KR101926055B1 - Fast heat control reactor using plasma - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 메탄을 아세틸렌 및 다른 화학 물질들로 전환하며, 고효율 및 대형화를 구현하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기를 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기는, 방전 가스 및 1차 반응물로 고온의 플라즈마를 생성하는 고온 발생부, 상기 고온 발생부에 각각 연결되는 복수의 토출 유로, 상기 고온 발생부 및 상기 토출 유로 중 일측에 연결되어 고온의 플라즈마에 2차 반응물을 공급하는 2차 반응물 공급부, 및 상기 토출 유로의 외곽에 각각 배치되어 상기 토출 유로의 내부를 냉각시켜서 2차 반응물에서 화학 물질로 전환시키는 냉각부를 포함한다.One embodiment of the present invention is to provide a high speed thermal control reactor using plasma that converts methane to acetylene and other chemicals and realizes high efficiency and large size. A high-speed thermal control reactor using a plasma according to an embodiment of the present invention includes a high-temperature generator for generating a high-temperature plasma by a discharge gas and a first reactant, a plurality of discharge channels connected to the high- And a second reactant supply part connected to one side of the discharge flow path to supply a second reactant to the high temperature plasma, and a second reactant supply part connected to the outside of the discharge flow path, And a cooling unit for switching the temperature.

Description

플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기 {FAST HEAT CONTROL REACTOR USING PLASMA}FIELD OF THE INVENTION [0001] The present invention relates to a high-

본 발명은 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 급격한 온도 상승 및 급격한 냉각이 필요한 화학 및 화학 반응에 적용되는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a high-speed thermal control reactor using plasma, and more particularly, to a high-speed thermal control reactor using plasma, which is applied to chemical and chemical reactions requiring rapid temperature rise and rapid cooling.

화학 물질의 생산은 석유를 기반으로 하기 때문에 석유 가격에 큰 영향을 받아왔다. 그러나 최근에는 천연가스 및 셰일가스의 생산량이 증가되어, 가스의 주 성분인 메탄을 이용한 화학 물질의 생산에 대하여 연구가 진행되고 있다. 그리고 생산의 경제성 향상에 관련되는 기술 연구가 활발히 진행되고 있다.Since the production of chemicals is based on oil, it has been heavily influenced by oil prices. In recent years, however, production of natural gas and shale gas has been increased, and research on the production of chemical materials using methane, which is a main component of gas, has been conducted. In addition, technological researches related to improvement of economical efficiency of production are actively being carried out.

플라즈마를 이용한 메탄 전환 반응은 약 50년 전부터 연구되었다. 그러나 플라즈마 이용에 따른 높은 에너지 비용으로 인하여, 지속적인 연구가 수행되지 못했다. 그러나 최근에는 플라즈마의 에너지를 효율적으로 활용할 수 있는 기술이 개발되고, 셰일가스 등 새로운 메탄 공급원이 발생되었다. 따라서 메탄을 다른 화학물질로 전환하는 기술의 관심이 증가되고 있다.The methane conversion reaction using plasma has been studied for about 50 years. However, due to the high energy costs associated with plasma use, no ongoing research has been conducted. In recent years, however, technologies have been developed to efficiently utilize the energy of plasma, and new sources of methane such as shale gas have been generated. Therefore, there is increasing interest in the technology of converting methane to other chemicals.

예를 들면, 메탄을 아세틸렌이나 다른 탄화수소계 화학 물질로 전환하려면, 메탄을 고온 조건에 노출시킨 후 급격히 냉각시키는 화학 반응 온도를 제어해야 한다. 이와 같이 화학 반응 온도를 제어함으로써 메탄은 아세틸렌과 같은 물질로 전환된다.For example, to convert methane to acetylene or other hydrocarbon-based chemicals, the temperature of the chemical reaction, which causes the methane to cool rapidly after exposure to high temperature conditions, must be controlled. By controlling the chemical reaction temperature in this manner, methane is converted to a material such as acetylene.

그러나 메탄이 고온에서 장시간 노출될 경우, 카본으로 전환된다. 그리고 고온에서 단시간 노출될 경우, 메탄에서 다른 화학 물질로의 전환율이 매우 낮아진다. 이러한 열 제어를 위하여 다양한 연구가 수행되었다.However, when methane is exposed to high temperatures for a long time, it is converted to carbon. When exposed at high temperatures for a short time, the conversion rate of methane to other chemicals is very low. Various studies have been carried out for this thermal control.

메탄을 고부가 가치의 화합물로 전환하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있으며, 플라즈마를 이용하여 메탄을 아세틸렌으로 전환하기 위한 기술이 오랫동안 연구되어 왔다.Various studies have been conducted to convert methane into high value-added compounds, and techniques for converting methane to acetylene using plasma have been studied for a long time.

즉 고온 플라즈마 챔버와 자연 냉각 방식의 구조물을 이용한 반응기 구성으로 연구가 진행되어 왔으나, 에너지 효율 및 대형화에 어려움을 가지고 있어서 상용화에 이르지 못하고 있다.That is, research has been conducted on a reactor configuration using a high-temperature plasma chamber and a natural cooling type structure, but it has not been commercialized due to difficulties in energy efficiency and large size.

메탄을 아세틸렌으로 전환하기 위한 기존의 플라즈마 반응기는 고온의 플라즈마 챔버와 자연 냉각 방식의 구조물로 이루어진다. 즉 플라즈마 반응기는 단일 플라즈마 챔버에 단일 냉각 구조물로 이루어지므로 대형화에 어려운 점을 가지고 있다. 또한 메탄의 처리 유량이 증가하면, 반응물의 열용량 증가에 따라 자연 냉각 방식이나 단일 냉각 구조물에서 한계점이 드러났다.Conventional plasma reactors for the conversion of methane to acetylene consist of a high temperature plasma chamber and a natural cooling system. That is, the plasma reactor has a single cooling structure in a single plasma chamber, which is difficult to increase in size. In addition, as methane treatment flow increased, the limits of natural cooling system and single cooling structure were revealed with increasing heat capacity of reactants.

미국특허 제5,749,937호는 고속 냉각 반응기 및 방법을 개시하고 있다.U.S. Patent No. 5,749,937 discloses a fast cooling reactor and method.

본 발명의 일 실시예는 메탄을 아세틸렌 및 다른 화학 물질들로 전환하며, 고효율 및 대형화를 구현하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기를 제공하는 것이다.One embodiment of the present invention is to provide a high speed thermal control reactor using plasma that converts methane to acetylene and other chemicals and realizes high efficiency and large size.

본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기는, 방전 가스 및 1차 반응물로 고온의 플라즈마를 생성하는 고온 발생부, 상기 고온 발생부에 각각 연결되는 복수의 토출 유로, 상기 고온 발생부 및 상기 토출 유로 중 일측에 연결되어 고온의 플라즈마에 2차 반응물을 공급하는 2차 반응물 공급부, 및 상기 토출 유로의 외곽에 각각 배치되어 상기 토출 유로의 내부를 냉각시켜서 2차 반응물에서 화학 물질로 전환시키는 냉각부를 포함한다.A high-speed thermal control reactor using a plasma according to an embodiment of the present invention includes a high-temperature generator for generating a high-temperature plasma by a discharge gas and a first reactant, a plurality of discharge channels connected to the high- And a second reactant supply part connected to one side of the discharge flow path to supply a second reactant to the high temperature plasma, and a second reactant supply part connected to the outside of the discharge flow path, And a cooling unit for switching the temperature.

상기 2차 반응물 공급부는 복수의 토출 유로에 각각 연결되어 2차 반응물을 공급할 수 있다.The secondary reactant supply unit may be connected to each of the plurality of discharge ducts to supply the secondary reactant.

