KR101308968B1 - 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기 및 이를 이용한 가압황산분해방법 - Google Patents

수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기 및 이를 이용한 가압황산분해방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기에 관한 것으로서, 실리콘카바이드 소재의 벨 형상의 상부튜브, 실리콘카바이드 소재의 벨 형상의 하부튜브, 상기 상부튜브와 하부튜브를 연결하고 황산 투입구, 황산분해가스 배출구, 유로 및 기체투과 통로를 포함하는 실리콘 카바이드 소재의 중앙 연결부 및 상기 상부 튜브 및 상기 하부 튜브와 상기 중앙 연결부를 체결하는 알루미늄 라이너가 장착된 스테인레스스틸 소재의 체결부를 포함하는 것을 특징으로 하며, 본 발명에 따른 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기는 고온과 고압에 견디며 산에 대한 내식성이 우수하여 종래 유리(파이렉스)나 석영 재질로는 구현하기 어려운 가압 황산분해반응을 수행할 수 있고, 벨형 실리콘카바이드 튜브 2개를 수직으로 연결한 일체형 반응기로서 황산 증발과 예열, 열분해와 촉매분해를 구분하여 진행함으로써 넓은 열전달면적을 확보하고 효율적으로 황산 증발, 예열, 열분해, 촉매분해에 필요한 열을 공급하므로 높고 안정적인 황산분해전환율을 유지할 수 있다. 또한, 수직 일체형 황산분해반응기 여러 대를 일렬로 배치하거나 이러한 일렬배치를 여러 열로 배치하여 SO2, O2의 대량생산 공정을 구성할 수 있다.

Description

수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기 및 이를 이용한 가압황산분해방법{Integral vertical silicon carbide reactor for decomposing sulfuric acid and Pressurized decomposition method of sulfuric acid using the same}
본 발명은 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강산성의 황산과 분해 생성물(SO3, SO2, O2, H2O)의 부식성에 견디며 고온, 고압 조건에 적용할 수 있는 실리콘카바이드 재질의 튜브로 제조한 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기, 이를 포함하는 황산분해장치 및 황산분해방법에 관한 것이다.
수소는 연료전지의 원료로 또는 수소엔진의 원료로 활용되어 현대사회의 주 에너지원인 화석연료를 대체할 미래형 에너지 매체로 주목받고 있다. 수소는 물을 전기분해하여 얻을 수 있지만 수소 제조의 에너지효율이 낮다. 보다 에너지 효율이 높은 방법으로 몇 개의 화학반응을 조합하여 물을 단계적으로 분해해서 수소와 산소로 만드는 열화학적 물 분해 방법(thermochemical water splitting)이 있다.
황산분해반응은 열화학적 물 분해 수소 제조 방법 중에서도 가장 에너지효율이 높게 평가되는 황-요오드 열화학 싸이클에 의한 물 분해 수소 제조 공정(SI thermochemical water splitting cycle) 또는 열화학-전기화학 싸이클에 의한 물 분해 수소 제조 공정(thermochemical-electrochemical hybrid water splitting cycle)의 핵심반응 중 하나로서 고온에서 황산을 삼산화황(SO3), 이산화황(SO2), 산소(O2), 물(H2O)로 분해하는 반응이다. 예로 황-요오드 열화학 싸이클은 아래 식과 같이 황산분해반응, 분센(Bunsen) 반응, HI 분해반응 등으로 구성된다.
H2SO4 → H2O + SO3 (1)
H2O + SO3 → H2O + SO2 + 1/2 O2 (2)
2 H2O + SO2 + x I2 → H2SO4 + 2 HIx (3)
2 HIx → xI2 + H2 (4)
상기 식 (1)과 식 (2)는 황산분해반응으로서, 식 (1)은 황산이 증발되면서 분해되기 시작하여 온도가 높을수록 잘 진행되는 열분해반응으로 흡열반응이며, 식 (2)의 황산분해반응은 식 (1)에서 생성된 SO3가 800-950 ℃의 고온에서 촉매 상에서 SO2로 분해되는 촉매분해반응으로 흡열반응이며, 식 (3)의 분센반응은 발열반응으로 촉매 없이도 80-120 ℃에서 진행되며, 식 (4)의 HI 분해반응은 흡열반응으로 400-450 ℃에서 촉매반응에 의해 진행된다.
이와 같이 황-요오드 열화학 싸이클 중 황산분해반응이 가장 높은 온도의 열을 이용하는 부분으로서, 고온, 고압 조건에서 사용이 가능하며 동시에 강산성 조건에서 내식성이 큰 반응기의 개발이 필요하다.
석영(quartz) 재질을 고온의 황산분해반응에 사용할 수 있으나, 일반 유리와 같이 높은 온도에서 압력이 가해지는 경우, 즉 고온, 고압 조건에서는 쉽게 파손되므로 가압 조건에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.
실리콘카바이드(SiC)는 실리콘(Si)과 탄소(C)를 원료로 만든 화합물로 압축강도가 높고, 높은 온도에서도 변형이 적으며, 열전도성이 좋은, 세라믹의 성질과 금속의 성질을 혼합하여 보유하는 물질로서 내식성이 대단히 뛰어난 소재이다. 실리콘카바이드로 다양한 형태의 물건을 제작할 수는 있으나 일단 소성한 후에는 재접합과 가공이 쉽지 않은 단점이 있다. 그러나 유기화합물뿐만 아니라 부식성이 큰 산 또는 알칼리 화합물에도 견디며 고온에서도 침식되지 않고 기계적 강도와 내마모성이 매우 우수하여 반도체 공정의 웨이퍼 홀더나 내산성 펌프의 베어링 소재, 화학공장에서 배출되는 고온 산성 배기가스의 열교환기 소재로 활용되고 있다.
이와 같이 실리콘카바이드 소재는 고온의 산성 분위기에 대해 적용이 가능하며 어느 정도의 기계적 강도를 갖고 있어서 고압 조건에도 적용이 가능하다. 따라서 750 ℃ 이상 고온의 촉매 상에서 진행되는 황산분해반응의 반응기 재질로 사용할 수 있다.
