KR101107755B1 - 브롬화수소 제조를 위한 반응기와 브롬화수소 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

브롬화수소 제조를 위한 반응기와 브롬화수소 제조방법 및 제조장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수소와 브롬가스를 Pt, Pd, Cu, Ni 등으로 제조된 촉매가 충진된 반응기에서 반응시켜 브롬화수소를 생산하므로 반응온도를 낮추어서 작업의 안전성을 높이고 반응조건을 균일하게 유지하여 제조되는 브롬화수소의 품질을 높일 수 있는 브롬화수소 반응기와 브롬화수소 제조장치 및 제조방법을 제공하는데 그 목적과 효과가 있다.
본 발명은 브롬화수소를 제조하기 위하여 수소가스와 브롬가스를 혼합하는 장치에 의하여 수소와 브롬가스를 혼합하여 반응기로 주입하고, 가스의 혼합비율은 몰비로 브롬(Br)가스 1에 대하여 수소가스를 0.5내지 2.0사이에서 유지하며, 수소가스와 브롬가스가 혼합된 기체는 열교환기 형태로 제작된 반응기로 유입되어 반응기 내부의 반응관에 충진된 촉매와 접촉 반응하여 브롬화수소를 생성하며, 반응개시 온도는 80℃내지 250℃구간에서 이루어지고, 반응이 개시되기 전에 컨트롤장치에서 히터를 동작시켜 반응기 내부의 온도를 150℃정도로 유지하며, 일단 반응이 개시되면 발열반응에 의해 열매체의 출구온도가 상승하게 되고, 이때부터 히터에 의한 열 공급이 중단되며, 냉각장치로 냉각수를 공급하여 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 브롬화수소를 생성하도록 구성되어 있다.
브롬, 촉매, 반응열, 브롬화수소 제조장치, 반응기, 냉각장치

Description

브롬화수소 제조를 위한 반응기와 브롬화수소 제조방법 및 제조장치{A Reactor for Manufacturing HBr, A Manufacturing Apparatus and A Manufacturing Method of HBr}
본 발명은 반도체 제조공정의 하나인 에칭공정에 사용되는 브롬화수소를 제조하기 위하여 수소와 브롬가스를 혼합하는 장치를 구성하거나 수소가스를 기화기에 저장된 브롬용액에 주입하여 버블링시켜 수소가스와 브롬가스가 혼합되어 반응기로 주입되고, 가스의 혼합비율은 몰비로 브롬(Br)가스 1에 대하여 수소가스를 0.5내지 2.0사이로 유지하며, 기화기내부의 온도는 20℃내지 70℃사이에서 유지하고, 수소가스와 브롬가스가 혼합된 기체는 열교환기 형태로 제작된 반응기로 주입하여 반응기 내부에 설치된 반응관에 충진된 촉매와 접촉 반응하여 브롬화수소를 생성하며, 반응개시 온도는 80℃내지 250℃구간에서 이루어지고, 반응이 개시되기 전에 컨트롤장치를 이용하여 히터를 동작시켜 반응관의 온도를 150℃정도로 유지하며, 일단 반응이 개시되면 발열반응에 의해 열매체의 출구온도가 상승하게 되고, 이때부터 히터에 의한 열 공급이 중단되며, 냉각장치로 냉각수를 공급하여 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 브롬화수소 제조할 수 있도록 설계 제작된 반응기와 브롬화수소 제조방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 브롬화수소를 얻는 방법은 수소와 브롬을 연소시켜서 얻는데 이때 화염온도가 600℃~800℃ 까지 상승하고 단열의 경우에는 1600℃까지 상승하므로 작업 시에 작업자의 안정성 및 편이성이 크게 떨어지고 생산, 유지 및 관리 비용이 크게 증가하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 브롬화수소를 얻는 방법으로는 브롬과 수소를 직접 연소시켜 얻는 것으로 한국특허 특1998-0001819 및 한국특허 1999-0063016에 개시되어 있으나, 이 특허에서는 브롬과 수소를 그라파이트 반응기내에서 연소버너로 연소시키고 반응기 하부에 냉각기가 설치되어 있으며, 이러한 직접연소에 의한 제조에서는 항상 폭발의 위험성이 있고, 고온에 의한 제조장치의 부식으로 가스유출사고가 발생할 수 있는 문제점이 있고, 고온에서 수소가스와 브롬가스를 반응시키기 위하여 필요한 냉각장치, 가열장치, 안전장치 등 설계 제작 시에 고려해야할 사항들이 많고, 이들을 설치하기 위한 비용이 크게 증가하며, 작업 시에 장치를 용이하게 제어하기 어려운 문제점이 있다.
