KR20120129246A - Integral vertical silicon carbide reactor for decomposing sulfuric acid and Pressurized decomposition method of sulfuric acid using the same - Google Patents

Integral vertical silicon carbide reactor for decomposing sulfuric acid and Pressurized decomposition method of sulfuric acid using the same Download PDF

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Abstract

PURPOSE: A vertically integrated silicon carbide reactor for decomposing sulfuric acid, an apparatus for decomposing sulfuric acid using the same, and a method for decomposing sulfuric acid using the same are provided to bear high temperatures and pressures and to improve corrosion resistance to acid. CONSTITUTION: A vertically integrated silicon carbide reactor includes a silicon carbide-based bell-shaped upper tube, a silicon carbide-based bell-shaped lower tube, a silicon carbide-based center connecting part(24), and a stainless steel-based fastening part(25). The center connecting part connects the upper tube and the lower tube. The fastening part includes an aluminum liner. The center connecting part includes a sulfuric acid inlet, a sulfuric acid decomposed gas outlet, a supplying path, a discharging path, and one or more gas ascending flow path. The sulfuric acid inlet is connected to the supplying path. The sulfuric acid decomposed gas outlet is connected to the discharging path.

Description

수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기 및 이를 이용한 가압황산분해방법{Integral vertical silicon carbide reactor for decomposing sulfuric acid and Pressurized decomposition method of sulfuric acid using the same}Integral vertical silicon carbide reactor for decomposing sulfuric acid and Pressurized decomposition method of sulfuric acid using the same}

본 발명은 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 강산성의 황산과 분해 생성물(SO3, SO2, O2, H2O)의 부식성에 견디며 고온, 고압 조건에 적용할 수 있는 실리콘카바이드 재질의 튜브로 제조한 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기, 이를 포함하는 황산분해장치 및 황산분해방법에 관한 것이다.The present invention relates to a vertically integrated silicon carbide sulfate decomposition reactor, and more particularly, to withstand the corrosiveness of strongly acidic sulfuric acid and decomposition products (SO 3 , SO 2 , O 2 , H 2 O) and can be applied to high temperature, high pressure conditions The present invention relates to a vertically integrated silicon carbide sulfate reaction reactor made of a silicon carbide tube, a sulfate decomposition device including the same, and a sulfuric acid decomposition method.

수소는 연료전지의 원료로 또는 수소엔진의 원료로 활용되어 현대사회의 주 에너지원인 화석연료를 대체할 미래형 에너지 매체로 주목받고 있다. 수소는 물을 전기분해하여 얻을 수 있지만 수소 제조의 에너지효율이 낮다. 보다 에너지 효율이 높은 방법으로 몇 개의 화학반응을 조합하여 물을 단계적으로 분해해서 수소와 산소로 만드는 열화학적 물 분해 방법(thermochemical water splitting)이 있다.Hydrogen is attracting attention as a future energy medium to replace fossil fuel, which is the main energy source of modern society, as a raw material of fuel cell or hydrogen engine. Hydrogen can be obtained by electrolysis of water, but the energy efficiency of hydrogen production is low. A more energy efficient method is thermochemical water splitting, which combines several chemical reactions to stage the decomposition of water into hydrogen and oxygen.

황산분해반응은 열화학적 물 분해 수소 제조 방법 중에서도 가장 에너지효율이 높게 평가되는 황-요오드 열화학 싸이클에 의한 물 분해 수소 제조 공정(SI thermochemical water splitting cycle) 또는 열화학-전기화학 싸이클에 의한 물 분해 수소 제조 공정(thermochemical-electrochemical hybrid water splitting cycle)의 핵심반응 중 하나로서 고온에서 황산을 삼산화황(SO3), 이산화황(SO2), 산소(O2), 물(H2O)로 분해하는 반응이다. 예로 황-요오드 열화학 싸이클은 아래 식과 같이 황산분해반응, 분센(Bunsen) 반응, HI 분해반응 등으로 구성된다.Sulfuric acid decomposition is the most energy-efficient method of thermochemical hydrolysis hydrogen production. Hydrogen hydrolysis is carried out by the SI thermochemical water splitting cycle or thermochemical-electrochemical cycle. One of the key reactions of the thermochemical-electrochemical hybrid water splitting cycle is the decomposition of sulfuric acid into sulfur trioxide (SO 3 ), sulfur dioxide (SO 2 ), oxygen (O 2 ) and water (H 2 O) at high temperatures. For example, the sulfur-iodine thermochemical cycle is composed of sulfuric acid decomposition, Bunsen reaction, HI decomposition reaction and the like as shown below.

H2SO4 → H2O + SO3 (1)H2SO4 → H2O + SO3 (One)

H2O + SO3 → H2O + SO2 + 1/2 O2 (2)H2O + SO3 → H2O + SO2 + 1/2 O2 (2)

2 H2O + SO2 + x I2 → H2SO4 + 2 HIx (3)2 H2O + SO2 + x I2 → H2SO4 + 2 HIx (3)

2 HIx → xI2 + H2 (4)2 HIx → xI2 + H2 (4)

상기 식 (1)과 식 (2)는 황산분해반응으로서, 식 (1)은 황산이 증발되면서 분해되기 시작하여 온도가 높을수록 잘 진행되는 열분해반응으로 흡열반응이며, 식 (2)의 황산분해반응은 식 (1)에서 생성된 SO3가 800-950 ℃의 고온에서 촉매 상에서 SO2로 분해되는 촉매분해반응으로 흡열반응이며, 식 (3)의 분센반응은 발열반응으로 촉매 없이도 80-120 ℃에서 진행되며, 식 (4)의 HI 분해반응은 흡열반응으로 400-450 ℃에서 촉매반응에 의해 진행된다.Equations (1) and (2) are sulfuric acid decomposition reactions, and Equation (1) is an endothermic reaction with pyrolysis that proceeds as sulfuric acid evaporates and proceeds as the temperature increases. The reaction is an endothermic reaction in which SO 3 produced in Equation (1) is decomposed into SO 2 on a catalyst at a high temperature of 800 to 950 ° C., and the Bunsen reaction of Equation (3) is exothermic, resulting in 80-120 reaction without a catalyst. It proceeds at ℃, the HI decomposition reaction of the formula (4) is an endothermic reaction proceeds by the catalytic reaction at 400-450 ℃.

이와 같이 황-요오드 열화학 싸이클 중 황산분해반응이 가장 높은 온도의 열을 이용하는 부분으로서, 고온, 고압 조건에서 사용이 가능하며 동시에 강산성 조건에서 내식성이 큰 반응기의 개발이 필요하다.As such, the sulfuric acid decomposition reaction uses the heat of the highest temperature in the sulfur-iodine thermochemical cycle, and it is necessary to develop a reactor that can be used under high temperature and high pressure conditions and has high corrosion resistance under strong acid conditions.

석영(quartz) 재질을 고온의 황산분해반응에 사용할 수 있으나, 일반 유리와 같이 높은 온도에서 압력이 가해지는 경우, 즉 고온, 고압 조건에서는 쉽게 파손되므로 가압 조건에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.Quartz (quartz) material can be used for high-temperature sulfuric acid decomposition, but when the pressure is applied at a high temperature, such as general glass, that is, it is difficult to apply to pressurized conditions because it is easily broken under high temperature, high pressure conditions.

실리콘카바이드(SiC)는 실리콘(Si)과 탄소(C)를 원료로 만든 화합물로 압축강도가 높고, 높은 온도에서도 변형이 적으며, 열전도성이 좋은, 세라믹의 성질과 금속의 성질을 혼합하여 보유하는 물질로서 내식성이 대단히 뛰어난 소재이다. 실리콘카바이드로 다양한 형태의 물건을 제작할 수는 있으나 일단 소성한 후에는 재접합과 가공이 쉽지 않은 단점이 있다. 그러나 유기화합물뿐만 아니라 부식성이 큰 산 또는 알칼리 화합물에도 견디며 고온에서도 침식되지 않고 기계적 강도와 내마모성이 매우 우수하여 반도체 공정의 웨이퍼 홀더나 내산성 펌프의 베어링 소재, 화학공장에서 배출되는 고온 산성 배기가스의 열교환기 소재로 활용되고 있다.Silicon carbide (SiC) is a compound made of silicon (Si) and carbon (C). It has a high compressive strength, little deformation even at high temperatures, and has a mixture of ceramic and metal properties with good thermal conductivity. It is a material with excellent corrosion resistance. Silicon carbide can be manufactured in various forms, but once fired, it is not easy to rebond and process. However, it resists not only organic compounds but also highly corrosive acids or alkali compounds, does not corrode at high temperatures, and has excellent mechanical strength and abrasion resistance. Therefore, heat exchange of high temperature acid exhaust gases emitted from wafer holders, acid-resistant pump bearing materials, and chemical plants in semiconductor processes It is used as a base material.

이와 같이 실리콘카바이드 소재는 고온의 산성 분위기에 대해 적용이 가능하며 어느 정도의 기계적 강도를 갖고 있어서 고압 조건에도 적용이 가능하다. 따라서 750 ℃ 이상 고온의 촉매 상에서 진행되는 황산분해반응의 반응기 재질로 사용할 수 있다.As such, the silicon carbide material can be applied to an acidic atmosphere of high temperature and has a certain mechanical strength, so that it can be applied to high pressure conditions. Therefore, it can be used as a reactor material of sulfuric acid decomposition reaction that proceeds on a catalyst of 750 ℃ or higher.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 강산성, 고온, 고압의 조건에서도 안정적으로 황산분해가 가능한 실리콘카바이드 소재의 수직 일체형 황산분해반응기를 제공하는 것이다.Accordingly, the first problem to be solved by the present invention is to provide a vertically integrated sulfuric acid decomposition reactor of a silicon carbide material capable of stable sulfate decomposition even under conditions of strong acidity, high temperature, and high pressure.

본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 상기 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하는 황산분해장치를 제공하는 것이다.The second problem to be solved by the present invention is to provide a sulfuric acid decomposition device including the vertical integrated sulfuric acid decomposition reactor.

