KR102623738B1 - 황화수소 반응기 및 황화수소 제조방법 - Google Patents

황화수소 반응기 및 황화수소 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 의한 황화수소 반응기는, 외부와 격리된 내부공간을 구비하는 반응챔버; 상기 반응챔버의 내부공간으로 액체유황을 공급하는 액체유황 공급관; 상기 반응챔버 내부공간에 저장된 액체유황을 가열하는 가열기; 상기 반응챔버 내부공간에 저장된 액체유황을 회수한 후 상기 반응챔버 내부공간의 상측으로 분무시키는 액체유황 분무관; 상기 반응챔버의 내부공간 중 액체유황이 저장되어 있는 지점과 상기 액체유황이 분무되는 지점 사이로 수소가스를 공급하는 수소공급관;을 포함하여 구성된다. 본 발명에 의한 황화수소 제조방법은, 반응챔버 내부공간으로 액체유황을 공급하는 제1 단계; 상기 반응챔버 내부에 저장된 액체유황을 가열하는 제2 단계; 상기 반응챔버 내부공간에 저장된 액체유황을 액체유황 분무관으로 회수하여 상기 반응챔버 내부공간의 상측으로 분무시키고, 상기 반응챔버의 내부공간 중 액체유황이 저장되어 있는 지점과 상기 액체유황이 분무되는 지점 사이로 수소가스를 공급하는 제3 단계;를 포함한다.

Description

황화수소 반응기 및 황화수소 제조방법 {APPARATUS AND METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN SULFIDE}
본 발명은 액체유황에 수소를 접촉시켜 황화수소를 제조하는 황화수소 반응기 및 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 액체유황과 수소의 접촉면적 및 접촉시간을 증대시켜 황화수소 전환율을 최대한으로 높일 수 있는 황화수소 반응기 및 황화수소 제조방법에 관한 것이다.
황화수소는 가연성의 유독 가스이며, 대부분 석유 및 천연가스에 포함된 황화합물을 수소화탈황(hydrodesulfurization)하여 생성된다. 그리고 황 및 수소의 반응에 의해서 주로 습득된다.
황화수소는 여러가지 황-함유 화합물을 합성하기 위한 물질로서 산업적으로 중요한 중간체이며, 염료, 농약, 플라스틱, 의약품, 화장품, 황화물계 전고체전지 등의 정제화학제품을 제조하는 원료 및 금속 황화물을 생성하기 위한 개시 물질로서 광범위하게 사용되고 있다.
유황과 수소로부터 황화수소를 제조하는 방법으로서는, 촉매 반응과 무촉매 반응이 알려져 있다.
촉매 반응은 촉매가 충전된 반응 관내에서 유황가스와 수소가스를 반응시켜 황화수소를 생성하는 방법으로서, 반응 관의 외부에 열매체를 순환시켜 반응열을 제거하도록 이루어진다. 이러한 촉매반응은 일본 특표 제2010-515658호에 개시되어있다.
이때, 황화수소의 촉매 반응에서 유황의 농도가 높으면 반응열에 의해서 온도상승이 크게 일어나고 촉매가 비정상으로 가열되어 열화 될 수 있다는 문제점이 있다. 또한, 황화수소로의 전환율 증가시키기 위해서는 반응온도를 높여야 하는데, 이와 같이 반응온도가 높아지면 부반응 생성물인 다황화 수소(H2Sx)와 같은 불순물도 증가하게 된다는 문제가 발생된다.
한편 무촉매 반응은, 액체유황 내측으로 수소가스를 공급하여 액체유황의 증발에 의해 발생된 유황가스와 수소가스가 반응하도록 함으로써 황화수소를 생성시키는 방법이다.
수소가스와 유황가스가 반응할 때 발생되는 반응열은 액체유황과 접촉되는 과정에서 회수되므로 반응온도가 과도하게 높아지지 아니한다는 장점이 있으나, 액체유황과 수소기체의 접촉면적이 작고 접촉시간이 비교적 짧아 황화수소로의 전환율이 낮다는 단점이 있다.
