KR101790223B1 - High Quality CO generating apparatus using recycle process and CO generating method - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 고순도 일산화탄소 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 황산, 질산, 염산 등 강산을 사용하지 않는 친환경 공정을 통하여 사용되는 촉매의 수명을 길게 하면서도 친환경적으로 고순도의 일산화탄소를 제조할 수 있는 일산화탄소 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to an apparatus and a method for producing high purity carbon monoxide, and more particularly, to a method and apparatus for producing high purity carbon monoxide by producing an environmentally friendly high purity carbon monoxide by lengthening the lifetime of a catalyst used through an eco-friendly process using sulfuric acid, nitric acid, And more particularly, to a carbon monoxide manufacturing apparatus and a manufacturing method thereof.
일반적으로 일산화탄소(CO)를 제조하기 위한 기술은 다양하게 존재한다. 예를 들어 불균등화반응(Boudouard 반응)으로 제조하는 방법, 천연가스나 탄화수소 연료로부터 합성가스를 제조하는 방법, 금속산화물(metal oxide)과 탄소를 이용하여 일산화탄소(CO)를 생산하는 방법, 개미산(HCOOH), 아세트산(CH3COOH), 메틸포메이트(HCOOCH3) 등을 분해하여 일산화탄소(CO)를 제조하는 방법 등이 알려져 있다.Generally, there are various techniques for producing carbon monoxide (CO). For example, a method of producing a disproportionation reaction (Boudouard reaction), a method of producing synthesis gas from natural gas or hydrocarbon fuel, a method of producing carbon monoxide (CO) using metal oxide and carbon, A method of producing carbon monoxide (CO) by decomposing acetic acid (CH 3 COOH), methyl formate (HCOOCH 3 ) or the like is known.
특히 MCOOM 화합물(M: 수소 혹은 메틸기) 사용하여 일산화탄소(CO)를 제조할 경우 금속불순물 수준이 낮은 고순도 일산화탄소(CO)를 제조할 수 있는 것으로 알려져 있으며, 이중 개미산(HCOOH)을 사용하는 방법이 가장 간단하고 다른 복잡한 불순물 없이 고순도로 제조하기 적합한 것으로 알려져 있다.In particular, it is known that when carbon monoxide (CO) is produced using an MCOOM compound (M: hydrogen or methyl group), high purity carbon monoxide (CO) having a low metal impurity level can be produced. It is known that it is simple and suitable for producing with high purity without any other complicated impurities.
개미산(HCOOH)를 이용하여 고순도 일산화탄소(CO)를 제조하는 방법으로는 황산을 이용하여 개미산(HCOOH)을 CO와 H2O로 분해하여 일산화탄소(CO)를 제조하는 방법과 제올라이트(zeolite)를 이용하여 일산화탄소(CO)를 제조하는 방법이 알려져 있다. As a method for producing high purity carbon monoxide (CO) using formic acid (HCOOH), a method of producing carbon monoxide (CO) by decomposing formic acid (HCOOH) into CO and H 2 O using sulfuric acid and a method of using zeolite Thereby producing carbon monoxide (CO).
황산을 이용한 일산화탄소(CO)의 제조는 강산인 황산을 180℃로 가열하기 때문에 산에 견디는 고가의 재질을 사용해야 하고 환경에 좋지 않은 폐황산이 발생하는 단점이 있다. The production of carbon monoxide (CO) using sulfuric acid is disadvantageous in that sulfuric acid, which is a strong acid, is heated to 180 ° C, so expensive materials that can withstand acids are used and that waste sulfuric acid is generated in an environment.
제올라이트를 이용하는 방법의 경우에도, 반응성이 다소 낮은 제올라이트(zeolite)에 황산을 추가하여 전환율을 높이고 반응온도를 낮추어 부반응(H2와 CO2) 발생을 억제하는 방식이기 때문에, 황산의 사용으로 부식을 방지하기 위해 반응기와 배관 내부에 대하여 고가의 유리질 코팅이 필요하다. 또한, 제올라이트를 황산에 담가 사용하기 때문에 황산에 의해 알루미늄이 빠져나와 제올라이트의 골격구조가 망가지게 되므로, 촉매 수명이 낮아져 단기간에 촉매를 교체해야 하는 단점이 있다.Even in the case of the method using zeolite, the addition of sulfuric acid to zeolite having a low reactivity increases the conversion rate and lowers the reaction temperature to suppress side reaction (H 2 and CO 2 ) generation. Therefore, An expensive glass coating is needed for the reactor and the inside of the pipe to prevent it. In addition, since zeolite is immersed in sulfuric acid, aluminum is escaped by sulfuric acid and the skeletal structure of the zeolite is destroyed, so that the catalyst life is low and the catalyst must be replaced in a short period of time.
따라서 개미산(HCOOH)를 이용하여 고순도 일산화탄소(CO)를 제조하는 종래의 방법의 경우에는 폐황산으로 인한 환경적인 문제와 반응기나 배관 등에 산에 견디는 고가의 재질이 사용되어야 하고 촉매교체로 인한 비용이 과다하게 발생하여 생산비용이 과대하다는 문제점이 있다. Therefore, in the case of the conventional method of producing high purity carbon monoxide (CO) using formic acid (HCOOH), expensive problems such as environmental problems due to spent sulfuric acid and expensive materials such as reactors and pipes must be used, There is a problem in that the production cost is excessive.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래의 문제점을 극복할 수 있는 고순도 일산화탄소 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a high-purity carbon monoxide manufacturing apparatus and a manufacturing method which can overcome the above-mentioned problems of the prior art.
본 발명의 다른 목적은 황산, 질산, 염산 등의 강산을 사용하지 않아 친환경적이면서도, 고가의 반응기나 배관 등이 필요하지 않고 촉매교체 주기를 길게 할 수 있어 생산비용이 저렴하고 고순도의 일산화탄소를 제조할 수 있는 일산화탄소 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a process for producing carbon monoxide which is low in production cost and capable of producing a high purity carbon monoxide because it does not require a strong acid such as sulfuric acid, nitric acid, hydrochloric acid, The present invention provides a carbon monoxide producing device and a manufacturing method thereof.
본 발명의 또 다른 목적은 기상불순물이나 금속불순물 수준이 낮아 반도체 공정이나 기타 정밀한 산업 공정에 사용될 수 있는 리사이클 공정을 이용한 고순도 일산화탄소 제조장치 및 제조방법을 제공하는 데 있다. It is still another object of the present invention to provide a high-purity carbon monoxide producing apparatus and a manufacturing method using a recycling process which can be used for a semiconductor process or other precise industrial processes due to a low level of gaseous impurities or metal impurities.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 구체화에 따라, 본 발명에 따른 일산화탄소(CO) 제조장치는, 원료로 공급되는 액체상태의 원료개미산(HCOOH)을 기화시켜 제1원료가스로 공급하는 제1기화기와; 분해용 촉매로 제올라이트 촉매가 채워진 구조를 가지며, 상기 분해용 촉매를 이용하여 상기 제1기화기에서 공급되는 상기 제1원료가스를 분해 반응시켜 일산화탄소 혼합가스, 수증기 및 미반응 개미산 혼합형태의 제1반응가스를 생성하는 제1분해반응기와; 상기 제1반응가스를 냉각시켜 상기 제1반응가스에서 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH)의 응축물을 분리하는 제1응축기와; 상기 제1응축기를 통과한 제1반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제1촉매반응기와; 상기 제1촉매반응기를 통해 수소가스가 제거된 상기 제1반응가스에서 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스상의 불순물을 제거하고 일산화탄소를 분리하는 제1흡착모듈과; 상기 제1응축기에서 분리되는 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH)의 응축물을 상기 제1응축기로부터 공급받아 기화시켜 제2원료가스로 공급하는 제2기화기와; 분해용 촉매로 제올라이트 촉매가 채워진 구조를 가지며, 상기 분해용 촉매를 이용하여 상기 제2기화기에서 공급되는 상기 제2원료가스를 분해반응시켜 일산화탄소 혼합가스 및 수증기 혼합형태의 제2반응가스를 생성하는 제2분해반응기와; 상기 제2반응가스를 냉각시켜 상기 제2반응가스에서 응축수를 분리하는 제2응축기와; 상기 제2응축기를 통과한 제2반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제2촉매반응기와; 상기 제2촉매반응기를 통해 수소가스가 제거된 상기 제2반응가스에서 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스상의 불순물을 제거하고 일산화탄소를 분리하는 제2흡착모듈을 구비한다.According to an embodiment of the present invention to achieve some of the above-mentioned technical problems, the apparatus for producing carbon monoxide (CO) according to the present invention vaporizes raw liquid formic acid (HCOOH) supplied as a raw material and supplies it as a first raw material gas A first vaporizer; Wherein the decomposition catalyst is used to decompose the first raw material gas supplied from the first vaporizer to produce a first reaction in the form of a carbon monoxide mixture gas, steam, and unreacted formic acid mixture A first decomposition reactor for generating a gas; A first condenser for cooling the first reaction gas to separate condensate of condensed water and unreacted formic acid (HCOOH) from the first reaction gas; A first catalytic reactor for reacting the first reaction gas passing through the first condenser under an active control Pd catalyst to remove hydrogen gas (H 2 ); The gaseous impurities including carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and unreacted formic acid (HCOOH) are removed from the first reaction gas from which hydrogen gas has been removed through the first catalytic reactor by using an adsorbent A first adsorption module for separating carbon monoxide; A second vaporizer for supplying condensed water separated from the first condenser and condensed unreacted formic acid (HCOOH) from the first condenser and vaporizing the condensed water to supply the second raw material gas; And a decomposition catalyst for decomposing the second source gas supplied from the second vaporizer using the catalyst for decomposition to generate a carbon monoxide mixed gas and a second reaction gas in the form of a steam mixture A second decomposition reactor; A second condenser for cooling the second reaction gas to separate the condensed water from the second reaction gas; A second catalytic reactor for reacting the second reaction gas passing through the second condenser under an active control Pd catalyst to remove hydrogen gas (H 2 ); The gaseous impurities including carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and unreacted formic acid (HCOOH) are removed from the second reaction gas from which the hydrogen gas has been removed through the second catalytic reactor by using an adsorbent And a second adsorption module for separating carbon monoxide.
상기 제올라이트 촉매는 산점(acid site)이 있는 형태로 8~10-membered ring 의 기공을 가지며, Si/Al 의 분자수 비가 2~150 일 수 있다.The zeolite catalyst has an acid site and has pores of 8 to 10-membered rings, and the molecular ratio of Si / Al can be 2 to 150.
상기 제올라이트 촉매는, FER, CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, LEV, RHO, MFI 중에서 선택된 어느 하나의 구조유형을 가질 수 있다.The zeolite catalyst may have any of the structural types selected from FER, CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, LEV, RHO and MFI.