따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 강산성, 고온, 고압의 조건에서도 안정적으로 황산분해가 가능한 실리콘카바이드 소재의 수직 일체형 황산분해반응기를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하는 황산분해장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기를 이용하여 높은 온도, 압력에서 황산 증발, 예열, 열분해, 촉매분해 등 일련의 황산분해반응 과정이 하나의 장치 내에서 일어나도록 하여 안정적으로 황산을 분해해서 삼산화황(SO3), 물(H2O), 더 나아가 이산화황(SO2)과 산소(O2)를 제조하는 황산분해방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,
실리콘카바이드 소재 벨 형상의 상부튜브, 실리콘카바이드 소재 벨 형상의 하부튜브, 상기 상부 튜브와 하부 튜브를 연결하는 실리콘 카바이드 소재의 중앙 연결부 및 상기 상부 튜브 및 상기 하부 튜브와 상기 중앙 연결부를 체결하는 알루미늄 라이너가 장착된 스테인레스스틸 소재의 체결부를 포함하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기로서,
상기 중앙 연결부는 황산 투입구, 황산분해가스 배출구, 공급 유로, 배출 유로 및 1 개 이상의 기체 상승 유로를 포함하고, 상기 황산투입구는 상기 공급유로와 연결되어 있으며, 상기 황산분해가스 배출구는 상기 배출유로와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산 분해 반응기를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해반응기는 상기 상부 튜브 및 상기 하부 튜브 각각의 튜브 내부에 양 말단이 뚫려있는 상부 내부관(upper inner tube) 및 하부 내부관(lower inner tube)을 각각 더 포함하고, 상기 상부 내부관의 한쪽 말단은 상기 배출 유로와 연결되며, 상기 하부 내부관의 한쪽 말단은 상기 공급 유로와 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해가스 배출구는 상기 중앙 연결부 상부 측면에 위치하고, 상기 황산 투입구는 상기 중앙 연결부 하부 측면에 위치하며, 상기 배출 유로는 수직 배출유로와 수평 배출유로로 이루어지고, 상기 수직 배출유로는 상기 중앙 연결부 상부면 중심에서 상기 중앙 연결부의 중심축을 따라 하부로 향해 상기 수평 배출유로와 이어져 있으며, 상기 수평 배출유로는 상기 황산분해가스 배출구에서 상기 중심축 방향으로 수평으로 향하여 상기 수직 배출유로와 연결되고, 상기 공급유로는 수직 공급유로와 수평 공급유로로 이루어지고, 상기 수직 공급유로는 상기 중앙 연결부 하부면 중심에서 상기 중앙 연결부의 중심축을 따라 상부로 향해 상기 수평 공급유로와 이어져 있으며, 상기 수평 공급유로는 상기 황산 투입구에서 상기 중심축 방향으로 수평으로 향하여 상기 수직 공급유로와 연결되고, 상기 1개 이상의 기체상승 유로는 상기 수직 공급유로 및 수직 배출유로보다 상기 중심축으로부터 더 먼 위치에서 상기 수평 배출유로와 상기 수평 공급유로와는 만나지 않도록 상기 중앙 연결부를 수직으로 관통할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상부 튜브의 상부에는 입상 황산분해촉매층을 더 포함하고, 상기 입상 황산분해촉매층은 상부 내부관의 상부 말단 내부에 설치하거나, 또는 상기 상부 내부관과 상기 상부 튜브 사이에 설치할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산 투입구 및 상기 황산분해가스 배출구에는 각각 황산 투입배관과 분해가스 배출배관과 연결할 수 있도록 백금(Pt), 금(Au) 등의 귀금속이 라이닝된 금속튜브를 체결시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상부 내부관과 상기 하부 내부관은 압력 영향을 받지 않으므로 그 재질은 석영 또는 실리콘카바이드일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상부 튜브와 상기 상부 내부관 사이에는 라시그링(Raschig ring) 형태의 석영관(quartz tube) 조각 또는 세라믹관(ceramic tube) 조각을 충진할 수 있다.
본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
상기 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하여 황산을 분해하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해장치는 수직 일체형 황산분해반응기를 복수의 다발로 연결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해반응기의 상부 튜브 및 하부 튜브를 각각 다른 온도로 가열할 수 있는 가열로를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해반응기로 공급되는 황산 공급속도를 조절할 수 있는 황산공급펌프 및 상기 황산분해반응기에서 배출하는 황산분해가스의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기 내의 압력을 조절할 수 있는 압력조절밸브를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해반응기에서 배출되는 SO3과 H2O을 포집하여 기체 SO2와 O2를 분리하는 희황산 용액 트랩 및 상기 황산분해반응기에서 생성되는 SO2 양을 측정하기 위한 SO2 포집용 KI/I2 수용액 트랩을 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,
상기 황산분해장치를 이용하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해방법에 있어서, (a) 하부 내부관을 통하여 하부 튜브에 황산 용액을 공급하고, 하부 튜브의 온도를 350-700 ℃로 가열하여 황산을 증발시키면서 SO3와 H2O로 열분해하는 단계; (b) 상부튜브의 온도를 700-1000 ℃로 가열하여 상기 (a)단계에서 분해되지 않은 황산을 추가적으로 SO3와 H2O로 열분해하고, 상부 튜브에 설치된 촉매층에서 SO3와 H2O를 SO2과 O2로 분해하는 단계; 및 (c) 상기 분해된 SO2과 O2를 상부 내부관을 통하여 배출하는 단계를 포함하는 황산분해방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (a)단계는 황산 용액을 공급하는 속도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 황산 용액을 5.0-15.0 g/min으로 공급할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (c)단계는 분해된 SO2과 O2의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기의 압력을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 황산분해반응기의 압력은 0.2-5.0 기압일 수 있다.
본 발명에 따른 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기는 고온과 고압에 견디며 산에 대한 내식성이 우수하여 종래 유리(파이렉스)나 석영 재질로는 구현하기 어려운 가압 황산분해반응을 수행할 수 있고, 벨형 실리콘카바이드 튜브 2개를 수직으로 연결한 일체형 반응기로서 황산 증발과 예열, 열분해와 촉매분해를 구분하여 진행함으로써 넓은 열전달면적을 확보하고 효율적으로 황산 증발, 예열, 열분해, 촉매분해에 필요한 열을 공급하므로 높고 안정적인 황산분해전환율을 유지할 수 있다. 또한, 수직 일체형 황산분해반응기 여러 대를 일렬로 배치하거나 이러한 일렬배치를 여러 열로 배치하여 SO2, O2의 대량생산 공정을 구성할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기를 포함하는 가압 황산분해장치 및 황산분해방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기의 조립도이다.