일본 특표 제2010-515658호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 미분무유황과 수소기체를 접촉시켜 황화수소를 생성함으로써, 반응 중 발생하는 반응열을 미분무된 액체유황 입자의 기화열로 흡수되도록 하거나, 미분무된 액체유황 입자에 흡수되도록 하여 냉각작용을 증가시킴으로써, 반응챔버 내부 온도가 과도하게 상승하지 않고 일정하게 유지되도록 하여 다황화수소와 같은 부산물 발생을 최소화시킬 수 있고, 액체유황과 수소기체의 접촉면적 및 접촉시간을 증가시킴으로써 황화수소 전환율을 극대화시킴으로써 고수율 및 고순도로 황화수소를 제조할 수 있는 황화수소 반응기 및 황화수소 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 황화수소 반응기는,
외부와 격리된 내부공간을 구비하는 반응챔버;
상기 반응챔버의 내부공간으로 액체유황을 공급하는 액체유황 공급관;
상기 반응챔버 내부공간에 저장된 액체유황을 가열하는 가열기;
상기 반응챔버 내부공간에 저장된 액체유황을 회수한 후 상기 반응챔버 내부공간의 상측으로 분무시키는 액체유황 분무관;
상기 반응챔버의 내부공간 중 액체유황이 저장되어 있는 지점과 상기 액체유황이 분무되는 지점 사이로 수소가스를 공급하는 수소공급관;
을 포함하여 구성된다.
상기 수소공급관은 상기 반응챔버 내부공간으로 수소가스를 분사시키는 하나 이상의 수소분사노즐을 구비하되,
상기 수소분사노즐은 수소가스를 하향으로 분사하도록 구성된다.
상기 액체유황이 저장되어 있는 공간의 상측을 덮는 커버플레이트를 더 포함하며,
상기 커버플레이트의 가장자리는 상기 반응챔버의 내벽과 일정거리 이격되도록 구성된다.
상기 커버플레이트의 상면은, 가운데 부위가 상향으로 볼록하고 가장자리로 갈수록 점진적으로 낮아지도록 경사지게 형성된다.
상기 수소분사노즐에서 분사된 수소가스는 상기 커버플레이트의 상면에 접촉된 후 상승하도록 구성되어,
상기 수소가스는 상기 커버플레이트의 상면에 접촉되는 동안 가열된다.
상기 커버플레이트는 평면 형상이 원형으로 형성되고,
상기 수소공급관은 상기 반응챔버의 내측에 위치하는 부위가 링 형상으로 형성되며,
상기 수소분사노즐은 상기 수소공급관 중 링 형상으로 형성된 부위에 등간격을 이루도록 배열된다.
상기 커버플레이트의 상면 중 상기 수소분사노즐과 대응되는 지점에는, 상기 수소분사노즐에서 분사된 수소가스를 사방으로 분산시키는 방사형 유로홈이 형성된다.
상기 반응챔버 내부에서 전환된 황화수소와, 미반응 수소가스 및 미반응 유황가스를 상기 반응챔버 외부로 인출시키는 인출관;
상기 인출관을 통해 인출되는 가스를 전달받아, 미반응 수소가스 및 미반응 유황가스를 황화수소로 전환시키는 수소화촉매 반응컬럼;
상기 수소화촉매 반응컬럼을 통해 인출되는 황화수소를 응축시키는 응축기;
상기 응축기 내의 황화수소를 외부로 배출시키는 배출관;
을 더 포함한다.
본 발명에 의한 황화수소 제조방법은,
반응챔버 내부공간으로 액체유황을 공급하는 제1 단계;
상기 반응챔버 내부에 저장된 액체유황을 가열하는 제2 단계;
상기 반응챔버 내부공간에 저장된 액체유황을 액체유황 분무관으로 회수하여상기 반응챔버 내부공간의 상측으로 분무시키고, 상기 반응챔버의 내부공간 중 액체유황이 저장되어 있는 지점과 상기 액체유황이 분무되는 지점 사이로 수소가스를 공급하는 제3 단계;
를 포함한다.
상기 제3 단계에서 상기 반응챔버 내부로 분무되는 액체유황의 입자크기는 10㎛ 내지 1000㎛이다.
상기 제3 단계에서 상기 액체유황 분무관으로 회수되는 액체유황의 온도는 300℃ 내지 600℃이다.
상기 제3 단계에서 상기 액체유황 분무관으로 회수되는 액체유황의 압력은 1bar 내지 10bar이고, 상기 액체유황 분무관으로 회수되는 액체유황의 유량은 100ℓ/h 내지 10000ℓ/h 이다.