상기 분해용 촉매에는 황산, 질산, 염산을 포함하는 강산이 포함되지 않는다.The decomposition catalyst does not contain a strong acid including sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid.
상기 제1분해반응기 또는 상기 제2분해반응기는, 반응온도 유지를 위한 히터와; 상기 제1원료가스 또는 상기 제2원료가스가 유입되는 입구에 설치되며, 상기 입구의 반대면은 폐쇄된 상태를 가지는 속이 빈 원통형 구조로, 원주면에 다수의 관통홀을 구비하여 입구로 유입된 상기 제1원료가스 또는 상기 제2원료가스를 반응기 내부로 분산시키기 위한 가스분배기와; 상기 분해용 촉매의 알갱이 사이즈 보다 작은 메쉬홀들을 가지는 메쉬구조로 구성되어 상기 분해용 촉매를 지지하는 촉매지지대를 반응기 내부에 구비할 수 있다.Wherein the first decomposition reactor or the second decomposition reactor comprises: a heater for maintaining a reaction temperature; The first raw material gas or the second raw material gas, and the opposite surface of the inlet is closed and has a hollow cylindrical structure and has a plurality of through holes in the circumferential surface thereof, A gas distributor for dispersing the first source gas or the second source gas into the reactor; And a catalyst support member having a mesh structure having mesh holes smaller than the particle size of the decomposition catalyst and supporting the decomposition catalyst may be provided in the reactor.
상기 활성제어 Pd촉매는 지지체 중량 대비 0.2~5.0 wt% 의 Pd 담지량을 가지는 Pd 촉매에 할로겐화합물 0.05~5.0wt% 을 흡착 또는 반응시켜 활성을 제어하며, 상기 지지체는 알루미나, 실리카, 규소산화물, 마그네슘산화물, 세륨산화물, 탄소체 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.The active control Pd catalyst controls the activity by adsorbing or reacting 0.05 to 5.0 wt% of a halogen compound with a Pd catalyst having a Pd loading of 0.2 to 5.0 wt% based on the weight of the support, and the support is composed of alumina, silica, silicon oxide, magnesium An oxide, a cerium oxide, and a carbon material.
상기 제1촉매반응기 또는 상기 제2촉매반응기는, 반응온도 유지를 위한 히터와; 상기 제1반응가스 또는 상기 제2반응가스가 유입되는 입구에 설치되며, 상기 입구의 반대면은 폐쇄된 상태를 가지는 속이 빈 원통형 구조로, 원주면에 다수의 관통홀을 구비하여 입구로 유입된 상기 제1반응가스 또는 상기 제2반응가스를 상기 반응기의 내부로 분산시키기 위한 가스분배기와; 상기 반응기 내부에 구비되며 상기 활성제어 Pd촉매의 알갱이 사이즈 보다 작은 메쉬홀들을 가지는 메쉬구조로 구성되어 상기 활성제어 Pd촉매를 지지하는 촉매지지대를 구비할 수 있다.Wherein the first catalytic reactor or the second catalytic reactor comprises: a heater for maintaining a reaction temperature; The first reaction gas or the second reaction gas, and the opposite surface of the inlet is closed, and the plurality of through holes are formed in the circumferential surface of the hollow cylindrical structure, A gas distributor for dispersing the first reaction gas or the second reaction gas into the reactor; And a catalyst support for supporting the active control Pd catalyst, the catalyst support being provided in the reactor and having a mesh structure having mesh holes smaller than the particle size of the active control Pd catalyst.
상기 흡착제는, 실리카, 알루미나, Molecular Sieve 5A, Molecular Sieve 13X 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.The adsorbent may be at least one selected from silica, alumina, Molecular Sieve 5A, and Molecular Sieve 13X.
상기 일산화탄소 제조장치는, 상기 제1흡착모듈 및 상기 제2흡착모듈에서 분리된 일산화탄소를 압축하는 압축시스템과; 상기 압축기를 통해 압축된 일산화탄소를 저장하는 버퍼탱크와; 상기 버퍼탱크에 저장된 일산화탄소를 실린더에 충전하기 위한 충전시스템을 더 구비할 수 있다.The carbon monoxide production apparatus includes a compression system for compressing carbon monoxide separated from the first adsorption module and the second adsorption module; A buffer tank for storing carbon monoxide compressed through the compressor; And a charging system for charging carbon monoxide stored in the buffer tank into the cylinder.
상기한 기술적 과제들의 일부를 달성하기 위한 본 발명의 다른 구체화에 따라, 본 발명에 따른 일산화탄소(CO) 제조방법은, 원료로 공급되는 액체상태의 원료 개미산(HCOOH)을 기화시켜 제1원료가스로 공급하는 제1기화단계와; 분해용 촉매로 제올라이트 촉매를 이용하여 상기 제1원료가스를 분해반응시켜 일산화탄소 혼합가스, 수증기 및 미반응 개미산 혼합형태의 제1반응가스를 생성하는 제1분해반응단계와; 상기 제1반응가스를 냉각시켜 상기 제1반응가스에서 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH)의 응축물을 분리하는 제1응축단계와; 상기 응축물이 분리된 제1반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제1촉매반응단계와; 상기 제1촉매반응단계를 통해 수소가스가 제거된 상기 제1반응가스에서, 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스 상의 불순물을 제거하여 일산화탄소를 분리하는 제1흡착단계를 구비한다.According to another embodiment of the present invention, there is provided a method for producing carbon monoxide (CO) according to the present invention, which comprises vaporizing a liquid raw formic acid (HCOOH) supplied as a raw material, A first vaporization step of supplying the vaporized gas; A first decomposition reaction step of decomposing and reacting the first source gas using a zeolite catalyst as a decomposition catalyst to produce a first reaction gas in the form of a carbon monoxide mixed gas, steam and unreacted formic acid mixture; A first condensing step of cooling the first reaction gas to separate condensate of condensed water and unreacted formic acid (HCOOH) from the first reaction gas; A first catalytic reaction step of reacting the first reaction gas in which the condensate is separated under an active control Pd catalyst to remove hydrogen gas (H 2 ); In the first reaction gas from which the hydrogen gas has been removed through the first catalytic reaction step, impurities of the gas phase including carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and unreacted formic acid (HCOOH) And a first adsorption step of removing carbon monoxide by removing the carbon monoxide.
상기 제1응축단계의 상기 응축물은, 리사이클 공정에 투입되어 일산화탄소를 추가로 분리하되, 상기 리사이클 공정은, 상기 응축물을 기화시켜 제2원료가스로 공급하는 제2기화단계와; 분해용 촉매로 제올라이트 촉매를 이용하여 상기 제2원료가스를 분해반응시켜 일산화탄소 혼합가스 및 수증기 혼합형태의 제2반응가스를 생성하는 제2분해반응단계와; 상기 제2반응가스를 냉각시켜 상기 제2반응가스에서 응축수를 분리하는 제2응축단계와; 응축수가 분리된 제2반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 촉매반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제2촉매반응단계와; 수소가스가 제거된 상기 제2반응가스에서 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스 상의 불순물을 제거하고 일산화탄소를 분리하는 제2흡착단계를 구비할 수 있다.Wherein the condensate in the first condensation step is introduced into a recycle process to further separate carbon monoxide, wherein the recycling step includes: a second vaporization step of vaporizing the condensate and supplying it as a second source gas; A second decomposition reaction step of decomposing and reacting the second source gas using a zeolite catalyst as a decomposition catalyst to produce a carbon monoxide mixed gas and a second reaction gas in the form of steam vapor; A second condensing step of cooling the second reaction gas to separate condensed water from the second reaction gas; A second catalytic reaction step of catalytically reacting a second reaction gas in which condensed water is separated under an active control Pd catalyst to remove hydrogen gas (H 2 ); Removing a gas phase impurity including carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and unreacted formic acid (HCOOH) using the adsorbent in the second reaction gas from which hydrogen gas has been removed, Step.
상기 제올라이트 촉매는 산점(acid site)이 있는 형태로 8~10-membered ring 의 기공을 가지며, Si/Al 의 분자수 비가 2~150 이고, FER, CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, LEV, RHO, MFI 중에서 선택된 어느 하나의 구조유형을 가질 수 있다.CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, and LEV (having a molecular weight ratio of 2 to 150) having a pore of 8 to 10-membered rings in the form of an acid site. , RHO, and MFI.
상기 제1기화단계 또는 상기 제2기화단계에서 상기 개미산(HCOOH) 또는 상기 응축물의 기화온도는 105~150℃이고, 상기 제1분해반응단계 또는 상기 제2분해반응단계에서의 반응온도는 130~200℃이고, 상기 제1촉매반응단계 또는 상기 제2촉매반응단계에서의 반응온도는 100~150℃일 수 있다.In the first vaporization step or the second vaporization step, the vaporization temperature of the formic acid (HCOOH) or the condensate is 105 to 150 ° C., and the reaction temperature in the first decomposition reaction step or the second decomposition reaction step is 130 to 150 ° C., 200 ° C, and the reaction temperature in the first catalytic reaction step or the second catalytic reaction step may be 100-150 ° C.
상기 제1분해반응단계 또는 상기 제2분해반응단계에서, 공정압력은 0~5bar(0을 포함하지 않음) 일 수 있다.In the first decomposition reaction step or the second decomposition reaction step, the process pressure may be 0 to 5 bar (not including 0).
상기 제1분해반응단계 또는 상기 제2분해반응단계에서, 상기 제1원료가스 또는 상기 제2원료가스의 상기 분해용 촉매와의 접촉시간은 5~70초일 수 있다. In the first decomposition reaction step or the second decomposition reaction step, the contact time of the first source gas or the second source gas with the decomposition catalyst may be 5 to 70 seconds.
상기 활성제어 Pd촉매는 지지체 중량 대비 0.2~5.0 wt% 의 Pd 담지량을 가지는 Pd 촉매에 할로겐화합물 0.05~5.0wt% 을 흡착 또는 반응시켜 활성을 제어하며, 상기 지지체는 알루미나, 실리카, 규소산화물, 마그네슘산화물, 세륨산화물, 탄소체 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다.The active control Pd catalyst controls the activity by adsorbing or reacting 0.05 to 5.0 wt% of a halogen compound with a Pd catalyst having a Pd loading of 0.2 to 5.0 wt% based on the weight of the support, and the support is composed of alumina, silica, silicon oxide, magnesium An oxide, a cerium oxide, and a carbon material.
상기 흡착제는, 실리카, 알루미나, Molecular Sieve 5A, Molecular Sieve 13X 중에서 선택된 적어도 어느 하나일 수 있다.The adsorbent may be at least one selected from silica, alumina, Molecular Sieve 5A, and Molecular Sieve 13X.