복수의 토출 유로는 제어밸브를 개재하여 상기 고온 발생부에 각각 연결될 수 있다.The plurality of discharge flow paths may be respectively connected to the high temperature generating portion via the control valve.

상기 2차 반응물 공급부는 상기 제어밸브의 후방에서 복수의 토출 유로에 각각 연결되어 2차 반응물을 공급할 수 있다.The secondary reactant supply unit may be connected to the plurality of discharge passages at the rear of the control valve to supply the secondary reactant.

상기 2차 반응물 공급부는 상기 제어밸브의 전방에서 복수의 토출 유로 전체에 대응하여 연결되어 2차 반응물을 공급할 수 있다.The second reactant supply unit may be connected to the entirety of the plurality of discharge channels in front of the control valve to supply the second reactant.

상기 2차 반응물 공급부는 복수의 토출 유로 전체에 대응하여 상기 고온 발생부의 일측을 구획하여 상기 고온 발생부에 공간적으로 연통되는 연통구를 가지는 격벽, 및 상기 격벽으로 구획된 상기 토출 유로 측에 연결되는 2차 반응물 공급구를 포함할 수 있다.Wherein the secondary reactant supply portion includes: a partition wall having a communication port dividing one side of the high-temperature generation portion to spatially communicate with the high-temperature generation portion corresponding to the entirety of the plurality of discharge channels; And a second reactant feed port.

상기 2차 반응물 공급부는 상기 2차 반응물로 메탄을 공급하고, 상기 토출 유로는 전환된 상기 화학 물질인 에틸렌 또는 아세틸렌를 토출할 수 있다.The secondary reactant supply part supplies methane to the secondary reactant, and the discharge passage can discharge ethylene or acetylene, which is the converted chemical substance.

상기 고온 발생부는 일측에 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전 가스와 1차 반응물을 유입하고 좁아지는 목부를 형성하는 하우징, 및 상기 하우징 내에 절연 장착되고 구동 전압이 인가되는 전극을 포함하며, 상기 하우징은 상기 목부에 연결되어 확장된 공간을 형성하고 전기적으로 접지되어 상기 전극에 연결되는 회전 아크를 길게 유도하여, 상기 토출 유로에 연결되는 확장부를 더 포함할 수 있다.Wherein the high-temperature generating unit includes a housing having a first inlet and a second inlet at one side to form a throat that receives the discharge gas and the first reactant and narrows the tube, and an electrode insulated in the housing and applied with a driving voltage, The housing may further include an extension portion connected to the neck portion to form an extended space, electrically connected to the neck portion to guide a long arc to the electrode, and connected to the discharge passage.

상기 고온 발생부는 중심에 길이 방향으로 배치되는 제1전극, 상기 제1전극의 외주에 방전갭을 형성하여 길이 방향으로 배치되고 상기 제1전극과의 사이에 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전 가스와 1차 반응물을 유입하는 제2전극, 및 원통으로 형성되어 상기 제2전극을 수용하고, 상기 토출 유로에 연결되는 하우징을 포함하고, 상기 제1전극과 상기 제2전극은 내부에 냉각수를 순환시키는 냉각수 통로를 더 구비할 수 있다.The high-temperature generating unit may include a first electrode arranged in the longitudinal direction at the center, a discharge gap formed on the outer periphery of the first electrode, and a first inlet and a second inlet arranged in the longitudinal direction and between the first electrode and the first electrode, A second electrode for introducing a discharge gas and a first reactant, and a housing formed as a cylinder and receiving the second electrode, the housing being connected to the discharge passage, wherein the first electrode and the second electrode are connected to a cooling water And a cooling water passage for circulating the cooling water.

상기 고온 발생부는 원통으로 형성되고 구동 전압이 인가되며, 제1유입구를 구비하여 1차 반응물을 유입하는 전극, 및 상기 전극에 절연 상태로 연결되고 전기적으로 접지되어 방전갭을 형성하며 상기 방전갭 측에 제2유입구를 구비하여 방전 가스를 유입하는 하우징을 포함하며, 상기 하우징은 상기 전극의 반대측에서 확장된 공간을 형성하여, 상기 토출 유로에 연결되는 확장부를 더 포함할 수 있다.The high-temperature generating unit may include an electrode formed in a cylindrical shape and applied with a driving voltage, the electrode having a first inlet to introduce the first reactant, and an electrode connected to the electrode in an insulated state and electrically grounded to form a discharge gap, The housing may further include an extension connected to the discharge passage so as to form an extended space on the opposite side of the electrode.

상기 고온 발생부는 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 소스, 및 상기 마이크로웨이브 소스에 윈도우로 연결되어 전달되는 마이크로웨이브를 안내하며, 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전 가스와 1차 반응물을 유입하는 웨이브 가이드를 포함하며, 상기 웨이브 가이드는 상기 토출 유로에 연결될 수 있다.The microwave source is connected to the microwave source through a window. The microwave source includes a first inlet and a second inlet. The first inlet and the second inlet are connected to the microwave source, And a wave guide for introducing the reactant, and the wave guide may be connected to the discharge passage.

상기 냉각부는 상기 토출 유로의 외면에 구비되는 냉각 재킷, 상기 냉각 재킷의 일측에 연결되어 저온의 냉각수를 유입하는 유입구, 및 상기 냉각 재킷의 다른 일측에 연결되어 순환 후 가열된 고온의 냉각수를 유출하는 유출구를 포함할 수 있다.The cooling unit includes a cooling jacket provided on an outer surface of the discharge passage, an inlet connected to one side of the cooling jacket for introducing low-temperature cooling water, and an outlet connected to the other side of the cooling jacket, Outlet.

상기 냉각부는 상기 토출 유로의 외면에 구비되는 냉각 핀들로 형성될 수 있다.The cooling unit may be formed of cooling fins provided on the outer surface of the discharge passage.

본 발명의 일 실시예는, 고온의 플라즈마를 발생시키는 고온 발생부에 복수의 토출 유로를 연결하고, 복수의 토출 유로에 냉각부를 각각 구비하여, 고온 플라즈마로 2차 반응물(예, 메탄)을 화학 물질(에틸렌, 아세틸렌)로 전환하는 처리 유량을 증대시킬 수 있다.In an embodiment of the present invention, a plurality of discharge channels are connected to a high-temperature generating unit for generating a high-temperature plasma, a plurality of cooling channels are provided in a plurality of discharge channels, and a secondary reactant (e.g., methane) It is possible to increase the treatment flow rate for conversion to the substance (ethylene, acetylene).