종래의 방법은 앞서 설명한 바와 같이 화염온도가 600℃~800℃까지 상승하고 단열할 경우에 1600℃까지 상승하므로 균일한 온도에서 화염없이 브롬화수소를 합성할 수 없으므로 생성되는 브롬화수소의 품질의 안정성 및 작업의 안전성을 달성하기가 어려운 문제점이 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 브롬화수소를 얻기 위한 반응은
H2 + Br2 -> 2HBr
으로 격렬한 발열반응이며, 반응개시온도, 즉 화염생성온도가 600℃ 정도이므로, 반응기 내부의 반응관에 Pt, Pd, Cu, Ni 등으로 제조된 촉매를 충진시켜 사용하므로 반응개시온도를 250℃이하로 낮추어 브롬화수소를 생성시킬 수 있으므로 장치의 내구성 및 신뢰성을 높이고, 작업의 안정성을 높이며, 반응효율을 높이는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 반응기를 열교환기 형태로 반응기 내부에 하나 또는 2개 이상의 다수의 반응관을 병렬로 설치하고, 반응관 외측에는 발생된 열을 냉각수에 의해 효율적으로 냉각시킬 수 있도록 구성함으로써 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 화염을 발생시키지 않고 브롬화수소를 반응 생성할 수 있으므로 생성된 브롬화수소의 품질의 안정성을 높이고, 작업시에 작업자의 안전성을 향상시키는데 있다.
본 발명이 과제 해결 수단은 반도체 공정 중의 하나인 에칭공정에 사용되는 브롬화수소를 제조하기 위하여 수소가스와 브롬가스를 혼합하는 장치를 구성하거나 수소가스를 기화기에 저장된 브롬용액에 주입하여 버블링시켜 수소가스와 브롬가스 가 혼합하여 반응기로 주입하고, 가스의 혼합비율은 몰비로 브롬(Br)가스 1에 대하여 수소가스를 0.5내지 2.0사이로 유지하며, 기화기내부의 온도는 20℃내지 70℃사이에서 유지하고, 수소가스와 브롬가스가 혼합된 기체는 열교환기 형태로 제작된 반응기로 주입되어 반응기 내부에 설치된 반응관에 충진된 촉매와 접촉 반응하여 브롬화수소를 생성하며, 반응개시 온도는 80℃내지 250℃구간에서 이루어지고, 반응이 개시되기 전에 컨트롤장치에서 히터를 동작시켜 반응관의 온도를 150℃정도로 유지하며, 일단 반응이 개시되면 발열반응에 의해 열매체의 출구온도가 상승하게 되고, 이때부터 히터에 의한 열 공급이 중단되며, 냉각장치로 냉각수를 공급하여 반응기 내부의 온도가 일정하게 유지되도록 하여 안정된 브롬화수소를 생성할 수 있는 브롬화수소 제조방법 및 장치를 구현하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 반응기구조를 열교환기 형태로 하나 또는 2개 이상의 다수의 반응관을 병렬로 설치하고, 반응관 내부에는 반응온도를 낮추고 반응효율을 높이기 위한 Pt, Pd, Cu, Ni 등으로 제조된 촉매가 충진되며, 하나 또는 2개 이상의 다수 개가 병렬로 설치된 반응관 외측에는 냉각수 또는 가열수가 흐르도록 구성되어 반응개시 전에는 반응관을 가열시켜 일정온도를 유지하고, 반응 개시 후에는 반응에 의하여 발생된 열을 냉각시킴으로써 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 화염을 발생시키지 아니하고 브롬화수소를 반응 생성할 수 있으므로 브롬화수소의 품질의 안정성 및 작업자의 안전성을 향상시킬 수 있고, 장치의 내구성 및 신뢰성이 높은 브롬화수소 제조장치를 구현하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제 해결 수단은 반응기 내부의 반응관에 충진되는 촉매 로는 Pt와 Pd계열이 바람직하며, Pt와 Pd 촉매의 원료는 PtCl2 용액과 PdCl2 용액을 사용하고, 상기 PtCl2 용액과 PdCl2 용액의 농도가 0.05중량% 내지 50중량%를 유지하며, 상기 용액에 활성알루미나, 활성탄, 제올라이트, 실리카겔 및 크레이(clay) 중에서 하나 이상을 선택하여 1회 이상 함침시켜 140℃내지 170℃에서 건조하여 반응기에 충진하며, 상기 촉매와 반응기를 사용하여 브롬의 전환율이 95%이상을 유지할 수 있는 브롬화수소 제조방법 및 장치를 구현하는데 있다.