상기 일산화탄소 제조방법은, 상기 제1흡착단계 및 상기 제2흡착단계에서 분리된 일산화탄소를 압축하는 압축단계와; 상기 압축단계를 통해 압축된 일산화탄소를 버퍼탱크에 저장하는 저장단계와; 상기 버퍼탱크에 저장된 일산화탄소를 실린더에 충전하는 충전단계를 더 구비할 수 있다.The method for producing carbon monoxide includes: a compression step of compressing carbon monoxide separated in the first adsorption step and the second adsorption step; A storage step of storing carbon monoxide compressed through the compression step in a buffer tank; And a charging step of charging the cylinder with carbon monoxide stored in the buffer tank.
본 발명에 따르면, 황산, 질산, 염산 등의 강산을 사용하지 않아 친환경적이면서도, 고가의 반응기나 배관 등이 필요하지 않고 촉매교체 주기를 길게 할 수 있어 생산비용이 저렴하고 고순도의 일산화탄소를 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한 리사이클 공정을 통하여 전환율을 높이는 방법으로 이중으로 프로세스(recycle process)를 구성하여 촉매 교체의 경우에도 유리하고 촉매의 수명도 길게 할 수 있어 효율성이 향상된다. 그리고 기상불순물이나 금속불순물 수준이 낮아 반도체 공정이나 기타 정밀한 산업 공정에 사용될 수 있는 고순도 일산화탄소의 제조가 가능하다. According to the present invention, since a strong acid such as sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid is not used, it is possible to prolong the period of catalyst replacement without requiring an eco-friendly, expensive reactor or piping, and to produce carbon monoxide at a low production cost and high purity There is an advantage. In addition, a recycle process is formed by recycling process to increase the conversion rate, which is advantageous in the case of replacing the catalyst and the lifetime of the catalyst can be extended, thereby improving the efficiency. The low levels of gaseous impurities and metal impurities make it possible to produce high purity carbon monoxide that can be used in semiconductor processes and other precision industrial processes.
도 1은 본 발명에 따른 일산화탄소 제조장치의 개략도이고,
도 2는 도 1의 분해반응기 또는 촉매반응기의 개략도이고,
도 3은 도 2의 가스분배기의 개략도이고,
도 4는 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 고순도 일산화탄소 가스의 GC-TCD (Gas Chromatograph-Thermal Conductivity Detector) 분석결과 그래프이고,
도 5는 일산화탄소 표준가스와 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 고순도 일산화탄소 가스 GC-DID (Discharge Ionization Detector) 분석결과표이고,
도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 고순도 일산화탄소 가스의 금속불순물에 대한 ICP-MS 분석결과표이다.1 is a schematic view of an apparatus for producing carbon monoxide according to the present invention,
FIG. 2 is a schematic view of the decomposition reactor or the catalytic reactor of FIG. 1,
Figure 3 is a schematic view of the gas distributor of Figure 2,
4 is a graph of GC-TCD (Gas Chromatograph-Thermal Conductivity Detector) analysis results of high purity carbon monoxide gas produced according to embodiments of the present invention,
5 is a GC-DID (Discharge Ionization Detector) analysis result table of carbon monoxide standard gas and high purity carbon monoxide gas produced according to the embodiments of the present invention,
6 is an ICP-MS analysis result table of metal impurities of the high purity carbon monoxide gas produced according to the embodiments of the present invention.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예가, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 철저한 이해를 제공할 의도 외에는 다른 의도 없이, 첨부한 도면들을 참조로 하여 상세히 설명될 것이다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENT Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings without intending to intend to provide a thorough understanding of the present invention to a person having ordinary skill in the art to which the present invention belongs.
도 1은 본 발명에 따른 일산화탄소 제조장치의 개략도이다.1 is a schematic view of an apparatus for producing carbon monoxide according to the present invention.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 일산화탄소(CO) 제조장치(100)는, 제1기화기(110), 제1분해반응기(120), 제1응축기(130), 제1촉매반응기(140). 제1흡착모듈(150)을 구비한다. 추가적으로 리사이클 공정을 위해 제2기화기(210), 제2분해반응기(220), 제2응축기(230), 제2촉매반응기(240). 제2흡착모듈(250)을 구비할 수 있다.1, an
상기 제1기화기(110)는 일산화탄소 제조를 위해 원료로 공급되는 액체상태의 원료 개미산(HCOOH)을 기화시켜 제1원료가스로 상기 제1분해반응기(120)에 공급한다.The
상기 원료 개미산(HCOOH)은 원료공급기(미도시)를 통해 상기 제1기화기(110)로 공급되게 된다. 상기 원료공급기는 안정적인 원료 공급을 위해 액체펌프 등을 구비할 수 있다. The raw formic acid (HCOOH) is supplied to the
상기 원료 개미산(HCOOH)은 통상적으로는 50 wt% 내지 85 wt% 정도의 개미산(HCOOH)과 물(H2O)의 혼합물 형태로 공급되고 있다. 상기 원료 개미산(HCOOH)은 1.5 ~ 100 ml/min 으로 상기 제1기화기(110)로 공급될 수 있으며, 바람직하게는 30 ml/min 으로 공급될 수 있다.The raw formic acid (HCOOH) is usually supplied in the form of a mixture of formic acid (HCOOH) and water (H 2 O) in an amount of about 50 wt% to 85 wt%. The raw formic acid (HCOOH) may be supplied to the
상기 제1기화기(110)에서는 상기 원료 개미산(HCOOH)의 기화온도 이상인 105~150℃로 상기 원료 개미산(HCOOH)을 가열하여 제1원료가스로 하여 상기 제1분해반응기(120)에 공급하는 제1기화공정이 수행되게 된다. 상기 기화온도가 105℃ 미만인 경우에는 상기 원료 개미산(HCOOH)의 비점이 100.5℃ 이므로 충분히 기화가 되지 못하고, 기화온도가 150℃ 를 넘게 되면, 상기 제1원료가스가 상기 제1분해반응기(120)로 유입되기 전에 부반응이 먼저 발생되는 문제점이 있다. In the
상기 제1원료가스는 기화된 상태에서 부식성이 높으므로 상기 제1기화기(110)에서 상기 제1분해반응기(120)까지의 배관은 테프론이나 세라믹 코팅으로 보호되어야 할 것이다. 상기 제1기화기(110) 내부에는 열전달 면적을 높이기 위하여 세라믹 볼 등이 채워질 수 있다.Since the first source gas is highly corrosive in a vaporized state, the piping from the
상기 제1분해반응기(120)에서는 상기 제1기화기(110)에서 공급되는 상기 제1원료가스를 분해반응시켜 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH) 혼합형태의 제1반응가스를 생성하는 제1분해반응공정을 수행한다.In the
이때 상기 제1분해반응기(120)에서의 분해용 촉매로 8~10-membered ring(MR) 의 기공을 가지는 제올라이트 촉매가 사용될 수 있다.At this time, as the catalyst for decomposition in the
종래의 경우에는 황산으로 전환율(또는 반응성)을 높이는 방식이 사용되었으나, 본 발명에서는 황산 등의 강산이 사용되지 않기 때문에, 상기 제올라이트 촉매의 경우 디알루미네이션(dealumination) 현상이 일어나지 않아 제올라이트 촉매의 구조가 망가지는 등의 문제가 원천적으로 발생되지 않게 된다. However, in the present invention, since strong acid such as sulfuric acid is not used, the dealumination of the zeolite catalyst does not occur, so that the structure of the zeolite catalyst The problem of collapse is not caused at the origin.
본 발명의 경우에, 강산이 사용되지 않음에 따라 전환율이 낮아질 수 있으나, 전환율을 높이기 위해 제1분해반응기(120), 제1촉매반응기(140) 및 후술하는 리사이클 공정을 통해 해결하고 있으며, 전환율을 높이기 위해 반응온도 및 공정압력을 적절히 조절하여 최적의 조합을 구현하여 전환율을 높여 고순도 일산화탄소를 제조하는 것이 가능하다.In the case of the present invention, the conversion rate may be lowered due to the absence of strong acid, but in order to increase the conversion rate, the
상기 제올라이트 촉매는 8~10-membered ring(MR)의 기공을 가지며, 상기 제올라이트 촉매는, FER, CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, LEV, RHO, MFI 중에서 선택된 어느 하나의 구조유형을 가질 수 있다. Wherein the zeolite catalyst has pores of 8 to 10-membered ring (MR), wherein the zeolite catalyst is selected from the group consisting of FER, CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, LEV, RHO and MFI Lt; / RTI >
일반적으로 개미산(HCOOH)의 경우는 기공이 Kinetic diameter(Å)가 4.0이고 Critical diameter와 Maximum diameter(Å)가 4.6으로 알려져 있다. Generally, in the case of formic acid (HCOOH), the pore has a kinetic diameter (Å) of 4.0 and a critical diameter and a maximum diameter (Å) of 4.6.
여기서 상기 제올라이트 촉매는 산점(acid site, acid center)이 있는 형태로 사용되며, Si/Al 의 분자수비는 2~150 인 것이 사용될 수 있다. Si/Al 의 분자수비가 2 미만인 경우에는 상기 개미산(HCOOH) 존재하에서 구조적으로 안정하지 못하고, 150 초과의 경우에는 산점이 적어 전환율이 너무 낮아지는 문제점이 있다. Here, the zeolite catalyst may be used in the form of an acid site, and the molecular ratio of Si / Al may range from 2 to 150. When the molecular weight ratio of Si / Al is less than 2, it is not structurally stable in the presence of the above-mentioned formic acid (HCOOH). When the molecular weight ratio is more than 150, the conversion point becomes too low.
상기 제1분해반응기(120)에서는 상술한 바와 같이, 황산, 질산, 염산 등의 강산이 사용되지 않아 친환경 제조가 가능하고 디알루미네이션 현상의 방지로 촉매의 수명을 연장할 수 있다.In the
상기 제1분해반응기(120)에서 생성되는 제1반응가스는 다음의 반응식 1의 주반응의 결과물로, 상기 제1원료가스인 개미산(HCOOH)이 분해되어 생성되며, 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산 혼합형태를 가지게 된다. 여기서 상기 분해용 촉매는 이산화탄소와 수소가스 등의 부반응 불순물이 발생되는 상기 반응식 2의 부반응을 억제하고 상기 반응식 1의 주반응이 일어나도록 도와주는 역할을 하게 되는 것이다. The first reaction gas generated in the
[반응식 1][Reaction Scheme 1]
HCOOH → CO + H2O 주반응HCOOH → CO + H 2 O Primary reaction
[반응식 2][Reaction Scheme 2]
HCOOH → CO2 + H2 부반응HCOOH → CO 2 + H 2 side reaction
상기 제1분해반응기(120)의 반응온도는 130~200℃ 이고, 공정압력은 0~5bar(0을 포함하지 않음)이고, 상기 제1원료가스의 상기 분해용 촉매와의 접촉시간은 5~150초일 수 있으며 바람직하게는 10~70초 일 수 있다. The
반응온도의 경우에는 반응온도가 높으면 주반응보다는 부반응이 많이 일어나게 되어 수소가스의 발생이 많아지는 문제점이 있으므로, 부반응보다 주반응이 많이 일어나는 반응온도 범위인 130~200℃로 할 수 있다. When the reaction temperature is higher, the side reaction is more likely to occur than the main reaction, and hydrogen gas is generated more frequently. Therefore, the reaction temperature may be 130 to 200 ° C, which is a higher reaction temperature than the side reaction.