본 발명이 해결하고자 하는 세 번째 과제는 상기 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기를 이용하여 높은 온도, 압력에서 황산 증발, 예열, 열분해, 촉매분해 등 일련의 황산분해반응 과정이 하나의 장치 내에서 일어나도록 하여 안정적으로 황산을 분해해서 삼산화황(SO3), 물(H2O), 더 나아가 이산화황(SO2)과 산소(O2)를 제조하는 황산분해방법을 제공하는 것이다.The third problem to be solved by the present invention is to use a vertically integrated silicon carbide sulfate reactor to allow a series of sulfuric acid decomposition processes such as sulfuric acid evaporation, preheating, pyrolysis, catalytic decomposition at a high temperature, pressure to occur in a single device It is to provide a sulfuric acid decomposition method for producing sulfur trioxide (SO 3 ), water (H 2 O), and further sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ) by decomposing sulfuric acid stably.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the first object,

실리콘카바이드 소재 벨 형상의 상부튜브, 실리콘카바이드 소재 벨 형상의 하부튜브, 상기 상부 튜브와 하부 튜브를 연결하는 실리콘 카바이드 소재의 중앙 연결부 및 상기 상부 튜브 및 상기 하부 튜브와 상기 중앙 연결부를 체결하는 알루미늄 라이너가 장착된 스테인레스스틸 소재의 체결부를 포함하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기로서,Silicon carbide bell-shaped upper tube, silicon carbide bell-shaped lower tube, silicon carbide center connecting portion connecting the upper tube and the lower tube and aluminum liner for fastening the upper tube and the lower tube and the central connection portion A vertically integrated silicon carbide sulfate reactor comprising a fastening part of stainless steel equipped with

상기 중앙 연결부는 황산 투입구, 황산분해가스 배출구, 공급 유로, 배출 유로 및 1 개 이상의 기체 상승 유로를 포함하고, 상기 황산투입구는 상기 공급유로와 연결되어 있으며, 상기 황산분해가스 배출구는 상기 배출유로와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산 분해 반응기를 제공한다.The central connection portion includes a sulfuric acid inlet, a sulfuric acid cracking outlet, a supply passage, an outlet passage, and one or more gas ascending passages, wherein the sulfuric acid inlet is connected to the supply passage, and the sulfated gas outlet is connected to the outlet passage. It provides a vertically integrated silicon carbide sulfuric acid decomposition reactor, characterized in that connected.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해반응기는 상기 상부 튜브 및 상기 하부 튜브 각각의 튜브 내부에 양 말단이 뚫려있는 상부 내부관(upper inner tube) 및 하부 내부관(lower inner tube)을 각각 더 포함하고, 상기 상부 내부관의 한쪽 말단은 상기 배출 유로와 연결되며, 상기 하부 내부관의 한쪽 말단은 상기 공급 유로와 연결될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the sulfate decomposition reactor comprises an upper inner tube and a lower inner tube, both ends of which are drilled in the respective tubes of the upper tube and the lower tube, respectively. It further includes, one end of the upper inner tube is connected to the discharge passage, one end of the lower inner tube may be connected to the supply passage.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해가스 배출구는 상기 중앙 연결부 상부 측면에 위치하고, 상기 황산 투입구는 상기 중앙 연결부 하부 측면에 위치하며, 상기 배출 유로는 수직 배출유로와 수평 배출유로로 이루어지고, 상기 수직 배출유로는 상기 중앙 연결부 상부면 중심에서 상기 중앙 연결부의 중심축을 따라 하부로 향해 상기 수평 배출유로와 이어져 있으며, 상기 수평 배출유로는 상기 황산분해가스 배출구에서 상기 중심축 방향으로 수평으로 향하여 상기 수직 배출유로와 연결되고, 상기 공급유로는 수직 공급유로와 수평 공급유로로 이루어지고, 상기 수직 공급유로는 상기 중앙 연결부 하부면 중심에서 상기 중앙 연결부의 중심축을 따라 상부로 향해 상기 수평 공급유로와 이어져 있으며, 상기 수평 공급유로는 상기 황산 투입구에서 상기 중심축 방향으로 수평으로 향하여 상기 수직 공급유로와 연결되고, 상기 1개 이상의 기체상승 유로는 상기 수직 공급유로 및 수직 배출유로보다 상기 중심축으로부터 더 먼 위치에서 상기 수평 배출유로와 상기 수평 공급유로와는 만나지 않도록 상기 중앙 연결부를 수직으로 관통할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the sulfuric acid decomposition gas outlet is located on the upper side of the central connecting portion, the sulfuric acid inlet is located on the lower side of the central connecting portion, the discharge passage is composed of a vertical discharge passage and a horizontal discharge passage The vertical discharge passage is connected to the horizontal discharge passage downwardly from the center of the upper surface of the central connection portion along the central axis of the central connection portion, and the horizontal discharge passage is horizontally directed toward the central axis direction from the sulfuric acid decomposition gas outlet. The supply passage is connected to the vertical discharge passage, the supply passage consists of a vertical supply passage and a horizontal supply passage, the vertical supply passage and the horizontal supply passage toward the top along the central axis of the central connecting portion from the center of the lower surface of the central connecting portion; The horizontal feed passage is connected to the sulfuric acid inlet And the horizontal supply passage is connected horizontally in the direction of the central axis to the vertical supply passage, wherein the one or more gas rise passages are located at a position farther from the central axis than the vertical supply passage and the vertical discharge passage. The central connection part may be vertically penetrated so as not to meet the flow path.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상부 튜브의 상부에는 입상 황산분해촉매층을 더 포함하고, 상기 입상 황산분해촉매층은 상부 내부관의 상부 말단 내부에 설치하거나, 또는 상기 상부 내부관과 상기 상부 튜브 사이에 설치할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the upper tube further includes a granular sulfate decomposition catalyst layer, wherein the granular sulfate decomposition catalyst layer is installed inside the upper end of the upper inner tube, or the upper inner tube and the upper tube Can be installed in between.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산 투입구 및 상기 황산분해가스 배출구에는 각각 황산 투입배관과 분해가스 배출배관과 연결할 수 있도록 백금(Pt), 금(Au) 등의 귀금속이 라이닝된 금속튜브를 체결시킬 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the sulfuric acid inlet and the sulfuric acid cracking gas outlet are metal tubes lined with precious metals such as platinum (Pt) and gold (Au) so as to be connected to the sulfuric acid inlet pipe and the decomposition gas discharge pipe, respectively. Can be tightened.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상부 내부관과 상기 하부 내부관은 압력 영향을 받지 않으므로 그 재질은 석영 또는 실리콘카바이드일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, since the upper inner tube and the lower inner tube are not affected by pressure, the material may be quartz or silicon carbide.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 상부 튜브와 상기 상부 내부관 사이에는 라시그링(Raschig ring) 형태의 석영관(quartz tube) 조각 또는 세라믹관(ceramic tube) 조각을 충진할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, between the upper tube and the upper inner tube, a piece of quartz tube or ceramic tube in the form of a Raschig ring may be filled.

본 발명은 상기 두 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the second technical problem,

상기 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하여 황산을 분해하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해장치를 제공하는 것이다.It is to provide a sulfuric acid decomposition device for producing sulfur dioxide and oxygen by decomposing sulfuric acid, including the vertically integrated sulfuric acid decomposition reactor.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해장치는 수직 일체형 황산분해반응기를 복수의 다발로 연결할 수 있다.According to one embodiment of the invention, the sulfuric acid decomposition device may be connected to the vertical integrated sulfuric acid decomposition reactor in a plurality of bundles.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해반응기의 상부 튜브 및 하부 튜브를 각각 다른 온도로 가열할 수 있는 가열로를 더 포함할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the upper tube and the lower tube of the sulfuric acid decomposition reactor may further include a heating furnace capable of heating to a different temperature, respectively.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해반응기로 공급되는 황산 공급속도를 조절할 수 있는 황산공급펌프 및 상기 황산분해반응기에서 배출하는 황산분해가스의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기 내의 압력을 조절할 수 있는 압력조절밸브를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the pressure in the sulfuric acid decomposition reactor by adjusting the sulfuric acid supply pump and the rate of sulfuric acid decomposition gas discharged from the sulfuric acid decomposition reactor to control the sulfuric acid supply rate supplied to the sulfuric acid decomposition reactor It may further include a pressure control valve.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 황산분해반응기에서 배출되는 SO3과 H2O을 포집하여 기체 SO2와 O2를 분리하는 희황산 용액 트랩 및 상기 황산분해반응기에서 생성되는 SO2 양을 측정하기 위한 SO2 포집용 KI/I2 수용액 트랩을 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the sulfuric acid solution trap for capturing SO 3 and H 2 O discharged from the sulfuric acid decomposition reactor to separate gases SO 2 and O 2 , and the amount of SO 2 generated in the sulfuric acid decomposition reactor is measured. SO 2 to A KI / I 2 aqueous solution trap for collecting may be further included.

본 발명은 상기 세 번째 기술적 과제를 달성하기 위하여,The present invention to achieve the third technical problem,

상기 황산분해장치를 이용하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해방법에 있어서, (a) 하부 내부관을 통하여 하부 튜브에 황산 용액을 공급하고, 하부 튜브의 온도를 350-700 ℃로 가열하여 황산을 증발시키면서 SO3와 H2O로 열분해하는 단계; (b) 상부튜브의 온도를 700-1000 ℃로 가열하여 상기 (a)단계에서 분해되지 않은 황산을 추가적으로 SO3와 H2O로 열분해하고, 상부 튜브에 설치된 촉매층에서 SO3와 H2O를 SO2과 O2로 분해하는 단계; 및 (c) 상기 분해된 SO2과 O2를 상부 내부관을 통하여 배출하는 단계를 포함하는 황산분해방법을 제공한다.In the sulfuric acid decomposition method for producing sulfur dioxide and oxygen using the sulfuric acid decomposition device, (a) sulfuric acid solution is supplied to the lower tube through the lower inner tube, and the sulfuric acid is heated by heating the temperature of the lower tube to 350-700 ℃ Pyrolysing with SO 3 and H 2 O while evaporating; (b) heating the temperature of the upper tube to 700-1000 ℃ pyrolysis and the undissolved sulfate in the step (a) with additional SO 3 and H 2 O, the SO 3 and H 2 O in the catalyst layer provided on the upper tube Decomposing into SO 2 and O 2 ; And (c) discharging the decomposed SO 2 and O 2 through an upper inner tube.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (a)단계는 황산 용액을 공급하는 속도를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 황산 용액을 5.0-15.0 g/min으로 공급할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step (a) may further comprise the step of adjusting the rate of supply of sulfuric acid solution, the sulfuric acid solution may be supplied at 5.0-15.0 g / min.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 (c)단계는 분해된 SO2과 O2의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기의 압력을 조절하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 황산분해반응기의 압력은 0.2-5.0 기압일 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the step (c) may further include adjusting the pressure of the sulfate decomposition reactor by adjusting the discharge rate of the decomposed SO 2 and O 2 , the pressure of the sulfate decomposition reactor May be 0.2-5.0 atmospheres.

