KR101705676B1 - 가스 합성 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

개시되는 실시예에 따르면, 플라즈마 블라스팅(plasma blasting)을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브; 및 가역 발열 반응에서 반응하는 반응 가스(reactant gas)를 수용하고, 또한 블라스팅 매질을 수용하며, 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 반응 가스로부터 합성 가스(synthesis gas)가 형성되는 반응기를 포함하고, 상기 프로브는 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 배치되고, 상기 반응기에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통해 상기 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름(plasma stream)이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스로부터 상기 합성 가스가 형성되는, 가스 합성 장치가 제공된다.

Description

가스 합성 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SYNTHESIS OF GAS}
개시되는 실시예들은 가스를 합성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것로서, 더욱 구체적으로는 플라즈마 블라스팅(plasma blasting)을 이용하여 가역 발열 반응을 통해 암모니아와 같은 가스를 합성하는 기법에 관한 것이다.
몇몇 가스는 가역 발열 반응을 통해 반응 물질로부터 생성된다. 특히, 그와 같이 가스가 합성되는 가역 발열 반응에 대하여, 저온에서 평형이 유지되는 경우에도 반응 물질 내 분자들의 해리를 위해 고온에서 가스 합성 공정이 진행될 수 있다. 통상적으로, 이러한 공정에서는 수율의 개선을 위해 촉매가 사용된다. 예컨대, 상업적으로 중요한 물질인 암모니아(NH3)는 현재 매년 1억 6천만 톤의 암모니아가 고온 고압의 공정을 통해 생산되고 있다. 대략 섭씨 550도 및 200 기압의 반응 조건에서 산화철과 소량의 세륨 및 크롬으로 구성된 촉매가 있을 때 질소와 수소가 직접적으로 결합될 수 있다는 것이 발견되면서 대규모 암모니아 합성의 상용화가 시작되었다.
기존의 암모니아와 같은 가스의 합성을 위한 반응기들 중에서 축류(axial flow) 반응기는 촉매층을 거치면서 압력이 감소되고 그에 따라 에너지 소모가 수반되는바, 저압 대용량 암모니아 제조시설에 사용하기에는 적합하지 않다. 한편, 방사류(radial flow) 반응기는 여러 촉매층을 사용하는데, 각 층은 양단에서 밀폐되어야 한다. 방사류 반응기 내부의 다양한 구성요소들에 사용되는 물질들의 팽창으로 인한 문제점을 방지하기 위해 큰 부피의 구조물이 필요하고, 촉매층은 그 반응기의 안쪽에 위치되는 하나의 복잡한 금속 구조 내에 배치되는바, 촉매를 넣거나 빼내는 것이 복잡하다.
이러한 측면을 해결하기 위하여 여러 가지 방안들이 상업적으로 구현되었는데, 대부분의 방안들은 반응기의 설계 및 열 회수 방식에 특징이 있다. 다만, 최근의 저 에너지 공정에 적합하도록 반응기의 구성을 개선하여, 반응기 내 가스의 압력 강하를 최소화하고, 열교환기가 도입되기 쉽게 하며, 반응기에 촉매를 넣거나 반응기에서 빼내는 것이 더 편리하도록 하고, 수율을 증가시킬 필요가 여전히 있다. 아울러, 반응기에서 생성된 합성 가스로부터 암모니아와 같은 가스를 더 적은 비용으로써 효과적으로 분리하고 회수하기 위한 향상된 기법도 요구된다.
미국등록특허 제4181701호
개시되는 실시예들은 플라즈마 블라스팅을 이용한 가역 발열 반응을 통해 가스(예컨대, 암모니아)를 합성하는 장치 및 방법을 제공한다.
예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 블라스팅(plasma blasting)을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브; 및 가역 발열 반응에서 반응하는 반응 가스(reactant gas)를 수용하고, 또한 블라스팅 매질을 수용하며, 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 반응 가스로부터 합성 가스(synthesis gas)가 형성되는 반응기를 포함하고, 상기 프로브는 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 배치되고, 상기 반응기에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통해 상기 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름(plasma stream)이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스로부터 상기 합성 가스가 형성되는, 가스 합성 장치가 제공된다.
상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.
상기 가스 합성 장치는 상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위한 흡착기를 더 포함할 수 있다.
상기 반응기는, 상기 반응 가스 및 상기 블라스팅 매질을 수용하고 상기 플라즈마 흐름이 생성되며 상기 합성 가스가 형성되는 챔버; 및 상기 챔버 내의 상기 반응 가스를 압축하기 위한 압력 전달부를 포함할 수 있다.
상기 챔버의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮일 수 있다.
상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부가 상기 챔버의 일측을 관통하여 상기 챔버 내에 삽입될 수 있다.
상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.
상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다.
상기 반응기는, 상기 플라즈마 흐름이 생성되는 제1 챔버; 상기 합성 가스가 형성되는 제2 챔버; 및 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버를 구분하고, 상기 합성 가스의 형성을 위해 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따른 압력을 상기 제2 챔버에 전달하여 상기 제2 챔버 내의 상기 반응 가스를 압축하기 위한 압력 전달부를 포함할 수 있다.
상기 반응기는, 상기 블라스팅 매질이 상기 제1 챔버로 유입되는 블라스팅 매질 유입구; 상기 반응 가스가 상기 제2 챔버로 유입되는 반응 가스 유입구; 및 상기 합성 가스가 상기 제2 챔버로부터 유출되는 합성 가스 유출구를 더 포함할 수 있다.
상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.
상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다.
상기 반응기는 상기 제1 챔버에서 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 생성된 다른 합성 가스가 상기 제2 챔버에서 사용되도록 상기 제1 챔버로부터 유출되는 배출 가스 유출구를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 챔버의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮일 수 있다.
상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부는 상기 제1 챔버의 일측을 관통하여 상기 제1 챔버 내에 삽입될 수 있다.
상기 가스 합성 장치는 복수의 전극들을 구비한 추가적인 프로브를 더 포함할 수 있고, 상기 추가적인 프로브는 상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 배치될 수 있으며, 상기 제2 챔버에서는 상기 복수의 전극들을 통해 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 반응 가스로부터 다른 플라즈마 흐름이 생성될 수 있고 상기 다른 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스가 더 가압되어 상기 합성 가스가 형성될 수 있다.