본 발명의 일 실시예는 고온 발생부를 하나의 챔버로 형성하여 고온 발생부를 집중시키고, 토출 유로를 복수로 형성하여 각각에 냉각부를 구비하여 냉각부를 분산시킴으로써, 전체적으로 열효율을 향상시키고, 대형화를 구현할 수 있다.In one embodiment of the present invention, the high-temperature generating portion is formed as one chamber, the high-temperature generating portion is concentrated, the plurality of discharge channels are formed, and the cooling portion is provided in each of the chambers. have.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기의 구성도이다.
도 3는 도 1 및 도 2의 고온 발생부에 적용되는 일례의 고온 발생부의 단면도이다.
도 4는 도 1 및 도 2의 고온 발생부에 적용되는 다른 예의 고온 발생부의 단면도이다.
도 5는 도 1 및 도 2의 고온 발생부에 적용되는 다른 예의 고온 발생부의 단면도이다.
도 6은 도 1 및 도 2의 고온 발생부에 적용되는 다른 예의 고온 발생부의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제1 및 제2의 냉각부에 적용되는 일례의 냉각부의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제1 및 제2의 냉각부에 적용되는 다른 예의 냉각부의 단면도이다.
도 9는 메탄이 고온 플라즈마에 노출되는 시간과 냉각 시점에 따라 다른 화학 물질로 전환되어 토출 유로로 토출되는 관계를 도시한 구성도이다.1 is a configuration diagram of a high-speed thermal control reactor using plasma according to a first embodiment of the present invention.
2 is a configuration diagram of a high-speed thermal control reactor using plasma according to a second embodiment of the present invention.
3 is a cross-sectional view of an example of the high-temperature generating portion applied to the high-temperature generating portion of Figs. 1 and 2. Fig.
4 is a cross-sectional view of a high-temperature generating portion of another example applied to the high-temperature generating portion of Figs. 1 and 2. Fig.
5 is a cross-sectional view of a high-temperature generating portion of another example applied to the high-temperature generating portion of Figs. 1 and 2. Fig.
FIG. 6 is a cross-sectional view of a high temperature generating portion of another example applied to the high temperature generating portion of FIGS. 1 and 2. FIG.
7 is a cross-sectional view of an example cooling section applied to the first and second cooling sections of the present invention.
8 is a cross-sectional view of a cooling section of another example applied to the first and second cooling sections of the present invention.
FIG. 9 is a view showing a relationship in which methane is converted into another chemical substance according to the time of exposure to the high-temperature plasma and the cooling time point, and is discharged into the discharge channel.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention, parts not related to the description are omitted, and the same or similar components are denoted by the same reference numerals throughout the specification.

도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기의 구성도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예의 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기(1)는 고온 발생부(10), 복수의 토출 유로(20), 2차 반응물 공급부(30) 및 냉각부(40)를 포함한다.1 is a configuration diagram of a high-speed thermal control reactor using plasma according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the plasma-assisted rapid thermal control reactor 1 of the first embodiment includes a high-temperature generator 10, a plurality of discharge channels 20, a secondary reactant supply unit 30, and a cooling unit 40 .

고온 발생부(10)는 방전 가스 및 1차 반응물(예를 들면, 불활성가스인 아르곤 및 수소)로 아크를 생성하여 고온의 플라즈마(P)를 생성하도록 구성된다. 복수의 토출 유로(20)는 고온 발생부(10)에 각각 연결됨에 따라 고온 발생부(10)에서 발생된 고온의 플라즈마(P)를 복수의 토출 유로(20)를 통하여 토출할 수 있다.The high temperature generating portion 10 is configured to generate an arc with a discharge gas and a primary reactant (for example, argon and hydrogen, which are inert gases) to generate a high temperature plasma (P). The plurality of discharge paths 20 are connected to the high temperature generating part 10 so that the high temperature plasma P generated by the high temperature generating part 10 can be discharged through the plurality of discharge paths 20. [

도시된 바와 같이, 복수의 토출 유로(20)는 고온 발생부(10)에 각각 연결되고, 제어밸브(50)를 각각 구비할 수 있다. 이 경우, 제어밸브(50)의 작동에 따라 고온 발생부(10)에서 발생된 고온의 플라즈마(P)를 복수의 토출 유로(20)를 통하여 선택적으로 토출할 수 있다.As shown in the figure, the plurality of discharge passages 20 may be respectively connected to the high temperature generating portion 10 and may include the control valves 50, respectively. In this case, the high-temperature plasma P generated in the high-temperature generating portion 10 can be selectively discharged through the plurality of discharge paths 20 according to the operation of the control valve 50.

2차 반응물 공급부(30)는 고온 발생부(10) 및 토출 유로(20) 중 일측에 연결되어 고온의 플라즈마(P)에 2차 반응물(예를 들면, 메탄)을 공급한다. 냉각부(40)는 2차 반응물(30)에서 전환된 화학 물질(예를 들면, 에틸렌 및 아세틸렌)을 토출 유로(20)로 토출시키도록 토출 유로(20)의 외곽에 각각 배치되어 토출 유로(20)의 내부를 냉각시킨다.The secondary reactant supply part 30 is connected to one side of the high temperature generating part 10 and the discharge flow path 20 to supply a secondary reactant (for example, methane) to the high temperature plasma P. The cooling section 40 is disposed on the outer periphery of the discharge passage 20 so as to discharge the chemicals (for example, ethylene and acetylene) converted from the secondary reactant 30 into the discharge passage 20, 20 are cooled.

고온 발생부(10)는 고전압 전극과 접지 전극 사이에서 아크를 발생시켜서 고온 플라즈마(P)를 발생시킨다. 고온 플라즈마(P)는 회전 아크, 글라이딩 아크, 및 아크 토치에 의하여 발생될 수 있다. 고온 발생부(10)는 공급되는 방전 가스 및 1차 반응물에 방전 아크를 가하여 고온의 플라즈마(P)를 발생시킨다.The high-temperature generating unit 10 generates an arc between the high-voltage electrode and the ground electrode to generate the high-temperature plasma P. The high temperature plasma (P) can be generated by a rotating arc, a gliding arc, and an arc torch. The high-temperature generating unit 10 generates a high-temperature plasma P by applying a discharge arc to the supplied discharge gas and the first reactant.

복수의 토출 유로(20)는 고온 발생부(10)의 반응 챔버의 후단에서 복수의 토출구로 나뉘어져 고온 플라즈마(P)를 토출한다. 복수의 제어밸브(50) 중 선택된 제어밸브가 개방됨에 따라 복수의 토출 유로(20) 중 선택된 토출 유로로 고온의 플라즈마(P)가 토출된다.The plurality of discharge passages 20 are divided into a plurality of discharge ports at the rear end of the reaction chamber of the high temperature generating portion 10 to discharge the high temperature plasma P. As the selected control valve among the plurality of control valves 50 is opened, the high-temperature plasma P is discharged through the selected discharge flow path among the plurality of discharge flow paths 20.

2차 반응물 공급부(30)는 제어밸브(50)가 개방된 토출 유로(20)에 2차 반응물을 공급한다. 2차 반응물 공급부(30)로 공급되는 2차 반응물은 고온의 플라즈마(P) 가스와 열교환 되면서, 온도가 급상승한다.The second reactant supply portion 30 supplies the second reactant to the discharge flow passage 20 in which the control valve 50 is opened. The secondary reactant supplied to the secondary reactant supply part 30 is heat exchanged with the high temperature plasma (P) gas, and the temperature rises sharply.

냉각부(40)는 2차 반응물이 공급된 토출 유로(20)의 외곽에서 급속히 냉각 작용하여, 고온으로 급상승한 2차 반응물을 급속히 냉각시켜 화학 물질(예를 들면, 에틸렌, 아세틸렌)로 전환시킨다. 전환된 화학 물질은 토출 유로(20)로 토출된다.The cooling section 40 rapidly performs cooling action at the outer periphery of the discharge passage 20 to which the secondary reactant is supplied to rapidly cool the secondary reactant which rises to a high temperature to convert it into a chemical substance (for example, ethylene, acetylene) . The converted chemical substance is discharged to the discharge flow path (20).

이와 같이, 2차 반응물 공급부(30)로 공급되는 2차 반응물은 토출 유로(20)내의 고온 플라즈마(P)와 혼합되어 온도가 급상승하다가 토출 유로(20)를 경유하면서 급속히 냉각된다. 이때, 2차 반응물은 열적 분해 및 반응을 통해 화학적으로 전환된다.Thus, the secondary reactant supplied to the secondary reactant supply portion 30 is mixed with the high-temperature plasma P in the discharge flow passage 20, and rapidly cooled while passing through the discharge flow passage 20 rapidly. At this time, the secondary reactant is chemically converted through thermal decomposition and reaction.