도 3은 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기에 사용되는 실리콘카바이드 튜브를 나타낸 상세도이다.
도 4는 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기에 사용되는 실리콘카바이드 중앙연결부와 그에 연결되는 실리콘카바이드 또는 석영재질 내부관을 나타내는 상세도이다.
도 5는 황산분해용 입상촉매층 설치방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 여러 개의 일체형 실리콘카바이드 반응기를 연결한 대용량 가압 황산분해 장치의 개념도이다.
이하, 도면 부호를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명은 고온, 고압 조건에서 황산을 증발, 예열, 열분해, 촉매분해 하여 삼산화황(SO3), 물(H2O), 더 나아가 이산화황(SO2)과 산소(O2)를 제조하는데 이용 가능한 것으로서, 고온 황산분해반응에 적합한 실리콘카바이드(SiC) 재질의 한 쪽 끝이 막힌 벨(bell)형 튜브로 된 수직 일체형 황산분해반응기로, 벨형 실리콘카바이드 튜브 2개를 실리콘카바이드 중앙연결부 상하로 수직으로 연결하고 각각의 튜브 내에 양 끝이 뚫린 내부관을 설치한 수직 일체형 황산분해반응기인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수직 일체형 황산분해반응기를 하기 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.
하기 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기는 고온 분해반응에 적합한 실리콘카바이드 재질의 한 쪽 끝이 막힌 벨(bell)형 실리콘카바이드 튜브(21) 2 개를 실리콘카바이드 중간연결부(24)에 상하로 연결하고 각 상부와 하부의 실리콘카바이드 튜브 내에 양 끝이 뚫린 석영 또는 실리콘카바이드 재질의 내부관(inner tube, 22)을 설치한 수직 일체형 황산분해반응기이다.
상부와 하부의 실리콘카바이드 튜브를 2개의 가열로로 각기 다른 온도로 가열하면서 실리콘카바이드 재질의 중앙연결부(24)로 원료 황산용액을 투입하여 황산이 하부 내부관을 따라 아래로 흘러내리고 하부 실리콘카바이드 튜브(21)에서 가열되어 증발하고, 생성된 기체가 상승하면서 예열되고, 예열된 기체가 중앙연결부(24)의 기체상승 유로를 따라 상부 튜브로 이동하여 상승하면서 상부 실리콘카바이드 튜브에서 높은 온도로 가열되어 삼산화황(SO3)과 물(H2O)로 열분해되고, 이는 다시 상승하면서 더 높은 온도로 가열되어 황산분해촉매층(23)을 통과하면서 이산화황(SO2)과 산소(O2)로 촉매분해되고, 반응 후의 SO2, O2를 함유하는 혼합기체는 상부 실리콘카바이드 튜브 내 내부관(22)을 따라 하강하여 중앙연결부(24)의 유로를 따라 외부로 배출되는 일련의 과정을 거쳐 황산으로부터 SO2, O2를 제조하는 것을 특징으로 한다.
이와 같이, 벨형 실리콘카바이드 튜브 2개를 상하 수직으로 연결하여 황산의 증발, 예열, 열분해, 촉매분해를 모두 수행하도록 한 본 발명에 따른 수직 일체형 황산분해반응기는 벨형 실리콘카바이드 튜브 1개가 가지는 열전달면적을 두 배 이상 증가시킴으로써, 동일한 수평공간 내에서 이산화황 생산속도를 두 배 가까이 높일 수 있다.
아울러, 실리콘카바이드 중간연결부 하부에 연결된 실리콘카바이드 하부 튜브를 황산 증발부, 예열부로 사용하고 상부에 연결된 실리콘카바이드 상부 튜브를 황산분해반응부로 사용하고, 실리콘카바이드 상부 튜브 및 하부 튜브의 온도를 다르게 유지함으로써 하나의 실리콘카바이드 튜브가 겪어야 하는 큰 온도 구배를 둘로 분산시킴으로써 실리콘카바이드 튜브의 열 충격에 의한 파손 가능성을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 벨형 실리콘카바이드 튜브 2개를 조합한 수직 일체형 황산분해반응기는 벨형 실리콘카바이드 튜브를 외부관으로 사용하고, 그 내부에 석영 또는 실리콘카바이드 재질의 양 끝이 뚫린 내부관(22)을 설치하여 유체의 흐름 길이를 2배로 늘려주어 열전달면적을 넓히고 열전달시간을 증가시킨 것을 특징으로 한다.
또한, 황산 증발, 예열 분해반응에 필요한 고온 열은 실리콘카바이드 튜브 벽을 통해 외부에서 내부로 전달되는데, 실리콘카바이드 튜브와 내부관 사이에 라시그링(Raschig ring) 형태의 석영관(quartz tube) 조각 또는 세라믹관(ceramic tube) 조각을 충진하여 실리콘카바이드 튜브 내부로 전달된 고온 열이 실리콘카바이드 튜브와 내부관 사이를 흐르는 유체에 잘 전달되도록 한다.
본 발명에 따른 수직 일체형 황산분해반응기에서 상부 실리콘카바이드 튜브의 상단부에 설치한 황산분해촉매층(23)에 촉매를 충진하고 800-1000 ℃의 높은 온도로 가열하여 황산이 SO2와 O2로 분해되도록 유도하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 황산분해촉매층(23)은 하기 도 5와 같이 상부 실리콘카바이드 튜브와 내부관 사이에 설치(45)할 수도 있고 또는 내부관 상부에 설치(44)할 수도 있다.
상부 실리콘카바이드 튜브와 내부관 사이에 설치(45)하는 경우는 도 5와 같이 내부관 외벽에 링 형태의 촉매층 받침(46)을 끼우고 그 위에 촉매를 채우는 방법으로, 촉매를 충진할 때에 내부관 안으로 촉매가 흘러들어가지 않도록 내부관 상부에 종이를 풀로 붙여 구멍을 막고 입상촉매를 충진한다. 촉매 충진이 완료된 일체형 반응기를 수직으로 설치한 후 높은 온도로 가열하면 내부관 상부 구멍을 막은 종이는 타서 제거되고 기체가 흐를 수 있는 유로가 확보된다.