상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 상기 추가적인 프로브의 적어도 일부가 상기 제2 챔버의 일측을 관통하여 상기 제2 챔버 내에 삽입될 수 있다.
상기 프로브에 전달될 상기 전기에너지를 저장하도록 구성된 전기에너지 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 전기에너지가 상기 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전시키는 전원 공급부; 및 활성화되는 경우 상기 전기에너지가 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달되도록 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기 에너지 저장부를 방전시키는 스위치를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 유전체에 의해 이격될 수 있다.
상기 프로브는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키기 위한 조절부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 동축 전극들일 수 있다.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 반응기에 가역 발열 반응에서 반응하는 가스 혼합물을 주입하는 단계; 상기 가스 혼합물을 압축하는 단계; 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브를 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 가스 혼합물과 접촉하도록 배치하는 단계; 및 상기 반응기에서 상기 전기에너지가 상기 프로브를 통해 인가됨에 따라 상기 가스 혼합물로부터 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 가스 혼합물로부터 합성 가스가 형성되도록, 상기 전기에너지를 상기 프로브에 전달하는 단계를 포함하는, 가스 합성 방법이 제공된다.
상기 전달하는 단계는, 상기 전기에너지가 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전하는 단계; 및 상기 전기에너지를 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달하기 위해 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기에너지 저장부를 방전시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가스 혼합물은 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.
상기 가스 합성 방법은, 상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위해 상기 합성 가스를 흡착기에 전달하는 단계; 및 상기 흡착기에서 흡착된 암모니아를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배치하는 단계는, 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 가스 혼합물과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부를 상기 반응기의 일측을 관통시켜 상기 반응기 내에 삽입하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이격시키는 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 블라스팅 매질을 제1 챔버 내로 주입하는 단계; 가역 발열 반응에서 반응하는 반응 가스를 제2 챔버 내로 주입하는 단계; 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브를 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 배치하는 단계; 및 상기 제1 챔버에서 상기 전기에너지가 상기 프로브를 통해 인가됨에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 제2 챔버에 압력이 전달되어 상기 반응 가스가 압축되며 상기 반응 가스의 압축에 따라 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 반응 가스로부터 합성 가스가 형성되도록, 상기 전기에너지를 상기 프로브에 전달하는 단계를 포함하는, 가스 합성 방법이 제공된다.
상기 전달하는 단계는, 상기 전기에너지가 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전하는 단계; 및 상기 전기에너지를 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달하기 위해 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기에너지 저장부를 방전시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.
상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다.
상기 가스 합성 방법은, 상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위해 상기 합성 가스를 흡착기에 전달하는 단계; 및 상기 흡착기에서 흡착된 암모니아를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 배치하는 단계는, 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부를 상기 제1 챔버의 일측을 관통시켜 상기 제1 챔버 내에 삽입하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이격시키는 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.
상기 가스 합성 방법은, 복수의 전극들을 구비한 추가적인 프로브를 상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 배치하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 챔버에서는 상기 복수의 전극들을 통해 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 반응 가스로부터 다른 플라즈마 흐름이 생성될 수 있고 상기 다른 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스가 더 가압되어 상기 합성 가스가 형성될 수 있다.
개시되는 실시예들에 따르면, 가역 발열 반응을 통한 가스(예컨대, 암모니아)의 합성을 위해 플라즈마 블라스팅 기법을 채택함으로써 기존의 고압 및 고온의 반응기에 비해 매우 낮은 에너지(에컨대, 수백 킬로와트 이상의 전력이 수십 마이크로 초 이하 동안 인가됨)를 사용할 수 있다.
개시되는 실시예들에 따르면, 가스의 합성을 위한 플라즈마 화학 반응이 일어나는 반응기는 단순한 구조를 가질 수 있고, 적은 양의 촉매를 필요로 할 수 있으며, 유지 및 보수를 위해 쉽게 접근할 수 있는바, 기존의 대규모의 반응기들에 비해 더욱 경제적이다.
개시되는 실시예들에 따르면, 종래의 가스 합성 공정에서 요구되는 압력보다 큰 압력을 생성하고 저온을 유지함으로써, 합성 가스의 수율을 증가시킬 수 있다.
개시되는 실시예들에 따르면, 반응기로부터 추출된 흐름으로부터 암모니아와 같은 생성 물질을 분리하기 위한 저비용 및 고효율의 공정이 제공될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따라 암모니아를 합성하는 장치를 도시한 도면,
도 2는 예시적인 실시예에 따른 프로브를 도식적으로 나타낸 도면,
도 3은 예시적인 실시예에 따른 프로브의 단면을 도시한 도면,
도 4는 예시적인 실시예에 따라 프로브가 삽입된 반응기를 도시한 도면,
도 5는 예시적인 실시예에 따라 프로브가 삽입된 반응기를 도시한 도면,
도 6은 예시적인 실시예에 따라 프로브가 삽입된 반응기를 도시한 도면,
도 7은 예시적인 실시예에 따른 암모니아 합성 과정을 도시한 도면,
도 8은 예시적인 실시예에 따른 암모니아 합성 과정을 도시한 도면.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.
예를 들어, 질소 및 수소로부터 암모니아를 합성하는 것은 가역 발열 반응으로서, 다음과 같이 기술될 수 있다.
Figure 112014032068019-pat00001
위 화학 반응의 평형 상수는 다음과 같다.
Figure 112014032068019-pat00002
이러한 화학 반응은 저온 및 고압에서 평형 반응이다. 그런데, 통상적인 주변온도(ambient temperature)에서는 암모니아 합성을 위한 반응이 진행되지 않는다. 온도를 낮춤으로써 역반응이 제한될 수는 있으나, 질소 및 수소 분자들이 해리되기 위해서는 상당히 높은 온도(예컨대, 섭씨 250 내지 400도)가 요구된다. 이와 같이 암모니아 합성을 위한 반응이 제대로 일어나도록 온도를 증가시킬 때 낮아질 암모니아의 수율을 개선하기 위해 촉매가 사용된다.