2차 반응물이 화학적으로 전환되는 반응은 온도 및 냉각에 소요되는 시간으로 제어될 수 있다. 즉 고온 발생부(10)의 온도는 고전압 전극에 인가되는 전력을 통하여 제어될 수 있다. 냉각부(40)의 냉각은 복수 개로 분기되는 토출 유로(20)의 길이와 개수, 및 토출 유로(20) 주변의 추가 냉각수단(미도시)을 구비하여 제어될 수 있다.The reaction in which the second reactant is chemically converted can be controlled by the time required for the temperature and the cooling. That is, the temperature of the high temperature generating portion 10 can be controlled through the power applied to the high voltage electrode. The cooling of the cooling section 40 can be controlled by the length and the number of the discharge flow paths 20 branching to a plurality of and the additional cooling means (not shown) around the discharge flow path 20.

제1실시예에서 2차 반응물 공급부(30)는 제어밸브(50)의 후방에서 복수의 토출 유로(20)에 각각 연결된다. 2차 반응물 공급부(30)로 공급되는 2차 반응물은 복수의 토출 유로(20) 중 개방된 제어밸브(50)가 위치하는 토출 유로(20)로 공급된다.In the first embodiment, the secondary reactant supply part 30 is connected to the plurality of discharge flow paths 20 at the rear of the control valve 50, respectively. The secondary reactant supplied to the secondary reactant supply part 30 is supplied to the discharge flow path 20 in which the opened control valve 50 is located among the plurality of discharge flow paths 20.

따라서 토출 유로(20)는 고온 발생부(10)에서 생성된 고온의 플라즈마(P)를 토출시킨다. 공급되는 2차 반응물, 예를 들면, 메탄은 고온의 플라즈마(P)에 혼합 및 가열된 후, 냉각부(40)에 의하여 냉각되면서 화학적으로 에틸렌 또는 아세틸렌으로 전환된다.Therefore, the discharge passage 20 discharges the high-temperature plasma P generated by the high-temperature generating portion 10. The supplied secondary reactant, for example, methane, is mixed and heated to a high-temperature plasma (P), and is chemically converted to ethylene or acetylene while being cooled by the cooling section (40).

토출 유로(20)가 복수로 구비되고, 냉각부(40)가 토출 유로들(20)에 개별적으로 구비되므로 고속 열제어 반응기(1)의 전체적인 냉각 효율이 증대되고, 2차 반응물(예, 메탄)을 화학 물질(에틸렌, 아세틸렌)로 전환하는 처리 유량이 증대될 수 있다.Since the plurality of discharge passages 20 are provided and the cooling section 40 is provided individually in the discharge passages 20, the overall cooling efficiency of the high-speed thermal control reactor 1 is increased and the secondary reactant ) To chemicals (ethylene, acetylene) can be increased.

고온 발생부(10)가 하나의 챔버로 형성되므로 고온의 플라즈마(P)를 집중시킬 수 있고, 토출 유로(20) 및 냉각부(40)를 복수로 구비하므로 냉각 부담을 분산시킬 수 있다. 따라서 고속 열제어 반응기(1)의 전체적인 열효율이 향상되고, 처리 유량의 대형화가 구현될 수 있다.Since the high temperature generating part 10 is formed as one chamber, the high temperature plasma P can be concentrated and the cooling load can be dispersed because a plurality of the discharge flow paths 20 and the cooling part 40 are provided. Therefore, the overall thermal efficiency of the high-speed thermal control reactor 1 is improved, and the processing flow rate can be increased.

도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기의 구성도이다. 도 2를 참조하면, 제2실시예의 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기(2)에서 2차 반응물 공급부(230)는 제어밸브(50)의 전방에서 복수의 토출 유로(20) 전체에 대응하여 연결된다.2 is a configuration diagram of a high-speed thermal control reactor using plasma according to a second embodiment of the present invention. 2, in the plasma-assisted rapid thermal control reactor 2 of the second embodiment, the secondary reactant supply unit 230 is connected to the entire plurality of discharge passages 20 in front of the control valve 50 .

일례로써, 2차 반응물 공급부(230)는 격벽(231)과 2차 반응물 공급구(232)를 포함한다. 격벽(231)은 복수의 토출 유로(20) 전체에 대응하여 고온 발생부(210)의 일측을 구획하여 고온 발생부(210)에 공간적으로 연통되는 연통구(233)를 가진다. 고온 발생부(210)에서 생성된 고온의 플라즈마(P)는 연통구(233)를 통하여 토출 유로(20)로 토출된다.As an example, the secondary reactant supply portion 230 includes a partition wall 231 and a secondary reactant supply port 232. The partition 231 has a communication port 233 which divides one side of the high temperature generating part 210 and spatially communicates with the high temperature generating part 210 in correspondence with the entire plurality of the discharge paths 20. The high-temperature plasma P generated by the high-temperature generating portion 210 is discharged to the discharge passage 20 through the communication port 233.

2차 반응물 공급구(232)는 격벽(231)으로 구획된 토출 유로(20) 측에 연결된다. 따라서 2차 반응물 공급구(232)로 공급되는 2차 반응물은 고온 플라즈마(P)에 공급된다.The secondary reactant supply port 232 is connected to the side of the discharge passage 20 partitioned by the partition wall 231. Therefore, the secondary reactant supplied to the secondary reactant supply port 232 is supplied to the high-temperature plasma P.

2차 반응물 공급구(232)로 공급되는 2차 반응물은 토출 유로(20) 내의 고온 플라즈마(P)와 혼합되어 온도가 급상승하다가 토출 유로(20)를 경유하면서 급속히 냉각된다. 이때, 2차 반응물은 열적 분해 및 반응을 통해 화학적으로 전환된다.The second reactant supplied to the second reactant supply port 232 is mixed with the high temperature plasma P in the discharge flow path 20 and rapidly cooled while rapidly passing through the discharge flow path 20. At this time, the secondary reactant is chemically converted through thermal decomposition and reaction.

제1실시예의 2차 반응물 공급부(30)는 토출 유로들(20)에 개별적으로 2차 반응물을 공급하고, 제2실시예의 2차 반응물 공급부(230)는 토출 유로들(20)에 공통적으로 2차 반응물을 공급한다.The second reactant supply part 30 of the first embodiment separately supplies the second reactant to the discharge flow paths 20 and the second reactant supply part 230 of the second embodiment supplies the second reactant to the discharge flow paths 20 in common Provide tea reactants.

제1실시예의 개별 공급은 2차 반응물을 고온 플라즈마(P)에 노출시키는 시간이나 냉각시키는 시간을 최소화할 수 있다. 즉 온도 변화 시간이 최소화될 수 있다. The individual supply of the first embodiment can minimize the time for which the secondary reactant is exposed to the high temperature plasma (P) or the cooling time. That is, the temperature change time can be minimized.

제2실시예의 공통 공급은 고온 발생부(210)의 형상을 단순화시킬 수 있다. 그리고 플라즈마 소스에서 열원의 온도가 동일한 경우, 온도 제어 관점에서 보면, 공통 공급은 개별 공급보다 상대적으로 낮은 온도 조건이 형성될 수 있다.The common supply of the second embodiment can simplify the shape of the high temperature generating portion 210. And, when the temperature of the heat source is the same in the plasma source, from the viewpoint of the temperature control, the common supply can form a relatively lower temperature condition than the individual supply.