그리고, 공정압력의 경우에도 일반적으로 압력이 가해지면 역반응이 일어날 우려도 있으나, 상기 분해용 촉매의 존재하에서 일정범위의 공정압력(반응압력)이 가해지면 정반응이 일어나면서 전환율이 높아지는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다. 결과적으로, 130~200℃ 의 반응온도와 0~5bar(0을 포함하지 않음)의 공정압력을 가지는 경우 최고의 전환율과 주반응을 이끌어 낼 수 있게 된다. 공정압력이 5bar 이상이 되면 역반응이 많이 일어나 반응전환율이 낮아지게 된다.Also, even in the case of the process pressure, if the pressure is generally applied, the reverse reaction may occur. However, if a certain range of process pressure (reaction pressure) is applied in the presence of the catalyst for decomposition, it is experimentally confirmed that the conversion is increased I could. As a result, it is possible to achieve the highest conversion rate and main reaction with a reaction temperature of 130 to 200 ° C and a process pressure of 0 to 5 bar (not including 0). When the process pressure is 5 bar or more, the reverse reaction takes place so that the reaction conversion rate is lowered.
또한, 공정압력이 적절히 가해지면 상기 개미산(HCOOH)이 상기 분해용 촉매의 산점에 접촉할 확률이 높아져 전환율이 증가하게 되며, 공정의 반응안정화가 빠르게 진행되어 공정운영의 효율성이 향상되게 된다.In addition, if the process pressure is appropriately applied, the probability that the formic acid (HCOOH) contacts the acid sites of the decomposition catalyst is increased, the conversion rate is increased, and the reaction stabilization of the process rapidly progresses and the efficiency of the process operation is improved.
상기 제1분해반응기(120)는 상기 분해용 촉매의 높이/반응기의 직경의 비가 3~10, 바람직하게는 5가 되도록 설계될 수 있다. The
상기 제1분해반응기(120)에서는 상기 반응식 2의 부반응에 의해 이산화탄소와 수소가스도 발생되나 주로 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산 혼합형태의 제1반응가스가 발생되게 된다. 정확하게는 상기 제1반응가스에는 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산, 이산화탄소 및 수소가 포함되어 이들이 혼합된 혼합가스 형태를 가지게 된다. 여기서 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소가스가 혼합된 형태의 가스를 일산화탄소 혼합가스로 칭하기로 한다. 상기 제1분해반응기에서의 전환율은 70~90% 정도이다.In the
상기 제1응축기(130)에서는 상기 제1분해반응기(120)에서 생성된 상기 제1반응가스를 냉각시켜, 상기 제1반응가스에서 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH)의 응축물을 분리하는 제1응축공정을 수행하게 된다. 이에 따라 상기 제1반응가스를 구성하는 수증기(H2O) 및 미반응 개미산의 일부 또는 전체가 제거되게 된다. 수증기(H2O) 및 미반응 개미산의 경우는 비점이 100℃ 정도(수증기는 비점이 100℃, 개미산은 비점이 100.5℃) 이므로, 상기 제1반응가스를 100℃ 이하로 냉각하게 되면 수증기(H2O) 및 미반응 개미산의 경우는 응축되어 상기 응축물로 배출되게 된다.The
여기서 상기 제1응축기(130)를 통해 상기 응축물과 분리된 상기 제1반응가스는 상기 제1촉매반응기(140)로 공급된다. 그리고 상기 제1응축기(130)를 통해 분리된 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH) 혼합형태의 상기 응축물은 리사이클 공정을 위해 상기 제2기화기(210)로 공급되게 된다.Here, the first reaction gas separated from the condensate through the
상기 제1촉매반응기(140)로 공급되는 상기 제1반응가스에는 일산화탄소가 대부분이나, 일부 이산화탄소와 수소가스, 일부 수증기 및 미반응 개미산(HCOOH) 등이 존재하게 된다.The first reaction gas supplied to the first
상기 제1촉매반응기(140)에서는 상기 제1응축기(130)를 통과한 제1반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제1촉매반응 공정을 수행하게 된다. 이때 상기 제1촉매반응기(140)는 상기 제1분해반응기(120)와 촉매를 달리할 뿐 그 구조가 동일 또는 유사하게 구성될 수 있다.The first
상기 수소가스(H2)는 상기 반응식 2의 부반응에 의해 생성된 부반응 불순물로, 대략 50~3000 ppm 정도이며, 상기 제1촉매반응기(140)를 통해 제거될 수 있다. 상기 제1촉매반응기(140)에서는 상기 제1촉매반응기(140) 내에 활성제어 Pd촉매를 채운 상태에서 반응온도가 100~150℃ 이고, 상기 제1반응가스의 공간속도를 5~300h- 1 로 하여 반응이 진행되도록 할 수 있다. 반응온도가 100℃ 미만에서는 반응이 잘 이루어지지 않고 수분이 탈착되지 못하며, 150℃ 초과의 경우에는 WGS(Water Gas Shift) 반응으로 수소가스(H2)가 발생하게 된다.The hydrogen gas (H 2 ) is a side reaction impurity produced by the side reaction of the reaction formula ( 2 ), and is about 50 to 3000 ppm, and can be removed through the first catalytic reactor (140). The first
상기 수소가스(H2)를 제거하기 위한 산소가스(O2)는 상기 수소가스의 당량비에 대응되도록 상기 제1촉매반응기(140)에 공급되게 된다. 대략적으로 40~2700ppm정도로 공급하게 된다. 공급된 산소가스는 대부분 수소가스와 반응하는데 사용되고 과량으로 공급된 나머지 산소가스는 일산화탄소(CO)와 반응하게 된다.The oxygen gas (O 2 ) for removing the hydrogen gas (H 2 ) is supplied to the first catalytic reactor (140) so as to correspond to the equivalence ratio of the hydrogen gas. Approximately 40 to 2700ppm or so will be supplied. Most of the supplied oxygen gas is used to react with the hydrogen gas, and the excess oxygen gas that is supplied in excess reacts with carbon monoxide (CO).
여기서, 상기 활성제어 Pd촉매는, 지지체 중량대비 0.2~5.0 wt% 의 Pd 담지량을 가지는 Pd촉매에 할로겐화합물 (F, Cl, Br, I)을 흡착 또는 반응시켜 활성을 제어하게 되며, 할로겐화합물의 담지량이 지지체 중량대비 0.05~5.0 wt% 이 되도록 담지하고 소성하게 된다.Herein, the active control Pd catalyst controls the activity by adsorbing or reacting a halogen compound (F, Cl, Br, I) with a Pd catalyst having a Pd loading of 0.2 to 5.0 wt% The support is supported and fired such that the amount of the support is 0.05 to 5.0 wt% based on the weight of the support.
상기 활성제어 Pd촉매의 지지체는, 산점과 관계없이 알루미나, 실리카, 규소산화물, 마그네슘산화물, 세륨산화물, 탄소체 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. The support of the active control Pd catalyst may be composed of at least one selected from alumina, silica, silicon oxide, magnesium oxide, cerium oxide, and carbon, irrespective of the acid point.
상기 제1흡착모듈(150)에서는 상기 제1촉매반응기(140)를 통해 수소가스가 정제되어 제거된 상기 제1반응가스에서 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스상의 불순물을 제거하고 일산화탄소를 분리하는 제1흡착공정을 수행하게 된다.In the
상기 제1흡착모듈(150)은 한쌍의 흡착탑으로 구비되어, 하나의 흡착탑이 흡착공정을 수행하면 다른 하나의 흡착탑은 재생공정을 교대로 수행하도록 밸브를 구비하고 있으며, 히터를 각각 구비하고 있다. 이때 재생공정을 위한 재생가스로는 헬륨(He) 또는 상기 제1흡착모듈(150)에서 생산된 고순도 일산화탄소(CO)가 이용될 수 있다.The
상기 제1흡착모듈(150)은 흡착제로 실리카, 알루미나, Molecular Sieve 5A, Molecular Sieve 13X 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 선택되어 구비될 수 있으며, 상기 제1촉매반응기(140)를 통과한 상기 제1반응가스에서 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미량의 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스상의 불순물을 제거하고 고순도의 일산화탄소(CO)를 분리 및 생성하게 된다.The
한편, 상기 제1응축기(130)를 통해 분리된 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH) 혼합형태의 상기 응축물은 리사이클 공정을 위해 상기 제2기화기(210)로 공급되게 된다. 이에 따라 리사이클 공정이 수행된다.Meanwhile, the condensed water separated through the
이때 상기 제1응축기(130)를 통해 분리된 상기 응축물은 별도의 원료공급기(미도시)에 보관된 후 상기 제2기화기(210)로 공급될 수 있다. 상기 원료공급기는 안정적인 원료 공급을 위해 액체펌프 등을 구비할 수 있다. At this time, the condensate separated through the
상기 제2기화기(210)에서는 상기 응축물을 기화시켜 제2원료가스로 상기 제2분해반응기(220)에 공급하는 제2기화공정이 수행되게 된다.The second vaporization process of vaporizing the condensate and supplying the vaporized second raw material gas to the
상기 응축물은 상기 제1분해반응기(120)를 통해 1차적으로 분해반응이 일어난 상태이므로, 대부분의 물(H2O)(예로, 80wt% 정도)과 소량의 개미산(HCOOH)(예로 20wt% 정도)으로 이루어져 있다.Since most of the water (H 2 O) (for example, about 80 wt%) and a small amount of formic acid (HCOOH) (for example, about 20 wt%) are present in the condensed product in the first decomposition reaction through the
상기 제2기화기(210)에서는 상기 응축물을 기화온도 이상인 105~150℃로 가열하여 제2원료가스로 하여 상기 제2분해반응기(220)에 공급하게 된다. 상기 기화온도가 105℃ 미만인 경우에는 상기 원료 개미산(HCOOH)의 비점이 100.5℃ 이므로 충분히 기화가 되지 못하고, 기화온도가 150℃ 를 넘게 되면, 상기 제2원료가스가 상기 제2분해반응기(220)로 유입되기 전에 부반응이 먼저 발생되는 문제점이 있다. 상기 응축물은 1.5 ~ 100 ml/min 으로 상기 제2기화기(210)로 공급될 수 있으며, 바람직하게는 30 ml/min 으로 공급될 수 있다. In the
상기 제2원료가스는 기화된 상태에서 부식성이 높으므로 상기 제2기화기(210)에서 상기 제2분해반응기(220)까지의 배관은 테프론이나 세라믹 코팅으로 보호되어야 할 것이다. 상기 제2기화기(210) 내부에는 열전달 면적을 높이기 위하여 세라믹 볼 등이 채워질 수 있다.Since the second source gas is highly corrosive in a vaporized state, the piping from the
상기 제2분해반응기(220)는 상기 제1분해반응기(120)와 동일구조를 가질 수 있으며, 상기 제2기화기(210)에서 공급되는 상기 제2원료가스를 분해반응시켜 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH) 혼합형태의 제2반응가스를 생성하게 된다. The
이때 상기 제2분해반응기(220)에서의 분해용 촉매로 상기 제1분해반응기(120)의 경우와 동일하게 8~10-membered ring(MR) 의 기공을 가지는 제올라이트 촉매가 사용될 수 있다. 상기 제올라이트 촉매는, FER, CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, LEV, RHO, MFI 중에서 선택된 어느 하나의 구조유형을 가질 수 있다. At this time, a zeolite catalyst having 8 to 10-membered ring (MR) pores may be used as the decomposition catalyst in the
일반적으로 개미산(HCOOH)의 경우는 기공이 Kinetic diameter(Å)가 4.0이고 Critical diameter와 Maximum diameter(Å)가 4.6으로 알려져 있다. Generally, in the case of formic acid (HCOOH), the pore has a kinetic diameter (Å) of 4.0 and a critical diameter and a maximum diameter (Å) of 4.6.