본 발명에 따른 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기는 고온과 고압에 견디며 산에 대한 내식성이 우수하여 종래 유리(파이렉스)나 석영 재질로는 구현하기 어려운 가압 황산분해반응을 수행할 수 있고, 벨형 실리콘카바이드 튜브 2개를 수직으로 연결한 일체형 반응기로서 황산 증발과 예열, 열분해와 촉매분해를 구분하여 진행함으로써 넓은 열전달면적을 확보하고 효율적으로 황산 증발, 예열, 열분해, 촉매분해에 필요한 열을 공급하므로 높고 안정적인 황산분해전환율을 유지할 수 있다. 또한, 수직 일체형 황산분해반응기 여러 대를 일렬로 배치하거나 이러한 일렬배치를 여러 열로 배치하여 SO2, O2의 대량생산 공정을 구성할 수 있다.The vertically integrated silicon carbide sulfate decomposition reactor according to the present invention can withstand high temperature and high pressure and has excellent corrosion resistance against acid to perform pressurized sulfate decomposition reaction which is difficult to realize with conventional glass (pyrex) or quartz, and bell type silicon carbide. It is an integrated reactor in which two tubes are connected vertically to separate sulfuric acid evaporation, preheating, pyrolysis and catalytic decomposition to secure a large heat transfer area and efficiently supply heat for sulfuric acid evaporation, preheating, pyrolysis and catalytic decomposition. Sulfuric acid decomposition conversion rate can be maintained. In addition, a plurality of vertically integrated sulfuric acid decomposition reactors may be arranged in a row, or such a serial arrangement may be arranged in a row to constitute a mass production process of SO 2 and O 2 .

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기를 포함하는 가압 황산분해장치 및 황산분해방법을 나타낸 개략도이다.
도 2는 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기의 조립도이다.
도 3은 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기에 사용되는 실리콘카바이드 튜브를 나타낸 상세도이다.
도 4는 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기에 사용되는 실리콘카바이드 중앙연결부와 그에 연결되는 실리콘카바이드 또는 석영재질 내부관을 나타내는 상세도이다.
도 5는 황산분해용 입상촉매층 설치방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 여러 개의 일체형 실리콘카바이드 반응기를 연결한 대용량 가압 황산분해 장치의 개념도이다.
1 is a schematic view showing a pressurized sulfuric acid decomposition device and a sulfuric acid decomposition method including a vertically integrated silicon carbide reactor according to an embodiment of the present invention.
2 is an assembly view of a vertically integrated silicon carbide reactor for pressurized sulfuric acid decomposition.
Figure 3 is a detailed view of the silicon carbide tube used in the vertically integrated silicon carbide reactor for pressure sulfate decomposition.
Figure 4 is a detailed view showing the silicon carbide center connection used in the vertically integrated silicon carbide reactor for sulfuric acid decomposition and the silicon carbide or quartz inner tube connected thereto.
5 is a view showing a granular catalyst layer installation method for sulfuric acid decomposition.
6 is a conceptual diagram of a large-capacity pressurized sulfuric acid decomposition apparatus in which several integrated silicon carbide reactors are connected.

이하, 도면 부호를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the reference numerals.

본 발명은 고온, 고압 조건에서 황산을 증발, 예열, 열분해, 촉매분해 하여 삼산화황(SO3), 물(H2O), 더 나아가 이산화황(SO2)과 산소(O2)를 제조하는데 이용 가능한 것으로서, 고온 황산분해반응에 적합한 실리콘카바이드(SiC) 재질의 한 쪽 끝이 막힌 벨(bell)형 튜브로 된 수직 일체형 황산분해반응기로, 벨형 실리콘카바이드 튜브 2개를 실리콘카바이드 중앙연결부 상하로 수직으로 연결하고 각각의 튜브 내에 양 끝이 뚫린 내부관을 설치한 수직 일체형 황산분해반응기인 것을 특징으로 한다.
The present invention can be used to prepare sulfur trioxide (SO 3 ), water (H 2 O), further sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ) by evaporation, preheating, pyrolysis and catalytic cracking of sulfuric acid under high temperature and high pressure conditions. A vertically integrated sulfuric acid reactor in which one end of a closed bell tube of silicon carbide (SiC) is suitable for high temperature sulfuric acid reaction, and two bell silicon carbide tubes are placed vertically above and below the silicon carbide center connection. It is characterized in that the vertically integrated sulfuric acid decomposition reactors connected to each other and installed in the inner tube with both ends in each tube.

본 발명에 따른 수직 일체형 황산분해반응기를 하기 도 2, 도 3, 도 4 및 도 5를 참조하여 설명한다.The vertical integrated sulfuric acid decomposition reactor according to the present invention will be described with reference to FIGS. 2, 3, 4 and 5.

하기 도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기는 고온 분해반응에 적합한 실리콘카바이드 재질의 한 쪽 끝이 막힌 벨(bell)형 실리콘카바이드 튜브(21) 2 개를 실리콘카바이드 중간연결부(24)에 상하로 연결하고 각 상부와 하부의 실리콘카바이드 튜브 내에 양 끝이 뚫린 석영 또는 실리콘카바이드 재질의 내부관(inner tube, 22)을 설치한 수직 일체형 황산분해반응기이다.As shown in FIG. 2, the vertically integrated silicon carbide reactor for sulfuric acid decomposition according to the present invention includes two bell-shaped silicon carbide tubes 21 at which one end of a silicon carbide material suitable for high temperature decomposition reaction is blocked. It is a vertically integrated sulfuric acid reactor in which a silicon carbide intermediate connector 24 is connected up and down, and inner tubes 22 of quartz or silicon carbide, both ends of which are drilled at both upper and lower silicon carbide tubes, are installed.

상부와 하부의 실리콘카바이드 튜브를 2개의 가열로로 각기 다른 온도로 가열하면서 실리콘카바이드 재질의 중앙연결부(24)로 원료 황산용액을 투입하여 황산이 하부 내부관을 따라 아래로 흘러내리고 하부 실리콘카바이드 튜브(21)에서 가열되어 증발하고, 생성된 기체가 상승하면서 예열되고, 예열된 기체가 중앙연결부(24)의 기체상승 유로를 따라 상부 튜브로 이동하여 상승하면서 상부 실리콘카바이드 튜브에서 높은 온도로 가열되어 삼산화황(SO3)과 물(H2O)로 열분해되고, 이는 다시 상승하면서 더 높은 온도로 가열되어 황산분해촉매층(23)을 통과하면서 이산화황(SO2)과 산소(O2)로 촉매분해되고, 반응 후의 SO2, O2를 함유하는 혼합기체는 상부 실리콘카바이드 튜브 내 내부관(22)을 따라 하강하여 중앙연결부(24)의 유로를 따라 외부로 배출되는 일련의 과정을 거쳐 황산으로부터 SO2, O2를 제조하는 것을 특징으로 한다.While heating the upper and lower silicon carbide tubes with two heating furnaces at different temperatures, the raw sulfuric acid solution is introduced into the silicon carbide center connector 24 so that sulfuric acid flows down along the lower inner tube and the lower silicon carbide tube Heated and evaporated at 21, the generated gas is preheated as it rises, and the preheated gas is heated to a high temperature in the upper silicon carbide tube as it moves up to the upper tube along the gas rise passage of the central connection 24, Pyrolysates to sulfur trioxide (SO 3 ) and water (H 2 O), which are heated again to a higher temperature, rising again and catalyzed by sulfur dioxide (SO 2 ) and oxygen (O 2 ) as they pass through the sulfuric acid decomposition catalyst layer (23). After the reaction, the mixed gas containing SO 2 and O 2 is lowered along the inner tube 22 in the upper silicon carbide tube and discharged to the outside along the flow path of the central connection portion 24. It is characterized by producing a SO 2 , O 2 from sulfuric acid through a series of processes.

이와 같이, 벨형 실리콘카바이드 튜브 2개를 상하 수직으로 연결하여 황산의 증발, 예열, 열분해, 촉매분해를 모두 수행하도록 한 본 발명에 따른 수직 일체형 황산분해반응기는 벨형 실리콘카바이드 튜브 1개가 가지는 열전달면적을 두 배 이상 증가시킴으로써, 동일한 수평공간 내에서 이산화황 생산속도를 두 배 가까이 높일 수 있다.As described above, the vertically integrated sulfuric acid reactor according to the present invention, in which two bell-type silicon carbide tubes are connected vertically and vertically, performs evaporation, preheating, pyrolysis, and catalytic decomposition of sulfuric acid, thereby providing a heat transfer area of one bell-type silicon carbide tube. By more than doubling, sulfur dioxide production rates can be nearly doubled in the same horizontal space.

아울러, 실리콘카바이드 중간연결부 하부에 연결된 실리콘카바이드 하부 튜브를 황산 증발부, 예열부로 사용하고 상부에 연결된 실리콘카바이드 상부 튜브를 황산분해반응부로 사용하고, 실리콘카바이드 상부 튜브 및 하부 튜브의 온도를 다르게 유지함으로써 하나의 실리콘카바이드 튜브가 겪어야 하는 큰 온도 구배를 둘로 분산시킴으로써 실리콘카바이드 튜브의 열 충격에 의한 파손 가능성을 줄일 수 있다.In addition, by using a silicon carbide lower tube connected to the lower portion of the silicon carbide intermediate connection as the sulfuric acid evaporator, preheating unit and a silicon carbide upper tube connected to the upper portion as the sulfuric acid decomposition reaction unit, and maintaining the temperature of the silicon carbide upper tube and the lower tube different By dispersing the large temperature gradient that one silicon carbide tube must undergo in two, it is possible to reduce the possibility of thermal shock damage of the silicon carbide tube.