개시되는 실시예들은 가역 발열 반응을 통한 합성 가스의 형성을 위해 플라즈마 블라스팅을 수반한다. 예를 들어, 암모니아 합성을 위한 화학 반응을 개시하기 위해 플라즈마 블라스팅 기법이 이용될 수 있다. 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지가 인가된 프로브 주변에 플라즈마 흐름이 형성되면, 위 화학 반응의 반응 가스에 포함된 질소 분자와 수소 분자를 해리시킬 수 있다. 또한, 프로브를 통해 전달되는 전기적 펄스를 이용하여 압력파를 야기함으로써 암모니아 합성을 위한 반응의 속도를 급격히 증가시킬 수 있다. 압력파가 전파됨에 따라 플라즈마 흐름의 온도는 내려가며, 반응 가스가 적은 양의 촉매와 접촉하여도 암모니아의 수율이 더 높을 수 있다. 이하에서 다양한 실시예들이 수소와 질소를 포함하는 반응 물질로부터 암모니아를 합성하기 위한 장치 및 방법에 관점에서 서술되나, 다른 가역 발열 반응(에컨대, 저온에서 화학 평형이 유지되는 가역 발열 반응)을 통해 다른 생성 물질을 형성하기 위한 장치 및 방법에 대해서도 동일/유사한 접근법이 적용될 수 있다.
도 1은 예시적인 실시예에 따라 암모니아를 합성하는 장치를 도시한다.
예시적인 암모니아 합성 장치(100)는 플라즈마 블라스팅 장치(110), 반응기(120), 흡착기(130), 열 회수부(140) 및 블로워(150)를 포함한다.
플라즈마 블라스팅 장치(110)는 전기에너지를 반응기(120)에 전달하여 반응기(120) 내에서 플라즈마 블라스팅이 일어나도록 하는 데 사용된다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 블라스팅 장치(110)는 전원 공급부(111), 전기에너지 저장부(112), 전압 보호부(113), 스위치(114), 인덕터(115) 및 프로브(116)를 포함한다. 전원 공급부(111)는 전기에너지 저장부(112) 및 전압 보호부(113)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전기에너지 저장부(112) 및 전압 보호부(113)는 스위치(114)와 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치(114)는 (예를 들어 인덕터(115)를 통해) 프로브(116)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 전기적 연결들을 위해 전송 케이블이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전송 케이블은 동축 케이블을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전송 케이블은 (예를 들어 펄스 형태의) 전력을 전송하도록 구성된 임의의 케이블을 포함할 수 있다.
전원 공급부(111)는 전기에너지 저장부(112)에 전력을 공급하도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 전기에너지 저장부(112)는 전원 공급부(111)로부터 제공되는 전압에 따라 전기에너지를 저장하는 하나 이상의 캐패시터 또는 다른 적절한 전기에너지 저장 수단을 포함할 수 있다. 전압 보호부(113)는 플라즈마 블라스팅 장치(110)를 손상시키는 전압역전(voltage reversal)을 방지하기 위한 회로를 포함한다.
스위치(114)는 전기에너지 저장부(112)로부터 특정 전압 및/또는 전류를 수신한다. 스위치(114)는 수신된 전압 및/또는 전류가 전기에너지 저장부(112)로부터 프로브(116)에 선택적으로 전달되도록 한다. 예컨대, 스위치(114)가 활성화되는 경우, 스위치(114)는 전기에너지 저장부(112)를 그 충전보다 훨씬 더 빠른 속도로(가령, 수십 마이크로 초 동안) 방전시켜 특정 전압/전류의 펄스(예컨대, 수백 킬로와트 이상의 전력에 상당하는 펄스)가 프로브(116)에 전달되도록 할 수 있다. 이와 같이, 스위치(114)의 활성화는 전기에너지가 전기에너지 저장부(112)로부터 프로브(116)에 전달되게 할 수 있다.
반응기(120)는 반응 가스를 내부에 수용할 수 있는데, 반응 가스는 암모니아를 합성하는 데 필요한 수소 가스(H2) 및 질소 가스(N2)를 포함한다. 또한, 반응기(120)는 블라스팅 매질(blasting medium)을 내부에 수용할 수 있다. 블라스팅 매질은 프로브(116)에서 인가되는 전기 에너지에 반응하여 적어도 그 일부가 플라즈마화될 수 있다. 예컨대, 블라스팅 매질은 기화된 또는 액화된 수소 및 질소를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 블라스팅 매질과 반응 가스는 반응기(120)의 동일한 유입구를 통해 반응기(120)에 공급될 수 있다. 다른 몇몇 실시예들에서, 블라스팅 매질과 반응 가스는 반응기(120)의 서로 다른 유입구를 통해 반응기(120)에 공급될 수 있다.
몇몇 실시예들에 따르면, 반응기(120)는 하나의 챔버(chamber)를 포함할 수 있다. 또한, 그 챔버에는 반응 가스와 블라스팅 매질이 유입될 수 있다. 반응 가스와 블라스팅 매질은 모두 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다. 예컨대, 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는 가스 혼합물이 그 챔버에 유입되어 블라스팅 매질로서, 또한 반응 가스로서 사용될 수 있다. 다른 몇몇 실시예들에 따르면, 반응기(120)는 복수의 챔버를 포함하고, 반응 가스와 블라스팅 매질이 각각 서로 다른 챔버에 유입될 수 있다. 예컨대, 반응기(120)의 제1 챔버에는 기화된 수소 및 질소를 포함하는 가스 혼합물이 블라스팅 매질로서 유입되고, 반응기(120)의 제2 챔버에는 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는 가스 혼합물이 반응 가스로서 유입될 수 있다.
