KR101394525B1 - 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템 및 생산방법 - Google Patents

상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템 및 생산방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 상온에서 반응을 일으켜 일산화질소(NO)를 생산하는 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템 및 생산방법이다.
이러한 본 발명인 상온반응에 의한 일산화질소 생산방법은, N2 가스를 이용하여 누출 여부를 확인한 후 N2 가스를 방출하여 제거하고, 반응가마에 NaNO2와 물을 투입하는 한편 진공펌프를 가동하여 흡수기와 흡착기와 압축기 및 다수의 저장탱크가 진공상태를 유지하도록 하는 단계(S1)와; 상기 단계(S1) 후 반응가마 내의 NaNO2와 물을 교반하며, 황산수용액을 공급하여, NaNO2 + H2SO4 + H2O → Na2SO4 + NO + H2O로 상온에서 반응하도록 하는 단계(S2)와; 상기 단계(S2) 후 반응가마 내의 압력이 0.1MPa 이상일시에 반응하여 나온 가스를 흡수기와 흡착기에 순차적으로 통과시킨 후 임시저장탱크에 저장하고 압축기를 이용하여 일산화질소저장탱크에 저장하는 단계(S3)와; 상기 단계(S3) 반응가마 내의 압력이 0.03MPa 이하로 내려가는 경우에는 생산을 중단하는 단계(S4)를 포함한다.

Description

상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템 및 생산방법{PRODUCTION FACILITIES SYSTEM AND PRODUCTION METHOD OF NITRIC OXIDE BY ROOM TEMPERATURE REACTION}
본 발명은 상온에서 반응을 일으켜 일산화질소(NO)를 생산하는 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템 및 생산방법이다.
일산화질소(一酸化窒素)는 질소와 산소로 이루어진 화합물로, 분자식은 NO이다. 보통 산화질소라고 불리기도 한다.
일산화질소(NO)는 상온에서 무색의 기체로 존재하며, 녹는점은 -161℃, 끓는점은 -151℃이다. 임계 온도는 -92.9℃, 임계 압력은 64.6atm이다.
분자의 구조는 선형인데, 질소 원자와 산소 원자 사이의 결합길이는 1.151A으로 이중 결합일 때의 기대값과 삼중 결합일 때의 기대값의 중간이다.
분자에 전자가 홀수개로 존재하는 몇 안 되는 화합물 중 하나이다. 액체 상태에서는 이합체의 형성이 일어나며, 고체 상태에서는 대부분이 이합체의 형태로 존재하나 기체 상태에서는 분자는 단독으로 존재한다. 전자의 개수가 홀수이기 때문에 전자를 얻거나 잃는 경향이 강하여 NO+, NO-과 같은 이온을 형성하기 쉽다.
화학적으로 매우 반응성이 큰 물질로, 산화되어 이산화질소로 되기 쉽우며, 산소 또는 공기가 존재할 경우 이들과 반응하여 이산화질소가 된다. 700℃로 가열하면 하기와 같이 분해가 시작되어 1200℃까지 가열될 경우 60%가 분해된다.
2 NO → N2 + O2
4 NO → 2 N2O + O2
통상적으로 일산화질소의 제조방법은,
Ⅰ) 진한 질산을 비스무트, 구리, 납, 수은 등으로 환원시키거나,
Ⅱ) 질소와 산소의 혼합 기체를 고온에서 반응시키거나,
Ⅲ) 암모니아를 백금 촉매와 산소의 존재 하에 가열시켜 일산화질소를 얻는다.
특허문헌 1 : 공개특허공보 특1996-0034073호 (공개일자 1996.10.22) 특허문헌 2 : 등록특허공보 10-0291305호 (등록일자 2001.03.09) 특허문헌 3 : 등록특허공보 10-0839771호 (등록일자 2008.06.12)
본 발명의 목적은 상온에서 반응을 시켜 일산화질소를 생산할 수 있는 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템 및 생산방법을 제공하는데 목적이 있다.