촉매를 내부관 상부에 설치(44)하는 경우는 하기 도 5와 같이 내부관 상부를 입상 촉매를 충진할 수 있도록 넓게 확관하고 가장 좁은 부분에 가는 구멍이 여럿 뚫린 석영판 또는 석영솜(quartz wool)을 설치하여 촉매입자를 지지한다.
하기 도 3에는 본 발명에 따른 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기에 사용되는 실리콘카바이드 튜브를 나타낸 것으로서, 상부 실리콘카바이드 튜브와 하부 실리콘카바이드 튜브의 끝단에는 45°로 경사진 턱이 스커트형(34)으로 붙어있는데, 실리콘카바이드 중앙연결부와 접촉하는 면에 그래파이트(graphite) 재질의 가스켓을 넣고 도 2에 표시된 스테인레스스틸 재질의 금속 홀더(25)로 스커트형으로 경사진 턱을 죄어 일체형 반응기로 조립한다. 실리콘카바이드 재질 스커트와 금속 홀더(25) 및 그를 고정하는 금속 볼트(bolt)는 열팽창계수가 달라 온도가 높아지면 금속의 열팽창이 커지면서 상하 실리콘카바이드 튜브를 실리콘카바이드 중앙연결부로 죄어주는 힘이 느슨해져 접촉면의 기밀성이 떨어지는데, 이를 방지하기 위해 실리콘카바이드 경사면과 금속 홀더 사이에 얇은 링(ring)형 알루미늄 라이너(liner)(30)를 삽입한다. 경사진 링형 알루미늄 라이너는 온도가 높아지면 금속 홀더보다 더 많이 팽창하면서 상하 실리콘카바이드 튜브 스커트를 견고하게 죄어서 기밀성을 유지하게 한다.
2개의 실리콘카바이드 튜브를 상하로 연결하고 동시에 실리콘카바이드 튜브 내에 설치되는 내부관이 조립되는 실리콘카바이드 중앙연결부(24)는 하기 도 2 및 도 4에 표시된 것과 같이 외부에서 공급되는 황산이 들어와서 하부의 내부관으로 흐르도록 중앙에 공급유로가 설치되고, 하부에서 생성된 SO3와 H2O 기체가 상부로 전달되도록 반달형 기체상승유로(38)가 설치되며, 또 상부에서 촉매에 의해 분해되어 생성된 SO2, O2 및 미반응 기체가 상부의 내부관을 따라 외부로 배출되도록 중앙에 배출유로가 설치된다.
실리콘카바이드 중앙연결부의 황산 투입구(28)와 반응 후 황산분해가스 배출구(29)에는 백금(Pt), 금(Au) 등의 귀금속으로 내부를 라이닝(lining)한 귀금속 라이닝 튜브(26)를 그래파이트 가스켓을 이용하여 연결하여 황산 투입 배관 및 기체 배출 배관과 연결이 가능하도록 한다.
본 발명에 따른 황산분해반응기를 이용하여 황산을 분해할 때 황산의 증발과 열분해 온도는 황산분해반응기 내부 압력에 따라 다를 수 있으나, 황산의 증발과 예열이 일어나고 SO3와 H2O로의 열분해반응이 시작되는 하부 실리콘카바이드 튜브는 내부온도를 350-700 ℃범위로 유지하고, 추가적인 열분해반응과 SO2, O2로의 촉매분해반응이 진행되는 상부 실리콘카바이드 튜브는 내부온도를 700-1000 ℃로 유지한다.
본 발명은 상기 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하는 황산분해장치를 제공한다.
하기 도 1은 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기를 포함하는 가압 황산분해장치 및 황산분해방법 공정을 개략적으로 나타낸 개략도이다.
황산저장조(1)에서 황산공급펌프(2)로 공급된 황산용액은 수직 일체형 황산분해반응기(3) 하단의 내부관을 통해 내려가면서 예열되고, 다시 벨형 실리콘카바이드 하부 튜브와 내부관 사이를 상승하면서 더 가열되어 증발하고 부분적으로 SO3와 H2O로 열분해되며, 실리콘카바이드 중앙연결부를 통과하여 벨형 실리콘카바이드 상부 튜브와 내부관 사이를 상승하면서 더욱 가열되어 열분해되고, 최상단에 설치된 입상 촉매층(4)을 통과하면서 SO2와 O2로 촉매분해되고, 분해 후 SO2와 O2를 함유하는 혼합물은 내부관을 통과하여 하강한 후 실리콘카바이드 중앙연결부의 유로를 통해 외부로 배출됨으로써 황산을 분해하여 SO2와 O2를 제조하게 된다.
이 때, 내부관 내부를 통과하는 유체와 내부관과 실리콘카바이드 튜브 사이를 통과하는 유체 사이에는 온도차이가 발생하여 내부관 벽을 통하여 열교환이 일어나며, 이에 따라 반응 전 유체를 예열하고 반응 후 유체를 냉각시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 황산분해장치에서, 반응 후의 황산분해가스 기체는 반응에서 분해되어 생성된 SO2, O2와 반응에서 미처 분해되지 않은 SO3와 H2O를 함유하는데, SO3와 H2O는 냉각시켜 액상에서 황산으로 재결합시켜 제거하고 기체인 SO2, O2는 다음 단계의 분센반응기로 공급하게 된다. 본 발명의 실험에서는 황산분해가스를 기-액 분리기(6)와 압력조절벨브(7)를 거쳐 무게비 30-40%의 희황산 용액이 있는 희황산 트랩(8)을 통과하면서 SO3와 H2O를 황산으로 재결합시켜 포집 제거하고, 쓰리웨이벨브(9)를 거쳐 KOH 또는 NaOH와 같은 알칼리 수용액이 들어 있는 알칼리 수용액 트랩(12)을 통과시켜 SO2를 제거한 후 환경에 무해한 O2만 대기로 배출시키면서 유량을 측정하여 황산의 SO2, O2로의 분해율을 모니터링한다.