본 발명에 따른 벨형 실리콘카바이드 튜브 2개를 조합한 수직 일체형 황산분해반응기는 벨형 실리콘카바이드 튜브를 외부관으로 사용하고, 그 내부에 석영 또는 실리콘카바이드 재질의 양 끝이 뚫린 내부관(22)을 설치하여 유체의 흐름 길이를 2배로 늘려주어 열전달면적을 넓히고 열전달시간을 증가시킨 것을 특징으로 한다.Vertically integrated sulfuric acid decomposition reactor combining two bell-shaped silicon carbide tube according to the present invention uses a bell-shaped silicon carbide tube as an outer tube, and the inner tube 22 having both ends of quartz or silicon carbide material is installed therein. By doubling the flow length of the fluid to increase the heat transfer area is characterized in that the heat transfer time is increased.

또한, 황산 증발, 예열 분해반응에 필요한 고온 열은 실리콘카바이드 튜브 벽을 통해 외부에서 내부로 전달되는데, 실리콘카바이드 튜브와 내부관 사이에 라시그링(Raschig ring) 형태의 석영관(quartz tube) 조각 또는 세라믹관(ceramic tube) 조각을 충진하여 실리콘카바이드 튜브 내부로 전달된 고온 열이 실리콘카바이드 튜브와 내부관 사이를 흐르는 유체에 잘 전달되도록 한다.In addition, the high temperature heat required for evaporation of sulfuric acid and the preheat decomposition reaction is transferred from the outside to the inside through the silicon carbide tube wall, a piece of quartz tube in the form of a Raschig ring between the silicon carbide tube and the inner tube, or Filling a piece of ceramic tube ensures that the high temperature heat transferred inside the silicon carbide tube is well transferred to the fluid flowing between the silicon carbide tube and the inner tube.

본 발명에 따른 수직 일체형 황산분해반응기에서 상부 실리콘카바이드 튜브의 상단부에 설치한 황산분해촉매층(23)에 촉매를 충진하고 800-1000 ℃의 높은 온도로 가열하여 황산이 SO2와 O2로 분해되도록 유도하는 것을 특징으로 한다.In the vertically integrated sulfuric acid reactor according to the present invention, a catalyst is charged in the sulfate decomposition catalyst layer 23 installed at the upper end of the upper silicon carbide tube and heated to a high temperature of 800-1000 ° C. so that sulfuric acid is decomposed into SO 2 and O 2 . It is characterized by inducing.

이 때, 황산분해촉매층(23)은 하기 도 5와 같이 상부 실리콘카바이드 튜브와 내부관 사이에 설치(45)할 수도 있고 또는 내부관 상부에 설치(44)할 수도 있다.At this time, the sulfuric acid decomposition catalyst layer 23 may be installed between the upper silicon carbide tube and the inner tube as shown in Figure 5 or may be installed 44 above the inner tube.

상부 실리콘카바이드 튜브와 내부관 사이에 설치(45)하는 경우는 도 5와 같이 내부관 외벽에 링 형태의 촉매층 받침(46)을 끼우고 그 위에 촉매를 채우는 방법으로, 촉매를 충진할 때에 내부관 안으로 촉매가 흘러들어가지 않도록 내부관 상부에 종이를 풀로 붙여 구멍을 막고 입상촉매를 충진한다. 촉매 충진이 완료된 일체형 반응기를 수직으로 설치한 후 높은 온도로 가열하면 내부관 상부 구멍을 막은 종이는 타서 제거되고 기체가 흐를 수 있는 유로가 확보된다.In the case of installing 45 between the upper silicon carbide tube and the inner tube, as shown in FIG. 5, a ring-shaped catalyst layer support 46 is inserted into the outer wall of the inner tube, and the catalyst is filled therein. In order to prevent the catalyst from flowing inside, paste the paper on the upper part of the inner tube to close the hole and fill the granular catalyst. When the integrated reactor with the catalyst filling is installed vertically and heated to a high temperature, the paper blocking the upper hole of the inner tube is burned out to secure a flow path through which gas can flow.

촉매를 내부관 상부에 설치(44)하는 경우는 하기 도 5와 같이 내부관 상부를 입상 촉매를 충진할 수 있도록 넓게 확관하고 가장 좁은 부분에 가는 구멍이 여럿 뚫린 석영판 또는 석영솜(quartz wool)을 설치하여 촉매입자를 지지한다.In the case of installing the catalyst 44 on the upper part of the inner tube, a quartz plate or quartz wool having a wide opening and a plurality of narrow holes in the narrowest part can be expanded to fill the upper part of the inner tube as shown in FIG. 5. To support the catalyst particles.

하기 도 3에는 본 발명에 따른 가압 황산분해용 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기에 사용되는 실리콘카바이드 튜브를 나타낸 것으로서, 상부 실리콘카바이드 튜브와 하부 실리콘카바이드 튜브의 끝단에는 45°로 경사진 턱이 스커트형(34)으로 붙어있는데, 실리콘카바이드 중앙연결부와 접촉하는 면에 그래파이트(graphite) 재질의 가스켓을 넣고 도 2에 표시된 스테인레스스틸 재질의 금속 홀더(25)로 스커트형으로 경사진 턱을 죄어 일체형 반응기로 조립한다. 실리콘카바이드 재질 스커트와 금속 홀더(25) 및 그를 고정하는 금속 볼트(bolt)는 열팽창계수가 달라 온도가 높아지면 금속의 열팽창이 커지면서 상하 실리콘카바이드 튜브를 실리콘카바이드 중앙연결부로 죄어주는 힘이 느슨해져 접촉면의 기밀성이 떨어지는데, 이를 방지하기 위해 실리콘카바이드 경사면과 금속 홀더 사이에 얇은 링(ring)형 알루미늄 라이너(liner)(30)를 삽입한다. 경사진 링형 알루미늄 라이너는 온도가 높아지면 금속 홀더보다 더 많이 팽창하면서 상하 실리콘카바이드 튜브 스커트를 견고하게 죄어서 기밀성을 유지하게 한다.3 shows a silicon carbide tube used in a vertically integrated silicon carbide reactor for pressurized sulfuric acid decomposition according to the present invention, wherein the jaw sloped at 45 ° at the end of the upper silicon carbide tube and the lower silicon carbide tube is skirted (34). The graphite gasket is put on the surface in contact with the silicon carbide center connection, and the chin inclined in the skirt shape is fastened with the stainless steel metal holder (25) shown in FIG. . The silicon carbide skirt and the metal holder 25 and the metal bolts fixing them have different coefficients of thermal expansion, and as the temperature increases, the thermal expansion of the metal increases, and the force to tighten the upper and lower silicon carbide tubes to the silicon carbide center connection becomes loose. The airtightness is inferior. In order to prevent this, a thin ring-shaped aluminum liner 30 is inserted between the silicon carbide inclined surface and the metal holder. The inclined ring-shaped aluminum liner expands more than the metal holder at higher temperatures, while tightening the upper and lower silicon carbide tube skirts to maintain airtightness.

2개의 실리콘카바이드 튜브를 상하로 연결하고 동시에 실리콘카바이드 튜브 내에 설치되는 내부관이 조립되는 실리콘카바이드 중앙연결부(24)는 하기 도 2 및 도 4에 표시된 것과 같이 외부에서 공급되는 황산이 들어와서 하부의 내부관으로 흐르도록 중앙에 공급유로가 설치되고, 하부에서 생성된 SO3와 H2O 기체가 상부로 전달되도록 반달형 기체상승유로(38)가 설치되며, 또 상부에서 촉매에 의해 분해되어 생성된 SO2, O2 및 미반응 기체가 상부의 내부관을 따라 외부로 배출되도록 중앙에 배출유로가 설치된다.The silicon carbide center connecting portion 24, in which two silicon carbide tubes are connected up and down and at the same time, an inner tube installed in the silicon carbide tube, is assembled, is provided with sulfuric acid supplied from the outside, as shown in FIGS. A supply flow passage is installed at the center to flow through the inner tube, and a half moon gas rise passage 38 is installed to transfer the SO 3 and H 2 O gas generated at the lower portion thereof, and decomposed and generated by the catalyst at the upper portion thereof. A discharge passage is installed at the center so that SO 2 , O 2 and unreacted gas are discharged to the outside along the upper inner tube.

실리콘카바이드 중앙연결부의 황산 투입구(28)와 반응 후 황산분해가스 배출구(29)에는 백금(Pt), 금(Au) 등의 귀금속으로 내부를 라이닝(lining)한 귀금속 라이닝 튜브(26)를 그래파이트 가스켓을 이용하여 연결하여 황산 투입 배관 및 기체 배출 배관과 연결이 가능하도록 한다.After reacting with the sulfuric acid inlet 28 of the silicon carbide central connection, the sulfuric acid decomposition gas outlet 29 has a graphite gasket containing a precious metal lining tube 26 lining the inside with precious metals such as platinum (Pt) and gold (Au). Connect using to connect with sulfuric acid input pipe and gas discharge pipe.

본 발명에 따른 황산분해반응기를 이용하여 황산을 분해할 때 황산의 증발과 열분해 온도는 황산분해반응기 내부 압력에 따라 다를 수 있으나, 황산의 증발과 예열이 일어나고 SO3와 H2O로의 열분해반응이 시작되는 하부 실리콘카바이드 튜브는 내부온도를 350-700 ℃범위로 유지하고, 추가적인 열분해반응과 SO2, O2로의 촉매분해반응이 진행되는 상부 실리콘카바이드 튜브는 내부온도를 700-1000 ℃로 유지한다.
When the sulfuric acid is decomposed using the sulfuric acid decomposition reactor according to the present invention, the evaporation and pyrolysis temperature of sulfuric acid may vary depending on the internal pressure of the sulfuric acid reactor, but sulfuric acid evaporation and preheating occur and thermal decomposition of SO 3 and H 2 O occurs. The starting lower silicon carbide tube maintains its internal temperature in the range 350-700 ° C, while the upper silicon carbide tube undergoes additional pyrolysis and catalytic decomposition to SO 2 , O 2 , maintains the internal temperature at 700-1000 ° C. .

본 발명은 상기 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하는 황산분해장치를 제공한다.The present invention provides a sulfuric acid decomposition device including the vertical integrated sulfuric acid decomposition reactor.

