As shown in FIG. 8, the catalyst
이와 같은 설치방식은 Pt-Rh 촉매(44)의 설치위치 조절 및 촉매의 교체가 용이한 특징이 있다. This installation method is characterized in that the installation position control and replacement of the catalyst of the Pt-
상기 촉매지지대(45)는 도 6과 같이 프레임(45a)과 메쉬망(45b)으로 이루어진다.The
상기 Pt-Rh 촉매(44)는 보통 2~5단으로 이루어지며, 도 7의 (a)와 같이 Nitro-Lok 촉매형태, (b)와 같이 Pro-Lok 촉매형태, (c)와 같이 Hi-Lok 촉매형태로 이루어진다. The Pt-
상기 온도센서(45)는 Pt-Rh 촉매(44)와 대응되게 설치되어 Pt-Rh 촉매(44)가 설치된 부분의 내부온도를 측정하는 것이 바람직하다.The
상기와 같이 이루어진 본 발명의 암모니아 가스와 공기를 반응시켜 고순도 일산화질소를 제조하는 고순도 일산화질소 제조용 반응장치는, 암모니아(NH3)와 공기(AIR)를 각각의 유량 조절기를 통과시켜 일정한 비율로 혼합기(30, Mixing Chamber) 내로 공급하여 혼합하는 단계와; 상기 단계에서 혼합된 혼합가스를 고온(550℃ ~ 650℃)의 촉매 반응기(40)에 통과시켜 일산화질소를 생성하는 단계와; 상기 단계에서 생성된 일산화질소를 드레인 포트(50, Drain port)와 냉각분리기(60)로 통과시키며 냉각시켜 불순물인 수분을 제거하는 단계로 이루어진다.The reactor for producing high-purity nitrogen monoxide by reacting ammonia gas and air of the present invention made as described above to produce high-purity nitrogen monoxide comprises passing ammonia (NH 3 ) and air (AIR) through respective flow controllers at a constant ratio. 30, supplying and mixing into a mixing chamber; Generating nitrogen monoxide by passing the mixed gas mixed in the step through the
이와 같은 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조용 반응장치를 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다. When described in more detail the reaction apparatus for producing high purity nitrogen monoxide according to the present invention as follows.
1. 혼합기(Mixing Chamber)에서 혼합하는 단계1. Mixing in Mixing Chamber
원료 암모니아에 함유된 금속불순물, 기체불순물, 수분 및 유분 등을 정제하여 만든 99.99995% 이상의 고순도 암모니아(NH3)와 공기(AIR)를 원료로 사용할 때 비율을 일정하게 하여 혼합한다. 99.99995% or more of high purity ammonia (NH 3 ) made by refining metal impurities, gaseous impurities, moisture and oil contained in the raw material ammonia and air (AIR) is mixed at a constant ratio when using it as a raw material.
상기 암모니아(NH3)와 공기(AIR)는 혼합기를 이용하여 균일한 비율로 충분히 혼합되도록 하며, 상기 원료인 고순도 암모니아와 공기의 체적비율(Vol)은 1:1~15이며, 바람직하게는 1:10의 비율로 혼합하는 것이 좋다.The ammonia (NH 3 ) and air (AIR) is to be sufficiently mixed in a uniform ratio using a mixer, the volume ratio (Vol) of the high-purity ammonia and air as the raw material is 1: 1 to 15, preferably 1 It is good to mix in a ratio of 10.
상기 암모니아(NH3)와 공기(AIR)의 혼합 시 혼합기를 이용하여 혼합가스를 만든 후 120 ~ 130℃로 예열하여 분위기를 조성한다. At the time of mixing the ammonia (NH 3 ) and air (AIR) to create a mixed gas by using a mixer after preheating to 120 ~ 130 ℃ to create an atmosphere.