본 발명에 따른 황산분해장치에서, 황산의 SO2, O2로의 분해율을 정밀하게 조사하기 위해 쓰리웨이벨브(9)를 이용하여 간헐적으로 유로를 변경하여 KI/I2 수용액 트랩(10)을 통과시켜서 SO2를 포집하고 O2만 건식가스메타(11)를 통과시킨 후 대기로 배출한다.
이 때 KI/I2 수용액 트랩(10)의 KI/I2 수용액을 적정하여 KI 농도변화를 계산함으로써 KI/I2 수용액에 포집된 SO2 양을 추정하고, 동시에 건식가스메타(11)를 통과한 O2 양을 측정하여 2배 곱함으로써 생성된 SO2 양을 추정하는데, 두 방법으로 측정한 SO2 양은 실제로 서로 비슷한 값을 나타낸다.
특히, 본 발명에 따른 황산분해장치에서, 황산의 공급속도는 황산공급펌프(2)로 조절하고, 수직 일체형 황산분해반응기(3)의 상부와 하부 실리콘카바이드 튜브의 온도는 그 외부에 설치되는 가열로(5)의 온도로 조절하며, 황산이 분해되는 압력 즉, 황산분해반응기(3) 내의 압력은 압력조절밸브(7)로 황산분해가스의 배출속도를 조절하여 특정의 압력으로 조절할 수 있다.
본 발명은 상기 수직 일체형 황산분해반응기를 복수의 다발로 연결한 황산분해장치를 제공한다.
벨형 실리콘카바이드 튜브는 제작상 성형과 열처리 과정이 필요하므로 제작이 가능한 길이가 한정될 수 밖에 없다. 따라서, 1 대의 수직 일체형 황산분해반응기를 사용하여 생산할 수 있는 SO2와 O2 양도 한정될 수 밖에 없다. 따라서, 여러 대의 일체형 황산분해반응기를 다발로 연결하여 황산 분해량을 증가시키는 방법이 필요하다.
하기 도 6은 여러 대의 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기를 연결한 대용량 가압 황산분해장치의 개념도로서, 1 개의 황산용액 투입구(54)를 통해 각각의 일체형 반응기(51)로 황산용액을 분산 공급하고, 개별 반응기에서 반응 후에 배출되는 혼합기체는 1 개의 황산분해가스 배출구(55)에 모아 다음 단계의 분센반응부로 공급하는 방법이다.
다발로 구성된 수직 일체형 황산분해반응기(51)에는 상부 튜브를 가열하는 상부 히팅블록(52)과 하부 튜브를 가열하는 하부 히팅블록(53)을 각각의 개별 반응기마다 설치할 수도 있고 또는 몇 개씩 동시에 가열할 수 있도록 큰 블록형으로 만든 히팅블록을 사용할 수도 있다. 그리고, 황산분해량이 많아지면 하기 도 6과 같은 방법으로 일렬로 연결된 황산분해반응기를 여러 열로 평행하게 설치하여 반응기 설치공간을 최소화할 수도 있다.
본 발명은 상기 황산분해장치를 이용하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해방법을 제공하고, 본 발명에 따른 황산분해방법은 하부 내부관을 통하여 하부 튜브에 황산 용액을 공급하고, 하부 튜브의 온도를 350-700 ℃로 가열하여 황산을 증발시키고 SO3와 H2O로 열분해하는 단계, 상부 튜브의 온도를 700-1000 ℃로 가열하여 하부 튜브에서 분해되지 않은 황산을 추가적으로 SO3와 H2O로 열분해하고, 상부 튜브에 설치된 촉매층에서 SO3와 H2O를 SO2과 O2로 분해하는 단계 및 상기 분해된 SO2과 O2를 상부 내부관을 통하여 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 촉매층은 이에 한정되는 것은 아니나, 일반적인 황산분해용 촉매로서 귀금속 담지 입상촉매 또는 CuFeOx, CuCrOx 등의 금속산화물 입상촉매로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 백금이 무게비로 0.5-1% 담지된 알루미나 입상촉매(0.5-1 wt% Pt/Al2O3)로 이루어진 것을 특징으로 한다.
또한, 황산 용액을 공급하는 속도를 조절하는 수단을 구비하여, 상기 황산 용액을 5-35 g/min으로 공급하는 것을 특징으로 하고, 분해된 SO2과 O2의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기의 압력을 조절하는 수단을 구비하여, 상기 황산분해반응기의 압력을 0.2-5 기압으로 조절하는 것을 특징으로 한다.
황산 용액 공급속도는 실리콘카바이드 튜브를 통해 전달되는 열량과 황산 단위무게 당 증발과 예열, 열분해, 촉매분해에 필요한 열량을 고려하여 정량펌프로 투입량을 조절하여 공급하는데, 길이 28인치의 벨형 실리콘카바이드 튜브를 사용하는 경우에는 분당 2-10 g 속도로, 길이 56인치 벨형 실리콘카바이드 튜브를 사용하는 경우에는 분당 2-20 g 속도로 황산용액 (무게비 95~97% 황산)을 공급할 수 있다. 다만, 현재 구입이 가능한 실리콘카바이드 튜브의 실질적인 크기에서는 촉매의 충진량이 제한되므로 상기 양의 40-50% 수준으로 공급하는 것이 바람직하다.
황산용액의 증발과 부분적인 기체 승온 및 열분해를 담당하는 하부 튜브는 350-700 ℃, 바람직하게는 500-600 ℃ 온도로 가열하고, 황산 증기의 열분해와 촉매분해를 담당하는 상부 튜브는 700-1000 ℃, 바람직하게는 850-900 ℃ 온도로 가열함이 바람직하다.
이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명에 따른 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하는 황산분해장치를 이용한 황산분해방법을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
<실시예>
<실시예 1>
본 발명에 따른 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기를 이용하여 가압 황산분해 실험을 수행하였다.