프로브(116)의 적어도 일부분은 반응기(120) 내의 블라스팅 매질과 접촉하도록 프로브(116)가 반응기(120)에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 프로브(116)는 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 적어도 두 개의 전극들을 포함할 수 있고, 프로브(116)가 반응기(120)에 삽입될 수 있다. 이와 같은 삽입을 통해 프로브(116)의 각 전극의 적어도 일부(예컨대, 단부)가 반응기(120) 내의 블라스팅 매질에 잠기는 것과 같이 블라스팅 매질과 접촉하도록 프로브(116)가 배치된 실시예들에서, 프로브(116)의 전극들을 통해 전기에너지가 반응기(120) 내의 블라스팅 매질에 인가됨에 따라 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름(plasma stream)이 생성될 수 있고, 이러한 플라즈마 흐름의 생성에 따라 반응기(120) 내의 반응 가스로부터 암모니아 가스(NH3)를 포함하는 합성 가스가 형성될 수 있다. 구체적으로, 프로브(116)를 통해 전기에너지가 상당히 빠른 속도로 블라스팅 매질에 가해짐에 따라 플라즈마가 생성될 수 있다. 반응기(120) 내에서 일어나는 이러한 플라즈마화는 블라스팅 매질의 온도를 (예컨대, 약 섭씨 3000 내지 4000도까지) 증가시키고, 발생된 열은 블라스팅 매질의 다른 일부와 반응하여 반응기(120) 내 반응 가스의 압력을 급격히 증가시킨다. 이러한 압력 증가로 인해 반응기(120) 내에서 고압의 충격파(예컨대, 전방위로 퍼지는 구형의 충격파)가 생성된다. 프로브(140)의 전극들을 통해 전기에너지가 반응기(120) 내의 블라스팅 매질에 인가되는 경우 플라즈마 블라스팅으로 인해 발생하는 충격파는 반응 가스로부터 플라즈마 화학 반응이 개시되도록 한다. 예를 들어, 충격파의 파면이 나타내는 압력은 암모니아 가스를 포함하는 합성 가스를 형성하는 데 충분한 2.5x109 Pa에 이를 수 있고, 이는 기존의 암모니아 합성에서 사용되는 압력보다 높다. 충격파가 반응기(120) 내에서 발산되면서 온도 및 압력은 감소되되 암모니아가 반응 가스로부터 합성될 수 있다. 반응기(120)의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮여 있고, 반응기(120) 내의 반응 가스가 이 촉매와 반응하여 암모니아 합성이 촉진될 수 있다. 이러한 메커니즘은 플라즈마 블라스팅 기법을 채용함으로써 비교적 단순한 구조의 반응기(120)에서 종래의 암모니아 합성 공정에서 요구되는 압력보다 큰 압력을 생성하고, 반응기(120)의 내벽의 촉매와 반응하는 반응 가스의 온도를 충분히 낮추며, 암모니아 합성을 위해 사용되는 촉매의 양을 줄일 수 있다. 특히, 플라즈마 블라스팅을 위해 가령 수백 킬로와트 이상의 전력을 수십 마이크로 초 이하 동안 인가함으로써, 기존의 암모니아 합성 기술에 비해 1% 미만의 에너지를 사용할 수 있다. 나아가, 더욱 효과적이고 경제적으로 암모니아의 수율이 증가될 수 있다.
반응기(120)에서 형성된 합성 가스는 반응기(120)로부터 유출되어 버퍼 탱크(buffer tank)와 같은 열 회수부(140)에서 냉각될 수 있다. 이어서, 열 회수부(140)에서 충분히 온도가 낮아진 합성 가스는 열 회수부(140)로부터 흡착기(130)로 유입될 수 있다.
흡착기(130)에서 암모니아가 합성 가스로부터 분리된다. 흡착기(130)에서 흡착된 암모니아는 탈착 과정을 통해 암모니아 수집부(미도시)로 회수될 수 있다. 예컨대, 흡착기(130)에서 압력을 낮춤으로써 암모니아가 암모니아 수집부로 들어갈 수 있다. 흡착기(130)에서 암모니아가 흡착된 후 흡착기(130) 내에 남아 있는 가스는 질소 가스와 수소 가스를 포함할 수 있는바, 이 잔여 가스 중 적어도 일부는 블로워(blower)(150)를 거쳐 반응기(120)로 다시 주입될 수 있다.
합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위한 흡착기(130)에는 암모니아 수율을 개선하기 위한 기법이 적용될 수 있다. 예컨대, 훨씬 적은 비용으로 암모니아 회수를 가능하게 하는 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption) 기법에 따르면, 흡착기(130)는 흡착기(130)로 들어간 가스 흐름으로부터 암모니아를 흡수하는 데 효과적인 흡착제의 층을 포함한다. 흡착제는 활성화된 탄소, 실리카겔, 알루미나 및/또는 제올라이트를 포함할 수 있다. 특히, 압력 변동 흡착 기법을 위해서 표면적이 넓은 다공성의 물질이 흡착제로 선택될 수 있다. 흡착기(130)에서 그러한 흡착층을 거친 가스 흐름은 기껏해야 미량의 잔여 암모니아를 포함할 뿐이다. 흡착기(130)로부터 배출된 가스 흐름은 질소 가스와 수소 가스를 포함할 수 있는데, 이와 같이 배출된 가스는 흡착기(130)와 기타 파이프와 같은 설비들 내에서의 압력 변화를 보상하기 위해 블로워(150)로 들어간다. 한편, 그러한 배출 가스는 반응기(120)에 다시 유입되기에 적합한 온도로 블로워(150)에서 냉각될 수 있다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 프로브를 도시한다.
예시적인 프로브(200)는 조절부(210), 제1 전극(220), 제2 전극(230) 및 유전체(240)를 포함한다. 프로브(200)에는 전송 케이블(270)을 통해 전기에너지가 전달될 수 있다. 도 1에 도시된 프로브(116)는 도 2의 프로브(200)를 포함할 수 있다. 프로브(200)는 전송 케이블(270)을 통해 플라즈마 블라스팅 장치(100)의 나머지 구성요소들(예컨대, 전원 공급부(111), 전기에너지 저장부(112) 및 스위치(114))과 전기적으로 연결될 수 있다.
제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하기 위한 상이한 전극들이다. 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 유전체(240)에 의해 이격될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 전극(220)은 고전압 전극이고 제2 전극(230)은 접지 전극이다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제1 전극(220)은 접지 전극이고 제2 전극(230)은 고전압 전극이다. 프로브(220)는 하나의 고전압 전극 및 하나의 접지 전극을 구비하는 것에 제한되지 않으며, 실시예에 따라서는 복수의 고전압 전극 및/또는 복수의 접지 전극이 프로브(220)에 구비될 수 있다.