상기 반응챔버의 내부공간에는, 상기 액체유황이 저장되어 있는 공간의 상측을 덮되, 가장자리가 상기 반응챔버의 내벽과 이격되는 커버플레이트가 설치되고,
상기 제3 단계는, 분사된 수소가스가 상기 커버플레이트의 상면에 접촉된 후 상승하도록 구성된다.
본 발명에 의한 황화수소 반응기 및 황화수소 제조방법을 이용하면, 미분무유황과 수소기체를 접촉시켜 황화수소를 생성함으로써 반응 중 발생하는 반응열을 미분무된 액체유황 입자의 기화열로 흡수되도록 하거나, 미분무된 액체유황 입자에 흡수되도록 하여 냉각작용을 증가시킴으로써, 반응챔버 내부 온도가 과도하게 상승하지 않고 일정하게 유지되도록 하여 다황화수소와 같은 부산물 발생을 최소화시킬 수 있고, 액체유황과 수소기체의 접촉면적 및 접촉시간을 증가시킴으로써 황화수소 전환율을 극대화시켜 고수율 및 고순도로 황화수소를 제조할 수 있다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 의한 황화수소 반응기의 개략도이다.
도 2는 반응챔버의 내부구성을 도시하는 단면도이다.
도 3은 수소공급관 및 수소분사노즐의 배열구조를 도시하는 반응챔버의 수평단면도이다.
도 4는 커버플레이트의 평면도이다.
도 5는 본 발명에 의한 황화수소 반응기 제2 실시예의 개략도이다.
도 6은 본 발명에 의한 황화수소 반응기 제3 실시예의 개략도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 황화수소 반응기 및 황화수소 제조방법의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 황화수소 반응기의 개략도이고, 도 2는 반응챔버의 내부구성을 도시하는 단면도이다.
본 발명에 의한 황화수소 반응기는 액상의 유황과 기상의 수소를 반응시켜 황화수소를 제조하는 반응기에 관한 것으로서, 수소가스를 액체유황 내부로 버블링하는 것이 아니라 수소가스가 분사되는 공간으로 액체유황을 미분무시킴으로써 초미세입자의 농도를 증가시켜 유황과 수소의 접촉면적 및 접촉시간을 증대시킴으로써 황화수소 전환율을 현저히 높일 수 있도록 구성된다는 점에 가장 큰 특징이 있다.
즉, 본 발명에 의한 황화수소 반응기는, 외부와 격리된 내부공간을 구비하는 반응챔버(100)와, 상기 반응챔버(100)의 내부공간으로 액체유황을 공급하는 액체유황 공급관(200)과, 상기 반응챔버(100) 내부공간에 저장된 액체유황을 가열하는 가열기(300)와, 상기 반응챔버(100) 내부공간에 저장된 액체유황을 회수한 후 상기 반응챔버(100) 내부공간의 상측으로 분무시키는 액체유황 분무관(400)과, 상기 반응챔버(100)의 내부공간 중 액체유황이 저장되어 있는 지점과 상기 액체유황이 분무되는 지점 사이로 수소가스를 공급하는 수소공급관(500)을 기본 구성요소로 포함하도록 구성된다.
액체유황 공급관(200)을 통해 반응챔버(100) 내부로 공급된 액체유황은 도 1에 도시된 바와 같이 반응챔버(100)의 바닥에 모아지며, 가열기(300)에 의해 가열된 후 액체유황 분무관(400)으로 공급되어 유황분무노즐(410)을 통해 초미세입자로 분무된다.
수소공급관(500)을 통해 공급된 수소는 액체유황이 반응챔버(100) 내부로 분무되는 동안 수소분사노즐(510)을 통해 반응챔버(100) 내부로 분사된다. 상기 반응챔버(100) 내부로 제공되는 액체유황 입자는 반응챔버(100) 내부에서 유황가스로 기화되어 수소가스와 반응하게 되는데, 이와 같이 유황가스와 수소가스가 반응하는 과정에서 발생하는 반응열은 액체유황 입자가 유황가스로 기화되는 과정에서 필요한 기화열로 흡수되거나, 액체유황 입자에 흡수되어 냉각효과를 나타낼 수 있는 바, 반응공간 내부의 온도가 과도하게 상승하는 현상이 방지된다. 따라서 본 발명에 의한 황화수소 반응기를 이용하면, 액체유황에 수소가스를 버블링하는 방식에 비해 황화수소 전환율을 높일 수 있으면서, 반응공간 과열을 방지하여 부반응을 감소시키고 이에 따라 고순도의 황화수소를 생성할 수 있다는 장점이 있다.