도 3는 도 1 및 도 2의 고온 발생부에 적용되는 일례의 고온 발생부의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 일례의 고온 발생부(11)는 하우징(111) 및 전극(112)을 포함하며, 제1, 제2실시예의 고온 발생부(10, 210)에 적용될 수 있다.3 is a cross-sectional view of an example of the high-temperature generating portion applied to the high-temperature generating portion of Figs. 1 and 2. Fig. 3, the high-temperature generating unit 11 includes a housing 111 and an electrode 112, and may be applied to the high-temperature generating units 10 and 210 of the first and second embodiments.

하우징(111)은 일측에 제1유입구(113)와 제2유입구(114)를 구비하여 방전 가스와 1차 반응물을 유입하고 좁아지는 목부(115)를 형성한다. 전극(112)는 하우징(111) 내에 절연 장착되고 구동 전압(HV)이 인가된다.The housing 111 has a first inlet 113 and a second inlet 114 on one side to form a neck 115 which receives and narrows the first reactant with the discharge gas. The electrode 112 is insulated in the housing 111 and a driving voltage (HV) is applied thereto.

하우징(111)은 목부(115)에 연결되어 확장된 공간(S)을 형성하고 전기적으로 접지되는 확장부(116)를 더 포함한다. 제1유입구(113)와 제2유입구(114)로 방전 가스와 1차 반응물을 공급하면서 전극(112)에 전압(HV)을 인가하면 전극(112)과 목부(115)에서 아크가 발생되고, 방전 가스에 의하여 확장된 공간(S)에서 회전 아크(RA)가 형성된다.The housing 111 further includes an extension 116 connected to the neck 115 to form an expanded space S and electrically grounded. An arc is generated in the electrode 112 and the neck 115 when a voltage HV is applied to the electrode 112 while supplying the first reactant to the first inlet 113 and the second inlet 114, A rotating arc RA is formed in the expanded space S by the discharge gas.

이와 같이, 고온 플라즈마(P) 및 회전 아크(RA)는 방전 가스 및 1차 반응물이 목부(115)에서 집중된 후 목부(115)의 후방에서 확장된 공간(S)으로 신속하게 확장 및 팽창된다. 따라서 하우징(111) 및 확장부(116) 내에서 고온 플라즈마(P) 및 회전 아크(RA)에 대한 직경 방향의 온도 균일성이 향상될 수 있다.As such, the high temperature plasma P and the rotating arc RA quickly expand and expand from the rear of the neck 115 to the expanded space S after the discharge gas and the primary reactant are concentrated at the neck 115. Temperature uniformity in the radial direction for the high temperature plasma P and the rotating arc RA in the housing 111 and the extension portion 116 can be improved.

확장부(116)는 전극(112)에 연결되는 회전 아크(RA)를 길게 유도하며, 토출 유로(20)에 연결된다. 따라서 고온 발생부(11) 및 확장된 공간(S)에서 발생되는 고온 플라즈마(P)는 확장부(116)를 통하여 토출 유로(20, 220)로 토출된다.The extension portion 116 leads the rotary arc RA connected to the electrode 112 and is connected to the discharge passage 20. The high temperature plasma P generated in the high temperature generating portion 11 and the expanded space S is discharged to the discharge flow paths 20 and 220 through the expansion portion 116. [

도 4는 도 1 및 도 2의 고온 발생부에 적용되는 다른 예의 고온 발생부의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 다른 예의 고온 발생부(12)는 제1전극(121), 제2전극(122) 및 하우징(123)을 포함한다. 고온 발생부(12)는 직류 토치 타입으로 높은 에너지를 전달하는 데 유리하다.4 is a cross-sectional view of a high-temperature generating portion of another example applied to the high-temperature generating portion of Figs. 1 and 2. Fig. Referring to FIG. 4, the high temperature generating portion 12 of another example includes a first electrode 121, a second electrode 122, and a housing 123. The high temperature generating portion 12 is advantageous to transmit high energy in the DC torch type.

예를 들면, 제1전극(121)은 중심에 길이 방향으로 배치되어 음극(cathode)로 작용한다. 제2전극(122)은 제1전극(121)의 외주에 방전갭(G)을 형성하여 길이 방향으로 배치되어 양극(anode)으로 작용하고, 제1전극(121)과의 사이에 제1유입구(124)와 제2유입구(125)를 구비하여 방전 가스와 1차 반응물을 유입한다. 그리고 제2전극(122)은 제1전극(121)의 단부에서 좁아진 토출구(129)를 구비한다.For example, the first electrode 121 is arranged in the longitudinal direction at the center, and acts as a cathode. The second electrode 122 forms a discharge gap G on the outer periphery of the first electrode 121 and is arranged in the longitudinal direction to serve as an anode and is connected to the first electrode 121, (124) and a second inlet (125) to introduce the discharge gas and the first reactant. The second electrode 122 has a discharge port 129 narrowed at the end of the first electrode 121.

제1유입구(124)와 제2유입구(125)로 방전 가스와 1차 반응물을 공급하면서 제1, 제2전극(121, 122)에 직류 전압을 인가하면, 방전갭(G)에서 플라즈마 아크(PA)가 발생되고, 제1, 제2전극(121, 122) 사이에서 발생되는 플라즈마 아크(PA)는 좁은 토출구(129)로 토출되면서 하우징(123) 내에서 급속하게 팽창한다. 즉 하우징(123)의 직경 방향에서 플라즈마 아크(PA)는 균일한 온도 분포를 형성할 수 있다.When a direct current voltage is applied to the first and second electrodes 121 and 122 while supplying the first reactant to the first inlet 124 and the second inlet 125 and the first reactant is supplied to the first inlet 124 and the second inlet 125, The plasma arc PA generated between the first and second electrodes 121 and 122 expands to the narrow discharge port 129 and rapidly expands in the housing 123. [ That is, in the radial direction of the housing 123, the plasma arc PA can form a uniform temperature distribution.

하우징(123)은 원통으로 형성되어 제2전극(122)을 수용하고, 토출 유로(20, 220)에 연결된다. 따라서 고온 발생부(12)에서 발생되는 고온 플라즈마(P)는 하우징(123)을 통하여 토출 유로(20, 220)로 토출된다.The housing 123 is formed in a cylindrical shape and receives the second electrode 122, and is connected to the discharge passage 20, 220. The high temperature plasma P generated in the high temperature generating portion 12 is discharged to the discharge flow paths 20 and 220 through the housing 123. [

또한, 제1전극(121)과 제2전극(122)은 내부에 냉각수를 순환시키는 냉각수 통로(127, 128)를 더 구비한다. 냉각수 통로(127, 128)는 냉각수를 순환시켜 플라즈마 방전으로 인하여 과열되는 제1, 제2전극(121, 122)을 적절한 온도로 냉각시킬 수 있다.The first electrode 121 and the second electrode 122 further include cooling water passages 127 and 128 for circulating cooling water therein. The cooling water passages 127 and 128 circulate the cooling water to cool the first and second electrodes 121 and 122, which are overheated due to the plasma discharge, to a proper temperature.

도 5는 도 1 및 도 2의 고온 발생부에 적용되는 다른 예의 고온 발생부의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 다른 예의 고온 발생부(13)는 원통으로 형성되고 구동 전압(HV)이 인가되는 전극(131), 및 전극(131)에 연결되고 전기적으로 접지되어 방전갭(G2)을 형성하는 하우징(132)을 포함한다.5 is a cross-sectional view of a high-temperature generating portion of another example applied to the high-temperature generating portion of Figs. 1 and 2. Fig. 5, the high-temperature generating unit 13 of another example includes an electrode 131 formed in a cylindrical shape and to which a driving voltage HV is applied, and an electrode 131 connected to the electrode 131 and electrically grounded to generate a discharge gap G2 (Not shown).