본 발명에 따른 브롬화수소를 얻기 위한 반응은
H2 + Br2 -> 2HBr
으로 격렬한 발열반응이며, 반응개시온도, 즉 화염생성온도가 600℃ 정도이므로, 반응기 내부의 반응관에 Pt, Pd, Cu, Ni 등으로 제조된 촉매를 충진시켜 사용하므로 반응개시온도를 250℃이하로 낮추어 브롬화수소를 생성시킬 수 있으므로 장치의 내구성 및 신뢰성을 높이고, 작업의 안정성을 높이며, 반응효율을 높이는 작용효과가 있다.
본 발명의 또 다른 효과는 반응기구조를 열교환기 형태로 반응기 내부에 하나 또는 2개 이상의 다수의 반응관을 병렬로 설치하고, 반응관 외측에는 발생된 열을 냉각수에 의해 효율적으로 냉각시킴으로써 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 화염을 발생시키지 않고 브롬화수소를 반응 생성할 수 있으므로 생성된 브롬화수소의 품질의 안정성을 높이고, 작업시에 작업자의 안전성을 향상시키는데 있 다.
본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용에 대하여 살펴본다. 본 발명에 따라 반도체 제조공정의 하나인 에칭공정에 사용되는 브롬화수소를 제조하기 위하여 수소가스와 브롬가스를 혼합하는 장치를 구성하거나 수소가스를 기화기에 저장된 브롬용액에 주입하여 버블링시켜 수소가스와 브롬가스가 혼합하여 반응기로 주입한다.
상기 반응기로 주입 시에 수소가스와 브롬가스의 혼합비율은 몰비(mol rate)로 브롬(Br) 1에 대하여 수소를 0.5내지 2.0사이로 유지하며, 기화기내부의 온도는 20℃내지 70℃로 유지하여 수소가스와 브롬가스가 혼합되어 반응기로 주입되도록 구성되어 있다. 바람직하게는 기화기(11)내부의 온도가 40℃내지 50℃사이이다.
수소가스와 브롬가스가 혼합된 기체는 열교환기 형태로 제작된 반응기로 유입되어 반응기 내부에 하나 또는 2개 이상이 병렬로 설치된 반응관에 충진된 촉매와 접촉 반응하여 브롬화수소를 생성하며, 반응개시 온도는 80℃내지 250℃구간에서 이루어지고, 반응이 개시되기 전에 컨트롤장치에서 히터를 동작시켜 반응기 내부의 온도를 140℃내지 160℃로 유지한다.
하나 또는 2개 이상의 병렬로 설치된 반응관에서 반응이 개시되면 발열반응에 의해 열매체의 출구온도가 상승하게 되고, 이때부터 히터에 의한 열 공급이 중단되며, 반응열에 의하여 동작되면서 반응기 내부의 온도가 반응열에 의하여 상승하는 것을 방지하기 위하여 냉각장치로 냉각수를 공급하여 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 생성되는 브롬화수소의 품질의 안정성 및 작업자의 안전성을 향상시키고, 장치의 내구성 및 신뢰성을 향상시키도록 구성되어 있다.