즉, 반응을 통하여 일산화질소를 생산하되, 가열을 하거나 압력을 가하지 않고 상온에서 반응을 일으켜 일산화질소가 발생(생성)하도록 하는 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템 및 생산방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자 본 발명인 상온반응에 의한 일산화질소 생산방법은, N2 가스를 이용하여 누출 여부를 확인한 후 N2 가스를 방출하여 제거하고, 반응가마에 NaNO2와 물을 투입하는 한편 진공펌프를 가동하여 흡수기와 흡착기와 압축기 및 다수의 저장탱크가 진공상태를 유지하도록 하는 단계(S1)와; 상기 단계(S1) 후 반응가마 내의 NaNO2와 물을 교반하며, 황산수용액을 공급하여, NaNO2 + H2SO4 + H2O → Na2SO4 + NO + H2O로 상온에서 반응하도록 하는 단계(S2)와; 상기 단계(S2) 후 반응가마 내의 압력이 0.1MPa 이상일시에 반응하여 나온 가스를 흡수기와 흡착기에 순차적으로 통과시킨 후 임시저장탱크에 저장하고 압축기를 이용하여 일산화질소저장탱크에 저장하는 단계(S3)와; 상기 단계(S3) 반응가마 내의 압력이 0.03MPa 이하로 내려가는 경우에는 생산을 중단하는 단계(S4)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 단계(S2)에서 교반기 속도는 80~90rpm으로 하며, 상기 단계(S3)에서 흡수기는 알칼리 성분인 KOH 또는 NaOH를 사용하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하고자 또 다른 본 발명인 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템은, 교반장치가 설치된 반응가마와; 상기 반응가마에 황산(H2SO4)을 공급하는 황산탱크와; 상기 반응가마에 물을 공급하는 물탱크를 포함하는 물공급장치와; 상기 반응가마에 반응시 발생한 일산화질소가스를 임시저장하는 제1 임시저장탱크와; 상기 임시저장탱크로부터 공급되는 일산화질소가스 내의 수분을 제거하는 흡수기와; 상기 흡수기를 통과한 일산화질소 내의 수분을 이물질을 제거하는 흡착기와; 상기 흡착기를 통과한 일산화질소를 임시저장하는 제2 임시저장탱크와; 상기 제2 임시저장탱크로부터 공급되는 일산화질소를 압축하는 압축기와; 상기 압축기로 압축된 일산화질소를 저장하는 일산화질소저장탱크와; 상기 흡수기와 흡착기와 임시저장탱크 및 압축기를 진공으로 형성하는 진공펌프와; 상기 반응가마와 제1 임시저장탱크와 흡수기에 남아있는 폐액을 저장하는 폐액저장탱크와; 상기 반응가마와 제1 임시저장탱크와 흡착기와 제2 임시저장탱크와 압축기에 남아있는 잔유물을 회수하는 잔유물 회수용 실린더와; N2 가스 공급장치를 포함하도록 구성되어,
상기 N2 가스 공급장치로부터 공급되는 압력의 N2를 이용하여 누출여부를 확인하고, 상기 반응가마에 NaNO2와 물과 황산수용액을 공급하여, NaNO2 + H2SO4 + H2O → Na2SO4 + NO + H2O로 반응하도록 하여 일산화질소(NO)를 형성하되, 반응시 압력이 0.1MPa 이상일 때에 일산화질소(NO)를 처리하여 일산화질소저장탱크에 저장하는 일산화질소(NO) 생산을 하고, 압력이 0.03MPa 이하로 내려가는 경우 일산화질소(NO) 생산을 정지하도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 황산탱크에는 황산(H2SO4)과 물이 중량대비 1 : 3으로 혼합된 황산 수용액이 저장됨을 특징으로 한다.
상기와 같이 이루어지는 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템 및 생산방법은 상온에서 반응이 일어남으로써 반응을 일으키기 위하여 고온으로 가열하거나 고압의 압력을 가하지 않음으로써 에너지소모를 줄일 수 있다. 즉, 반응을 일으키기 위하여 열 또는 압력을 가하지 않음으로써 생산비용을 낮출 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 나타낸 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명인 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템의 질소(N)를 공급하여 누출여부를 검사하는 것을 나타낸 것임.
도 3은 본 발명인 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템의 반응가마에 황산수용액을 투입하여 반응을 시켜 일산화질소(NO)를 생산하는 것을 나타낸 것임.
첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 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.