이때, 반응챔버(100) 내부로 분사되는 액체유황의 온도가 일정수준 이하로 낮아지면 황화수소 전환율이 감소하고, 반응챔버(100) 내부로 분사되는 액체유황의 온도가 일정수준 이상으로 과도하게 높아지면 다황화수소 등과 같은 불순물이 증가하게 된다. 따라서 상기 액체유황 분무관(400)으로 공급되는 액체유황의 온도는 300℃ 내지 600℃로 설정됨이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 350℃내지 500℃일 수 있다. 이때, 반응챔버 내부 온도는 350℃내지 400℃로 일정하게 유지될 수 있다.
한편, 상기 반응챔버(100) 내부에서 전환된 황화수소와, 황화수소로 전환되지 못한 미반응 수소가스 및 미반응 유황가스는 반응챔버(100)의 상측에 구비된 인출관(600)을 통해 인출되어 수소화촉매 반응컬럼(700)을 거친 후 응축기(800)로 제공된다. 상기 수소화촉매 반응컬럼(700)으로 제공된 가스 중 미반응 수소가스 및 미반응 유황가스는 상기 수소화촉매 반응컬럼(700)에서 황화수소로 전환되는바, 상기 응축기(800)로 전달되는 가스는 대부분 황화수소로 이루어진다. 또한 응축기(800)로 공급된 황화수소는 응축과정을 거치면서 냉각된 후 배출관(900)을 통해 외부로 배출되며, 상기 황화수소 응축과정에서 발생되는 액체유황은 상기 반응챔버(100)로 회수될 수 있다.
이와 같은 인출관(600), 수소화촉매 반응컬럼(700), 응축기(800) 및 배출관(900)은 종래의 황화수소 반응기에도 실질적으로 동일하게 적용되고 있는바, 상기 인출관(600), 수소화촉매 반응컬럼(700), 응축기(800) 및 배출관(900)의 내부구조 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이때, 액체유황 분무입자와 수소가스의 접촉시간이 증가할수록 황화수소 전환율이 높아지는데, 상기 수소분사노즐(510)이 수소가스를 상향으로 분사하도록 구성되면 분사된 수소가스가 곧바로 인출관(600)을 통해 인출되므로 액체유황 분무입자와의 접촉시간이 짧아지고, 이에 따라 황화수소 전환율이 낮아지는 결과가 발생된다.
본 발명에 의한 황화수소 반응기는 상기와 같은 문제점을 해결할 수 있도록 즉, 액체유황 분무입자와 수소가스의 접촉시간을 최대한 증가시킬 수 있도록, 상기 수소공급관(500)의 수소분사노즐(510)은 수소가스를 하향으로 분사하도록 구성될 수 있다. 이와 같이 수소가스가 하향으로 분사되면, 분사된 수소가스가 액체유황이 채워져 있는 지점까지 하강하였다가 반대로 상승하여 인출관(600)으로 인출되므로, 수소가스의 유동경로가 길어지게 되고 이에 따라 유황분무노즐(410)을 통해 분무되는 액체유황 입자와의 접촉시간이 현저히 증가되는 효과를 얻을 수 있다.
수소분사노즐(510)로부터 분사되는 수소가스는 일정 수준 이상의 압력으로 분사되는데, 반응챔버(100)의 하측에 저장된 액체유황에 고압의 수소가스가 직접 접촉되면 액체유황이 튀어 수소분사노즐을 오염 및 손상시킬 수 있고, 수소가스가 정상적으로 상향 유동하지 못하여 황화수소 전환율이 감소되는 문제가 발생될 수 있다. 따라서 상기 반응챔버(100) 내부에는 상기 액체유황이 저장되어 있는 공간의 상측을 덮는 커버플레이트(110)가 추가로 구비될 수 있다.