본 발명에 따른 반응기는 열교환기 형태로 하나 또는 2개 이상의 다수의 반응관이 병렬로 위치하도록 설계 제작하고, 반응관 내부에는 반응온도를 낮추고 반응효율을 높이기 위한 Pt, Pd, Cu, Ni 등으로 제조된 촉매가 충진되며, 하나 또는 2개 이상이 병렬로 위치한 반응관 외측에는 냉각수 또는 가열수가 흐르도록 구성되어 반응개시 전에는 반응관을 가열시켜 일정온도를 유지하고, 반응 개시되어 반응에 의하여 발생된 열을 냉각시킴으로써 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 화염 발생없이 브롬화수소를 반응 생성할 수 있다.
본 발명에 따른 반응관에 충진되는 촉매로는 Pt와 Pd계열이 바람직하며, Pt와 Pd 촉매의 원료는 PtCl2 용액과 PdCl2 용액을 사용하고, 상기 PtCl2 용액과 PdCl2 용액의 농도가 0.05중량% 내지 50중량%를 유지하며, 상기 용액에 활성알루미나, 활성탄, 제올라이트, 실리카겔 및 크레이(clay) 중에서 하나 이상을 선택하여 1회 이상 함침하여 담지시키고, 140℃내지 170℃에서 완전히 건조하여 사용하거나, 건조 후에 Na2CO3(약 0.7mol), NaOH, NaCO3, KOH 및 K2CO3 중 하나를 선택하여 중화시키며, 이를 350℃에서 소성을 실시한 후, 물로 세척한 다음에 140℃내지 170℃로 건조하여 반응관에 충진한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예의 구성과 작용을 설명하며, 도면에 도시되고 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나 이상의 실시 예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 상기한 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.
본 발명의 이해를 용이하게 하는 도면을 살펴본다. 도1은 본 발명에 따라 설계 제작된 브롬화수소 제조 장치의 전체적인 개략도이며, 도2는 본 발명에 따라 제조된 브롬화수소 제조를 위한 반응기를 확대 도시한 것이다. 본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 살펴본다.
[실시 예]
본 발명에 따른 구체적인 실시 예를 도면에 기초하여 살펴본다. 도1은 본 발명에 따라 설계 제작된 브롬화수소 제조장치의 전체적인 개략도이다.
종래의 브롬화수소를 얻는 방법은 수소가스와 브롬가스를 연소시켜서 얻었으며, 이때 화염온도가 600℃내지 800℃까지 상승하고, 단열할 경우에 1600℃까지 상승하므로 품질의 균일성이 떨어지고, 작업자의 안전성 및 작업의 편이성이 크게 떨어지며, 생산, 유지 및 관리 비용이 크게 증가하는 문제점이 있었다.
본 발명은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 반응기 내부에 설치된 반응관에 촉매를 충진시켜 반응개시온도를 250℃ 이하로 낮출 수 있는 브롬화수소 제조장치, 제조방법 및 제조를 위한 반응기를 구현하고, 반응기는 반응 시에 발생하는 반응열의 상승을 막고, 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 화염을 발생시키지 아니하고 수소와 브롬가스가 반응할 수 있도록 하나 또는 2개 이상의 반응관을 병렬로 설치하고, 반응관 외측에는 냉각수 또는 가열수를 공급할 수 있도록 설계 제작되어 있다. 반응기 내부에 설치되는 반응관의 수와 직경은 반응기의 용량, 반 응 시에 발생하는 열 및 냉각 성능 등을 고려하여 다양하게 설계 제작할 수 있다.
도1에 기초하여 본 발명의 기술적 구성에 대하여 구체적으로 살펴본다. 반도체 공정 중의 에칭공정에 사용되는 브롬화수소를 제조하기 위하여 수소가스(H2)를 주입하여 기화기(11)에 저장된 브롬용액이 버블링되면서 수소가스와 브롬가스가 혼합되어 반응기(12)로 주입된다.