도 1과 같이 본 발명인 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템은, 황산수용액이 저장된 황산탱크(1)와, 물을 공급하는 물탱크가 포함된 물공급장치(2)와, 진공펌프(3)와, 상기 황산탱크(1)와 물공급장치(2)와 연결되고 교반장치가 설치된 반응가마(4)와, 상기 반응가마(4)에서 생성된 일산화질소(NO)가 공급되도록 연결된 흡수기(5)와, 상기 흡수기(5)를 통과한 일산화질소(NO)가 공급되도록 연결된 흡착기(6)와, 상기 흡착기(6)를 통과한 일산화질소(NO)를 임시저장하는 제2차 임시저장탱크(7)와, 상기 임시저장탱크(7)에 저장된 일산화질소(NO)를 압축하는 압축기(8)와, 상기 압축기(8)에서 압축된 일산화질소(NO)를 분배하는 분배기(9)와, 상기 분배기(9)와 연결된 일산화질소저장탱크(10)와, 잔유물을 회수하는 잔유물회수탱크(11)와, 상기 진공펌프(3)와 연결된 진공탱크(12)와, 상기 반응가마(4)와 흡수기(5) 사이에 설치되어 반응가마(4)에서 생성된 일산화질소(NO)를 임시저장하는 제1차 임시저장탱크(13)와, 상기 반응가마(3)의 일산화질소생산 중단시 반응가마(3)와 제1 임시저장탱크(13)와 흡수기(5)에 남아있는 폐액을 회수하여 저장하는 폐액저장탱크(14)와, N2을 공급하여 누출여부를 확인하도록 하는 N2 가스 공급장치(15)와 알칼리 수용액 탱크(16)로 구성되며, 상기 구성들은 각종 배관으로 서로 연결되어 있으며, 각종 배관에는 압력센서(P)와 밸브가 설치되어 있다.
상기 배관에는 황산과 물을 반응가마(4)에 공급하는 황산/물용 배관(①)과, 반응가마(4)에서 생성된 일산화질소(NO)가 이동하는 일산화질소(NO)용 배관(②)과, N2 가스 공급장치(15)의 N2가스를 공급하는 N2용 배관(③), 진공펌프(3)에 의하여 진공상태를 유지하도록 하는 진공용 배관(④)과, 잔유물회수탱크(11)에 잔유물을 안내하는 잔유물을 회수하는 잔유물용 배관(⑤)과, 폐액저장탱크(14)에 폐액을 안내하는 폐액용 배관(⑥)으로 구성된다.
상기 N2 가스 공급장치(15)의 N2가스는 도 2와 같이 N2용 배관(③)으로 공급되며, 상기 N2용 배관(③)은 잔유물회수탱크(11)와 반응가마(4)와 분배기(9)에 연결되며, 상기 잔유물회수탱크(11)와 반응가마(4)와 분배기(9)로 공급되는 N2 가스는 흡수기(5), 흡착기(6), 임시저장탱크(7, 13), 압축기(8)의 입출구 및 각종 배관 등으로 공급되어 누출여부를 확인하게 된다.
상기와 같이 이루어진 본 발명의 일산화질소 생산설비 시스템을 이용하는 생산방법은,
N2 가스 공급장치(15)의 압력 N2 가스를 이용하여 누출 여부를 확인한 후 N2 가스를 방출하여 제거하고, 반응가마(4)에 NaNO2와 물을 투입하는 한편 진공펌프(3)를 가동하여 흡수기(5)와 흡착기(6)와 압축기(8) 및 다수의 저장탱크(10)가 진공상태를 유지하도록 하는 단계(S1)와;
상기 단계(S1) 후 반응가마(4) 내의 NaNO2와 물을 교반하며, 황산수용액을 공급하여, NaNO2 + H2SO4 + H2O → Na2SO4 + NO + H2O로 상온에서 반응하도록 하는 단계(S2)와;
상기 단계(S2) 후 반응가마(4) 내의 압력이 0.1MPa 이상일시에 반응하여 나온 가스를 흡수기(5)와 흡착기(6)에 순차적으로 통과시킨 후 임시저장탱크(7)에 저장하고 압축기(8)를 이용하여 일산화질소저장탱크(10)에 저장하는 단계(S3)와;
상기 단계(S3)시 반응가마(4) 내의 압력이 0.03MPa 이하로 내려가는 경우에는 생산을 중단하는 단계(S4)로 일산화질소(NO)를 생산한다.
상기 단계(S2)에서 교반기의 속도는 80~90rpm으로 하며, 바람직하게는 85rpm으로 한다.
상기 단계(S3)에서 흡수기(5)는 알칼리 성분인 KOH 또는 NaOH을 사용한다.
이하, 일 실시 예를 들어 설명한다.
- 생산 전의 준비
1. 도 2와 같이 시스템의 전부를 N2 가스 공급장치(15)의 압력(0.25MPa) N2 가스로 누출여부를 확인한다(8시간 동안 압력이 0.01MPa 이상이어야 하며, 일명 '압력실험'이라고도 한다).
2. 누출여부(압력실험)를 확인한 후 시스템 내의 N2를 모두 방출하고 모든 밸브를 닫는다.
3. 반응가마(4)의 투입구를 열고 일정한 양의 NaNO2와 미리 계산한 양의 물을 넣고 투입구를 닫는다.