여기서 상기 제올라이트 촉매는 산점(acid site, acid center)이 있는 형태로 사용되며, Si/Al 의 분자수비는 2~150 인 것이 사용될 수 있다. Si/Al 의 분자수비가 2 미만인 경우에는 상기 개미산(HCOOH) 존재하에서 구조적으로 안정하지 못하고, 150 초과의 경우에는 산점이 적어 전환율이 너무 낮아지는 문제점이 있다. Here, the zeolite catalyst may be used in the form of an acid site, and the molecular ratio of Si / Al may range from 2 to 150. When the molecular weight ratio of Si / Al is less than 2, it is not structurally stable in the presence of the above-mentioned formic acid (HCOOH). When the molecular weight ratio is more than 150, the conversion point becomes too low.
상기 제2분해반응기(220)에서는 상술한 바와 같이, 황산, 질산, 염산 등의 강산이 사용되지 않으며, 친환경 제조가 가능하고 디알루미네이션 현상의 방지로 촉매의 수명을 연장할 수 있다.In the
상기 제2분해반응기(220)의 반응온도는 130~200℃ 이고, 상기 제2원료가스의 상기 분해용 촉매와의 접촉시간은 5~150초일 수 있으며 바람직하게는 10~70초 일 수 있다. 반응온도의 경우에는 반응온도가 높으면 주반응보다는 부반응이 많이 일어나게 되어 수소가스의 발생이 많아지는 문제점이 있으므로, 부반응보다 주반응이 많이 일어나는 반응온도 범위인 130~200℃로 할 수 있다. The reaction temperature of the
그리고, 공정압력의 경우에도 일반적으로 압력이 가해지면 역반응이 일어날 우려도 있으나, 상기 분해용 촉매의 존재하에서 일정범위의 공정압력(반응압력)이 가해지면 정반응이 일어나면서 전환율이 높아지는 것을 실험적으로 확인할 수 있었다. 결과적으로, 150~200℃ 의 반응온도와 0~5bar(0을 포함하지 않음)의 공정압력을 가지는 경우 최고의 전환율과 주반응을 이끌어 낼 수 있게 된다. 공정압력이 5bar 이상이 되면 역반응이 일어나 반응전환율이 낮아지게 된다.Also, even in the case of the process pressure, if the pressure is generally applied, the reverse reaction may occur. However, if a certain range of process pressure (reaction pressure) is applied in the presence of the catalyst for decomposition, it is experimentally confirmed that the conversion is increased I could. As a result, with a reaction temperature of 150-200 ° C and a process pressure of 0-5 bar (not including 0), it is possible to achieve the highest conversion and main reaction. If the process pressure exceeds 5 bar, the reverse reaction occurs and the reaction conversion rate becomes low.
또한 공정압력이 적절히 가해지면 상기 개미산(HCOOH)이 상기 분해용 촉매의 산점에 접촉할 확률이 높아져 전환율이 증가하게 되며, 공정의 반응안정화가 빠르게 진행되어 공정운영의 효율성이 향상되게 된다.In addition, if the process pressure is suitably applied, the probability that the formic acid (HCOOH) will contact the acid point of the decomposition catalyst increases to increase the conversion rate, and the reaction stabilization of the process rapidly progresses, thereby improving the efficiency of the process operation.
상기 제2분해반응기(220)는 상기 분해용 촉매의 높이/반응기의 직경의 비가 3~10, 바람직하게는 5가 되도록 설계될 수 있다. The
상기 제2분해반응기(220)에서의 제2분해반응공정에 따라 생성되는 제2반응가스는 상기 반응식 1의 주반응의 결과물로, 상기 제2원료가스인 개미산(HCOOH)이 분해되어 생성되며, 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산 혼합형태를 가지게 된다. 여기서 상기 분해용 촉매는 이산화탄소와 수소가스 등의 부반응 불순물이 발생되는 상기 반응식 2의 부반응을 억제하고 상기 반응식 1의 주반응이 일어나도록 도와주는 역할을 하게 되는 것이다. 상기 제2원료가스에서의 개미산 전환율(반응률)은, 상기 제1분해반응기(120)를 이미 통과한 상태에서 상기 제2분해반응기(220)를 통과하는 것이므로, 전체공정의 전환율로 환산하여 대략 95% 이상이 된다.The second reaction gas generated according to the second decomposition reaction process in the
상기 제2분해반응기(220)에서는 상기 반응식 2의 부반응에 의해 이산화탄소와 수소가스도 발생되나 주로 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산 혼합형태의 제2반응가스가 발생되게 된다. 정확하게는 상기 제2반응가스에는 일산화탄소(CO), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산, 이산화탄소 및 수소가 포함되어 이들이 혼합된 혼합가스 형태를 가지게 된다. 여기서 일산화탄소, 이산화탄소 및 수소가스가 혼합된 형태의 가스를 일산화탄소 혼합가스로 칭하기로 한다.In the
상기 제2응축기(230)는 상기 제2분해반응기(220)에서 생성된 상기 제2반응가스를 냉각시켜, 상기 제2반응가스에서 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH)의 응축물을 분리하는 제2응축공정을 수행하게 된다. 상기 제2분해반응기(220)를 통해 개미산의 대부분이 분해되었기 때문에 상기 제2응축기(230)를 통해서는 대부분 물(H2O)이 응축되게 되며 일부 미반응 개미산이 응축되어 제거되게 된다.The
여기서 상기 제2응축기(230)를 통해 상기 응축물과 분리된 상기 제2반응가스는 상기 제2촉매반응기(240)로 공급된다. Here, the second reaction gas separated from the condensate through the
상기 제2촉매반응기(240)로 공급되는 상기 제2반응가스에는 일산화탄소가 대부분이나, 일부 이산화탄소와 수소가스, 일부 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH) 등이 존재하게 된다.The second reaction gas supplied to the second
상기 제2촉매반응기(240)에서는 상기 제2응축기(230)를 통과한 제2반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제2촉매반응공정이 수행되게 된다. 이때 상기 제2촉매반응기(240)는 상기 제1촉매반응기(140)와 동일구조를 가질 수 있다.In the second
상기 수소가스(H2)는 리사이클 공정에서 상기 반응식 2의 부반응에 의해 생성된 부반응 불순물로, 대략 50~2500 ppm 정도 발생되며, 상기 제2촉매반응기(240)를 통해 제거될 수 있다. 상기 제2촉매반응기(240)에서는 상기 제2촉매반응기(240) 내에 활성제어 Pd촉매를 채운상태에서 반응온도가 100~150℃ 이고, 상기 제2반응가스의 공간속도를 5~300h- 1 로 하여 반응이 진행되도록 할 수 있다. 이때 수소가스를 제거하기 위해 산소가스(O2)는 상기 수소가스의 당량비에 대응되도록 상기 제2촉매반응기(240)에 공급되게 된다. 대략적으로 30~1800ppm정도로 공급하게 된다. The hydrogen gas (H 2 ) is a side reaction impurity generated by a side reaction of
여기서, 상기 활성제어 Pd촉매는, 지지체 중량대비 0.2~5.0 wt% 의 Pd 담지량을 가지는 Pd촉매에 할로겐화합물(F, Cl, Br, I)을 흡착 또는 반응시켜 활성을 제어하게 되며, 할로겐화합물의 담지량이 지지체 중량대비 0.05~5.0 wt% 이 되도록 담지하고 소성하게 된다.Herein, the active control Pd catalyst controls the activity by adsorbing or reacting a halogen compound (F, Cl, Br, I) with a Pd catalyst having a Pd loading of 0.2 to 5.0 wt% The support is supported and fired such that the amount of the support is 0.05 to 5.0 wt% based on the weight of the support.
상기 활성제어 Pd촉매의 지지체는 산점과 관계없이 알루미나, 실리카, 규소산화물, 마그네슘산화물, 세륨산화물, 탄소체 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 구성될 수 있다. The support of the active control Pd catalyst may be composed of at least one selected from alumina, silica, silicon oxide, magnesium oxide, cerium oxide, and carbon.