상기 반응기(12)로 주입되는 수소가스와 브롬가스의 혼합비율은 몰비(mol rate)로 브롬(Br)가스 1에 대하여 수소가스를 0.5내지 2.0사이로 유지하며, 기화기(11)내부의 온도는 20℃내지 70℃사이에서 유지시켜 수소가스와 브롬가스가 혼합되어 반응기로 주입되도록 구성되며, 바람직하게는 기화기(11)내부의 온도가 40℃내지 50℃사이이다. 상기 기화기(11) 일측에는 기화기의 내부온도를 제어하기 위하여 히터(16)가 설치되어 있다.
본 발명에 따른 브롬가스와 수소가스를 혼합하는 장치는 상기 하나의 실시 예로 기화기를 기재하였으나, 기화기에 국한하지 아니하고 수소가스를 브롬화용액에 버블링시킬 수 있는 장치 혹은 수소가스와 브롬가스를 질량흐름제어기(MFC)로 제어하여 투입하는 장치 등으로 다양하게 설계 제작할 수 있다.
수소가스와 브롬가스가 혼합된 기체는 하나 또는 2개 이상의 다수의 반응관(13)을 병렬로 설치하여 열교환기 형태로 제작된 반응기(12)로 유입되어 하나 또는 2개 이상의 병렬로 설치된 다수의 반응관(13) 내부에 충진된 촉매(23)와 접촉 반응하여 브롬화수소를 생성하며, 반응개시 온도는 80℃내지 250℃구간에서 이루어지고, 반응이 개시되기 전에 컨트롤장치(19)에서 히터(22)를 동작시켜 반응기 내부의 온도를 140℃ 내지 160℃에서 유지한다.
반응기 내부에 설치된 반응관(13)에서 반응이 개시되면 발열반응에 의해 열매체의 출구온도가 상승하게 되고, 이때부터 히터(22)에 의한 열 공급이 중단되며, 반응열에 의하여 동작하고, 반응기 내부의 온도가 반응열에 의하여 상승하는 것을 방지하기 위하여 냉각장치가 작동되어 냉각수를 공급하여 반응기(12) 내부의 온도를 일정하게 유지하여 브롬화수소의 품질의 안정성 및 작업자의 안전성을 향상시키고, 장치의 내구성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 구성되어 있다.
본 발명에 따른 반응기는 열교환기 형태로 하나 또는 2개 이상의 반응관(13)이 병렬로 설치하고, 반응관(13) 내부에는 반응온도를 낮추고 반응효율을 높이기 위한 Pt, Pd, Cu, Ni 등으로 제조된 촉매가 충진되며, 하나 또는 2개 이상의 병렬로 설치된 다수의 반응관(13)의 외부에는 반응기 외부에 설치된 냉각장치(18) 및 히터(22)를 컨트롤장치(19)로 온도계와 연동시켜 제어하여 냉각수 또는 가열수가 흐르도록 구성되어 반응개시 전에는 반응기(12)를 히터(22)로 가열시켜 반응관의 온도를 150℃ 정도를 유지하고, 반응 개시된 후에는 반응에 의하여 발생된 열이 상승하지 않도록 냉각장치를 가동하여 냉각시킴으로써 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하여 화염을 발생시키지 아니하고 품질이 균일한 브롬화수소를 반응 생성할 수 있다.
도1에서, 상기 반응기 외부의 냉각수 및 가열수 공급탱크(24)에 설치된 냉각 장치(18) 및 히터(22)에 의하여 냉각되거나 가열된 냉각수 또는 가열수는 순환펌프(15)에 의하여 냉각수 및 가열수 공급탱크(24)로부터 반응기 내부로 공급되어 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지하도록 구성되어 있다. 상기 순환펌프(15)와 연결되어 냉각수 및 가열수를 반응기로 공급하기 위하여 냉각수 및 가열수 공급탱크(24)가 설치되어 있다. 상기 냉각수 및 가열수 공급탱크(24)는 각각 분리하여 설치할 수 있다.
본 발명에 따라 설치되는 냉각장치(18), 히터(22), 순환펌프(15), 질량흐름제어기(MFC) 및 온도계(20)를 서로 연동시켜 제어할 수 있도록 제작된 컨트롤장치(19)가 브롬화수소 제조장치의 일측에 설치되어 있다.