전극(131)은 제1유입구(133)를 구비하여 1차 반응물을 유입하고, 하우징(132)은 방전갭(G2) 측에 제2유입구(134)를 구비하여 방전 가스를 유입한다. 구체적으로 보면, 하우징(132)과 전극(131) 사이에 절연부재(135)가 구비되어 양자를 전기적으로 절연시킨다. 제2유입구(134)는 절연부재(135)에 구비되어 전극(131) 및 하우징(132)의 내부로 방전 가스를 유입한다.The electrode 131 has a first inlet 133 to receive the first reactant and a housing 132 has a second inlet 134 on the discharge gap G2 side to introduce the discharge gas. Specifically, an insulating member 135 is provided between the housing 132 and the electrode 131 to electrically isolate the two. The second inlet 134 is provided in the insulating member 135 to introduce the discharge gas into the electrode 131 and the housing 132.

제1유입구(133)와 제2유입구(134)로 1차 반응물과 방전 가스를 공급하면서 전극(131)에 구동 전압(HV)을 인가하고 하우징(132)을 접지하면, 방전갭(G2)에서 플라즈마 아크(PA)가 발생된다.When the driving voltage HV is applied to the electrode 131 and the housing 132 is grounded while the first reactant and the discharge gas are supplied to the first inlet 133 and the second inlet 134, A plasma arc (PA) is generated.

하우징(132)은 전극(131)의 반대측에서 확장된 공간을 형성하여, 토출 유로(20, 220)에 연결되는 확장부(136)를 더 포함한다. 따라서 고온 발생부(13)에서 발생되는 고온 플라즈마(P)는 하우징(132) 및 확장부(136)을 통하여 토출 유로(20, 220)로 토출된다.The housing 132 further includes an extension 136 connected to the discharge passages 20 and 220 by forming an extended space on the opposite side of the electrode 131. The high temperature plasma P generated in the high temperature generating portion 13 is discharged to the discharge flow paths 20 and 220 through the housing 132 and the expansion portion 136. [

고온 플라즈마(P)는 확장부(136)로 토출되면서 확장부(136) 내에서 급속하게 팽창한다. 즉 확장부(136)의 직경 방향에서 고온 플라즈마(P)는 균일한 온도 분포를 형성할 수 있다.The high temperature plasma P rapidly expands within the extension portion 136 while being discharged to the expansion portion 136. [ That is, the high-temperature plasma P in the radial direction of the extension portion 136 can form a uniform temperature distribution.

도 6은 도 1 및 도 2의 고온 발생부에 적용되는 다른 예의 고온 발생부의 단면도이다. 도 6을 참조하면, 다른 예의 고온 발생부(14)는 마이크로웨이브 소스(141) 및 웨이브 가이드(142)를 포함한다.FIG. 6 is a cross-sectional view of a high temperature generating portion of another example applied to the high temperature generating portion of FIGS. 1 and 2. FIG. 6, another example of the high-temperature generating portion 14 includes a microwave source 141 and a wave guide 142. [

마이크로웨이브 소스(141)는 전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시킨다. 웨이브 가이드(142)는 마이크로웨이브 소스(141)에 윈도우(143)로 연결되고, 외부에 자석(146)를 구비하여, 전달되는 마이크로웨이브를 안내하며, 제1유입구(144)와 제2유입구(145)를 구비하여 방전 가스와 1차 반응물을 유입한다.The microwave source 141 receives power and generates a microwave. The waveguide 142 is connected to the microwave source 141 by a window 143 and has an external magnet 146 to guide the microwave to be transmitted and to receive the microwave from the first inlet 144 and the second inlet 145) for introducing the discharge gas and the first reactant.

웨이브 가이드(142)는 토출 유로(20, 220)에 연결되고, 마이크로 웨이브에 의하여 내부에서 발생되는 고온의 플라즈마를 가이드한다. 따라서 고온 발생부(14)에서 발생되는 고온 플라즈마(P)는 웨이브 가이드(142)을 통하여 토출 유로(20, 220)로 토출된다.The waveguide 142 is connected to the discharge passages 20 and 220 and guides a high-temperature plasma generated inside by the microwave. The high temperature plasma P generated in the high temperature generating portion 14 is discharged to the discharge flow paths 20 and 220 through the wave guide 142. [

도 7은 본 발명의 제1 및 제2의 냉각부에 적용되는 일례의 냉각부의 단면도이다. 도 7을 참조하면, 일례의 냉각부(21)는 토출 유로(20)의 외면에 구비되는 냉각 재킷(211), 냉각 재킷(211)의 일측에 연결되어 저온의 냉각수를 유입하는 유입구(212), 및 냉각 재킷(211)의 다른 일측에 연결되어 순환 후 가열된 고온의 냉각수를 유출하는 유출구(213)를 포함한다.7 is a cross-sectional view of an example cooling section applied to the first and second cooling sections of the present invention. 7, the cooling section 21 is provided with a cooling jacket 211 provided on the outer surface of the discharge passage 20, an inlet 212 connected to one side of the cooling jacket 211 for introducing low-temperature cooling water, And an outlet 213 connected to the other side of the cooling jacket 211 for discharging the hot water heated and circulated.

토출 유로(20)에 구비되는 제어밸브(50)가 개방되면, 방전 기체와 1차 반응물에 의하여 발생된 고온 플라즈마(P)는 제어밸브(50)를 경유하여 토출 유로(20)로 토출된다. 이때, 2차 반응물 공급부(30)에서 2차 반응물을 공급하면, 2차 반응물(메탄)은 고온 플라즈마(P)에 의하여 고온으로 가열된 후, 토출 유로(20)를 경유하면서 냉각부(21)의 냉각 작용에 의하여 급속히 냉각되면서 최종 화학 물질(에틸렌, 아세틸렌)로 전환되어 토출 유로(20) 밖으로 토출된다.When the control valve 50 provided in the discharge passage 20 is opened, the high temperature plasma P generated by the discharge gas and the first reactant is discharged to the discharge passage 20 via the control valve 50. The second reactant (methane) is heated to a high temperature by the high temperature plasma (P), and then flows into the cooling unit (21) while passing through the discharge channel (20) (Ethylene, acetylene) and discharged out of the discharge flow path 20 while being cooled rapidly by the cooling action of the discharge gas.

도 8은 본 발명의 제1 및 제2의 냉각부에 적용되는 다른 예의 냉각부의 단면도이다. 도 8을 참조하면, 다른 예의 냉각부(22)는 토출 유로(20)의 외면에 구비되는 냉각 핀들로 형성된다. 냉각 핀들로 구성되는 냉각부(22)는 냉각 재킷(211)을 포함하는 냉각부(21)에 비하여 구성을 단순하게 한다.8 is a cross-sectional view of a cooling section of another example applied to the first and second cooling sections of the present invention. Referring to Fig. 8, the cooling section 22 of another example is formed of cooling fins provided on the outer surface of the discharge passage 20. [ The cooling section 22 constituted by the cooling fins simplifies the configuration as compared with the cooling section 21 including the cooling jacket 211.

도 9는 메탄이 고온 플라즈마에 노출되는 시간과 냉각 시점에 따라 다른 화학 물질로 전환되어 토출 유로로 토출되는 관계를 도시한 구성도이다. 도 9를 참조하면, 2차 반응물인 메탄의 열분해 화학 반응은 고온 노출 시간과 냉각 시점에 따라 전환되는 화학 물질, 즉 생성물을 다르게 한다.FIG. 9 is a view showing a relationship in which methane is converted into another chemical substance according to the time of exposure to the high-temperature plasma and the cooling time point, and is discharged into the discharge channel. Referring to FIG. 9, the pyrolysis chemical reaction of the second reactant, methane, changes the chemical substance, that is, the product, which is changed depending on the high temperature exposure time and the cooling time point.