2. 촉매 반응기에서 산화반응 하는 단계 2. Oxidation reaction in catalytic reactor
상기 혼합하는 단계에서 혼합된 혼합가스를 고온의 (촉매)반응기(40)에 공급하여 열처리한다. The mixed gas mixed in the mixing step is supplied to a high temperature (catalyst)
상기 촉매반응기의 온도는 550 ~ 650℃로 유지시켜 공급된 혼합가스를 열처리한다. The temperature of the catalytic reactor is maintained at 550 ~ 650 ℃ heat treatment of the supplied mixed gas.
상기 열처리에 사용되는 촉매반응기는 특별히 한정하지는 않으나, 본 발명에서는 Pt-Rh 촉매를 가지는 전기로를 사용하였으며, 반응기 내부에는 촉매의 위치를 조정할 수 있도록 설계하였다. 상기 온도가 550 ℃ 미만이면 많은 양의 일산화질소가 합성되지 못하고 불순물의 함량이 많아지게 되므로 상기 범위를 유지하는 것이 바람직하다. The catalytic reactor used for the heat treatment is not particularly limited, but in the present invention, an electric furnace having a Pt-Rh catalyst was used, and designed to adjust the position of the catalyst inside the reactor. If the temperature is less than 550 ℃ it is preferable to maintain the above range because a large amount of nitrogen monoxide is not synthesized and the content of impurities is increased.
고온의 산화반응에 견디기 위하여 촉매 반응기의 재질은 외부몸체는 Sus 316L로 내부몸체는 Hasteloy로 제작되었다. 내부몸체를 Sus 316L로 제작하면 고온의 산화반응에 의하여 부식된 Sus 재질이 Gas 내로 유입되어 Metal 불순물로 발생하게 되며 외부몸체까지 Hasteloy로 제작하면 자재단가가 비싼 Hasteloy로 인해 생산단가가 올라가게 된다. 가격적인 면이나 가스 효율적인 면을 모두 측정하여 고온의 산화반응이 발생하는 내부 자재는 Hasteloy로 반응기 외부는 Sus 316L로 제작하였다. In order to withstand the high temperature oxidation reaction, the material of the catalytic reactor is made of Sus 316L and the inner body is made of Hasteloy. If the inner body is made of Sus 316L, sus material corroded by high temperature oxidation is introduced into the gas and generated as metal impurities. Both the cost- and gas-efficient ones were fabricated from Hasteloy and Sus 316L from the outside of the reactor.
또한, 열처리 시간에 특별히 한정되는 것은 아니나, 촉매에 따라서 연속적 또는 비연속적으로 열처리를 수행할 수도 있다. The heat treatment time is not particularly limited, but heat treatment may be performed continuously or discontinuously depending on the catalyst.
3. 냉각시켜 수분을 제거하는 단계 3. Cooling to remove moisture
상기 촉매반응기에서 산화 반응하는 단계에서 열처리 후 얻어진 생성물을 저온의 냉각분리기(60)를 통과하여 냉각시켜 불순물인 수분을 분리한다. The product obtained after the heat treatment in the step of oxidizing in the catalytic reactor is cooled by passing through a low-
상기 열처리 후 얻어진 생성물인 일산화질소를 냉각분리기(60)에 통과시켜 영하(-) 30~0℃로 냉각시킴으로써 합성 시에 발생되는 수분을 분리하여 일산화질소의 불순물 함량을 낮춘다. 상기 냉각분리기 내의 온도는 위 범위를 유지하는 것이 바람직하다. Nitrogen monoxide, which is a product obtained after the heat treatment, is passed through a cooling
상기와 같이 이루어진 고순도 일산화질소 제조용 반응장치는 반응기에 들어가는 반응 유량이 대용량화되어도 반응온도가 일정하게 유지되며 일산화질소 내 수분의 농도 또한 50ppm미만 수준으로 감소시키며 일산화질소를 제조할 수 있다. The reaction apparatus for preparing high-purity nitrogen monoxide made as described above may maintain the reaction temperature even if the reaction flow rate into the reactor is increased, and reduce the concentration of moisture in nitrogen monoxide to less than 50 ppm, thereby producing nitrogen monoxide.