하기 도 1은 수직 일체형 실리콘카바이드 반응기를 포함하는 가압 황산분해장치 및 황산분해방법 공정을 개략적으로 나타낸 개략도이다.Figure 1 is a schematic diagram showing a process of a sulfuric acid decomposition process and a pressurized sulfuric acid decomposition device comprising a vertically integrated silicon carbide reactor.

황산저장조(1)에서 황산공급펌프(2)로 공급된 황산용액은 수직 일체형 황산분해반응기(3) 하단의 내부관을 통해 내려가면서 예열되고, 다시 벨형 실리콘카바이드 하부 튜브와 내부관 사이를 상승하면서 더 가열되어 증발하고 부분적으로 SO3와 H2O로 열분해되며, 실리콘카바이드 중앙연결부를 통과하여 벨형 실리콘카바이드 상부 튜브와 내부관 사이를 상승하면서 더욱 가열되어 열분해되고, 최상단에 설치된 입상 촉매층(4)을 통과하면서 SO2와 O2로 촉매분해되고, 분해 후 SO2와 O2를 함유하는 혼합물은 내부관을 통과하여 하강한 후 실리콘카바이드 중앙연결부의 유로를 통해 외부로 배출됨으로써 황산을 분해하여 SO2와 O2를 제조하게 된다.The sulfuric acid solution supplied from the sulfuric acid storage tank (1) to the sulfuric acid supply pump (2) is preheated down through the inner tube at the bottom of the vertical integrated sulfuric acid decomposition reactor (3), and again ascends between the bell-shaped silicon carbide lower tube and the inner tube. More heated to evaporate and partially pyrolyze into SO 3 and H 2 O, further heated to pyrolyze as it rises between the bell-shaped silicon carbide top tube and the inner tube through the silicon carbide central connection, and is placed on top of the granular catalyst layer 4 Catalyzed into SO 2 and O 2 while passing through, and after the decomposition, the mixture containing SO 2 and O 2 descends through the inner tube, and then is discharged to the outside through the flow path of the silicon carbide center to decompose sulfuric acid. 2 and O 2 will be prepared.

이 때, 내부관 내부를 통과하는 유체와 내부관과 실리콘카바이드 튜브 사이를 통과하는 유체 사이에는 온도차이가 발생하여 내부관 벽을 통하여 열교환이 일어나며, 이에 따라 반응 전 유체를 예열하고 반응 후 유체를 냉각시키는 효과가 있다.At this time, a temperature difference occurs between the fluid passing through the inner tube and the fluid passing between the inner tube and the silicon carbide tube, so that heat exchange occurs through the inner tube wall. It has a cooling effect.

또한, 본 발명에 따른 황산분해장치에서, 반응 후의 황산분해가스 기체는 반응에서 분해되어 생성된 SO2, O2와 반응에서 미처 분해되지 않은 SO3와 H2O를 함유하는데, SO3와 H2O는 냉각시켜 액상에서 황산으로 재결합시켜 제거하고 기체인 SO2, O2는 다음 단계의 분센반응기로 공급하게 된다. 본 발명의 실험에서는 황산분해가스를 기-액 분리기(6)와 압력조절벨브(7)를 거쳐 무게비 30-40%의 희황산 용액이 있는 희황산 트랩(8)을 통과하면서 SO3와 H2O를 황산으로 재결합시켜 포집 제거하고, 쓰리웨이벨브(9)를 거쳐 KOH 또는 NaOH와 같은 알칼리 수용액이 들어 있는 알칼리 수용액 트랩(12)을 통과시켜 SO2를 제거한 후 환경에 무해한 O2만 대기로 배출시키면서 유량을 측정하여 황산의 SO2, O2로의 분해율을 모니터링한다.In addition, in the sulfuric acid cracking apparatus according to the present invention, the sulfuric acid cracking gas gas after the reaction contains SO 2 and O 2 generated by decomposition in the reaction and SO 3 and H 2 O which are not decomposed in the reaction, but SO 3 and H 2 O is cooled and removed by recombination with sulfuric acid in the liquid phase, and gases SO 2 and O 2 are fed to the Bunsen reactor of the next stage. In the experiment of the present invention, SO 3 and H 2 O are passed through a sulfuric acid cracking gas through a gas-liquid separator (6) and a pressure regulating valve (7), through a dilute sulfuric acid trap (8) containing a dilute sulfuric acid solution having a weight ratio of 30-40%. Recombination with sulfuric acid to capture and remove, and through the three-way valve (9) through an alkali aqueous solution trap (12) containing an aqueous alkali solution such as KOH or NaOH to remove SO 2 and to discharge only O 2 harmless to the environment By measuring the flow rate, the rate of decomposition of sulfuric acid into SO 2 , O 2 is monitored.

본 발명에 따른 황산분해장치에서, 황산의 SO2, O2로의 분해율을 정밀하게 조사하기 위해 쓰리웨이벨브(9)를 이용하여 간헐적으로 유로를 변경하여 KI/I2 수용액 트랩(10)을 통과시켜서 SO2를 포집하고 O2만 건식가스메타(11)를 통과시킨 후 대기로 배출한다.In the sulfuric acid cracking device according to the present invention, in order to precisely investigate the decomposition rate of sulfuric acid into SO 2 , O 2 , the flow path is intermittently changed using a three-way valve 9 to pass through the KI / I 2 aqueous solution trap 10. SO 2 is collected and only O 2 is passed through the dry gas meter (11) and discharged to the atmosphere.

이 때 KI/I2 수용액 트랩(10)의 KI/I2 수용액을 적정하여 KI 농도변화를 계산함으로써 KI/I2 수용액에 포집된 SO2 양을 추정하고, 동시에 건식가스메타(11)를 통과한 O2 양을 측정하여 2배 곱함으로써 생성된 SO2 양을 추정하는데, 두 방법으로 측정한 SO2 양은 실제로 서로 비슷한 값을 나타낸다.At this time, KI / I 2 solution of SO 2 captured the KI / I 2 solution of the trap 10 in the proper KI / I 2 solution by calculating the concentration changes by KI SO 2 generated by estimating the quantity and simultaneously measuring the amount of O 2 that has passed through the dry gas meter (11) To estimate the amount, the SO 2 measured in two ways: The quantities actually represent similar values to each other.

특히, 본 발명에 따른 황산분해장치에서, 황산의 공급속도는 황산공급펌프(2)로 조절하고, 수직 일체형 황산분해반응기(3)의 상부와 하부 실리콘카바이드 튜브의 온도는 그 외부에 설치되는 가열로(5)의 온도로 조절하며, 황산이 분해되는 압력 즉, 황산분해반응기(3) 내의 압력은 압력조절밸브(7)로 황산분해가스의 배출속도를 조절하여 특정의 압력으로 조절할 수 있다.
In particular, in the sulfuric acid cracking apparatus according to the present invention, the supply rate of sulfuric acid is controlled by the sulfuric acid supply pump (2), the temperature of the upper and lower silicon carbide tube of the vertically integrated sulfuric acid decomposition reactor (3) is heated outside thereof The pressure of the sulfuric acid decomposition, that is, the pressure in the sulfuric acid decomposition reactor 3 may be adjusted to a specific pressure by controlling the discharge rate of sulfuric acid decomposition gas by the pressure regulating valve 7.

본 발명은 상기 수직 일체형 황산분해반응기를 복수의 다발로 연결한 황산분해장치를 제공한다.The present invention provides a sulfuric acid decomposition device in which the vertical integrated sulfuric acid decomposition reactor is connected to a plurality of bundles.

벨형 실리콘카바이드 튜브는 제작상 성형과 열처리 과정이 필요하므로 제작이 가능한 길이가 한정될 수 밖에 없다. 따라서, 1 대의 수직 일체형 황산분해반응기를 사용하여 생산할 수 있는 SO2와 O2 양도 한정될 수 밖에 없다. 따라서, 여러 대의 일체형 황산분해반응기를 다발로 연결하여 황산 분해량을 증가시키는 방법이 필요하다.The bell-shaped silicon carbide tube requires a molding and heat treatment process, so the length that can be manufactured is limited. Thus, SO 2 and O 2 can be produced using one vertically integrated sulfuric acid reactor. The amount is bound to be limited. Therefore, there is a need for a method of increasing the amount of sulfuric acid decomposition by connecting several integrated sulfuric acid decomposition reactors in a bundle.

하기 도 6은 여러 대의 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기를 연결한 대용량 가압 황산분해장치의 개념도로서, 1 개의 황산용액 투입구(54)를 통해 각각의 일체형 반응기(51)로 황산용액을 분산 공급하고, 개별 반응기에서 반응 후에 배출되는 혼합기체는 1 개의 황산분해가스 배출구(55)에 모아 다음 단계의 분센반응부로 공급하는 방법이다.6 is a conceptual diagram of a large-capacity pressurized sulfuric acid cracking device in which several vertically integrated silicon carbide sulfate decomposition reactors are connected, and the sulfuric acid solution is dispersed and supplied to each integrated reactor 51 through one sulfuric acid solution inlet 54, The mixed gas discharged after the reaction in the individual reactors is collected in one sulfuric acid decomposition gas outlet 55 and supplied to the Bunsen reaction part of the next step.

다발로 구성된 수직 일체형 황산분해반응기(51)에는 상부 튜브를 가열하는 상부 히팅블록(52)과 하부 튜브를 가열하는 하부 히팅블록(53)을 각각의 개별 반응기마다 설치할 수도 있고 또는 몇 개씩 동시에 가열할 수 있도록 큰 블록형으로 만든 히팅블록을 사용할 수도 있다. 그리고, 황산분해량이 많아지면 하기 도 6과 같은 방법으로 일렬로 연결된 황산분해반응기를 여러 열로 평행하게 설치하여 반응기 설치공간을 최소화할 수도 있다.
In the vertical integrated sulfuric acid reactor 51 composed of a bundle, an upper heating block 52 for heating the upper tube and a lower heating block 53 for heating the lower tube may be installed in each individual reactor, or several may be simultaneously heated. It is also possible to use a heating block made of large blocks. In addition, when the amount of sulfuric acid decomposition increases, the reactor installation space may be minimized by installing parallel sulfuric acid reactors connected in a row in a manner as illustrated in FIG. 6.