4. 황산탱크(1)에 미리 계산한 양의 H2SO4 수용액을 넣는다.
5. 진공펌프(3)를 가동하여 시스템에 대하여 진공으로 유지한다(압축기(8)의 출입구포함).
6. 흡수기(5)에 일정한 양의 알칼리 용액을 넣는다(전체 양의 35~50 중량%).
7. 대기압보다 낮은 진공압을 이용하여 알칼리 흡수 탱크에 알칼리 용액을 충전하고, 진공도가 0.096MPa에 부합되면 밸브를 닫아 충전을 완료한다.
8. 흡착기(6) molecular sieve 투입구를 열고 규정한 양의 molecular sieve를 용기의 약 70 Vol% 정도 투입한다.
9. 진공(분사) 펌프(3)를 중단한다.
- 생산가동
1. 반응가마(4)의 교반기를 가동하여 NaNO2용액이 균일하게 물에 용해되도록 한다. 이때 교반기의 속도는 약 85rpm으로 한다.
2. 도 3과 같이 황산탱크(1) 내의 황산수용액을 반응가마(4)에 넣는다.
3. 반응가마(4) 안의 압력이 0.1MPa 이상일 시에 밸브를 열고 반응하여 나온 NO를 반응가마(4) 뒤의 제1 임시저장탱크(buffer vessel, 13)와 알칼리 흡수기(5)와 흡착기(6)를 통과시켜 제2 임시저장탱크(NO buffer vessel, 7)에 저장한다.
4. 상기 제2 임시저장탱크(NO buffer vessel, 7) 안의 압력이 0.1MPa 이상일 시에는 가스 압축기(8)를 가동하여 일산화질소저장탱크(10)에 일산화질소(NO)를 저장(수집)한다.
5. 가스 압축기(8)의 압력이 1Mpa이 될 때 밸브를 열고 일산화질소(NO)를 저장(수집)한다. 저장(수집) 압력이 3.5Mpa에 도달하면 첫 번째 병의 밸브를 닫고 두 번째 병의 밸브를 여는 방식으로 한번에 한 병씩 저장한다.
- 생산중지
1. 반응가마(4) 안의 압력이 0.03MPa 범위로 내려가고 더 올라가지 않을 시에 반응이 끝난 것임으로, 압축기(8)의 가동을 중단하고 일산화질소저장탱크(10)의 밸브를 닫는다.
- 반응가마 처리
1. 반응이 끝난 후 차기 lot생산준비를 한다.
먼저 진공펌프(30)를 가동하고 반응가마(4) 안에 준비한 알칼리 용액을 넣어서 반응가마(4)안의 잔류하는 NO를 NO2로 전환시키고, 또 반응가마(4) 안의 잔류하는 황산수용액을 중화시킨다.
2. 진공펌프를 중단한다.
3. N2(질소)를 이용하여 반응가마(4) 안의 잔류하는 잔유물을 배출한다.
4. N2(질소)를 넣고 압력이 0.2Mpa이 된 후에 반응가마 안의 혼합가스가 알칼리 흡수 탑을 통하여 외부로 배출되도록 한다.
- 흡착기 재생
흡착기 안의 molecular sieve가 포화된 후에는 가열하여 재생화하여야 계속 사용이 가능하다.
- 흡착기(6)는 전기를 넣고 450~500℃로 4시간을 유지한다.
- 진공펌프(3)를 가동하고 가열 진공을 1시간 행한 후 자연냉각시킨다.