이와 같이 커버플레이트(110)가 추가로 구비되면, 상기 수소분사노즐(510)에서 하향으로 분사된 수소가스가 상기 커버플레이트(110)의 상면에 부딪힌 후 상승하므로, 상기 수소가스가 직접 액체유황과 접촉하는 현상이 발생되지 아니하게 된다는 효과를 얻을 수 있게 된다.
한편, 수소공급관(500)을 통해 반응챔버(100)로 공급되는 수소가스가 매우 저온 상태로 공급되면, 액체유황 분무입자가 수소가스와 접촉하였을 때 원활하게 유황가스로 기화하지 못하여 황화수소 전환율이 떨어지는 문제가 발생될 수 있는데, 상기 언급한 바와 같이 커버플레이트(110)가 추가로 구비되면 상기와 같은 문제를 일정 수준 감소시킬 수 있다는 장점도 있다.
즉, 반응챔버(100) 내에 설치된 커버플레이트(110)는 고온의 액체유황 열을 전달 받아 가열된 상태를 유지하므로, 상기 수소가스가 상기 커버플레이트(110)의 상면과 접촉하는 과정에서 커버플레이트(110)의 열을 전달 받아 일정 수준 가열되고, 이에 따라 액체유황 분무입자의 기화율 및 황화수소 전환율이 높아지는 효과를 얻을 수 있게 된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 의한 황화수소 반응기를 이용하여 황화수소를 제조하는 방법을 설명하면 다음과 같다.
먼저 반응챔버(100) 내부공간으로 액체유황을 공급한 후 가열기(300)를 이용하여 상기 반응챔버(100) 내부에 저장된 액체유황을 가열한다. 액체유황이 일정 온도 이상으로 가열되면, 액체유황 이송펌프(420)는 가열된 액체유황을 고압으로 압축하여 액체유황 분무관(400)으로 공급함으로써 상기 액체유황 분무관(400)의 끝단에 설치된 유황분무노즐(410)을 통해 액체유황이 초미세입자의 크기로 분무되도록 한다.
이때, 반응챔버(100) 내부로 분사되는 액체유황 분무입자가 고온인 상태이어야만 유황가스로 기화하는 현상이 원활하게 이루어질 수 있는바, 상기 액체유황 분무관(400)으로 공급되는 액체유황은 300℃ 내지 600℃로 가열되어야 할 것이며, 더욱 바람직하게는 350℃ 내지 500℃로 가열되어야 할 것이다.
또한, 반응챔버(100) 내부로 분사되는 액체유황 분무입자의 크기가 작을수록 수소가스와의 접촉면적이 증가되어 황화수소 전환율이 향상되므로, 상기 반응챔버(100) 내부로 분무되는 액체유황의 입자크기는 10㎛ 내지 1000㎛가 되어야 할 것이며, 더욱 바람직하게는 10㎛ 내지 500㎛가 되어야 할 것이다.
한편, 액체유황 분무관(400)으로 공급되는 액체유황이 고압일수록 유황분무노즐(410)을 통해 분사되는 액체유황 분무입자의 크기가 작아지므로, 상기 액체유황 분무관(400)으로 공급되는 액체유황은 1bar 내지 10bar로 압축되어야 할 것이며, 더욱 바람직하게는 2bar 내지 5bar로 압축되어야 할 것이다. 또한 상기 액체유황 분무관(400)으로 공급되는 액체유황의 유량은 100ℓ/h 내지 10000ℓ/h가 되어야 할 것이며, 더욱 바람직하게는 500ℓ/h 내지 3000ℓ/h가 되어야 할 것이다.
상기 반응챔버(100) 내부공간의 상측으로 액체유황 분무입자가 분무되는 동안, 수소공급관(500)을 통해 공급되는 수소가스는 상기 반응챔버(100)의 내부공간 중 액체유황이 저장되어 있는 지점과 상기 액체유황이 분무되는 지점 사이로 공급된다.
이때, 상기 반응챔버(100) 내부로 공급되는 수소가스는 순수한 수소가스인 것이 바람직하지만, 황화수소, 아르곤, 질소, 이산화탄소, 메탄, 에탄, 프로판 및 휘발성 탄화수소 중 일종 이상의 불순물이 포함될 수 있다.
또한 상기 수소공급관을 통하여 공급하는 수소의 순도가 50부피% 내지 100 부피%인 것을 사용할 수 있으며, 95 부피% 내지 100 부피%인 수소를 사용하는 것이 더욱 바람직하다.