도 3에 도시된 단면도에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 동일한 중심축을 가지는 동축 전극들일 수 있다. 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)을 이격시키는 유전체(240) 역시 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)과 동일한 중심축을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 중 한 전극과 유전체(240)가 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 중 다른 한 전극을 둘러싸고, 유전체(240)가 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 배치될 수 있다. 다만, 앞서 예시한 고전압 전극(220), 유전체(240) 및 접지 전극(230)의 배치는 어디까지나 예시적이며, 다른 다양한 배치가 본 명세서의 개시사항으로부터 배제되는 것은 아니다.
조절부(210)는 프로브 팁(250)을 이동시키도록 구성된다. 프로브 팁(250)은 프로브(200)의 말단 부분으로서 제1 전극(220)의 단부 및 유전체(240)의 단부를 포함한다. 특히, 조절부(210)는 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)의 중심축을 따라 제2 전극(230)의 단부에 대해 프로브 팁(250)을 이동시킬 수 있다. 예컨대, 조절부(210)는 프로브 팁(250)이 제2 전극(230)의 단부로부터 연장되거나 제2 전극(230)의 단부를 향해 후퇴하도록 프로브 팁(250)을 이동시킬 수 있다. 이로써, 제1 전극(220)의 단부와 제2 전극(230)의 단부 간의 거리, 즉 전극간 갭(260)이 조절될 수 있다.
이러한 조절을 통해 조절부(210)는 프로브(200)와 접촉하는 블라스팅 매질 내에서 프로브(200)가 가지는 저항을 조절할 수 있다. 결국, 조절부(210)는 프로브(200)에서 블라스팅 매질에 전달되는 전력을 원하는 대로 조절할 수 있다. 예컨대, 제1 전극(220)의 단부 및 제2 전극(230)의 단부가 블라스팅 매질과 접촉하는 경우 블라스팅 매질은 프로브(200)로부터의 전기에너지 전달에 반응할 수 있고, 이에 따라 프로브 팁(250) 주위의 작은 체적 내에 높은 에너지가 주어질 수 있다.
이하에서 암모니아 합성 장치의 예시적인 구현들에 대하여 도 4 내지 도 6을 참조하여 기술한다.
도 4는 예시적인 실시예에 따라 프로브가 삽입된 반응기를 도시한다.
예시적인 반응기(400)는 챔버(410), 피스톤과 같은 압력 전달부(420), 유입구(430) 및 유출구(440)를 포함한다. 도 1의 반응기(120)는 도 4의 반응기(400)를 포함할 수 있다.
챔버(410)는 반응 가스 및 블라스팅 매질을 수용할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 챔버(410)의 내벽의 적어도 일부분은 촉매(450)로 덮여 있고, 압력 전달부(420)를 로킹(locking)시키기 위한 한 쌍의 래치(460)가 챔버(410)의 내벽에 설치된다. 또한, 프로브(200)의 적어도 일부가 챔버(410)의 일측을 관통하여 챔버(410) 내에 삽입될 수 있다. 도 4는 프로브(200)가 수평으로 반응기(400)에 장착되었음을 도시하나, 목적에 따라서는 프로브(200)가 수직으로 또는 다른 임의의 각도로 반응기(400)에 장착될 수 있다.
도 7을 참조하여, 직접 압축 플라즈마 블라스팅을 이용하여 반응기(400)에서 암모니아가 합성되는 예시적인 과정(700)을 이하에서 기술한다.
수소 가스 및 질소 가스를 포함하는 가스 혼합물이 반응기(400)의 챔버(410)에 주입될 수 있다(705). 가스 혼합물은 유입구(430)를 통해 챔버(410) 내로 유입될 수 있다. 가스 혼합물의 유입 후 유입구(430)는 닫힐 수 있다.
반응기(400)의 챔버(410)가 반응 가스로 소정의 수준까지 채워진 후, 압력 전달부(420)을 이용하여 가스 혼합물이 압축될 수 있다(710). 예컨대, 가스 혼합물의 주입 이후 압력 전달부(420)(예컨대, 피스톤)을 아래쪽으로 이동시켜 래치(460)에 로킹시키면 가스 혼합물은 소정의 압력을 가질 때까지 압축될 수 있다.
한편, 프로브(200)의 제1 전극(220)의 적어도 일부 및 제2 전극(230)의 적어도 일부가 가스 혼합물과 접촉하도록 프로브(200)가 배치될 수 있는데, 챔버(410) 내의 가스 혼합물은 프로브(200)를 이용한 플라즈마 블라스팅을 위한 블라스팅 매질로 사용된다. 이러한 배치를 위해, 프로브(200)의 전극간 갭(260)이 조절될 수 있다(715). 예컨대, 조절부(210)를 이용하여 프로브 팁(250)을 프로브(200)의 중심축을 따라 연장시키거나 후퇴시킴으로써 전극간 갭(260)을 조절할 수 있다. 이어서, 프로브(200)의 적어도 일부가 반응기(400)에 삽입될 수 있다(720). 예컨대, 프로브(200)의 제1 전극(220)의 적어도 일부 및 제2 전극(230)의 적어도 일부가 가스 혼합물과 접촉하도록 프로브(200)의 적어도 일부가 챔버(410)의 일측을 관통하여 챔버(410) 내에 삽입될 수 있다. 대안적으로, 전극간 갭(260)이 조절되기 전에 프로브(200)의 적어도 일부가 챔버(410)의 일측을 관통하여 챔버(410) 내에 삽입될 수 있다.
이후, 전기에너지 저장부(112)가 상대적으로 느린 제1 속도로(예컨대, 수 초 동안) 전원 공급부(111)에 의해 충전될 수 있다(725).