예를 들면, 메탄을 아세틸렌으로 전환하기 위해서는, 메탄 열분해 화학 반응에서 CH 단계(P2)에서 냉각을 실시함으로써, CH 라디칼(radical)이 결합한 아세틸렌(C2H2)이 생성된다(은선). 냉각부(40)는 CH 단계(P2)에서 냉각을 구현할 수 있도록 작동된다. 전환된 아세틸렌(C2H2)은 토출 유로(20)를 통하여 토출된다.For example, in order to convert methane to acetylene, acetylene (C 2 H 2 ) with a CH radical bonded is generated by cooling in a CH step (P 2) in a methane pyrolysis chemical reaction (H 2 ). The cooling section 40 is operated so as to implement the cooling in the CH step P2. The converted acetylene (C 2 H 2 ) is discharged through the discharge passage 20.

메탄을 에틸렌으로 전환하기 위해서는, 메탄 열분해 화학 반응에서 CH2 단계(P1)에서 냉각을 실시함으로써 CH2 라디칼(radical)이 결합한 에틸렌(C2H4)이 생성된다(실선). 냉각부(40)는 CH2 단계(P1)에서 냉각을 구현할 수 있도록 작동된다. 전환된 에틸렌(C2H4)은 토출 유로(20)를 통하여 토출된다.In order to convert the methane to ethylene, by carrying out the cooling in step 2 CH (P1) in the methane pyrolysis reaction CH 2 ethylene radical (radical) is bonded (C 2 H 4) are produced (solid line). The cooling section 40 is operated so as to realize cooling in the CH 2 stage (P1). The converted ethylene (C 2 H 4 ) is discharged through the discharge passage 20.

또한, 메탄을 탄소로 전환하기 위해서는, 메탄 열분해 화학 반응에서 CH 단계(P3)에서 냉각을 실시하지 않고 지속적인 열을 공급함으로써 CH 라디칼(radical)이 탄소(C)와 H 라디칼로 분해되며, 탄소(C)가 생성된다(이점 쇄선). 냉각부(40)는 CH 단계에서 냉각을 구현할 수 있도록 작동된다. 전환된 탄소(C)는 토출 유로(20)를 통하여 토출된다.In order to convert methane to carbon, CH radicals are decomposed into carbon (C) and H radicals by supplying continuous heat without cooling in CH step (P3) in the methane pyrolysis chemical reaction, C) is generated (double-dashed line). The cooling section 40 is operated so as to realize cooling in the CH step. The converted carbon (C) is discharged through the discharge passage (20).

따라서 냉각부(40)는 냉각의 정도를 제어할 수 있도록 구성된다. 또한 복수의 토출 유로들(20)은 서로 다른 온도로 냉각될 수 있으므로 서로 다른 토출 유로(20)를 통하여 서로 다른 화학 물질(에틸렌과 아세틸렌)을 토출할 수 있다.Therefore, the cooling unit 40 is configured to control the degree of cooling. Also, since the plurality of discharge passages 20 can be cooled to different temperatures, different chemicals (ethylene and acetylene) can be discharged through different discharge passages 20.

일 실시예의 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기(1, 2)는 고온 발생부(10, 210)를 단일화하여 열효율을 향상시킬 수 있으며, 1차 반응물 공급부(30)와 냉각부(40, 240)를 복수로 구비하여 분해 및 재결합 반응을 거친 메탄을 급격히 냉각하여 반응을 제어할 수 있다.The high-speed thermal control reactors 1 and 2 using the plasma of the embodiment can improve the thermal efficiency by unitizing the high-temperature generating units 10 and 210 and improve the thermal efficiency of the first reactant supplying unit 30 and the cooling units 40 and 240 And the reaction can be controlled by rapidly cooling methane through decomposition and recombination reaction.

복수의 토출 유로(20)는 부피 대비 냉각 표면적의 비인 S/V(surface to volume ratio) 비율을 증가시키는 형태이므로 냉각에 이상적인 구조를 형성한다. 복수의 냉각부(40, 240)는 필요시, 복수의 토출 유로(20) 주변을 능동적인 냉각 방식을 추가할 수 있다.The plurality of discharge passages 20 form a structure that is ideal for cooling because it increases the ratio of surface to volume ratio (S / V), which is the ratio of volume to cooling surface area. The plurality of cooling units (40, 240) can add an active cooling method around the plurality of discharge paths (20) when necessary.

플라즈마를 이용한 급격한 고온 및 토출 유로(20)를 적용한 급속 냉각 방식은 효율적이고 대 유량의 메탄을 전환할 수 있게 한다. 또한 본 실시예들은 급격한 온도 상승 및 급속 냉각이 필요한 화학 반응 및 화학 공정 전반에 적용할 수 있다.Rapid cooling using a plasma and a rapid cooling using a discharge flow path 20 enables efficient and high-rate switching of methane. The present embodiments are also applicable to chemical reactions and chemical processes that require rapid temperature rise and rapid cooling.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형 또는 변경하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but many variations and modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. And it goes without saying that they belong to the scope of the present invention.

1, 2: 고속 열제어 반응기 10: 고온 발생부
11, 12, 13, 14: 고온 발생부 20: 토출 유로
21, 22: 냉각부 30, 230: 2차 반응물 공급부
40: 냉각부 50: 제어밸브
111: 하우징 112: 전극
113: 제1유입구 114: 제2유입구
115: 목부 116: 확장부
121: 제1전극 122: 제2전극
123: 하우징 124: 제1유입구
125: 제2유입구 127, 128: 냉각수 통로
129: 토출구 131: 전극
132: 하우징 133: 제1유입구
134: 제2유입구 135: 절연부재
136: 확장부 141: 마이크로웨이브 소스
142: 웨이브 가이드 143: 윈도우
146: 자석 144: 제1유입구
145: 제2유입구 211: 냉각 재킷
212: 유입구 213: 유출구
231: 격벽 232: 2차 반응물 공급구
233: 연통구 G, G2: 방전갭
P: 고온 플라즈마 P1, P2: 냉각 시점
P3: 열 지속 PA: 플라즈마 아크
RA: 회전 아크 S: 확장된 공간1, 2: High-speed thermal control reactor 10:
11, 12, 13, 14: high-temperature generating unit 20:
21, 22: Cooling section 30, 230: Secondary reactant supply section
40: cooling section 50: control valve
111: housing 112: electrode
113: first inlet 114: second inlet
115: neck 116:
121: first electrode 122: second electrode
123: housing 124: first inlet
125: second inlet 127, 128: cooling water passage
129: discharge port 131: electrode
132: housing 133: first inlet
134: second inlet 135: insulating member
136: Extension part 141: Microwave source
142: Waveguide 143: Windows
146: magnet 144: first inlet
145: second inlet 211: cooling jacket
212: inlet 213: outlet
231: partition wall 232: second reactant supply port
233: communication hole G, G2: discharge gap
P: high-temperature plasma P1, P2: cooling point
P3: Thermal sustain PA: Plasma arc
RA: Rotating arc S: Extended space

Claims (13)