상기 제2흡착모듈(250)에서는 상기 제2촉매반응기(240)를 통해 수소가스가 제거된 상기 제2반응가스에서 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스상의 불순물을 제거하고 일산화탄소를 분리하는 제2흡착공정을 수행하게 된다.In the
상기 제2흡착모듈(250)은 상기 제1흡착모듈(150)과 동일한 구조로 한쌍의 흡착탑으로 구비되어, 하나의 흡착탑이 흡착공정을 수행하면 다른 하나의 흡착탑은 재생공정을 교대로 수행하도록 밸브를 구비하고 있으며, 히터를 각각 구비하고 있다. 이때 재생공정을 위한 재생가스로는 헬륨(He) 또는 상기 제2흡착모듈(250)에서 생산된 고순도 일산화탄소(CO)가 이용될 수 있다.The
상기 제2흡착모듈(250)은 흡착제로 실리카, 알루미나, Molecular Sieve 5A, Molecular Sieve 13X 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 선택되어 구비될 수 있으며, 상기 제2촉매반응기(240)를 통과한 상기 제2반응가스에서 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미량의 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스상의 불순물을 제거하고 고순도의 일산화탄소(CO)를 분리 및 생성하게 된다.The
필요에 따라, 상기 제1흡착모듈(150) 및 상기 제2흡착모듈(250)을 통해 생성된 고순도의 일산화탄소(CO)는 압축기 또는 압축시스템(160)을 통해 90~200 atm으로 압축되는 압축공정을 거치고, 압축공정을 통해 압축된 일산화탄소를 버퍼탱크(170)에 저장하는 저장공정을 거치며, 버퍼탱크(170)에 저장된 일산화탄소를 실린더에 충전하거나 사용되기 위해 충전기 또는 충전시스템(180)으로 보내는 충전공정을 거지게 된다. The high purity carbon monoxide (CO) generated through the
도 2는 도 1의 제1분해반응기(120) 또는 제2분해반응기(220)의 구조를 나타낸 것이고, 도 3은 도 2의 분해반응기(120,220)를 구성하는 가스분배기의 구조를 나타낸 것이다.FIG. 2 illustrates the structure of the
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 분해반응기(120,220)는 반응온도유지를 위한 히터(122)와 가스분배기(124), 촉매지지대(126)를 구비한다.2 and 3, the
상기 히터(122)는 반응을 고온으로 유지하기 위하여 반응기 주위에 구비된다. 상기 히터(122)는 반응을 위해 온도를 올려주는 역할을 한다. 특히 제1원료가스 또는 제2원료가스가 반응 가능하도록 반응온도인 105~400℃ 로 올려주게 된다.The
상기 가스분배기(124)는 상기 분해반응기(120,220)의 내부로 원료가스가 도입되는 입구에 구비된다. 상기 가스분배기(124)는 원료가스가 유입되는 입구는 개방되고 입구의 반대면은 폐쇄된 상태의 속이 빈 원통형 구조를 가지며, 원주면에 다수의 관통홀(124a)들을 구비하여 입구로 유입된 원료가스가 상기 분해반응기(120,220)의 내부로 균일하게 분산되도록 하여, 원료가스가 편중되지 않고 촉매와 골고루 접촉하도록 도와준다. 즉, 원주면(측면)의 여러 관통홀(124a)들로 원료가스를 분산시켜 넓은 면적으로 분포하는 촉매에 원료가스를 골고루 분배하게 된다.The
상기 촉매지지대(126)는 상기 분해반응기(120,220)의 내부에 상기 히터(122)의 열을 정확하게 받는 위치(잘 전달되는 위치)에 구비된다. 상기 촉매지지대(126)는 상기 분해용 촉매의 알갱이 사이즈보다 작은 사이즈의 메쉬홀들을 가지는 메쉬구조를 가진다.The catalyst support table 126 is provided at a position (well-communicated position) for accurately receiving the heat of the
도 2 및 도 3을 통해 설명된 상기 분해반응기(120,220)는 원료가스, 촉매와 반응온도를 달리하여 상기 제1촉매반응기(140) 및 상기 제2촉매반응기(240)로도 사용가능하다. 2 and 3 may be used as the first
도 4는 본 발명에 따라 제조된 고순도 일산화탄소 가스의 GC-TCD (Gas Chromatograph-Thermal Conductivity Detector) 분석결과 그래프이다.FIG. 4 is a graph showing a GC-TCD (Gas Chromatograph-Thermal Conductivity Detector) analysis result of the high purity carbon monoxide gas produced according to the present invention.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제1흡착모듈(150) 및 상기 제2흡착모듈(250)을 통해 생성된 고순도의 일산화탄소(CO)를 분석시스템을 통해 분석한 결과 일산화탄소(CO) 만이 측정되는 것을 알 수 있다. 4, the high-purity carbon monoxide (CO) generated through the
도 5는 일산화탄소 표준가스와 상기 제1흡착모듈(150) 및 상기 제2흡착모듈(250)을 통해 생성된 고순도의 일산화탄소(CO)의 GC-DID (Discharge Ionization Detector) 분석결과표이고, 도 6은 본 발명의 실시예들에 따라 제조된 고순도 일산화탄소 가스의 금속불순물에 대한 ICP-MS 분석결과표이다.5 is a GC-DID (Discharge Ionization Detector) analysis result of carbon monoxide standard gas and high purity carbon monoxide (CO) generated through the
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고순도 일산화탄소는 H2, O2+Ar, N2, CH4, CO2,의 불순물이 존재하고 각각의 불순물은 0.2~2 ppm 수준임을 알 수 있으며, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 제조된 고순도 일산화탄소의 경우 불순물이 수 ppb 미만으로 나타남을 알 수 있어 고순도의 일산화탄소가 제조되었음을 알 수 있다. As shown in FIG. 5, the high purity carbon monoxide according to the present invention has impurities of H 2 , O 2 + Ar, N 2 , CH 4 and CO 2 , and each impurity is in the range of 0.2 to 2 ppm , It can be seen that as shown in FIG. 6, the high purity carbon monoxide produced according to the present invention exhibits impurities of less than a few ppb, indicating that high purity carbon monoxide is produced.
이하 각 실시예들을 설명한다.Each embodiment will be described below.
<실시예 1>≪ Example 1 >
원료개미산(HCOOH)으로는 개미산 85wt%와 나머지는 물 등으로 혼합된 상태로 이용되었고, 원료개미산은 1.5~100 mL/min, 바람직하게는 30 mL/min로 상기 제1기화기(110)로 공급되었다. 또한 상기 제1기화기(110)에서는 상기 원료개미산을 110℃로 가열하여 기화시켰다. 기화한 개미산은 가열 배관을 통하여 상기 제1분해반응기(120)로 도입되고, 상기 제1분해반응기(120)의 반응온도는 180℃로 하였다. 상기 제1분해반응기(120)에서의 제올라이트 촉매 반응은 접촉시간이 10~50초, 바람직하게는 약 25초가 되도록 설계하였고, 촉매 높이/반응기직경 비가 3~10, 바람직하게는 5가 되도록 설계하였다. 분해용 촉매로 10 MR 또는 8 MR이고 Si/Al의 분자수비는 10인 제올라이트 H-FER가 사용되었다.The raw formic acid (HCOOH) was mixed with 85 wt% of formic acid and the remainder with water or the like. The raw formic acid was supplied to the
상기 제1분해반응기(120)에서의 개미산의 분해전환율(반응률)은 70~90% 정도이다. 공정압력은 0.1~2.0 bar 로 하였고, 바람직하게는 0.5 bar로 하였다. 제1응축기(130)를 통해 응축된 미반응 개미산(HCOOH)은 응축수(H2O)와 함께 상기 제2기화기(210)로 보내진다. 상기 제1분해반응기(120)로부터 생성된 일산화탄소 혼합가스는 상기 제1응축기(130)를 거쳐 상기 제1촉매반응기(140)로 이동한다. The decomposition conversion ratio (reaction rate) of formic acid in the
상기 제1촉매반응기(140)에는 0.1wt%의 Cl, 0.5wt% Pd/Al2O3의 활성제어 Pd촉매가 채워지고 수소(H2) 제거를 위한 반응 온도는 110℃로 하였다. 활성제어 Pd촉매 반응을 위해 상기 일산화탄소 혼합가스의 공간속도는 10~100h-1로 한다. 산소(O2)의 공급은 발생하는 수소(H2)의 당량비에 맞게 공급하였으며 바람직하게는 일산화탄소(CO) 혼합가스 유량 중 100~1300 ppm 을 공급하였다. 수소(H2)가 제거된 일산화탄소(CO) 혼합가스는 상기 제1흡착모듈(150)로 보내지고 상기 제1흡착모듈(150)에서 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O) 그리고 미량의 개미산(HCOOH) 등이 제거되고 고순도의 일산화탄소가 제조된다.The first
한편 제2기화기(210)로 보내진 응축물인 미반응 개미산(HCOOH)과 응축수( H2O)의 혼합 액체는 리사이클 공정을 위한 것으로 상기 제2기화기(210)에서 110℃로 가열되어 기화된다. 기화한 개미산(HCOOH)은 가열 배관을 통하여 상기 제2분해반응기(220)로 도입되어 반응온도인 180℃로 가열된다. 상기 제2분해반응기(220)는 제1분해반응기(120)와 동일한 구조를 가지며, 동일한 촉매가 사용된다. 촉매 반응은 접촉시간 25~70초, 바람직하게는 35초가 되도록 설계하였다. On the other hand, a mixed liquid of unreacted formic acid (HCOOH) and condensed water (H 2 O), which is a condensate sent to the
상기 제2분해반응기(220)에서의 개미산(HCOOH)의 전환율(반응률)은 99.8% 이상이다. 생성된 일산화탄소(CO) 혼합가스는 제2응축기(230)를 거쳐 제2촉매반응기(240)로 보내진다. 제2촉매반응기(240)의 경우에도 제1촉매반응기(140)와 마찬가지로 0.1wt%의 Cl, 0.5wt% Pd/Al2O3의 활성제어 Pd촉매를 채우고 수소(H2) 제거를 위한 반응온도는 110℃로 하였다. 산소(O2)의 공급은 발생하는 수소(H2)의 당량비에 맞게 공급하였으며 바람직하게는 일산화탄소(CO) 혼합가스 유량 중 100~1300 ppm 공급하였다. 활성제어 Pd촉매를 통한 반응을 위해 일산화탄소(CO) 혼합가스의 공간속도는 10~100h-1로 하였다. 수소(H2)가 제거된 일산화탄소(CO) 혼합가스는 제2흡착모듈(250)로 이동하고 이산화탄소(CO2)와 수증기(H2O) 그리고 미량의 개미산(HCOOH) 등이 제거되고 고순도의 일산화탄소가 제조된다.The conversion ratio (reaction rate) of formic acid (HCOOH) in the
상기 제1흡착모듈(150) 및 상기 제2흡착모듈(250)을 거쳐 생성된 고순도의 일산화탄소(CO)는 99.995%이상 순도를 가지게 되며, 압축기 또는 압축시스템(160)을 통해 1단에서 약 10 bar로 압축하고 2단에서 약 100 bar 이상 압축하는 압축공정을 거치고, 압축공정을 통해 압축된 일산화탄소를 버퍼탱크(170)에 저장하는 저장공정을 거치며, 버퍼탱크(170)에 저장된 일산화탄소를 실린더에 충전하거나 사용되기 위해 충전기 또는 충전시스템(180)으로 보내는 충전공정을 거지게 된다. The high purity carbon monoxide (CO) produced through the
상술한 방법에 의해 제조된 일산화탄소(CO) 가스는 불순물이 적고, 황산 등 강산을 사용하지 않기 때문에 오랫동안 촉매를 사용할 수 있으며 폐황산이 발생하지 않는 친환경 프로세스라는 장점을 가진다.The carbon monoxide (CO) gas produced by the above-described method has a few impurities and does not use a strong acid such as sulfuric acid, so that it can be used for a long time and has an advantage of being an environmentally friendly process in which no sulfuric acid is generated.