수소공급관(500)의 끝단에 설치된 수소분사노즐(510)로부터 분사된 수소가스는 상기 커버플레이트(110)의 상면에 부딪히면서 일정 수준 가열된 후 상승하여 액체유황 분무입자와 만나게 되며, 이 과정에서 상기 액체유황 분무입자 중 일부가 유황가스로 기화되어 수소가스와 반응하여 황화수소가 생성된다.
이하 본 발명에 의한 황화수소 제조방법의 구체적인 실시예를 설명한다.
[실시예 1]
반응챔버(100)는 내경 200mm, 높이 2400mm의 스테인리스 스틸로 제작되었다. 반응챔버(100) 탑저부에 액체 유황을 채우고 가열기(300)로 400℃로 가열하였다. 상기 액체 유황을 액체유황 분무관(400)을 통하여 500L/h 의 유량으로 미분무 하였고, 수소 500L/h을 200℃로 예열하여 기저부의 수소공급관(500)을 통하여 연속적으로 공급하였다. 유황분무노즐(410) 10cm 하부의 온도는 383℃로 균일하게 유지되었고, 수소분사노즐(510) 10cm 상부의 온도는 394℃의 온도로, 수소분사노즐(510) 50cm 상부의 온도는 389℃의 온도로 균일하게 유지 되었다
반응챔버(100) 출구에 포함된 기체유황은 수소화촉매 반응컬럼(700)을 통과하고 응축기(800)에서 응축시켜 황화수소와 분리시켰다. 응축기(800)에 생성된 액체유황을 반응챔버(100) 저부에 추가로 투입하여 황의 소모를 보상하였다.
반응챔버(100) 출구의 가스와 응축기(800) 출구부의 가스를 분석하였다. 그 결과 반응챔버(100) 출구부의 황화수소는 96.3%이었고, 응축기(800) 출구부의 황화수소는 99.9%, H2S2는 10ppm임을 확인하였다.
도 3은 수소공급관 및 수소분사노즐의 배열구조를 도시하는 반응챔버(100)의 수평단면도이다.
본 발명에 의한 황화수소 반응기는 수소분사노즐(510)에서 분사되는 수소가스가 커버플레이트(110)의 상면에 고르게 분사될 수 있도록 구성될 수 있다.
예를 들어 상기 커버플레이트(110)가 평면 형상이 원형을 이루는 원판 형상으로 형성되는 경우, 상기 수소공급관(500)은 상기 반응챔버(100)의 내측에 위치하는 부위가 링 형상으로 형성되고, 상기 수소분사노즐(510)은 상기 수소공급관(500) 중 링 형상으로 형성된 부위에 등간격을 이루도록 배열될 수 있다.
이와 같이 수소분사노즐(510)이 원형으로 배열되면, 각 수소분사노즐(510)에서 분사되는 수소가스가 커버플레이트(110)의 상면 전체에 걸쳐 고르게 분포되므로 수소가스의 가열이 보다 효과적으로 이루어질 수 있을 뿐만 아니라, 각 수소분사노즐(510)에서 분사되는 수소가스의 유동경로가 상호 간섭되지 아니하여 수소가스가 원활하게 흐를 수 있게 된다는 장점이 있다.
본 실시예에서는 반응챔버(100)가 원통 형상으로 형성되어 상기 커버플레이트(110)가 원판 형상으로 형성되고 수소분사노즐(510)이 원형으로 배열되는 경우만을 도시하고 있으나, 상기 커버플레이트(110)의 형상 및 수소분사노즐(510)의 배열패턴은 반응챔버(100)의 형상에 맞춰 다양하게 변경될 수 있다.
도 4는 커버플레이트(110)의 평면도이다.
수소분사노즐(510)에서 분사된 수소가스가 커버플레이트(110)의 상면에 부딪혔을 때 상기 수소가스가 곧바로 반사되면(도 1의 점선화살표 참조), 수소가스와 커버플레이트(110) 간의 접촉시간이 매우 짧아 수소가스가 효과적으로 가열되지 못할 뿐만 아니라, 수소가스가 반응챔버(100) 내부공간 전체에 걸쳐 고르게 분포되지 못할 수 있다는 단점이 있다.