본 발명은 상기 황산분해장치를 이용하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해방법을 제공하고, 본 발명에 따른 황산분해방법은 하부 내부관을 통하여 하부 튜브에 황산 용액을 공급하고, 하부 튜브의 온도를 350-700 ℃로 가열하여 황산을 증발시키고 SO3와 H2O로 열분해하는 단계, 상부 튜브의 온도를 700-1000 ℃로 가열하여 하부 튜브에서 분해되지 않은 황산을 추가적으로 SO3와 H2O로 열분해하고, 상부 튜브에 설치된 촉매층에서 SO3와 H2O를 SO2과 O2로 분해하는 단계 및 상기 분해된 SO2과 O2를 상부 내부관을 통하여 배출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The present invention provides a sulfuric acid decomposition method for producing sulfur dioxide and oxygen using the sulfuric acid decomposition device, the sulfuric acid decomposition method according to the present invention supplies a sulfuric acid solution to the lower tube through the lower inner tube, the temperature of the lower tube Evaporation of sulfuric acid by heating to 350-700 ° C. and pyrolysis of SO 3 and H 2 O, heating the temperature of the upper tube to 700-1000 ° C. to further disintegrate the undissolved sulfuric acid into SO 3 and H 2 O Pyrolysing, decomposing SO 3 and H 2 O into SO 2 and O 2 in a catalyst layer installed on the upper tube and discharging the decomposed SO 2 and O 2 through the upper inner tube. .

상기 촉매층은 이에 한정되는 것은 아니나, 일반적인 황산분해용 촉매로서 귀금속 담지 입상촉매 또는 CuFeOx, CuCrOx 등의 금속산화물 입상촉매로 이루어질 수 있고, 바람직하게는 백금이 무게비로 0.5-1% 담지된 알루미나 입상촉매(0.5-1 wt% Pt/Al2O3)로 이루어진 것을 특징으로 한다.The catalyst layer is not limited thereto, but a catalyst for sulfuric acid decomposition may be formed of a granular catalyst supported by a noble metal or a metal oxide granular catalyst such as CuFeO x or CuCrO x , and preferably, alumina in which platinum is supported by 0.5-1% by weight. It is characterized by consisting of a granular catalyst (0.5-1 wt% Pt / Al 2 O 3 ).

또한, 황산 용액을 공급하는 속도를 조절하는 수단을 구비하여, 상기 황산 용액을 5-35 g/min으로 공급하는 것을 특징으로 하고, 분해된 SO2과 O2의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기의 압력을 조절하는 수단을 구비하여, 상기 황산분해반응기의 압력을 0.2-5 기압으로 조절하는 것을 특징으로 한다.In addition, a means for adjusting the rate of supplying sulfuric acid solution, characterized in that for supplying the sulfuric acid solution at 5-35 g / min, by adjusting the discharge rate of the decomposed SO 2 and O 2 Sulfate decomposition reactor Means for adjusting the pressure of, characterized in that for adjusting the pressure of the sulfuric acid decomposition reactor to 0.2-5 atm.

황산 용액 공급속도는 실리콘카바이드 튜브를 통해 전달되는 열량과 황산 단위무게 당 증발과 예열, 열분해, 촉매분해에 필요한 열량을 고려하여 정량펌프로 투입량을 조절하여 공급하는데, 길이 28인치의 벨형 실리콘카바이드 튜브를 사용하는 경우에는 분당 2-10 g 속도로, 길이 56인치 벨형 실리콘카바이드 튜브를 사용하는 경우에는 분당 2-20 g 속도로 황산용액 (무게비 95~97% 황산)을 공급할 수 있다. 다만, 현재 구입이 가능한 실리콘카바이드 튜브의 실질적인 크기에서는 촉매의 충진량이 제한되므로 상기 양의 40-50% 수준으로 공급하는 것이 바람직하다.The sulfuric acid solution feed rate is controlled by feeding the metering pump in consideration of the amount of heat transferred through the silicon carbide tube and the amount of heat required for evaporation, preheating, pyrolysis, and catalytic decomposition per unit weight of sulfuric acid. Sulfuric acid solution (weight ratio 95-97% sulfuric acid) can be supplied at 2-10 g / min when using 56-inch bell-shaped silicon carbide tubes at 2-20 g / min. However, since the filling amount of the catalyst is limited in the actual size of the silicon carbide tube currently available for purchase, it is preferable to supply at a level of 40-50% of the amount.

황산용액의 증발과 부분적인 기체 승온 및 열분해를 담당하는 하부 튜브는 350-700 ℃, 바람직하게는 500-600 ℃ 온도로 가열하고, 황산 증기의 열분해와 촉매분해를 담당하는 상부 튜브는 700-1000 ℃, 바람직하게는 850-900 ℃ 온도로 가열함이 바람직하다.
The lower tube responsible for the evaporation of sulfuric acid solution, partial gas heating and pyrolysis is heated to 350-700 ° C., preferably 500-600 ° C., and the upper tube responsible for pyrolysis and catalytic decomposition of sulfuric acid vapor is 700-1000. Preference is given to heating to a temperature of preferably 850-900 ° C.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명에 따른 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하는 황산분해장치를 이용한 황산분해방법을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나, 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
Hereinafter, a sulfuric acid decomposition method using a sulfuric acid decomposition apparatus including a vertically integrated sulfuric acid decomposition reactor according to the present invention will be described in more detail. It will be apparent, however, to those skilled in the art that these embodiments are for further explanation of the present invention and that the scope of the present invention is not limited thereby.

<실시예><Examples>

<실시예 1>&Lt; Example 1 >

본 발명에 따른 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기를 이용하여 가압 황산분해 실험을 수행하였다.Pressurized sulfate decomposition experiments were performed using a vertically integrated silicon carbide sulfate reactor according to the present invention.

일체형 황산분해반응기는 하기 도 2에 나타나 있는 바와 같이, 길이 28인치(712 mm), 외경 38 mm, 내경 25.5 mm의 벨(bell)형 실리콘카바이드 튜브 2개를 실리콘카바이드 재질의 중앙연결부에 상하로 연결하고, 하기 도 4와 같이 각 실리콘카바이드 튜브 내부에는 끝에 나사 산(43)을 낸 석영관(외경 9.5 mm, 내경 6.4 mm) 또는 실리콘카바이드 튜브(외경 3/8 인치, 내경 1/4 인치)인 상부 내부관(41)과 하부 내부관(42)을 실리콘카바이드 중앙연결부(35)에 연결하여 삽입하였다. 수직형 반응기 상부에 설치되는 내부관은 도 5와 같이 최상단부에는 황산분해용 촉매로 백금이 무게비로 1% 담지된 알루미나 입상촉매(1 wt% Pt/Al2O3 입상촉매, 직경 1/8 인치, 길이 2-2.5 mm)를 30.6 g (~27 cc) 충진하여 사용하고, 촉매층 부위 온도는 실리콘카바이드 튜브 외벽온도 기준으로 860 ℃가 되게 조절하였다. 원료인 황산용액은 황산농도가 무게비로 97%인 시약급을 사용하였고, 황산용액은 분당 8.5 g 속도로 공급하였고, 반응압력은 배출가스 속도를 조절하여 계기압으로 2.5 기압을 유지시켰다. 황산분해반응기에서 배출되는 황산분해가스를 희황산 용액 트랩을 통과시켜 미반응 황산과 수분을 제거하고 KI/I2 수용액 트랩을 통과시켜 SO2를 제거한 후 건식가스메터로 일정시간 동안 배출되는 기체 O2의 부피를 측정하고 그 값을 기준조건(25 ℃, 상압)으로 환산하였다. 실험실적으로 측정한 황산 분해율(%)은 하기 [식 1]과 [식 2]에 따라 계산하였다. As shown in FIG. 2, the integrated sulfuric acid decomposition reactor has two bell-shaped silicon carbide tubes of 28 inches (712 mm) long, 38 mm outer diameter, and 25.5 mm inner diameter up and down at the center connection of the silicon carbide material. 4, a quartz tube (outer diameter of 9.5 mm, inner diameter of 6.4 mm) or silicon carbide tube (outer diameter of 3/8 inch, inner diameter of 1/4 inch) inside each silicon carbide tube with a screw thread 43 at the end as shown in FIG. Phosphorus upper inner tube (41) and lower inner tube (42) were inserted into the silicon carbide center connecting portion (35). The inner tube installed in the upper part of the vertical reactor is an alumina granular catalyst (1 wt% Pt / Al 2 O 3 granular catalyst, 1/8 in diameter, loaded with 1% platinum by weight) as a catalyst for sulfuric acid decomposition at the top of the reactor. Inch, 2-2.5 mm) was used to fill 30.6 g (˜27 cc), and the catalyst bed temperature was adjusted to 860 ° C. based on the silicon carbide tube outer wall temperature. The sulfuric acid solution as a raw material used a reagent grade having a sulfuric acid concentration of 97% by weight. The sulfuric acid solution was supplied at a rate of 8.5 g per minute, and the reaction pressure was controlled at an exhaust gas rate to maintain 2.5 atm. Gas of sulfuric acid decomposition gas discharged from a sulfuric acid decomposition reactor by passing a dilute sulfuric acid solution trap to remove unreacted sulfuric acid and water, and discharged for a period of time in a dry gas meter to remove the SO 2 was passed through a KI / I 2 solution traps O 2 The volume of was measured and the value was converted into reference conditions (25 degreeC, normal pressure). The sulfuric acid decomposition rate (%) measured experimentally was calculated according to the following [Formula 1] and [Formula 2].