방전 가스 및 1차 반응물로 고온의 플라즈마를 생성하는 고온 발생부;
상기 고온 발생부에 각각 연결되는 복수의 토출 유로;
상기 고온 발생부 및 상기 토출 유로 중 일측에 연결되어 고온의 플라즈마에 2차 반응물을 공급하는 2차 반응물 공급부; 및
상기 토출 유로의 외곽에 각각 배치되어 상기 토출 유로의 내부를 냉각시켜서 2차 반응물에서 화학 물질로 전환시키는 냉각부
를 포함하며,
상기 2차 반응물 공급부는
상기 2차 반응물로 메탄을 공급하고,
상기 냉각부는
상기 메탄에 대한 고온 노출 시간이 CH2 단계에서 냉각 시점(P1) 또는 CH 단계에서 냉각 시점(P2)을 제어하며,
상기 복수의 토출 유로는
전환된 상기 화학 물질인 에틸렌(C2H4) 또는 아세틸렌(C2H2)을 각각 토출하는
플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.A high-temperature generator for generating a high-temperature plasma as a discharge gas and a first reactant;
A plurality of discharge channels connected to the high-temperature generating unit, respectively;
A second reactant supply part connected to one side of the high temperature generating part and the discharge flow path to supply a second reactant to the high temperature plasma; And
And a cooling unit disposed on the outer periphery of the discharge passage for cooling the interior of the discharge passage to convert the secondary reaction product into a chemical substance,
/ RTI >
The second reactant supply part
Methane is supplied as the secondary reactant,
The cooling unit
The high-temperature exposure time for the methane control a cooling time from the cooling point (P1) or CH Steps CH 2 (P2),
The plurality of discharge channels
(C 2 H 4 ) or acetylene (C 2 H 2 ), which is the converted chemical substance,
A rapid thermal control reactor using plasma. 제1항에 있어서,
상기 2차 반응물 공급부는
복수의 토출 유로에 각각 연결되어 2차 반응물을 공급하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method according to claim 1,
The second reactant supply part
A high-speed thermal control reactor using plasma, which is connected to a plurality of discharge channels and supplies secondary reactants. 제1항에 있어서,
복수의 토출 유로는 제어밸브를 개재하여 상기 고온 발생부에 각각 연결되는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method according to claim 1,
Wherein the plurality of discharge paths are respectively connected to the high-temperature generating unit via a control valve. 제3항에 있어서,
상기 2차 반응물 공급부는
상기 제어밸브의 후방에서 복수의 토출 유로에 각각 연결되어 2차 반응물을 공급하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method of claim 3,
The second reactant supply part
And a second reaction product is connected to the plurality of discharge channels at the rear of the control valve. 제3항에 있어서,
상기 2차 반응물 공급부는
상기 제어밸브의 전방에서 복수의 토출 유로 전체에 대응하여 연결되어 2차 반응물을 공급하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method of claim 3,
The second reactant supply part
And the second reactant is connected to the plurality of discharge channels in front of the control valve to supply the second reactant. 제5항에 있어서,
상기 2차 반응물 공급부는
복수의 토출 유로 전체에 대응하여 상기 고온 발생부의 일측을 구획하여 상기 고온 발생부에 공간적으로 연통되는 연통구를 가지는 격벽, 및
상기 격벽으로 구획된 상기 토출 유로 측에 연결되는 2차 반응물 공급구
를 포함하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.6. The method of claim 5,
The second reactant supply part
A partition wall having a communication port dividing one side of the high-temperature generation portion corresponding to the entire plurality of discharge flow paths and spatially communicating with the high-temperature generation portion;
A second reactant supply port connected to the discharge flow path side partitioned by the partition wall,
A high-speed thermal control reactor using plasma. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 고온 발생부는
일측에 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전 가스와 1차 반응물을 유입하고 좁아지는 목부를 형성하는 하우징, 및
상기 하우징 내에 절연 장착되고 구동 전압이 인가되는 전극을 포함하며,
상기 하우징은
상기 목부에 연결되어 확장된 공간을 형성하고 전기적으로 접지되어 상기 전극에 연결되는 회전 아크를 길게 유도하여, 상기 토출 유로에 연결되는 확장부
를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method according to claim 1,
The high-
A housing having a first inlet and a second inlet on one side to form a neck which receives the discharge gas and the first reactant and narrows,
An electrode insulated in the housing and to which a driving voltage is applied,
The housing
And an extension portion connected to the neck portion to form an extended space, electrically grounded to induce a long arc to be connected to the electrode,
Further comprising a plasma-assisted rapid thermal control reactor. 제1항에 있어서,
상기 고온 발생부는
중심에 길이 방향으로 배치되는 제1전극,
상기 제1전극의 외주에 방전갭을 형성하여 길이 방향으로 배치되고 상기 제1전극과의 사이에 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전 가스와 1차 반응물을 유입하는 제2전극, 및
원통으로 형성되어 상기 제2전극을 수용하고, 상기 토출 유로에 연결되는 하우징을 포함하고,
상기 제1전극과 상기 제2전극은
내부에 냉각수를 순환시키는 냉각수 통로
를 더 구비하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method according to claim 1,
The high-
A first electrode arranged in the longitudinal direction at the center,
A second electrode arranged in the longitudinal direction by forming a discharge gap on the outer periphery of the first electrode and having a first inlet and a second inlet between the first electrode and the first electrode to introduce the first reactant into the discharge gas,
And a housing which is formed in a cylindrical shape and houses the second electrode, and is connected to the discharge passage,
The first electrode and the second electrode
A cooling water passage
Further comprising a plasma-assisted rapid thermal control reactor. 제1항에 있어서,
상기 고온 발생부는
원통으로 형성되고 구동 전압이 인가되며, 제1유입구를 구비하여 1차 반응물을 유입하는 전극, 및
상기 전극에 절연 상태로 연결되고 전기적으로 접지되어 방전갭을 형성하며 상기 방전갭 측에 제2유입구를 구비하여 방전 가스를 유입하는 하우징을 포함하며,
상기 하우징은
상기 전극의 반대측에서 확장된 공간을 형성하여, 상기 토출 유로에 연결되는 확장부
를 더 포함하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method according to claim 1,
The high-
An electrode which is formed in a cylindrical shape and to which a driving voltage is applied and has a first inlet to introduce a first reactant,
And a housing connected to the electrode in an insulated state and electrically grounded to form a discharge gap and having a second inlet on the discharge gap side to receive the discharge gas,
The housing
And an extended space formed on an opposite side of the electrode,
Further comprising a plasma-assisted rapid thermal control reactor. 제1항에 있어서,
상기 고온 발생부는
전원을 공급받아 마이크로웨이브를 발생시키는 마이크로웨이브 소스, 및
상기 마이크로웨이브 소스에 윈도우로 연결되어 전달되는 마이크로웨이브를 안내하며, 제1유입구와 제2유입구를 구비하여 방전 가스와 1차 반응물을 유입하는 웨이브 가이드
를 포함하며,
상기 웨이브 가이드는
상기 토출 유로에 연결되는
플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method according to claim 1,
The high-
A microwave source supplied with power and generating a microwave, and
A wave guide for introducing the first reactant into the discharge gas and having a first inlet and a second inlet for guiding a microwave transmitted through the window to the microwave source,
/ RTI >
The waveguide
And a discharge passage
A rapid thermal control reactor using plasma. 제1항에 있어서,
상기 냉각부는
상기 토출 유로의 외면에 구비되는 냉각 재킷,
상기 냉각 재킷의 일측에 연결되어 저온의 냉각수를 유입하는 유입구, 및
상기 냉각 재킷의 다른 일측에 연결되어 순환 후 가열된 고온의 냉각수를 유출하는 유출구
를 포함하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method according to claim 1,
The cooling unit
A cooling jacket provided on an outer surface of the discharge passage,
An inlet connected to one side of the cooling jacket for introducing low-temperature cooling water,
And an outlet port connected to the other side of the cooling jacket to circulate and discharge the heated high temperature cooling water
A high-speed thermal control reactor using plasma. 제1항에 있어서,
상기 냉각부는
상기 토출 유로의 외면에 구비되는 냉각 핀들로 형성되는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.The method according to claim 1,
The cooling unit
And a cooling fin provided on an outer surface of the discharge passage.
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