이하, 상기에서 전술된 바와 같은 고순도 일산화질소 제조용 반응장치의 다양한 실시예를 거쳐 최적화된 반응장치를 발명한다. Hereinafter, an optimized reactor according to various embodiments of the reactor for producing high purity nitrogen monoxide as described above is invented.
[[ 실시예Example 1] 내지 [ 1] to [ 실시예Example 9] 9]
99.99995% 이상의 고순도 암모니아(NH3) 2.3L, 공기(AIR) 20L를 혼합하되, 공기(AIR)와 암모니아(NH3)를 혼합기(30, Mixing Chamber) 내에서 혼합하여 120℃로 예열하여 분위기를 만든다.Mix more than 99.99995% high purity ammonia (NH 3 ) 2.3L, air (AIR) 20L, but mix the air (AIR) and ammonia (NH 3) in a mixer (30, Mixing Chamber) to preheat to 120 ℃ to create an atmosphere .
상기 혼합가스를 반응기인 전기로에 공급하여 합성 온도 600℃ 조건에서 반응(열처리)시키고, 반응된 생성물(가스)을 영하(-) 30 ℃로 유지되는 냉각분리기(60)를 통과시켜 불순물인 수분을 제거하여 고순도 일산화질소를 제조하였다. The mixed gas is supplied to an electric furnace which is a reactor to react (heat treatment) at a synthesis temperature of 600 ° C., and the reacted product (gas) is passed through a cooling
반응기(40)인 전기로를 통과할 때 반응기(30) 내부를 3등분 하되 도면상 유입구(41a) 쪽부터 위치를 1, 2, 3으로 칭하고(도 5참조) 촉매의 위치와 개수를 달리하였다. 촉매의 위치와 개수에 따른 일산화질소의 전환효율을 측정하여 아래 표 1에 나타내었다. When passing through the electric furnace which is the
실험에 사용된 반응기 사이즈는 460mm이며 외부지름은 76mm, 내부지름은 60mm이다.The reactor size used in the experiment was 460mm, the outer diameter was 76mm, and the inner diameter was 60mm.
[표 1]TABLE 1
(L)NH 3
(L)
(L)AIR
(L)
온도(℃)Reactor
Temperature (℃)
(%)NO efficiency
(%)
[ 실시예 10] 내지 [ 실시예 13] [ Example 10] to [ Example 13]
실시예 1 내지 9를 통하여 반응기(40) 내 촉매의 위치와 개수를 최적화한 후 동일한 조건에서 암모니아 가스와 공기를 반응시키되 냉각분리기(60)와 드레인 포트(50, Dain Port)를 통과여부에 따른 수분농도의 차이점을 측정하여 표 2에 나타 내었다.After optimizing the position and number of catalysts in the
[표 2]TABLE 2
[ 실시예 14] 내지 [ 실시예 16] [ Example 14] to [ Example 16]
실시예 1 내지 9를 통해서 반응기(40) 내 촉매의 위치와 개수를 최적화한 후 동일한 조건에서 촉매의 구조에 따른 일산화질소 가스의 전환효율 차이를 표 3에 나타내었다. After optimizing the position and number of catalysts in the
[표 3][Table 3]
[표 1]에서와 같이 암모니아 가스 유량 2.3L와 공기 20L를 반응기 온도 600℃에서 산화 반응시켜 일산화질소 가스를 제조할 때 반응기 내부 촉매의 위치와 개수는 1번 위치 1매 2번 위치 1매일 때 일산화질소의 전환효율이 가장 높은 것으로 나타났다.As shown in Table 1, when producing nitrogen monoxide gas by oxidizing 2.3L of ammonia gas flow rate and 20L of air at the reactor temperature of 600 ° C, the position and number of catalysts in the reactor were 1 position, 1 position, 2 positions, 1 sheet. The conversion efficiency of nitrogen monoxide was found to be the highest.