[식 1][Formula 1]

황산 100% 분해로 생성된 O2의 부피 (L/h, 25 ℃, 상압) Volume of O 2 produced by 100% decomposition of sulfuric acid (L / h, 25 ° C, atmospheric pressure)

= (황산용액 투입량, g/min) × 0.97 / 98(H2SO4 분자량, g/gmol) × 22.4 (L/gmol) / 2 × 60(min/h)= (Sulfate solution input, g / min) × 0.97 / 98 (H 2 SO 4 molecular weight, g / gmol) × 22.4 (L / gmol) / 2 × 60 (min / h)

[식 2][Formula 2]

실험실적 황산 분해율(%)Laboratory sulfuric acid decomposition rate (%)

= 100 × {실험실적 측정 O2의 온도보정된 부피(L/h, 25 ℃, 상압)} / {황산 100% 분해로 생성된 O2의 부피(L/h, 25 ℃, 상압)}= 100 × {Temperature calibrated volume of experimental measurement O 2 (L / h, 25 ° C, atmospheric pressure)} / {Volume of O 2 produced by 100% sulfuric acid decomposition (L / h, 25 ° C, atmospheric pressure)}

황산용액이 8.5 g/min으로 투입되었을 때 황산이 100% 전환되는 것을 가정한 O2 생성량은 25 ℃, 상압 조건을 기준으로 계산하면 56.54 L/h 된다. 황산분해실험을 통한 O2 생성량(25 ℃, 상압 기준)은 43.8±1.3 L/h로 측정되어 H2SO4의 SO2, O2로의 분해율은 77.5±2.3%로 계산되었다. 860 ℃, 2.5 기압(계기압)에 대해 열역학적으로 예측되는 H2SO4의 SO2, O2로의 평형전환율은 77.79%로, 실험에서 측정된 평균값은 거의 평형전환율 값에 접근하였다. 이 결과는 황산용액이 8.5 g/min 속도로 투입되면 촉매와의 접촉반응 시간이 충분하고 또한 실리콘카바이드 튜브 벽을 통한 열전달이 충분하여 황산용액의 증발, 예열, 열분해, 촉매분해에 필요한 열이 충분히 공급되었음을 알 수 있다.
When the sulfuric acid solution is added at 8.5 g / min, the amount of O 2 produced assuming 100% conversion of sulfuric acid is 56.54 L / h based on the condition of 25 ℃ and atmospheric pressure. The amount of O 2 produced through sulfuric acid decomposition experiment (25 ° C, atmospheric pressure) was measured at 43.8 ± 1.3 L / h, and the decomposition rate of H 2 SO 4 to SO 2 , O 2 was calculated to be 77.5 ± 2.3%. Thermodynamically predicted equilibrium conversion of H 2 SO 4 to SO 2 , O 2 at 860 ° C. and 2.5 atmospheres (barometric pressure) was 77.79%, and the average value measured in the experiment approached the equilibrium conversion value. This result shows that when sulfuric acid solution is added at 8.5 g / min, the contact reaction time with the catalyst is sufficient, and the heat transfer through the silicon carbide tube wall is sufficient to provide sufficient heat for evaporation, preheating, pyrolysis and catalytic decomposition of sulfuric acid solution. It can be seen that it was supplied.

<실시예 2 내지 4><Examples 2 to 4>

황산용액 공급속도를 12.5-35.0 g/min으로 변화시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 장치를 사용하여 동일한 방법으로 855-860 ℃, 2.5 기압(계기압)에서 황산분해반응을 실시하였다. 각 황산용액 공급속도에 대한 O2의 생성속도와 H2SO4의 SO2, O2로의 분해 전환율을 하기 [표 1]에 정리하였다.The sulfuric acid decomposition reaction was carried out at 855-860 ° C. and 2.5 atm (atmospheric pressure) in the same manner as in Example 1, except that the sulfuric acid solution feed rate was changed to 12.5-35.0 g / min. To the decomposition conversion of the production rate of O 2 and H 2 SO 4 to SO 2, O 2 for each feed rate of the sulfuric acid solution are summarized in Table 1.

황산용액의 공급속도가 증가할수록 O2의 생성속도와 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율이 비례하여 감소하였으며, 35.0 g/min 속도로 공급하는 경우는 H2SO4 분해전환율이 42.6±0.6%로 계산되어 평형전환율(77.79%) 대비 55% 수준에 도달하였다. 이는 황산용액 공급속도가 빨라지면 실리콘카바이드 튜브 벽을 통한 열전달 양이 황산용액의 증발, 예열, 열분해, 촉매분해에 필요한 열량보다 충분하지 않아서 나타나는 현상임을 알 수 있다.
As the feed rate of sulfuric acid solution increased, the rate of O 2 formation and the rate of decomposition conversion of H 2 SO 4 to SO 2 and O 2 decreased proportionally, and when supplied at a rate of 35.0 g / min, H 2 SO 4 The degradation conversion was calculated to be 42.6 ± 0.6%, reaching 55% of the equilibrium conversion (77.79%). This suggests that as the sulfuric acid solution supply speed increases, the amount of heat transfer through the silicon carbide tube wall is less than the amount of heat required for evaporation, preheating, pyrolysis, and catalytic decomposition of sulfuric acid solution.

<실시예 5 내지 7><Examples 5 to 7>

황산용액 공급속도를 35.0 g/min로 고정시키고, 반응압력 2.5 기압에서 촉매반응온도를 900 ℃로 변화시킨 경우(실시예 5)와 반응압력 5 기압(계기압)에서 촉매반응온도를 860-900 ℃로 변화시킨 경우(실시예 6과 7)에 대해 황산분해반응을 실시하였다. 각 경우에 대한 O2의 생성속도와 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율을 하기 [표 1]에 정리하였다.The sulfuric acid solution feed rate was fixed at 35.0 g / min, and the catalytic reaction temperature was changed to 900 ° C. at a reaction pressure of 2.5 atm (Example 5) and at 860-900 at a reaction pressure of 5 atm (atmospheric pressure). The sulfuric acid decomposition reaction was performed about the case where it changed to ° C (Examples 6 and 7). The conversion rate to decompose to SO 2, O 2 production rate of the O 2 and H 2 SO 4 for each case are summarized in Table 1.

실시예 5와 같이 반응압력 2.5 기압(계기압)에서 반응온도를 900 ℃로 상승시키면 열역학적 계산에 의한 평형전환율은 83.23%로 증가하며, 실험에서 측정된 촉매분해반응에 의한 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율도 58.3±0.5%로 증가하였다.As in Example 5, when the reaction temperature was increased to 900 ° C. at a reaction pressure of 2.5 atm (atmospheric pressure), the equilibrium conversion rate was increased to 83.23% by thermodynamic calculation, and SO 2 of H 2 SO 4 due to the catalytic decomposition reaction measured in the experiment. 2 , O 2 also increased to 58.3 ± 0.5%.

실시예 6과 같이 반응압력을 5 기압(계기압)으로 높이면 반응온도 860 ℃인 경우 열역학적 평형전환율은 72.64%, 900 ℃인 경우 78.98%로, 압력상승에 따라 4-5%의 전환율이 감소한다. 실시예 6과 7의 실험결과에서도 5-7%의 전환율 감소가 조사되었다. 촉매층 반응온도 증가가 반응속도 향상을 유도하여 황산분해전환율 상승에 크게 영향을 미친다는 것을 알 수 있다.As in Example 6, when the reaction pressure is increased to 5 atm (gauge), the thermodynamic equilibrium conversion rate is 72.64% at the reaction temperature of 860 ° C., and 78.98% at 900 ° C., and the conversion rate of 4-5% decreases with increasing pressure. . In the experimental results of Examples 6 and 7, a reduction of 5-7% conversion was also investigated. It can be seen that the increase in the reaction temperature of the catalyst layer induces an improvement in the reaction rate and greatly influences the increase in the rate of sulfuric acid conversion.

실시예Example 촉매반응온도
(℃)
Catalytic reaction temperature
(℃)
압력
(기압)
pressure
(atmospheric pressure)
황산용액
공급속도
(g/min)
Sulfuric acid solution
Feed rate
(g / min)
100% 전환기준 O2 생성속도
(L/h)*
100% conversion standard O 2 generation rate
(L / h) *
실험실적
O2 생성속도
(L/h)*
Laboratory
O 2 production rate
(L / h) *
H2SO4 분해
전환율
(%)
H 2 SO 4 decomposition
Conversion rate
(%)
1One 860860 2.52.5 8.58.5 56.5456.54 43.8±1.343.8 ± 1.3 77.5±2.377.5 ± 2.3 22 860860 2.52.5 12.512.5 83.1483.14 58.8±0.558.8 ± 0.5 70.7±0.670.7 ± 0.6 33 857857 2.52.5 25.025.0 166.29166.29 80.4±0.880.4 ± 0.8 48.3±0.548.3 ± 0.5 44 855855 2.52.5 35.035.0 232.80232.80 99.1±1.399.1 ± 1.3 42.6±0.642.6 ± 0.6 55 903903 2.52.5 35.035.0 232.80232.80 135.8±1.2135.8 ± 1.2 58.3±0.558.3 ± 0.5 66 857857 5.05.0 35.035.0 232.80232.80 86.9±0.986.9 ± 0.9 37.3±0.437.3 ± 0.4 77 903903 5.05.0 35.035.0 232.80232.80 120.6±1.1120.6 ± 1.1 51.8±0.551.8 ± 0.5

* 배출가스의 부피 보정값 (25 ℃ , 상압)
* Volume correction value of exhaust gas (25 ℃, atmospheric pressure)