일체형 황산분해반응기는 하기 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 길이 28인치(712 mm), 외경 38 mm, 내경 25.5 mm의 벨(bell)형 실리콘카바이드 튜브 2개를 실리콘카바이드 재질의 중앙연결부에 상하로 연결하고, 하기 도 4와 같이 각 실리콘카바이드 튜브 내부에는 끝에 나사 산(43)을 낸 석영관(외경 9.5 mm, 내경 6.4 mm) 또는 실리콘카바이드 튜브(외경 3/8 인치, 내경 1/4 인치)인 상부 내부관(41)과 하부 내부관(42)을 실리콘카바이드 중앙연결부(35)에 연결하여 삽입하였다. 수직형 반응기 상부에 설치되는 내부관은 도 5와 같이 최상단부에는 황산분해용 촉매로 백금이 무게비로 1% 담지된 알루미나 입상촉매(1 wt% Pt/Al2O3 입상촉매, 직경 1/8 인치, 길이 2-2.5 mm)를 30.6 g (~27 cc) 충진하여 사용하고, 촉매층 부위 온도는 실리콘카바이드 튜브 외벽온도 기준으로 860 ℃가 되게 조절하였다. 원료인 황산용액은 황산농도가 무게비로 97%인 시약급을 사용하였고, 황산용액은 분당 8.5 g 속도로 공급하였고, 반응압력은 배출가스 속도를 조절하여 계기압으로 2.5 기압을 유지시켰다. 황산분해반응기에서 배출되는 황산분해가스를 희황산 용액 트랩을 통과시켜 미반응 황산과 수분을 제거하고 KI/I2 수용액 트랩을 통과시켜 SO2를 제거한 후 건식가스메터로 일정시간 동안 배출되는 기체 O2의 부피를 측정하고 그 값을 기준조건(25 ℃, 상압)으로 환산하였다. 실험실적으로 측정한 황산 분해율(%)은 하기 [식 1]과 [식 2]에 따라 계산하였다.
[식 1]
황산 100% 분해로 생성된 O2의 부피 (L/h, 25 ℃, 상압)
= (황산용액 투입량, g/min) × 0.97 / 98(H2SO4 분자량, g/gmol) × 22.4 (L/gmol) / 2 × 60(min/h)
[식 2]
실험실적 황산 분해율(%)
= 100 × {실험실적 측정 O2의 온도보정된 부피(L/h, 25 ℃, 상압)} / {황산 100% 분해로 생성된 O2의 부피(L/h, 25 ℃, 상압)}
황산용액이 8.5 g/min으로 투입되었을 때 황산이 100% 전환되는 것을 가정한 O2 생성량은 25 ℃, 상압 조건을 기준으로 계산하면 56.54 L/h 된다. 황산분해실험을 통한 O2 생성량(25 ℃, 상압 기준)은 43.8±1.3 L/h로 측정되어 H2SO4의 SO2, O2로의 분해율은 77.5±2.3%로 계산되었다. 860 ℃, 2.5 기압(계기압)에 대해 열역학적으로 예측되는 H2SO4의 SO2, O2로의 평형전환율은 77.79%로, 실험에서 측정된 평균값은 거의 평형전환율 값에 접근하였다. 이 결과는 황산용액이 8.5 g/min 속도로 투입되면 촉매와의 접촉반응 시간이 충분하고 또한 실리콘카바이드 튜브 벽을 통한 열전달이 충분하여 황산용액의 증발, 예열, 열분해, 촉매분해에 필요한 열이 충분히 공급되었음을 알 수 있다.
<실시예 2 내지 4>
황산용액 공급속도를 12.5-35.0 g/min으로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 장치를 사용하여 동일한 방법으로 855-860 ℃, 2.5 기압(계기압)에서 황산분해반응을 실시하였다. 각 황산용액 공급속도에 대한 O2의 생성속도와 H2SO4의 SO2, O2로의 분해 전환율을 하기 [표 1]에 정리하였다.
황산용액의 공급속도가 증가할수록 O2의 생성속도와 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율이 비례하여 감소하였으며, 35.0 g/min 속도로 공급하는 경우는 H2SO4 분해전환율이 42.6±0.6%로 계산되어 평형전환율(77.79%) 대비 55% 수준에 도달하였다. 이는 황산용액 공급속도가 빨라지면 실리콘카바이드 튜브 벽을 통한 열전달 양이 황산용액의 증발, 예열, 열분해, 촉매분해에 필요한 열량보다 충분하지 않아서 나타나는 현상임을 알 수 있다.
<실시예 5 내지 7>
황산용액 공급속도를 35.0 g/min로 고정시키고, 반응압력 2.5 기압에서 촉매반응온도를 900 ℃로 변화시킨 경우(실시예 5)와 반응압력 5 기압(계기압)에서 촉매반응온도를 860-900 ℃로 변화시킨 경우(실시예 6과 7)에 대해 황산분해반응을 실시하였다. 각 경우에 대한 O2의 생성속도와 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율을 하기 [표 1]에 정리하였다.
실시예 5와 같이 반응압력 2.5 기압(계기압)에서 반응온도를 900 ℃로 상승시키면 열역학적 계산에 의한 평형전환율은 83.23%로 증가하며, 실험에서 측정된 촉매분해반응에 의한 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율도 58.3±0.5%로 증가하였다.
실시예 6과 같이 반응압력을 5 기압(계기압)으로 높이면 반응온도 860 ℃인 경우 열역학적 평형전환율은 72.64%, 900 ℃인 경우 78.98%로, 압력상승에 따라 4-5%의 전환율이 감소한다. 실시예 6과 7의 실험결과에서도 5-7%의 전환율 감소가 조사되었다. 촉매층 반응온도 증가가 반응속도 향상을 유도하여 황산분해전환율 상승에 크게 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.