이어서, 스위치(114)가 활성화될 수 있다(730). 스위치(114)의 활성화는 전기에너지 저장부(112)에 저장된 전기에너지가 매우 빠른 제2 속도로(예컨대, 수십 마이크로 초 동안) 방전되게 할 수 있다. 이에 따라, (가령 수백 킬로와트의 전력에 상당하는) 전기에너지의 펄스가 형성되고 프로브(200)의 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)으로 전달될 수 있다. 그 결과, 블라스팅 매질(가스 혼합물)과 접촉하는 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 간의 갭(260)에 걸쳐 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성될 수 있다. 이와 같이 챔버(410) 내에서 플라즈마 흐름이 생성되면, 챔버(410) 내에 압축된 가스 혼합물을 반응 가스로 하여 암모니아 합성을 위한 플라즈마 화학 반응이 챔버(410) 내에서 일어날 수 있다. 구체적으로, 프로브(200)에서의 방전에 반응하여 블라스팅 매질(가스 혼합물)은 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 간의 플라즈마 흐름으로 인해 갑작스런 온도 증가(예컨대, 약 섭씨 3000 내지 4000도)를 겪게 된다. 생성된 열은 블라스팅 매질의 일부와 반응하여 반응기(400)의 챔버(410) 내에서 급격한 압력 상승을 일으킨다. 이와 같이 매우 짧은 시간 동안의 방전을 통해 고압의 충격파가 생성된다. 가스 혼합물을 매질로 하여 챔버(410)의 벽면까지 발산할 수 있는 이 충격파는 압축된 가스 혼합물에 압력을 더 가함으로써 궁극적으로 반응기(400)의 챔버(410) 내에서 암모니아 가스를 포함하는 합성 가스가 형성되도록 한다. 이런 점에서 가스 혼합물은 반응 가스라고도 볼 수 있다. 한편, 이러한 반응 가스는 챔버(410)의 내벽에서 촉매(450)와 접촉하면 암모니아 합성이 촉진될 수 있다.
챔버(410)에서 형성된 합성 가스는 유출구(440)를 통해 챔버(410)로부터 제거될 수 있다(735). 유출구(440)를 통해 유출된 합성 가스는 (예컨대, 열 회수부(140)에서) 충분히 냉각된 후, 합성 가스로부터 암모니아 가스를 분리하기 위한 흡착기(130)로 전달될 수 있다(740). 흡착기(130)에서는 흡착기(130)로 유입된 묽은 암모니아 흐름으로부터 암모니아가 흡착된다. 암모니아가 흡착된 후 흡착기(130) 내의 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는 배출 가스가 압력 보충 및 재활용을 위해 블로워(150)로 전달될 수 있다(745). 한편, 흡착기(130)에서 흡착된 암모니아는 탈착 과정을 통해 압력을 낮춤으로써 회수될 수 있다(750).
도 5는 예시적인 실시예에 따라 플라즈마 블라스팅 프로브가 삽입된 반응기를 도시한다.
예시적인 반응기(500)는 반응 챔버(510), 블라스팅 챔버(515), 피스톤과 같은 압력 전달부(520), 반응 가스 유입구(530), 합성 가스 유출구(540), 블라스팅 매질 유입구(535) 및 배출 가스 유출구(545)를 포함한다. 도 1의 반응기(120)는 도 5의 반응기(500)를 포함할 수 있다.
반응 챔버(510)는 반응 가스를 수용할 수 있고, 블라스팅 챔버(515)는 블라스팅 매질을 수용할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(510) 및 블라스팅 챔버(515)는 압력 전달부(520)에 의해 구분된다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 블라스팅 챔버(515)에서는 블라스팅 챔버(515) 내의 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성될 수 있고, 반응 챔버(510)에서는 반응 챔버(510) 내의 반응 가스로부터 암모니아 가스를 포함하는 합성 가스가 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 블라스팅 챔버(515)에서 플라즈마 흐름이 생성된 후, 소정의 가스 흐름이 배출 가스 유출구(545)를 통해 블라스팅 챔버(515)에서 유출될 수 있다. 예컨대, 블라스팅 챔버(515)에서 사용되는 블라스팅 매질은 질소 가스와 수소 가스, 또는 다른 가스의 혼합물일 수 있다. 질소 가스와 수소 가스의 가스 혼합물이 블라스팅 매질로서 사용되는 경우, 블라스팅 챔버(515)에서 플라즈마 블라스팅으로 인해 암모니아 가스가 블라스팅 매질로부터 형성될 수 있다. 이 합성 가스는 반응 챔버(510)에서 반응 가스로 사용되도록 배출 가스 유출구(545)를 통해 유출될 수 있다.
반응 챔버(510)의 내벽의 적어도 일부분은 촉매(550)로 덮여 있고, 압력 전달부(520)를 로킹시키기 위한 한 쌍의 래치(560)가 반응 챔버(510)의 내벽에 설치된다. 또한, 프로브(200)의 적어도 일부가 블라스팅 챔버(515)의 일측을 관통하여 블라스팅 챔버(515) 내에 삽입될 수 있다. 프로브(200)는 목적에 따라 수평, 수직 또는 다른 임의의 각도로 반응기(500)에 장착될 수 있다.
도 8을 참조하여, 간접 압축 플라즈마 블라스팅을 이용하여 반응기(500)에서 암모니아가 합성되는 예시적인 과정(800)을 이하에서 기술한다.
반응 챔버(510) 및 블라스팅 챔버(515)는 각각 반응 가스 및 블라스팅 매질 로 채워질 수 있다. 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함한다. 또한, 소정의 실시예에 따르면, 블라스팅 매질은 기화된 수소 및 질소를 포함하는 가스 혼합물일 수 있다. 블라스팅 매질은 블라스팅 매질 유입구(535)를 통해 블라스팅 챔버(515) 내로 주입될 수 있다(805). 반응 가스는 반응 가스 유입구(530)를 통해 반응 챔버(510) 내로 주입될 수 있다(810). 블라스팅 매질의 유입과 반응 가스의 유입은 동시에 수행될 수 있다.