<실시예 2>≪ Example 2 >
분해용 촉매 : SAPO-34(CHA, 8 MR)Catalyst for decomposition: SAPO-34 (CHA, 8 MR)
활성제어 Pd촉매 : 0.1wt%의 Cl, 0.5wt% Pd/Al2O3 촉매Active control Pd catalyst: 0.1 wt% Cl, 0.5 wt% Pd / Al 2 O 3 catalyst
제1분해반응기(120) 및 제2분해반응기(220)에 사용되는 분해용 촉매로 SAPO-34(CHA, 8 MR) 촉매를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 조건이 동일하게 공정을 진행하였다. 실시예 2에 따라 제조된 고순도 일산화탄소(CO) 가스는 가스 불순물과 금속불순물 분석을 하였으며 정제과정을 거쳐 99.9% ~ 99.99995% 순도로 제조하였다.The same procedure as in Example 1 was carried out except that SAPO-34 (CHA, 8 MR) catalyst was used as a decomposition catalyst used in the
<실시예 3>≪ Example 3 >
분해용 촉매 : H-CHA(CHA, 8 MR) Catalyst for decomposition: H-CHA (CHA, 8 MR)
활성제어 Pd촉매 : 0.1wt%의 Cl, 0.5wt% Pd/Al2O3 촉매Active control Pd catalyst: 0.1 wt% Cl, 0.5 wt% Pd / Al 2 O 3 catalyst
제1분해반응기(120) 및 제2분해반응기(220)에 사용되는 분해용 촉매로 H-CHA(CHA, 8 MR)촉매를 사용한 점을 제외하고는 실시예 1과 조건이 동일하게 공정을 진행하였다. 실시예 3에 예에 따라 제조된 고순도 CO 가스는 가스 불순물과 금속불순물 분석을 하였으며 정제과정을 거쳐 99.9% ~ 99.99995% 순도로 제조하였다. The same procedure as in Example 1 was carried out except that H-CHA (CHA, 8 MR) catalyst was used as the decomposition catalyst used in the
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 황산, 질산, 염산 등의 강산을 사용하지 않아 친환경적이면서도, 고가의 반응기나 배관 등이 필요하지 않고 촉매교체 주기를 길게 할 수 있어 생산비용이 저렴하고 고순도의 일산화탄소를 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한 리사이클 공정을 통하여 전환율을 높이는 방법으로 이중으로 프로세스(recycle process)를 구성하여 촉매 교체의 경우에도 유리하고 촉매의 수명도 길게 할 수 있어 효율성이 향상된다. 그리고 기상불순물이나 금속불순물 수준이 낮아 반도체 공정이나 기타 정밀한 산업 공정에 사용될 수 있는 고순도 일산화탄소의 제조가 가능하다. As described above, according to the present invention, since a strong acid such as sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid is not used, an eco-friendly, expensive reactor or piping is not required and the catalyst replacement period can be lengthened, There is an advantage that carbon monoxide can be produced. In addition, a recycle process is formed by recycling process to increase the conversion rate, which is advantageous in the case of replacing the catalyst and the lifetime of the catalyst can be extended, thereby improving the efficiency. The low levels of gaseous impurities and metal impurities make it possible to produce high purity carbon monoxide that can be used in semiconductor processes and other precision industrial processes.
상기한 실시예의 설명은 본 발명의 더욱 철저한 이해를 위하여 도면을 참조로 예를 든 것에 불과하므로, 본 발명을 한정하는 의미로 해석되어서는 안될 것이다. 또한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기본적 원리를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화와 변경이 가능함은 명백하다 할 것이다. The foregoing description of the embodiments is merely illustrative of the present invention with reference to the drawings for a more thorough understanding of the present invention, and thus should not be construed as limiting the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications may be made without departing from the basic principles of the present invention.
110 : 제1기화기 120 : 제1분해반응기
130 : 제1응축기 140 : 제1촉매반응기
150 : 제1흡착모듈
210 : 제2기화기 220 : 제2분해반응기
230 : 제2응축기 240 : 제2촉매반응기
250 : 제2흡착모듈 110: first vaporizer 120: first decomposition reactor
130: first condenser 140: first catalytic reactor
150: first adsorption module
210: Second vaporizer 220: Second decomposition reactor
230: second condenser 240: second catalytic reactor
250: second adsorption module
Claims (18)
원료로 공급되는 액체상태의 원료 개미산(HCOOH)을 기화시켜 제1원료가스로 공급하는 제1기화기와;
분해용 촉매로 제올라이트 촉매가 채워진 구조를 가지며, 상기 분해용 촉매를 이용하여 상기 제1기화기에서 공급되는 상기 제1원료가스를 분해 반응시켜 일산화탄소 혼합가스, 수증기 및 미반응 개미산 혼합형태의 제1반응가스를 생성하는 제1분해반응기와;
상기 제1반응가스를 냉각시켜 상기 제1반응가스에서 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH)의 응축물을 분리하는 제1응축기와;
상기 제1응축기를 통과한 제1반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제1촉매반응기와;
상기 제1촉매반응기를 통해 수소가스가 제거된 상기 제1반응가스에서 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스상의 불순물을 제거하고 일산화탄소를 분리하는 제1흡착모듈과;
상기 제1응축기에서 분리되는 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH)의 응축물을 상기 제1응축기로부터 공급받아 기화시켜 제2원료가스로 공급하는 제2기화기와;
분해용 촉매로 제올라이트 촉매가 채워진 구조를 가지며, 상기 분해용 촉매를 이용하여 상기 제2기화기에서 공급되는 상기 제2원료가스를 분해반응시켜 일산화탄소 혼합가스 및 수증기 혼합형태의 제2반응가스를 생성하는 제2분해반응기와;
상기 제2반응가스를 냉각시켜 상기 제2반응가스에서 응축수를 분리하는 제2응축기와;
상기 제2응축기를 통과한 제2반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제2촉매반응기와;
상기 제2촉매반응기를 통해 수소가스가 제거된 상기 제2반응가스에서 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스상의 불순물을 제거하고 일산화탄소를 분리하는 제2흡착모듈을 구비함을 특징으로 하는 일산화탄소 제조장치.A carbon monoxide (CO) production apparatus comprising:
A first vaporizer for vaporizing raw formic acid (HCOOH) in a liquid state to be supplied as a raw material and supplying it as a first source gas;
Wherein the decomposition catalyst is used to decompose the first raw material gas supplied from the first vaporizer to produce a first reaction in the form of a carbon monoxide mixture gas, steam, and unreacted formic acid mixture A first decomposition reactor for generating a gas;
A first condenser for cooling the first reaction gas to separate condensate of condensed water and unreacted formic acid (HCOOH) from the first reaction gas;
A first catalytic reactor for reacting the first reaction gas passing through the first condenser under an active control Pd catalyst to remove hydrogen gas (H 2 );
The gaseous impurities including carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and unreacted formic acid (HCOOH) are removed from the first reaction gas from which hydrogen gas has been removed through the first catalytic reactor by using an adsorbent A first adsorption module for separating carbon monoxide;
A second vaporizer for supplying condensed water separated from the first condenser and condensed unreacted formic acid (HCOOH) from the first condenser and vaporizing the condensed water to supply the second raw material gas;
And a decomposition catalyst for decomposing the second source gas supplied from the second vaporizer using the catalyst for decomposition to generate a carbon monoxide mixed gas and a second reaction gas in the form of a steam mixture A second decomposition reactor;
A second condenser for cooling the second reaction gas to separate the condensed water from the second reaction gas;
A second catalytic reactor for reacting the second reaction gas passing through the second condenser under an active control Pd catalyst to remove hydrogen gas (H 2 );
The gaseous impurities including carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and unreacted formic acid (HCOOH) are removed from the second reaction gas from which the hydrogen gas has been removed through the second catalytic reactor by using an adsorbent And a second adsorption module for separating carbon monoxide from the carbon monoxide.
상기 제올라이트 촉매는 산점(acid site)이 있는 형태로 8~10-membered ring 의 기공을 가지며, Si/Al 의 분자수 비가 2~150 임을 특징으로 하는 일산화탄소 제조장치.The method according to claim 1,
Wherein the zeolite catalyst has a pore of 8 to 10-membered rings in the form of an acid site, and the molecular ratio of Si / Al is 2 to 150.
상기 제올라이트 촉매는, FER, CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, LEV, RHO, MFI 중에서 선택된 어느 하나의 구조유형을 가짐을 특징으로 하는 일산화탄소 제조장치.The method of claim 2,
Wherein the zeolite catalyst has any of the structural types selected from among FER, CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, LEV, RHO and MFI.
상기 분해용 촉매에는 황산, 질산, 염산을 포함하는 강산이 포함되지 않음을 특징으로 하는 일산화탄소 제조장치.The method of claim 3,
Wherein the decomposition catalyst contains no strong acid including sulfuric acid, nitric acid, and hydrochloric acid.
상기 제1분해반응기 또는 상기 제2분해반응기는,
반응온도 유지를 위한 히터와;
상기 제1원료가스 또는 상기 제2원료가스가 유입되는 입구에 설치되며, 상기 입구의 반대면은 폐쇄된 상태를 가지는 속이 빈 원통형 구조로, 원주면에 다수의 관통홀을 구비하여 입구로 유입된 상기 제1원료가스 또는 상기 제2원료가스를 반응기 내부로 분산시키기 위한 가스분배기와;
상기 분해용 촉매의 알갱이 사이즈 보다 작은 메쉬홀들을 가지는 메쉬구조로 구성되어 상기 분해용 촉매를 지지하는 촉매지지대를 반응기 내부에 구비함을 특징으로 하는 일산화탄소 제조장치. The method according to claim 1,
Wherein the first decomposition reactor or the second decomposition reactor comprises:
A heater for maintaining the reaction temperature;
The first raw material gas or the second raw material gas, and the opposite surface of the inlet is closed and has a hollow cylindrical structure and has a plurality of through holes in the circumferential surface thereof, A gas distributor for dispersing the first source gas or the second source gas into the reactor;
Wherein the catalyst supporting unit comprises a mesh structure having mesh holes smaller than the granule size of the decomposition catalyst, and the catalyst support supporting the decomposition catalyst is provided inside the reactor.