실시예 촉매반응온도
(℃)		 압력
(기압)		 황산용액
공급속도
(g/min)		 100% 전환기준 O2 생성속도
(L/h)*		 실험실적
O2 생성속도
(L/h)*		 H2SO4 분해
전환율
(%)
1 860 2.5 8.5 56.54 43.8±1.3 77.5±2.3
2 860 2.5 12.5 83.14 58.8±0.5 70.7±0.6
3 857 2.5 25.0 166.29 80.4±0.8 48.3±0.5
4 855 2.5 35.0 232.80 99.1±1.3 42.6±0.6
5 903 2.5 35.0 232.80 135.8±1.2 58.3±0.5
6 857 5.0 35.0 232.80 86.9±0.9 37.3±0.4
7 903 5.0 35.0 232.80 120.6±1.1 51.8±0.5
* 배출가스의 부피 보정값 (25 ℃ , 상압)
<비교예 1 내지 8>
상기 실시예 1에서 사용한 길이 28인치(712 mm), 외경 38 mm, 내경 25.5 mm의 벨(bell)형 실리콘카바이드 튜브 1개를 실리콘카바이드 재질의 중앙연결부 상부에 연결하고, 그 내부에는 끝에 나사 산을 낸 석영관(외경 9.5 mm, 내경 6.4 mm) 또는 실리콘카바이드 튜브(외경 3/8 인치, 내경 1/4 인치)를 실리콘카바이드 중앙연결부 상부에 삽입 연결하고 그 최상단부에는 실시예 1과 같이 황산분해용 촉매인 1 wt% Pt/Al2O3 입상촉매(직경 1/8 인치, 길이 2-2.5 mm)를 30.6 g (~27 cc) 충진하였다. 실리콘카바이드 중앙연결부 하부에는 벨형 실리콘카바이드 튜브 대신 가운데가 테두리 체결부보다 2 mm 낮은 평판형 실리콘카바이드 뚜껑을 체결하여 막음으로써 황산용액이 투입되면 평판에 고였다가 실리콘카바이드 중앙연결부의 유로를 따라 상부 실리콘카바이드 튜브 쪽으로 액이 상승하고 상부 튜브에서 황산용액이 가열되어 증발, 예열, 열분해, 촉매분해된 후 반응 후 혼합기체가 내부관을 통해 하강하여 중앙연결부 배출로를 따라 상기 실시예 1과 같은 경로로 배출되도록 하였다. 상부 실리콘카바이드 튜브만 가열하여 외벽온도 기준으로 850-880 ℃되게 조절하고 황산용액은 분당 7.7-35.0 g 속도로 공급하였고, 반응압력은 배출가스 속도를 조절하여 계기압으로 0-3 기압을 유지시켰다. 상기 실시예 1과 같은 방법으로 황산분해반응기에서 배출되는 가스를 희황산용액 트랩과 KI/I2 수용액 트랩을 통과시킨 후 건식가스메터로 일정시간 동안 배출되는 기체 O2의 부피를 측정하고 기준조건(25 ℃, 상압)의 부피로 환산하여 황산분해율(%)을 계산하였다. 각 반응조건에서 측정한 O2의 생성속도와 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율을 하기 [표 2]에 나타내었다.
비교예 촉매반응
온도
(℃)		 압력
(기압)		 황산용액
공급속도
(g/min)		 100% 전환기준 O2 생성속도
(L/h)*		 실험실적
O2 생성속도
(L/h)*		 H2SO4 분해
전환율
(%)
1 847 0.2 7.7 51.22 36.7 71.6
2 866 0.2 7.7 51.22 38.7 75.6
3 874 0.2 17.0 113.07 66.3±1.0 58.6±0.9
4 873 0.2 35.0 232.80 58.2 36.6
5 873 1.0 35.0 232.80 73.3±1.2 31.5±0.5
6 877 2.0 14.0 93.12 35.5 38.1
7 877 2.5 14.0 93.12 19.8 21.3
8 877 3.0 14.0 93.12 12.4±0.2 13.3±0.2
* 배출가스의 부피 보정값 (25 ℃, 상압)
상기 비교예 1 내지 4는 반응압력을 0.2 기압(계기압)으로 유지하며 황산용액 공급속도를 변화시킨 경우에 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율을 조사한 것으로 원료공급속도가 7.7 g/min 같이 낮은 경우 분해전환율은 온도에 따라 71.6%, 75.6%로 조사되어 그 부근 온도, 압력에서의 평형전환율인 84.46% (0.2 기압, 850 ℃), 86.68% (0.2 기압, 870 ℃)에 가까운 높은 값을 보였다.
그러나, 황산용액 공급속도가 증가하면서 황산분해전환율은 급격히 감소하고, 특히 압력이 높은 조건에서는 황산 증발이 원활하게 진행되지 않아 황산분해전환율이 매우 낮게 나타났다. 비교예 7의 조건은 상기 실시예 2와 3의 중간보다 실시예 2에 가까운 조건임에도 황산분해전환율은 21.3%로 실시예 2의 70.7%, 실시예 3의 48.3%의 중간값보다 훨씬 낮은 전환율을 보였다. 이는 1 개의 실리콘카바이드 튜브만으로는 황산의 증발, 예열, 열분해, 촉매분해를 감당하기에는 일체형 반응기의 열교환면적이 절대적으로 부족하기 때문이며, 실시예 1 내지 7 경우 공급되는 황산용액이 투입 즉시 하부 실리콘카바이드 튜브 내에서 증발하는 반면 비교예 1 내지 8 경우는 황산용액이 실리콘카바이드 중앙연결부 및 실리콘카바이드 튜브 하단부에 쌓인 후 전체 용액의 온도가 증발온도까지 상승해야만 증발이 일어나므로 황산공급속도가 빠를 경우에는 용액 온도가 증발온도보다 낮아 용액이 계속 쌓여가기 때문임을 알 수 있다.