한편, 프로브(200)의 제1 전극(220)의 적어도 일부 및 제2 전극(230)의 적어도 일부가 블라스팅 매질과 접촉하도록 프로브(200)가 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에 따르면, 프로브(200)를 이용한 플라즈마 블라스팅을 위한 블라스팅 매질은 반응 가스와 유사하게 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다. 구체적으로, 프로브(200)는 다음과 같이 배치될 수 있다. 프로브(200)의 적어도 일부가 블라스팅 챔버(515)에 삽입될 수 있다(815). 예컨대, 프로브(200)의 제1 전극(220)의 적어도 일부 및 제2 전극(230)의 적어도 일부가 블라스팅 매질과 접촉하도록 프로브(200)의 적어도 일부가 블라스팅 챔버(515)의 일측을 관통하여 블라스팅 챔버(515) 내에 삽입될 수 있다. 이어서, 삽입된 프로브(200)의 전극간 갭(260)이 조절될 수 있다(820). 예컨대, 조절부(210)를 이용하여 프로브 팁(250)을 프로브(200)의 중심축을 따라 연장시키거나 후퇴시킴으로써 전극간 갭(260)을 조절할 수 있다. 대안적으로, 전극간 갭(260)이 조절된 후에 프로브(200)의 적어도 일부가 블라스팅 챔버(515) 내에 삽입될 수 있다.
이후, 전기에너지 저장부(112)가 상대적으로 느린 제1 속도로(예컨대, 수 초 동안) 전원 공급부(111)에 의해 충전될 수 있다(825).
이어서, 스위치(114)가 활성화될 수 있다(830). 스위치(114)의 활성화는 전기에너지 저장부(112)에 저장된 전기에너지가 매우 빠른 제2 속도로(예컨대, 수십 마이크로 초 동안) 방전되게 할 수 있다. 이에 따라, (가령 수만 암페어에 상당하는) 전기에너지의 펄스가 형성되고 프로브(200)의 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)에 전달될 수 있다. 그 결과, 앞서 설명한 바와 마찬가지로 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성될 수 있다. 나아가, 플라즈마 흐름의 생성에 따라 고압의 충격파가 블라스팅 챔버(515) 내에서 생성될 수 있다. 이와 같이 생성된 높은 압력은 피스톤과 같은 압력 전달부(520)를 이동시킬 수 있고, 압력 전달부(520)는 래치(560)에 로킹될 수 있다. 이에 따라 반응 챔버(510)에 압력이 전달되어 반응 챔버(510) 내의 반응 가스가 압축될 수 있다. 압축된 반응 가스는 반응기(510) 내벽에 도포된 촉매와 접촉하고, 그에 따라 반응 챔버(510) 내에서 암모니아가 형성될 수 있다.
반응 챔버(510)에서 형성된 합성 가스는 합성 가스 유출구(540)를 통해 반응 챔버(510)로부터 제거될 수 있다(835). 이후, 앞서 반응기(400)와 관련하여 기술한 바와 유사하게, 암모니아의 흡착을 위해 합성 가스가 (예컨대, 열 회수부(140)를 거쳐) 흡착기(130)로 전달될 수 있고(840), 흡착기(130)에서 배출되는 가스 중 일부가 압력 보충 및 재활용을 위해 블로워(150)로 전달될 수 있으며(845), 흡착기(130)에서 흡착된 암모니아는 탈착 과정을 통해 회수될 수 있다(850).
도 6은 예시적인 실시예에 따라 플라즈마 블라스팅 프로브가 삽입된 반응기를 도시한다.
도 6의 반응기(600)는 도 5의 반응기(500)와 마찬가지로 구성되나, 추가적인 프로브(201)가 반응 챔버(510) 내에 삽입 가능하다는 점에서 도 5의 반응기(500)와 상이하다. 도 1의 반응기(120)는 도 6의 반응기(600)를 포함할 수 있다. 추가적인 프로브(201)는 프로브(200)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 아울러, 추가적인 프로브(201)는 프로브(200)를 포함하는 플라즈마 블라스팅 장치(110)에 포함될 수도 있고, 플라즈마 블라스팅 장치(110)와 마찬가지로 구성되는 다른 플라즈마 블라스팅 장치(미도시)에 포함될 수도 있다. 추가적인 프로브(201)는 추가적인 전송 케이블(271)을 통해 플라즈마 블라스팅 장치(110) 또는 다른 플라즈마 블라스팅 장치의 나머지 구성요소들과 전기적으로 연결될 수 있다.
간접 압축 플라즈마 블라스팅을 이용하여 반응기(600)에서 암모니아가 합성될 수 있다. 이하에서, 이러한 암모니아 합성 과정이 도 8에 예시된 과정(800) 과 다른 점들을 상세히 설명한다.
반응기(600)의 블라스팅 챔버(515) 및 반응 챔버(510) 각각에 별개의 프로브(200, 201)가 삽입될 수 있다. 프로브(200)를 이용하여 블라스팅 챔버(515)에서 고압의 충격파가 생성되면, 피스톤(520)을 통해 높은 압력이 반응 챔버(510) 내의 반응 가스에 전달된다. 더욱이, 도 5의 반응기(500)와 달리, 다른 플라즈마 블라스팅이 반응 챔버(510)에서 일어나도록 추가적인 프로브(201)를 통해 전기에너지가 반응 가스에 인가될 수 있다. 이로써, 반응 챔버(510) 내에 매우 큰 압력이 생기고, 반응 챔버(510) 내의 반응 가스가 더 가압될 수 있다. 그 결과, 반응 챔버(510) 내의 암모니아 합성이 더욱 촉진될 수 있다.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 암모니아 합성 장치
110: 플라즈마 블라스팅 장치
120: 반응기
130: 흡착기

Claims (34)

  1. 플라즈마 블라스팅(plasma blasting)을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브; 및
    가역 발열 반응에서 반응하는 반응 가스(reactant gas)를 수용하고, 또한 블라스팅 매질을 수용하며, 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 반응 가스로부터 합성 가스(synthesis gas)가 형성되는 반응기를 포함하고,
    상기 프로브는 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 배치되고, 상기 반응기에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통해 상기 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름(plasma stream)이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스로부터 상기 합성 가스가 형성되며,
    상기 반응기는, 상기 반응 가스 및 상기 블라스팅 매질을 수용하고 상기 플라즈마 흐름이 생성되며 상기 합성 가스가 형성되는 챔버; 및
    상기 챔버 내의 상기 반응 가스를 압축하기 위한 압력 전달부를 포함하는, 가스 합성 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함하고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함하는, 가스 합성 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위한 흡착기를 더 포함하는, 가스 합성 장치.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 챔버의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮인, 가스 합성 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부가 상기 챔버의 일측을 관통하여 상기 챔버 내에 삽입되는, 가스 합성 장치.