보다 구체적으로, 상기 컨트롤장치(19)에는 반응기 내부 또는 외부 일측에 설치된 온도계와 연동하여 반응기 내부의 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 구성되어 있고, 온도를 설정할 수 있는 수단을 구비하고 있다.
또한 반응기에는 수소가스와 브롬가스가 혼합되어 주입되는 주입구(31)와 반응기에서 생성된 브롬화수소를 배출하는 배출구(32)를 구비하고 있으며, 반응기 외부 일측에는 수소가스와 브롬가스가 혼합되어 주입되는 하나 또는 2개 이상의 반응관(13)을 냉각 또는 가열하기 위하여 냉각수 또는 가열수를 공급하기 위한 냉각수 및 가열수의 주입구(33) 및 배출구(34)가 각각 설치되어 있다. 반응기의 외측에는 냉각수 또는 가열수가 누수되지 않도록 밀폐되어 있다.
반응기(12) 내부에 설치된 반응관을 통과하여 반응 생성된 브롬화수소는 브롬화수소 저장탱크(21)에 저장되도록 구성되어 있다.
상기 반응기 내부에 하나 또는 2개 이상 병렬로 설치된 다수의 반응관에 충진되는 촉매에 대하여 살펴본다. Pt 촉매의 경우에는 반응개시 온도가 80℃내지 150℃사이이며, Pd 촉매의 경우에는 반응개시 온도가 100℃내지 180℃사이이고, Cu 및 Ni 촉매의 경우에는 반응개시 온도가 120℃내지 180℃사이이다.
상기 하나 또는 2개 이상 병렬로 설치된 반응관에 충진되는 촉매는 Pt와 Pd계열이 바람직하며, Pt와 Pd 촉매의 원료는 PtCl2 용액과 PdCl2 용액을 사용하고, 상기 PtCl2 용액과 PdCl2 용액의 농도가 0.05중량% 내지 50중량%사이에서 이루어짐이 바람직하며, 상기 용액에 활성알루미나, 활성탄, 제올라이트, 실리카겔 및 크레이(clay) 중에서 하나 이상을 선택하여 1회 이상 함침하여 담지시키고, 140℃내지 170℃에서 건조하여 사용하거나, 건조 후에 Na2CO3(약 0.7mol), NaOH, NaCO3, KOH 및 K2CO3 용액 중 하나를 선택하여 중화시키며, 이를 350℃에서 소성시킨 후, 물로 세척한 다음에 140℃내지 170℃로 건조하여 사용할 수 있다. Cu와 Ni 의 원료는 CuCl2 와 NiCl2 등이 사용될 수 있으며, 상기 촉매물질을 염화물 대신 Br화합물이나 질산염 등을 사용될 수 있다. 상기 촉매가 충진된 반응기에서의 브롬의 전환율은 95%이상으로 우수하다.
상기 촉매를 반응관에 충진하는 방법은 반응관의 양측 가장자리에 촉매 충진을 위한 금속망을 설치할 수 있도록 구성하여 알갱이 형태로 제조된 촉매를 반응관 내부에 충진하거나 반응관의 직경 및 길이에 맞추어서 원통형 금속망을 제작하여 원통형 금속망 내부에 알갱이 형태의 촉매를 충진한 후 반응관에 삽입 설치하는 등의 다양한 방법으로 충진할 수 있다. 상기 제조된 촉매(알갱이)의 직경은 금속망에 형성된 구멍보다 크도록 성형 제작된다. 보다 구체적인 실시 예를 살펴본다.