따라서 본 발명에 의한 황화수소 반응기는 수소분사노즐(510)에서 분사된 수소가스가 커버플레이트(110)의 상면 전체에 걸쳐 고르게 접촉되었다가 상측으로 유동하도록 구성될 수 있다.
예를 들어 상기 다수 개의 수소분사노즐(510)이 원형으로 배열되는 경우, 상기 커버플레이트(110)의 상면 중 상기 수소분사노즐(510)과 대응되는 지점에는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 수소분사노즐(510)에서 분사된 수소가스를 사방으로 분산시키는 방사형 유로홈(112)이 형성될 수 있다.
이와 같이 수소분사노즐(510) 하방에 방사형 유로가 각각 형성되면, 각각의 수소분사노즐(510)에서 하향 분사된 수소가스가 방사형 유로를 따라 방사형으로 분산되어 커버플레이트(110)의 상면을 타고 흐른 후 상향으로 유동하게 된다. 이와 같이 수소가스가 커버플레이트(110)의 상면을 타고 흐르게 되면, 수소가스와 커버플레이트(110) 간의 접촉시간이 증가될 뿐만 아니라 커버플레이트(110)의 상면 전체에 걸쳐 수소가스가 접촉되므로, 수소가스가 더욱 효과적으로 가열될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 수소가스가 방사형 유로를 따라 방사형으로 분산된 후 상측으로 유동하게 되면, 반응챔버(100)의 내부공간 전체에 걸쳐 수소가스가 고르게 채워지므로, 액체유황 분무입자와의 접촉효율 및 이에 따른 황화수소 전환율이 현저히 향상되는 효과도 얻을 수도 있다.
이때, 상기 방사형 유로의 형상은 수소가스를 방사형으로 분산시켜 흐르도록 할 수 있다면 본 실시예에 도시된 형상에 한정되지 아니하고 다양한 형상으로 변경될 수 있다.
도 5는 본 발명에 의한 황화수소 반응기 제2 실시예의 개략도이고, 도 6은 본 발명에 의한 황화수소 반응기 제3 실시예의 개략도이다.
본 발명에 의한 황화수소 반응기는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 유황분무노즐(410)이 다수 개 구비될 수 있다. 이와 같이 유황분무노즐(410)이 다수 개 구비되는 경우, 상기 유황분무노즐(410)은 반응챔버(100)의 내부공간 중심부뿐만 아니라 반응챔버(100)의 측벽 부위로도 액체유황 입자를 분사할 수 있으므로, 수소가스와 액체유황 입자의 접촉률을 높일 수 있다는 장점이 있다.
더 나아가 수소분사노즐(510)을 통해 분사되는 수소가스와 액체유황 입자의 접촉률을 더욱 효과적으로 높일 수 있도록, 본 발명에 의한 황화수소 반응기는 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유황분무노즐(410)이 상하로 2단 이상 배열될 수도 있다.
이와 같이 유황분무노즐(410)이 상하로 다단 배열되면, 수소분사노즐(510)을 통해 분사되어 상승하던 수소가스가 하측에 위치한 유황분무노즐(410)에서 분사되는 액체유황 입자와 접촉하지 못하는 경우가 발생하더라도 상측에 위치한 유황분무노즐(410)에서 분사되는 액체유황 입자와 접촉하는 기회를 가질 수 있다. 즉, 유황분무노즐(410)이 상하로 다단 배열되면, 수소분사노즐(510)을 통해 분사되어 상승하던 수소가스가 액체유황 입자와 접촉될 수 있는 기회가 여러 회 주어지게 되는바, 황화수소 전환율을 현저히 높일 수 있게 된다는 장점이 있다.
이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.