1: 황산 저장조 2: 황산공급펌프
3: 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기
4: 입상촉매층
5: 황산분해반응기 가열로 6: 기-액 분리기
7: 압력조절 벨브 8: 희황산 트랩(trap)
9: 쓰리웨이(three-way) 벨브 10: HI/I2 용액 트랩
11: 건식가스메타 (dry gas meter) 12: 알칼리수용액 트랩
13: 배출구(vent) 14: 가압 영역
21: 실리콘카바이드 튜브
22: 내부관 (실리콘카바이드 또는 석영재질)
23: 황산분해촉매층 24: 실리콘카바이드 중앙연결부
25: 튜브와 중앙연결부 체결기 (금속 재질)
26: 귀금속 라이닝 튜브 27: 귀금속 라이닝 튜브 체결기
28: 황산 투입구 29: 황산분해가스 배출구
30: 링(ring)형 알루미늄 라이너(liner)
31: 벨(bell)형 실리콘카바이드 튜브 32: 실리콘카바이드 튜브 외경
33: 실리콘카바이드 튜브 내경 34: 실리콘카바이드 튜브 스커트
35: 실리콘카바이드 중앙연결부 36: 황산 투입구
37: 황산분해가스 배출구 38: 기체 상승 유로
39: 내부관 연결구 (나사산)
41: 상부 내부관 (실리콘카바이드 또는 석영재질)
42: 하부 내부관 (실리콘카바이드 또는 석영재질)
43: 내부관 나사산부
44: 내부관 내에 설치한 황산분해 촉매층
45: 내부관 외에 설치한 황산분해 촉매층
46: 촉매층 받침 (실리콘카바이드 재질)
51: 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기 다발
52: 상부 히팅블록(heating block) 53: 하부 히팅블록(heating block)
54: 황산 투입구 55: 황산분해가스 배출구

Claims (16)

  1. 실리콘카바이드 소재 벨 형상의 상부튜브;
    실리콘카바이드 소재 벨 형상의 하부튜브;
    상기 상부튜브와 하부튜브를 연결하는 실리콘 카바이드 소재의 중앙 연결부; 및
    상기 상부 튜브 및 상기 하부 튜브와 상기 중앙 연결부를 체결하는 알루미늄 라이너가 있는 스테인레스스틸 소재의 체결부;를 포함하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기로서,
    상기 중앙 연결부는 황산 투입구, 황산분해가스 배출구, 공급 유로, 배출 유로 및 1 개 이상의 기체 상승 유로를 포함하고, 상기 황산투입구는 상기 공급유로와 연결되어 있으며, 상기 황산분해가스 배출구는 상기 배출유로와 연결되어 있고,
    상기 황산분해반응기는 상기 상부 튜브 및 상기 하부 튜브 각각의 튜브 내부에 양 말단이 뚫려있는 상부 내부관 및 하부 내부관을 각각 더 포함하며,
    상기 상부 내부관의 한쪽 말단은 상기 배출 유로와 연결되며, 상기 하부 내부관의 한쪽 말단은 상기 공급 유로와 연결되고,
    상기 황산분해가스 배출구는 상기 중앙 연결부 상부 측면에 위치하고, 상기 황산 투입구는 상기 중앙 연결부 하부 측면에 위치하며,
    상기 배출 유로는 수직 배출유로와 수평 배출유로로 이루어지고, 상기 수직 배출유로는 상기 중앙 연결부 상부면 중심에서 상기 중앙 연결부의 중심축을 따라 하부로 향해 상기 수평 배출유로와 이어져 있으며, 상기 수평 배출유로는 상기 황산분해가스 배출구에서 상기 중심축 방향으로 수평으로 향하여 상기 수직 배출유로와 연결되고,
    상기 공급유로는 수직 공급유로와 수평 공급유로로 이루어지고, 상기 수직 공급유로는 상기 중앙 연결부 하부면 중심에서 상기 중앙 연결부의 중심축을 따라 상부로 향해 상기 수평 공급유로와 이어져 있으며, 상기 수평 공급유로는 상기 황산 투입구에서 상기 중심축 방향으로 수평으로 향하여 상기 수직 공급유로와 연결되고,
    상기 1개 이상의 기체상승 유로는 상기 수직 공급유로 및 수직 배출유로보다 상기 중심축으로부터 더 먼 위치에서 상기 수평 배출유로와 상기 수평 공급유로와는 만나지 않도록 상기 중앙 연결부를 수직으로 관통하는 것을 특징으로 하는 황산분해반응기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 튜브의 상부에는 입상 황산분해촉매층을 더 포함하고, 상기 입상 황산분해촉매층은 상부 내부관의 상부 말단 내부에 설치하거나, 또는 상기 상부 내부관과 상기 상부 튜브 사이에 설치하는 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 황산 투입구 및 상기 황산분해가스 배출구에는 각각 황산 투입배관과 분해가스 배출배관과 연결할 수 있도록 귀금속이 라이닝된 금속튜브를 체결시킨 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 내부관과 상기 하부 내부관의 재질이 석영 또는 실리콘카바이드인 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 튜브와 상기 상부 내부관 사이에 라시그링(Raschig ring) 형태의 석영관(quartz tube) 조각 또는 세라믹관(ceramic tube) 조각을 충진한 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 하부 튜브와 상기 하부 내부관 사이에 라시그링(Raschig ring) 형태의 석영관(quartz tube) 조각 또는 세라믹관(ceramic tube) 조각을 충진한 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
  9. 제 1 항에 따른 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하여 황산을 분해하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 황산분해장치는 수직 일체형 황산분해반응기를 복수의 다발로 연결한 것을 특징으로 하는 황산분해장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 황산분해반응기의 상부 튜브 및 하부 튜브를 각각 다른 온도로 가열할 수 있는 가열로를 더 포함하는 황산분해장치.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 황산분해반응기로 공급되는 황산의 공급속도를 조절할 수 있는 황산공급펌프 및 상기 황산분해반응기에서 배출하는 황산분해가스의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기 내의 압력을 조절할 수 있는 압력조절밸브를 더 포함하는 황산분해장치.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 황산분해반응기에서 배출되는 SO3과 H2O을 포집하여 SO3, H2O로부터 기체 SO2와 O2를 분리하는 희황산 용액 트랩을 더 포함하는 황산분해장치.
  14. 제 9 항에 따른 황산분해장치를 이용하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해방법에 있어서,
    (a) 하부 내부관을 통하여 하부 튜브에 황산 용액을 공급하고, 하부 튜브의 온도를 350-700 ℃로 가열하여 황산을 증발시키고 SO3와 H2O로 열분해하는 단계;
    (b) 상부튜브의 온도를 700-1000 ℃로 가열하여 상기 (a)단계에서 분해되지 않은 황산을 추가적으로 SO3와 H2O로 열분해하고, 상부 튜브에 설치된 촉매층에서 SO3와 H2O를 SO2과 O2로 분해하는 단계; 및
    (c) 상기 분해된 SO2과 O2를 상부 내부관을 통하여 배출하는 단계를 포함하는 황산분해방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 (a)단계는 황산 용액을 공급하는 속도를 조절하는 단계를 더 포함하고, 상기 황산 용액을 5-35 g/min으로 공급하는 것을 특징으로 하는 황산분해방법.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 (c)단계는 분해된 SO2과 O2의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하고, 상기 황산분해반응기의 압력은 0.2-5 기압인 것을 특징으로 하는 황산분해방법.
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