[실시 예1]
도1에서 수소가스를 질량흐름제어기(MFC, Mass Flow Controller)로 제어하여 기화기로 10ℓ/min으로 유입시켜 50ℓ크기의 기화기에 저장된 브롬용액을 버블링시킨다. 이때의 기회기 내부의 온도는 45℃를 유지하였다. 직경 20㎝ 크기의 반응기 내부에는 촉매가 충진된 반응관이 6개가 병렬로 설치되며, 반응관의 직경은 2㎝ 이고, 반응관의 길이는 100㎝인 6개의 반응관으로 혼합가스가 주입되도록 구성하였다. 이때 반응기의 온도를 변화시키면서 반응개시온도를 찾았으며, 또한 95% 이상의 브롬화 전환율을 갖는 반응유지온도를 찾았다. 실시 예1에서는 Pt촉매를 사용하였으며, 촉매의 제조방법은 1 중량%의 PtCl2용액에 활성알루미나를 함침하여 담지시킨 후 150℃에서 건조시켜 사용하였다. 생성물은 FTIR (MIDAC 5000시리즈) 및 GC로 분석하였다. 반응개시 점은 FTIR(가스분석기)로 확인할 수 있으며, 이때의 반응개시온도는 85℃이고, 95% 이상의 브롬화 전환율을 유지하기 위한 온도는 120℃내지 125℃ 구간이었다.
[실시 예2]
실시 예1과 동일한 조건에서 Pt촉매 대신 Pd촉매를 사용하였으며, 1 중량%의 PdCl2 용액에 활성알루미나를 함침하여 담지시킨 후 150℃에서 건조시켜 사용하였 다. 반응개시온도 및 95% 이상의 브롬화 전환율을 유지하기 위한 온도를 측정하였다. 측정결과는 표1과 같다.
[실시 예3]
실시 예1과 동일한 조건하에서 Pt촉매 대신 Cu촉매를 사용하였으며 1 중량%의 CuCl2 용액에 활성알루미나를 함침하여 담지시킨 후 150℃에서 건조시켜 사용하였다. 반응개시온도 및 95% 이상의 브롬화 전환율을 유지하기 위한 온도를 측정하였다. 측정결과는 표1과 같다.
[실시 예4]
실시 예1과 동일한 조건하에 Pt촉매 대신 Ni촉매를 사용하였으며, 1 중량%의 NiCl2 용액에 활성알루미나를 함침하여 담지시킨 후 150℃에서 건조시켜 사용하였다. 반응개시온도 및 95% 이상의 브롬화 전환율을 유지하기 위한 온도를 측정하였다. 측정결과는 표1과 같다.
표1. 실시 예1내지 실시 예4의 측정 결과
Figure 112009047084095-pat00001
표1을 통해서 알 수 있듯이 본 발명에 따른 브롬화수소 제조장치는 반응관에 내장되는 촉매가 Pt일 때 가장 우수하며, 그 다음으로 Pd 촉매이고, 이어서 Cu 촉매와 Ni 촉매임을 알 수 있다.
본 발명에 따른 브롬화수소 반응기 및 브롬화수소 제조 장치에는 Pt, Pd, Cu, Ni 등으로 제조된 촉매를 반응관에 충진하며, 촉매를 충진할 경우에 250℃ 이하의 낮은 온도에서 95% 이상의 브롬화 전환율을 유지할 수 있고, 낮은 온도에서 반응을 할 수 있으므로 반응기 및 장치의 내구성 및 신뢰성을 크게 향상시키고, 작업자의 안전성을 향상시킬 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.
본 발명에 따른 브롬화수소 반응기는 직경이 작은 반응관을 하나 또는 두 개 이상 병렬로 설치하고, 반응관 외측에 가열수 또는 냉각수를 공급하여 반응관의 온도를 균일하게 유지하여 화염 발생없이 브롬화수소를 반응 생성할 수 있으므로 품질의 안정성 및 작업자의 안전성을 향상시킬 수 있고, 생산비용을 절감할 수 있으므로 산업상 이용가능성이 매우 높다.