1 : 황산탱크 2 : 물공급장치
3 : 진공펌프 4 : 반응가마
5 : 흡수기 6 : 흡착기
7, 13 : 임시저장탱크 8 : 압축기
9 : 분배기 10 : 일산화질소저장탱크
11 : 잔유물회수탱크 12 : 진공탱크
14 : 폐액저장탱크 15 : N2 가스 공급장치
16 : 알칼리 수용액 탱크

Claims (5)

  1. N2 가스를 이용하여 누출 여부를 확인한 후 N2 가스를 방출하여 제거하고, 반응가마에 NaNO2와 물을 투입하는 한편 진공펌프를 가동하여 흡수기와 흡착기와 압축기 및 다수의 저장탱크가 진공상태를 유지하도록 하는 단계(S1)와;
    상기 단계(S1) 후 반응가마 내의 NaNO2와 물을 교반하며, 황산수용액을 공급하여, NaNO2 + H2SO4 + H2O → Na2SO4 + NO + H2O로 상온에서 반응하도록 하는 단계(S2)와;
    상기 단계(S2) 후 반응가마 내의 압력이 0.1MPa 이상일시에 반응하여 나온 가스를 흡수기와 흡착기에 순차적으로 통과시킨 후 임시저장탱크에 저장하고 압축기를 이용하여 일산화질소저장탱크에 저장하는 단계(S3)와;
    상기 단계(S3)에서 반응가마 내의 압력이 0.03MPa 이하로 내려가는 경우에는 생산을 중단하는 단계(S4)를 포함하며,
    상기 단계(S2)에서 교반기 속도는 NaNO2용액이 균일하게 물에 용해되도록 80~90rpm으로 하고,
    상기 단계(S3)에서 흡수기는 알칼리 성분인 KOH 또는 NaOH를 사용하며,
    상기 단계(S1)에서 N2가스는 N2 가스 공급장치(15)의 N2용 배관(③)을 통해 공급되되, 상기 N2용 배관(③)은 잔유물회수탱크(11)와 반응가마(4)와 분배기(9)에 연결되며, 상기 잔유물회수탱크(11)와 반응가마(4)와 분배기(9)로 공급되는 N2 가스는 흡수기(5), 흡착기(6), 임시저장탱크(7, 13), 압축기(8)의 입출구 및 배관으로 공급되어, N2 가스 공급장치(15)의 압력 N2 가스로 누출여부를 확인하되, 8시간 동안 압력은 0.01MPa 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 상온반응에 의한 일산화질소 생산방법.
  2. 교반장치가 설치된 반응가마(4)와;
    상기 반응가마(4)에 황산(H2SO4)을 공급하는 황산탱크(1)와;
    상기 반응가마(4)에 물을 공급하는 물탱크를 포함하는 물공급장치(2)와;
    상기 반응가마(4)에 반응시 발생한 일산화질소를 임시저장하는 제1 임시저장탱크(13)와;
    상기 임시저장탱크(13)로부터 공급되는 일산화질소 내의 수분을 제거하는 흡수기(5)와;
    상기 흡수기(5)를 통과한 일산화질소 내의 수분을 이물질을 제거하는 흡착기(6)와;
    상기 흡착기(6)를 통과한 일산화질소를 임시저장하는 제2 임시저장탱크(7)와;
    상기 제2 임시저장탱크(7)로부터 공급되는 일산화질소를 압축하는 압축기(8)와;
    상기 압축기(8)로 압축된 일산화질소를 저장하는 일산화질소저장탱크(10)와;
    상기 흡수기(5)와 흡착기(6)와 임시저장탱크(13) 및 압축기(8)를 진공으로 형성하는 진공펌프(3)와;
    상기 반응가마(4)와 제1 임시저장탱크(13)와 흡수기(5)에 남아있는 폐액을 저장하는 폐액저장탱크(14)와;
    상기 반응가마(4)와 제1 임시저장탱크(13)와 흡착기(6)와 제2 임시저장탱크(7)와 압축기(8)에 남아있는 잔유물을 회수하는 잔유물 회수용 실린더(11)와;
    N2 가스 공급장치(15)를 포함하도록 구성되어,
    상기 N2 가스 공급장치(15)로부터 공급되는 압력의 N2를 이용하여 누출여부를 확인하고,
    상기 반응가마(4)에 NaNO2와 물과 황산수용액을 공급하여, NaNO2 + H2SO4 + H2O → Na2SO4 + NO + H2O로 상온반응시켜 일산화질소(NO)를 형성하되, 반응시 압력이 0.1MPa 이상일 때에 일산화질소(NO)를 처리하여 일산화질소저장탱크(10)에 저장하는 일산화질소(NO) 생산을 하고, 압력이 0.03MPa 이하로 내려가는 경우 일산화질소(NO) 생산을 정지하도록 하며,
    상기 황산탱크(1)에는 황산(H2SO4)과 물이 중량대비 1 : 3으로 혼합된 황산 수용액이 저장되고,
    N2 가스 공급장치(15)의 N2가스는 N2용 배관(③)을 통해 공급되되, 상기 N2용 배관(③)은 잔유물회수탱크(11)와 반응가마(4)와 분배기(9)에 연결되며, 상기 잔유물회수탱크(11)와 반응가마(4)와 분배기(9)로 공급되는 N2 가스는 흡수기(5), 흡착기(6), 임시저장탱크(7, 13), 압축기(8)의 입출구 및 배관으로 공급되어, N2 가스 공급장치(15)의 압력 N2 가스로 누출여부를 확인하되, 8시간 동안 압력은 0.01MPa 이상이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 상온반응에 의한 일산화질소 생산설비 시스템.
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