100 : 반응챔버 110 : 커버플레이트
112 : 방사형유로홈 200 : 액체유황 공급관
300 : 가열기 400 : 액체유황 분무관
410 : 유황분무노즐 420 : 액체유황 이송펌프
500 : 수소공급관 510 : 수소분사노즐
600 : 인출관 700 : 수소화촉매 반응컬럼
800 : 응축기 900 : 배출관

Claims (13)

  1. 외부와 격리된 내부공간을 구비하는 반응챔버(100);
    상기 반응챔버(100)의 내부공간으로 액체유황을 공급하는 액체유황 공급관(200);
    상기 반응챔버(100) 내부공간에 저장된 액체유황을 가열하는 가열기(300);
    상기 반응챔버(100) 내부공간에 저장된 액체유황을 회수한 후 상기 반응챔버(100) 내부공간의 상측으로 분무시키는 액체유황 분무관(400); 및
    상기 반응챔버(100)의 내부공간 중 액체유황이 저장되어 있는 지점과 상기 액체유황이 분무되는 지점 사이로 수소가스를 공급하는 수소공급관(500); 을 포함하며,
    상기 수소공급관(500)은 상기 반응챔버(100) 내부공간에서 수소가스를 하향으로 분사시키는 하나 이상의 수소분사노즐(510)을 구비하고,
    상기 액체유황이 저장되어 있는 공간의 상측에는 커버플레이트(110)가 구비되되 상기 커버플레이트(110)의 가장자리는 상기 반응챔버(100)의 내벽과 일정거리 이격되며,
    상기 수소분사노즐(510)에서 분사된 수소가스는 상기 커버플레이트(110)의 상면에 접촉된 후 상승하도록 구성되어,
    상기 수소가스는 상기 커버플레이트(110)의 상면에 접촉되는 동안 가열되는 것을 특징으로 하는 황화수소 반응기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 커버플레이트(110)의 상면은, 가운데 부위가 상향으로 볼록하고 가장자리로 갈수록 점진적으로 낮아지도록 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 황화수소 반응기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 커버플레이트(110)는 평면 형상이 원형으로 형성되고,
    상기 수소공급관(500)은 상기 반응챔버(100)의 내측에 위치하는 부위가 링 형상으로 형성되며,
    상기 수소분사노즐(510)은 상기 수소공급관(500) 중 링 형상으로 형성된 부위에 등간격을 이루도록 배열되는 것을 특징으로 하는 황화수소 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 커버플레이트(110)의 상면 중 상기 수소분사노즐(510)과 대응되는 지점에는, 상기 수소분사노즐(510)에서 분사된 수소가스를 사방으로 분산시키는 방사형 유로홈(112)이 형성되는 것을 특징으로 하는 황화수소 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응챔버(100) 내부에서 전환된 황화수소와, 미반응 수소가스 및 미반응 유황가스를 상기 반응챔버(100) 외부로 인출시키는 인출관(600);
    상기 인출관(600)을 통해 인출되는 가스를 전달받아, 미반응 수소가스 및 미반응 유황가스를 황화수소로 전환시키는 수소화촉매 반응컬럼(700);
    상기 수소화촉매 반응컬럼(700)을 통해 인출되는 황화수소를 응축시키는 응축기(800);
    상기 응축기(800) 내의 황화수소를 외부로 배출시키는 배출관(900);
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 황화수소 반응기.
  9. 반응챔버(100) 내부공간으로 액체유황을 공급하는 제1 단계;
    상기 반응챔버(100) 내부에 저장된 액체유황을 가열하는 제2 단계; 및
    상기 반응챔버(100) 내부공간에 저장된 액체유황을 액체유황 분무관(400)으로 회수하여 상기 반응챔버(100) 내부공간의 상측으로 분무시키고, 상기 반응챔버(100)의 내부공간 중 액체유황이 저장되어 있는 지점과 상기 액체유황이 분무되는 지점 사이로 수소가스를 공급하는 제3 단계; 를 포함하되,
    상기 반응챔버(100)의 내부공간에는, 상기 액체유황이 저장되어 있는 공간의 상측을 덮되, 가장자리가 상기 반응챔버(100)의 내벽과 이격되는 커버플레이트(110)가 설치되고,
    상기 제3 단계는, 분사된 수소가스가 상기 커버플레이트(110)의 상면에 접촉된 후 상승하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 황화수소 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 반응챔버(100) 내부로 분무되는 액체유황의 입자크기는 10㎛ 내지 1000㎛인 것을 특징으로 하는 황화수소 제조방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 액체유황 분무관(400)으로 회수되는 액체유황의 온도는 300℃ 내지 600℃인 것을 특징으로 하는 황화수소 제조방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 액체유황 분무관(400)으로 회수되는 액체유황의 압력은 1bar 내지 10bar이고, 상기 액체유황 분무관(400)으로 회수되는 액체유황의 유량은 100ℓ/h 내지 10000ℓ/h인 것을 특징으로 하는 황화수소 제조방법.
  13. 삭제
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