또한 [표 2]에서와 같이 반응기 후단에 냉각분리기와 Drain Port를 설치하여 생성된 일산화질소 가스가 냉각기와 Drain Port를 통과시키게 하면 합성과정에서 발생하는 수분 불순물을 50ppm이하까지 제거할 수 있음을 확인하였다.In addition, as shown in [Table 2], when the nitrogen monoxide gas generated by installing the cooling separator and the drain port at the rear of the reactor was allowed to pass through the cooler and the drain port, it was confirmed that water impurities generated during the synthesis process could be removed to 50 ppm or less. It was.
[표 3]에서는 촉매의 구조에 따른 NO 효율을 Test 하였다. [표 3]에서와 같이 Pt-Rh 촉매라 할지라도 촉매의 구조가 Hi-Lok의 형태를 띄고 있을 때 NO의 전환효율이 가장 좋은 것으로 측정되었다. In Table 3, NO efficiency was tested according to the structure of the catalyst. As shown in [Table 3], even when the Pt-Rh catalyst had a Hi-Lok structure, the conversion efficiency of NO was determined to be the best.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 고순도 일산화질소 제조용 반응장치의 구성 개략도.Figure 1 is a schematic diagram of a high purity nitrogen monoxide production reactor showing a preferred embodiment of the present invention.
도 2는 고순도 일산화질소 제조용 반응장치에 사용되는 혼합기의 단면도.2 is a cross-sectional view of the mixer used in the reactor for producing high purity nitrogen monoxide.
도 3은 혼합기의 혼합통과필터 중 제1혼합통과필터의 정면도. 3 is a front view of a first mixing pass filter of the mixing pass filter of the mixer;
도 4는 혼합기의 혼합통과필터 중 제2혼합통과필터의 정면도. 4 is a front view of a second mixed pass filter of the mixing pass filter of the mixer;
도 5는 고순도 일산화질소 제조용 반응장치에 사용되는 반응기의 단면도.5 is a cross-sectional view of a reactor used in the reactor for producing high purity nitrogen monoxide.
도 6은 반응기 내에 설치되어 촉매를 지지하는 촉매지지대의 정면도.6 is a front view of the catalyst support installed in the reactor to support the catalyst.
도 7은 Pt-Rh 촉매의 종류를 나타낸 Pt-Rh 촉매 형태 구조를 보여주는 확대도.Figure 7 is an enlarged view showing the Pt-Rh catalyst morphology showing the type of Pt-Rh catalyst.
도 8은 반응기 내의 내부몸체에 Pt-Rh 촉매가 설치되는 것을 알아볼 수 있는 분리사시도.8 is an exploded perspective view in which the Pt-Rh catalyst is installed on the inner body of the reactor.
도 9는 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 9의 방법으로 제조된 고순도 일산화질소의 효율을 나타낸 [표 1]의 그래프.9 is a graph of [Table 1] showing the efficiency of high purity nitrogen monoxide prepared by the method of Examples 1 to 9 of the present invention.
도 10은 본 발명의 실시예 10 내지 실시예 13의 방법으로 제조된 고순도 일산화질소 내의 수분의 농도를 측정한 것을 나타낸 [표 2]의 그래프.10 is a graph of Table 2 showing the measurement of the concentration of water in high purity nitrogen monoxide prepared by the method of Examples 10 to 13 of the present invention.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명][Explanation of symbols on the main parts of the drawings]
10 : 암모니아(NH3) 공급장치 20 : 공기공급장치10: ammonia (NH 3 ) supply device 20: air supply device
30 : 혼합기 31 : 하우징30: mixer 31: housing
32, 33, 34 : 혼합통과필터 35 : 히터32, 33, 34: mixed pass filter 35: heater
40 : 반응기 41, 42 : 몸체40:
43 : 에어쿨링포트 44 : Pt-Rh 촉매43: air cooling port 44: Pt-Rh catalyst
45 : 촉매지지대 46 : 촉매지지대 고정판45: catalyst support 46: catalyst support fixed plate
50 : 드레인 포트 60 : 냉각분리기50: drain port 60: cooling separator
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