상기 활성제어 Pd촉매는 지지체 중량 대비 0.2~5.0 wt% 의 Pd 담지량을 가지는 Pd 촉매에 할로겐화합물 0.05~5.0wt% 을 흡착 또는 반응시켜 활성을 제어하며, 상기 지지체는 알루미나, 실리카, 규소산화물, 마그네슘산화물, 세륨산화물, 탄소체 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 일산화탄소 제조장치.The method according to claim 1,
The active control Pd catalyst controls the activity by adsorbing or reacting 0.05 to 5.0 wt% of a halogen compound with a Pd catalyst having a Pd loading of 0.2 to 5.0 wt% based on the weight of the support, and the support is composed of alumina, silica, silicon oxide, magnesium An oxide, a cerium oxide, and a carbonaceous material.
상기 제1촉매반응기 또는 상기 제2촉매반응기는,
반응온도 유지를 위한 히터와;
상기 제1반응가스 또는 상기 제2반응가스가 유입되는 입구에 설치되며, 상기 입구의 반대면은 폐쇄된 상태를 가지는 속이 빈 원통형 구조로, 원주면에 다수의 관통홀을 구비하여 입구로 유입된 상기 제1반응가스 또는 상기 제2반응가스를 상기 반응기의 내부로 분산시키기 위한 가스분배기와;
상기 반응기 내부에 구비되며 상기 활성제어 Pd촉매의 알갱이 사이즈 보다 작은 메쉬홀들을 가지는 메쉬구조로 구성되어 상기 활성제어 Pd촉매를 지지하는 촉매지지대를 구비함을 특징으로 하는 일산화탄소 제조장치. The method according to claim 1,
Wherein the first catalytic reactor or the second catalytic reactor comprises:
A heater for maintaining the reaction temperature;
The first reaction gas or the second reaction gas, and the opposite surface of the inlet is closed, and the plurality of through holes are formed in the circumferential surface of the hollow cylindrical structure, A gas distributor for dispersing the first reaction gas or the second reaction gas into the reactor;
And a catalyst support for supporting the active control Pd catalyst, the catalyst support being disposed in the reactor and having a mesh structure having mesh holes smaller than the particle size of the active control Pd catalyst.
상기 흡착제는, 실리카, 알루미나, Molecular Sieve 5A, Molecular Sieve 13X 중에서 선택된 적어도 어느 하나임을 특징으로 하는 일산화탄소 제조장치.The method according to claim 1,
Wherein the adsorbent is at least one selected from silica, alumina, Molecular Sieve 5A, and Molecular Sieve 13X.
상기 제1흡착모듈 및 상기 제2흡착모듈에서 분리된 일산화탄소를 압축하는 압축시스템과;
상기 압축시스템을 통해 압축된 일산화탄소를 저장하는 버퍼탱크와;
상기 버퍼탱크에 저장된 일산화탄소를 실린더에 충전하기 위한 충전시스템을 더 구비함을 특징으로 하는 일산화탄소 제조장치.The apparatus for producing carbon monoxide according to claim 1,
A compression system for compressing carbon monoxide separated from the first adsorption module and the second adsorption module;
A buffer tank for storing carbon monoxide compressed through the compression system;
Further comprising a charging system for charging carbon monoxide stored in the buffer tank into the cylinder.
원료로 공급되는 액체상태의 원료 개미산(HCOOH)을 기화시켜 제1원료가스로 공급하는 제1기화단계와;
분해용 촉매로 제올라이트 촉매를 이용하여 상기 제1원료가스를 분해반응시켜 일산화탄소 혼합가스, 수증기 및 미반응 개미산 혼합형태의 제1반응가스를 생성하는 제1분해반응단계와;
상기 제1반응가스를 냉각시켜 상기 제1반응가스에서 응축수 및 미반응 개미산(HCOOH)의 응축물을 분리하는 제1응축단계와;
상기 응축물이 분리된 제1반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제1촉매반응단계와;
상기 제1촉매반응단계를 통해 수소가스가 제거된 상기 제1반응가스에서, 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스 상의 불순물을 제거하여 일산화탄소를 분리하는 제1흡착단계를 구비함을 특징으로 하는 일산화탄소 제조방법.A method for producing carbon monoxide (CO) comprising:
A first vaporization step of vaporizing raw formic acid (HCOOH) in a liquid state supplied as a raw material and supplying it as a first source gas;
A first decomposition reaction step of decomposing and reacting the first source gas using a zeolite catalyst as a decomposition catalyst to produce a first reaction gas in the form of a carbon monoxide mixed gas, steam and unreacted formic acid mixture;
A first condensing step of cooling the first reaction gas to separate condensate of condensed water and unreacted formic acid (HCOOH) from the first reaction gas;
A first catalytic reaction step of reacting the first reaction gas in which the condensate is separated under an active control Pd catalyst to remove hydrogen gas (H 2 );
In the first reaction gas from which the hydrogen gas has been removed through the first catalytic reaction step, impurities of the gas phase including carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and unreacted formic acid (HCOOH) And separating the carbon monoxide from the carbon monoxide.
상기 제1응축단계의 상기 응축물은, 리사이클 공정에 투입되어 일산화탄소를 추가로 분리하되,
상기 리사이클 공정은,
상기 응축물을 기화시켜 제2원료가스로 공급하는 제2기화단계와;
분해용 촉매로 제올라이트 촉매를 이용하여 상기 제2원료가스를 분해반응시켜 일산화탄소 혼합가스 및 수증기 혼합형태의 제2반응가스를 생성하는 제2분해반응단계와;
상기 제2반응가스를 냉각시켜 상기 제2반응가스에서 응축수를 분리하는 제2응축단계와;
응축수가 분리된 제2반응가스를 활성제어 Pd촉매 하에서 촉매반응시켜 수소가스(H2)를 제거하는 제2촉매반응단계와;
수소가스가 제거된 상기 제2반응가스에서 흡착제를 이용하여 이산화탄소(CO2), 수증기(H2O) 및 미반응 개미산(HCOOH)을 포함하는 가스 상의 불순물을 제거하고 일산화탄소를 분리하는 제2흡착단계를 구비함을 특징으로 하는 일산화탄소 제조방법.The method of claim 10,
The condensate in the first condensation step is introduced into the recycling process to further separate carbon monoxide,
In the recycling step,
A second vaporization step of vaporizing the condensate and supplying it as a second source gas;
A second decomposition reaction step of decomposing and reacting the second source gas using a zeolite catalyst as a decomposition catalyst to produce a carbon monoxide mixed gas and a second reaction gas in the form of steam vapor;
A second condensing step of cooling the second reaction gas to separate condensed water from the second reaction gas;
A second catalytic reaction step of catalytically reacting a second reaction gas in which condensed water is separated under an active control Pd catalyst to remove hydrogen gas (H 2 );
Removing a gas phase impurity including carbon dioxide (CO 2 ), water vapor (H 2 O) and unreacted formic acid (HCOOH) using the adsorbent in the second reaction gas from which hydrogen gas has been removed, Wherein the carbon monoxide production step comprises the steps of:
상기 제올라이트 촉매는 산점(acid site)이 있는 형태로 8~10-membered ring 의 기공을 가지며, Si/Al 의 분자수 비가 2~150 이고, FER, CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, LEV, RHO, MFI 중에서 선택된 어느 하나의 구조유형을 가짐을 특징으로 하는 일산화탄소 제조방법.The method of claim 11,
CHA, MWW, HEU, STI, AFX, DDR, and LEV (having a molecular weight ratio of 2 to 150) having a pore of 8 to 10-membered rings in the form of an acid site. , RHO, and MFI. ≪ / RTI >
상기 제1기화단계 또는 상기 제2기화단계에서 상기 개미산(HCOOH) 또는 상기 응축물의 기화온도는 105~150℃이고, 상기 제1분해반응단계 또는 상기 제2분해반응단계에서의 반응온도는 130~200℃이고, 상기 제1촉매반응단계 또는 상기 제2촉매반응단계에서의 반응온도는 100~150℃임을 특징으로 하는 일산화탄소 제조방법.The method of claim 11,
In the first vaporization step or the second vaporization step, the vaporization temperature of the formic acid (HCOOH) or the condensate is 105 to 150 ° C., and the reaction temperature in the first decomposition reaction step or the second decomposition reaction step is 130 to 150 ° C., 200 ° C, and the reaction temperature in the first catalytic reaction step or the second catalytic reaction step is 100-150 ° C.
상기 제1분해반응단계 또는 상기 제2분해반응단계에서, 공정압력은 0~5bar(0을 포함하지 않음) 임을 특징으로 하는 일산화탄소 제조방법.14. The method of claim 13,
Wherein in the first decomposition reaction step or the second decomposition reaction step, the process pressure is 0 to 5 bar (not including 0).
상기 제1분해반응단계 또는 상기 제2분해반응단계에서, 상기 제1원료가스 또는 상기 제2원료가스의 상기 분해용 촉매와의 접촉시간은 5~70초임을 특징으로 하는 일산화탄소 제조방법.15. The method of claim 14,
Wherein the contact time of the first source gas or the second source gas with the decomposition catalyst in the first decomposition reaction step or the second decomposition reaction step is 5 to 70 seconds.
상기 활성제어 Pd촉매는 지지체 중량 대비 0.2~5.0 wt% 의 Pd 담지량을 가지는 Pd 촉매에 할로겐화합물 0.05~5.0wt% 을 흡착 또는 반응시켜 활성을 제어하며, 상기 지지체는 알루미나, 실리카, 규소산화물, 마그네슘산화물, 세륨산화물, 탄소체 중에서 선택된 적어도 어느 하나로 구성됨을 특징으로 하는 일산화탄소 제조방법.The method of claim 11,
The active control Pd catalyst controls the activity by adsorbing or reacting 0.05 to 5.0 wt% of a halogen compound with a Pd catalyst having a Pd loading of 0.2 to 5.0 wt% based on the weight of the support, and the support is composed of alumina, silica, silicon oxide, magnesium An oxide, a cerium oxide, and a carbonaceous material.
상기 흡착제는, 실리카, 알루미나, Molecular Sieve 5A, Molecular Sieve 13X 중에서 선택된 적어도 어느 하나임을 특징으로 하는 일산화탄소 제조방법.The method of claim 11,
Wherein the adsorbent is at least one selected from silica, alumina, Molecular Sieve 5A, and Molecular Sieve 13X.
상기 제1흡착단계 및 상기 제2흡착단계에서 분리된 일산화탄소를 압축하는 압축단계와;
상기 압축단계를 통해 압축된 일산화탄소를 버퍼탱크에 저장하는 저장단계와;
상기 버퍼탱크에 저장된 일산화탄소를 실린더에 충전하는 충전단계를 더 구비함을 특징으로 하는 일산화탄소 제조방법.The method according to claim 11,
A compression step of compressing the carbon monoxide separated in the first adsorption step and the second adsorption step;
A storage step of storing carbon monoxide compressed through the compression step in a buffer tank;
And filling the cylinder with carbon monoxide stored in the buffer tank.
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