  7. 삭제
  8. 청구항 2에 있어서,
    상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는,
    가스 합성 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 반응기는,
    상기 플라즈마 흐름이 생성되는 제1 챔버;
    상기 합성 가스가 형성되는 제2 챔버; 및
    상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버를 구분하고, 상기 합성 가스의 형성을 위해 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따른 압력을 상기 제2 챔버에 전달하여 상기 제2 챔버 내의 상기 반응 가스를 압축하기 위한 압력 전달부를 포함하는,
    가스 합성 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 반응기는,
    상기 블라스팅 매질이 상기 제1 챔버로 유입되는 블라스팅 매질 유입구;
    상기 반응 가스가 상기 제2 챔버로 유입되는 반응 가스 유입구; 및
    상기 합성 가스가 상기 제2 챔버로부터 유출되는 합성 가스 유출구를 더 포함하는,
    가스 합성 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함하고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함하는, 가스 합성 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는, 가스 합성 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 반응기는 상기 제1 챔버에서 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 생성된 다른 합성 가스가 상기 제2 챔버에서 사용되도록 상기 제1 챔버로부터 유출되는 배출 가스 유출구를 더 포함하는, 가스 합성 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제2 챔버의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮인, 가스 합성 장치.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부는 상기 제1 챔버의 일측을 관통하여 상기 제1 챔버 내에 삽입되는, 가스 합성 장치.
  16. 청구항 9에 있어서,
    상기 가스 합성 장치는 복수의 전극들을 구비한 추가적인 프로브를 더 포함하고, 상기 추가적인 프로브는 상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 배치되며, 상기 제2 챔버에서는 상기 복수의 전극들을 통해 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 반응 가스로부터 다른 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 다른 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스가 더 가압되어 상기 합성 가스가 형성되는, 가스 합성 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 상기 추가적인 프로브의 적어도 일부가 상기 제2 챔버의 일측을 관통하여 상기 제2 챔버 내에 삽입되는, 가스 합성 장치.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 프로브에 전달될 상기 전기에너지를 저장하도록 구성된 전기에너지 저장부를 더 포함하는, 가스 합성 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 전기에너지가 상기 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전시키는 전원 공급부; 및
    활성화되는 경우 상기 전기에너지가 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달되도록 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기 에너지 저장부를 방전시키는 스위치를 더 포함하는, 가스 합성 장치.
  20. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 유전체에 의해 이격되는, 가스 합성 장치.
  21. 청구항 20에 있어서,
    상기 프로브는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키기 위한 조절부를 더 포함하는, 가스 합성 장치.
  22. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 동축 전극들인, 가스 합성 장치.
  23. 반응기에 가역 발열 반응에서 반응하는 가스 혼합물을 주입하는 단계;
    상기 가스 혼합물을 압축하는 단계;
    플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브를 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 가스 혼합물과 접촉하도록 배치하는 단계; 및
    상기 반응기에서 상기 전기에너지가 상기 프로브를 통해 인가됨에 따라 상기 가스 혼합물로부터 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 가스 혼합물로부터 합성 가스가 형성되도록, 상기 전기에너지를 상기 프로브에 전달하는 단계를 포함하는,
    가스 합성 방법.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 전달하는 단계는,
    상기 전기에너지가 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전하는 단계; 및
    상기 전기에너지를 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달하기 위해 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기에너지 저장부를 방전시키는 단계를 포함하는,
    가스 합성 방법.
  25. 청구항 23에 있어서,
    상기 가스 혼합물은 수소 가스 및 질소 가스를 포함하고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함하는, 가스 합성 방법.
  26. 청구항 25에 있어서,
    상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위해 상기 합성 가스를 흡착기에 전달하는 단계; 및
    상기 흡착기에서 흡착된 암모니아를 회수하는 단계를 더 포함하는,
    가스 합성 방법.
  27. 청구항 23에 있어서,
    상기 배치하는 단계는,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 가스 혼합물과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부를 상기 반응기의 일측을 관통시켜 상기 반응기 내에 삽입하는 단계; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이격시키는 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키는 단계를 포함하는,
    가스 합성 방법.
  28. 블라스팅 매질을 제1 챔버 내로 주입하는 단계;
    가역 발열 반응에서 반응하는 반응 가스를 제2 챔버 내로 주입하는 단계;
    플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브를 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 배치하는 단계; 및
    상기 제1 챔버에서 상기 전기에너지가 상기 프로브를 통해 인가됨에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 제2 챔버에 압력이 전달되어 상기 반응 가스가 압축되며 상기 반응 가스의 압축에 따라 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 반응 가스로부터 합성 가스가 형성되도록, 상기 전기에너지를 상기 프로브에 전달하는 단계를 포함하는,
    가스 합성 방법.
  29. 청구항 28에 있어서,
    상기 전달하는 단계는,
    상기 전기에너지가 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전하는 단계; 및
    상기 전기에너지를 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달하기 위해 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기에너지 저장부를 방전시키는 단계를 포함하는,
    가스 합성 방법.
  30. 청구항 28에 있어서,
    상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함하고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함하는, 가스 합성 방법.
  31. 청구항 30에 있어서,
    상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는, 가스 합성 방법.
  32. 청구항 30에 있어서,
    상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위해 상기 합성 가스를 흡착기에 전달하는 단계; 및
    상기 흡착기에서 흡착된 암모니아를 회수하는 단계를 더 포함하는,
    가스 합성 방법.
  33. 청구항 28에 있어서,
    상기 배치하는 단계는,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부를 상기 제1 챔버의 일측을 관통시켜 상기 제1 챔버 내에 삽입하는 단계; 및
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이격시키는 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키는 단계를 포함하는,
    가스 합성 방법.
  34. 청구항 28에 있어서,
    복수의 전극들을 구비한 추가적인 프로브를 상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 배치하는 단계를 더 포함하되,
    상기 제2 챔버에서는 상기 복수의 전극들을 통해 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 반응 가스로부터 다른 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 다른 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스가 더 가압되어 상기 합성 가스가 형성되는,
    가스 합성 방법.
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