도1 : 본 발명에 따라 설계 제작된 브롬화수소 제조장치
도2 : 본 발명에 따라 제조된 브롬화수소 제조를 위한 반응기
<도면부호의 간단한 설명>
11; 기화기 12; 반응기
13; 반응관 14; 냉각수 및 가열수 공급배관
15; 순환펌프 16, 22; 히터
17; 냉각수 배관 18; 냉각장치
19; 컨트롤장치 20; 온도계
21; 브롬화수소 저장탱크 23; 촉매
24; 냉각수 및 가열수 공급탱크
31; 혼합가스 주입구 32; 반응가스 배출구
33; 냉각수 및 가열수 주입구 34; 냉각수 및 가열수 배출구

Claims (10)

  1. 브롬화수소의 제조방법에 있어서,
    수소가스와 브롬가스의 혼합비를 몰비로 수소가스가 1 일 때 브롬가스를 0.5내지 2.0사이에서 이루어지도록 수소가스와 브롬가스를 혼합하는 단계;
    Pd, Cu 및 Ni 중에서 하나 이상을 촉매로 선택하는 단계;
    선택된 촉매의 조성비가 0.05중량% 내지 50중량%로 조성하여 규조토, 실리카겔, 알루미나, 활성탄, 크레이 및 제올라이트 중에서 하나 이상을 담채로 선택하여 함침 담지시켜 건조하여 촉매가 담지된 담채를 제조하는 단계; 및
    반응기 내부에 설치된 반응관에 상기 제조된 촉매가 담지된 담채를 충진시키고, 수소가스와 브롬가스가 혼합된 혼합가스를 촉매가 담지된 담채가 충진된 반응관을 통과시켜 브롬화수소를 얻는 단계를 포함하되,
    반응관 내부의 반응온도가 50℃내지 250℃사이에서 이루어지도록 구성함을 특징으로 하는 브롬화수소의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 브롬화수소의 제조장치에 있어서,
    수소가스와 브롬가스가 혼합되도록 버블링시키거나 혹은 질량흐름제어기로 제어 투입하여 브롬가스와 수소가스를 혼합하는 장치; 및
    혼합 주입되는 수소가스와 브롬가스를 반응시켜 브롬화수소를 생성하기 위하여 Pd, Cu 및 Ni 촉매 중에서 하나 이상을 선택하여 담채에 함침시켜 건조 제조된 촉매가 충진된 반응관을 통과하도록 반응기를 구성하되,
    수소가스와 브롬가스의 혼합비를 몰비로 수소가스가 1 일 때 브롬가스를 0.5내지 2.0사이에서 이루어지도록 하고,
    상기 선택된 촉매의 조성비를 0.05중량% 내지 50중량%로 조성하여 규조토, 실리카겔, 알루미나, 활성탄, 크레이 및 제올라이트 중에서 하나 이상의 담채를 선택 함침하여 담지시켜 건조한 촉매가 담지된 담채를 반응관에 충진시키며,
    반응관 내부의 반응온도가 50℃내지 250℃사이에서 이루어지도록 구성함을 특징으로 하는 브롬화수소의 제조장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 브롬화수소를 제조하기 위한 반응기에 있어서,
    수소가스와 브롬가스가 혼합되어 주입되는 주입구;
    혼합 주입되는 수소가스와 브롬가스를 반응시켜 브롬화수소를 생성하기 위하여 Pd, Cu 및 Ni 촉매 중에서 하나 이상의 담채를 선택 함침하여 담지시켜 건조한 촉매가 담지된 담채가 충진된 반응관;
    상기 반응관을 통과하면서 생성된 브롬화수소를 배출하는 배출구; 및
    상기 반응관을 냉각 또는 가열하기 위하여 반응관의 외측에 냉각수 또는 가열수를 공급하기 위한 냉각수 및 가열수의 주입구 및 배출구를 구비하되,
    상기 수소가스와 브롬가스의 혼합비를 몰비로 수소가스가 1 일 때 브롬가스를 0.5내지 2.0사이에서 이루어지도록 구성하고,
    상기 선택된 촉매의 조성비를 0.05중량% 내지 50중량%로 조성하여 규조토, 실리카겔, 알루미나, 활성탄, 크레이 및 제올라이트 중에서 하나 이상의 담채를 선택 함침하여 담지시켜 건조한 촉매가 담지된 담채를 반응관에 충진시키며,
    반응관 내부의 반응온도가 50℃내지 250℃사이에서 이루어지도록 구성된 브롬화수소를 제조하기 위한 반응기.
  10. 삭제
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책자;KIRK-OTHMER ENCYCLOPDIA OF CHEMICAL TECHNOLOGY;2001
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