<비교예 1 내지 8><Comparative Examples 1 to 8>

상기 실시예 1에서 사용한 길이 28인치(712 mm), 외경 38 mm, 내경 25.5 mm의 벨(bell)형 실리콘카바이드 튜브 1개를 실리콘카바이드 재질의 중앙연결부 상부에 연결하고, 그 내부에는 끝에 나사 산을 낸 석영관(외경 9.5 mm, 내경 6.4 mm) 또는 실리콘카바이드 튜브(외경 3/8 인치, 내경 1/4 인치)를 실리콘카바이드 중앙연결부 상부에 삽입 연결하고 그 최상단부에는 실시예 1과 같이 황산분해용 촉매인 1 wt% Pt/Al2O3 입상촉매(직경 1/8 인치, 길이 2-2.5 mm)를 30.6 g (~27 cc) 충진하였다. 실리콘카바이드 중앙연결부 하부에는 벨형 실리콘카바이드 튜브 대신 가운데가 테두리 체결부보다 2 mm 낮은 평판형 실리콘카바이드 뚜껑을 체결하여 막음으로써 황산용액이 투입되면 평판에 고였다가 실리콘카바이드 중앙연결부의 유로를 따라 상부 실리콘카바이드 튜브 쪽으로 액이 상승하고 상부 튜브에서 황산용액이 가열되어 증발, 예열, 열분해, 촉매분해된 후 반응 후 혼합기체가 내부관을 통해 하강하여 중앙연결부 배출로를 따라 상기 실시예 1과 같은 경로로 배출되도록 하였다. 상부 실리콘카바이드 튜브만 가열하여 외벽온도 기준으로 850-880 ℃되게 조절하고 황산용액은 분당 7.7-35.0 g 속도로 공급하였고, 반응압력은 배출가스 속도를 조절하여 계기압으로 0-3 기압을 유지시켰다. 상기 실시예 1과 같은 방법으로 황산분해반응기에서 배출되는 가스를 희황산용액 트랩과 KI/I2 수용액 트랩을 통과시킨 후 건식가스메터로 일정시간 동안 배출되는 기체 O2의 부피를 측정하고 기준조건(25 ℃, 상압)의 부피로 환산하여 황산분해율(%)을 계산하였다. 각 반응조건에서 측정한 O2의 생성속도와 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율을 하기 [표 2]에 나타내었다.One bell-type silicon carbide tube of 28 inches (712 mm), 38 mm in diameter, and 25.5 mm in inner diameter used in Example 1 was connected to the upper portion of the silicon carbide material, and screwed on the inside thereof. A quartz tube (outer diameter of 9.5 mm, inner diameter of 6.4 mm) or silicon carbide tube (outer diameter of 3/8 inch, inner diameter of 1/4 inch) is inserted into the top of the silicon carbide center connection, and the top end thereof is sulfuric acid as in Example 1 30.6 g (˜27 cc) of 1 wt% Pt / Al 2 O 3 granular catalyst (diameter 1/8 inch, 2-2.5 mm in length), which is a decomposition catalyst, was charged. In the lower part of the silicon carbide center connection, instead of the bell-shaped silicon carbide tube, the plate-shaped silicon carbide lid 2 mm lower than the rim fastening part is fastened to prevent the sulfuric acid solution from being injected into the plate and the upper silicon carbide along the flow path of the silicon carbide center connection. After the liquid rises toward the tube and the sulfuric acid solution is heated in the upper tube and evaporated, preheated, pyrolyzed and catalyzed, the mixed gas descends through the inner tube after the reaction and is discharged in the same path as in Example 1 along the central connection outlet. It was made. Only the upper silicon carbide tube was heated to 850-880 ℃ based on the outer wall temperature, sulfuric acid solution was supplied at a rate of 7.7-35.0 g per minute, and the reaction pressure was controlled to the exhaust gas rate to maintain 0-3 atm. . After passing the gas discharged from the sulfuric acid decomposition reactor through the dilute sulfuric acid solution trap and the KI / I 2 aqueous solution trap in the same manner as in Example 1, the volume of the gas O 2 discharged for a predetermined time using a dry gas meter was measured and the reference conditions ( The sulfuric acid decomposition rate (%) was calculated by the volume of 25 degreeC, normal pressure). The conversion rate to decompose to SO 2, O 2 in the production rate of the O 2 measured in each of the reaction conditions and the H 2 SO 4 are shown in Table 2.

비교예Comparative example 촉매반응
온도
(℃)
Catalysis
Temperature
(℃)
압력
(기압)
pressure
(atmospheric pressure)
황산용액
공급속도
(g/min)
Sulfuric acid solution
Feed rate
(g / min)
100% 전환기준 O2 생성속도
(L/h)*
100% conversion criteria O 2 Generation speed
(L / h) *
실험실적
O2 생성속도
(L/h)*
Laboratory
O 2 Generation speed
(L / h) *
H2SO4 분해
전환율
(%)
H 2 SO 4 decomposition
Conversion rate
(%)
1One 847847 0.20.2 7.77.7 51.2251.22 36.736.7 71.671.6 22 866866 0.20.2 7.77.7 51.2251.22 38.738.7 75.675.6 33 874874 0.20.2 17.017.0 113.07113.07 66.3±1.066.3 ± 1.0 58.6±0.958.6 ± 0.9 44 873873 0.20.2 35.035.0 232.80232.80 58.258.2 36.636.6 55 873873 1.01.0 35.035.0 232.80232.80 73.3±1.273.3 ± 1.2 31.5±0.531.5 ± 0.5 66 877877 2.02.0 14.014.0 93.1293.12 35.535.5 38.138.1 77 877877 2.52.5 14.014.0 93.1293.12 19.819.8 21.321.3 88 877877 3.03.0 14.014.0 93.1293.12 12.4±0.212.4 ± 0.2 13.3±0.213.3 ± 0.2

* 배출가스의 부피 보정값 (25 ℃, 상압)
* Volume correction value of exhaust gas (25 ℃, atmospheric pressure)

상기 비교예 1 내지 4는 반응압력을 0.2 기압(계기압)으로 유지하며 황산용액 공급속도를 변화시킨 경우에 H2SO4의 SO2, O2로의 분해전환율을 조사한 것으로 원료공급속도가 7.7 g/min 같이 낮은 경우 분해전환율은 온도에 따라 71.6%, 75.6%로 조사되어 그 부근 온도, 압력에서의 평형전환율인 84.46% (0.2 기압, 850 ℃), 86.68% (0.2 기압, 870 ℃)에 가까운 높은 값을 보였다.Comparative Examples 1 to 4 were to investigate the decomposition conversion rate of H 2 SO 4 to SO 2 , O 2 when the sulfuric acid solution supply rate was changed while maintaining the reaction pressure at 0.2 atm (air pressure), and the feed rate was 7.7 g. When the temperature is lower than / min, the decomposition conversion rate is 71.6% and 75.6% depending on the temperature, which is close to the equilibrium conversion rate of 84.46% (0.2 atm and 850 ° C) and 86.68% (0.2 atm and 870 ° C). High value.

그러나, 황산용액 공급속도가 증가하면서 황산분해전환율은 급격히 감소하고, 특히 압력이 높은 조건에서는 황산 증발이 원활하게 진행되지 않아 황산분해전환율이 매우 낮게 나타났다. 비교예 7의 조건은 상기 실시예 2와 3의 중간보다 실시예 2에 가까운 조건임에도 황산분해전환율은 21.3%로 실시예 2의 70.7%, 실시예 3의 48.3%의 중간값보다 훨씬 낮은 전환율을 보였다. 이는 1 개의 실리콘카바이드 튜브만으로는 황산의 증발, 예열, 열분해, 촉매분해를 감당하기에는 일체형 반응기의 열교환면적이 절대적으로 부족하기 때문이며, 실시예 1 내지 7 경우 공급되는 황산용액이 투입 즉시 하부 실리콘카바이드 튜브 내에서 증발하는 반면 비교예 1 내지 8 경우는 황산용액이 실리콘카바이드 중앙연결부 및 실리콘카바이드 튜브 하단부에 쌓인 후 전체 용액의 온도가 증발온도까지 상승해야만 증발이 일어나므로 황산공급속도가 빠를 경우에는 용액 온도가 증발온도보다 낮아 용액이 계속 쌓여가기 때문임을 알 수 있다.However, as the feed rate of sulfuric acid solution increased, the rate of sulfuric acid decomposition conversion drastically decreased. In particular, the sulfuric acid decomposition conversion rate was very low because the sulfuric acid evaporation did not proceed smoothly under high pressure. Although the conditions of Comparative Example 7 were closer to Example 2 than those between Examples 2 and 3, the sulfuric acid decomposition conversion rate was 21.3%, which was much lower than the median value of 70.7% of Example 2 and 48.3% of Example 3. Seemed. This is because one silicon carbide tube alone lacks the heat exchange area of the integrated reactor to cope with the evaporation, preheating, pyrolysis, and catalytic decomposition of sulfuric acid. In Examples 1 to 7, the sulfuric acid solution supplied in the lower silicon carbide tube was added immediately. In the case of Comparative Examples 1 to 8, in the case of Comparative Examples 1 to 8, after the sulfuric acid solution was accumulated at the silicon carbide center connection part and the lower part of the silicon carbide tube, evaporation occurred only when the temperature of the entire solution had risen to the evaporation temperature. It can be seen that it is lower than the evaporation temperature and the solution continues to accumulate.

1: 황산 저장조 2: 황산공급펌프
3: 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기
4: 입상촉매층
5: 황산분해반응기 가열로 6: 기-액 분리기
7: 압력조절 벨브 8: 희황산 트랩(trap)
9: 쓰리웨이(three-way) 벨브 10: HI/I2 용액 트랩
11: 건식가스메타 (dry gas meter) 12: 알칼리수용액 트랩
13: 배출구(vent) 14: 가압 영역
21: 실리콘카바이드 튜브
22: 내부관 (실리콘카바이드 또는 석영재질)
23: 황산분해촉매층 24: 실리콘카바이드 중앙연결부
25: 튜브와 중앙연결부 체결기 (금속 재질)
26: 귀금속 라이닝 튜브 27: 귀금속 라이닝 튜브 체결기
28: 황산 투입구 29: 황산분해가스 배출구
30: 링(ring)형 알루미늄 라이너(liner)
31: 벨(bell)형 실리콘카바이드 튜브 32: 실리콘카바이드 튜브 외경
33: 실리콘카바이드 튜브 내경 34: 실리콘카바이드 튜브 스커트
35: 실리콘카바이드 중앙연결부 36: 황산 투입구
37: 황산분해가스 배출구 38: 기체 상승 유로
39: 내부관 연결구 (나사산)
41: 상부 내부관 (실리콘카바이드 또는 석영재질)
42: 하부 내부관 (실리콘카바이드 또는 석영재질)
43: 내부관 나사산부
44: 내부관 내에 설치한 황산분해 촉매층
45: 내부관 외에 설치한 황산분해 촉매층
46: 촉매층 받침 (실리콘카바이드 재질)
51: 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기 다발
52: 상부 히팅블록(heating block) 53: 하부 히팅블록(heating block)
54: 황산 투입구 55: 황산분해가스 배출구
1: sulfuric acid reservoir 2: sulfuric acid supply pump
3: vertically integrated silicon carbide sulfate reactor
4: granular catalyst layer
5: sulfate cracking furnace 6: gas-liquid separator
7: Pressure regulating valve 8: Dilute sulfuric acid trap
9: three-way valve 10: HI / I 2 solution trap
11: dry gas meter 12: alkaline aqueous solution trap
13: vent 14: pressurized zone
21: Silicon Carbide Tube
22: inner tube (silicon carbide or quartz material)
23: sulfuric acid decomposition catalyst layer 24: silicon carbide central connection
25: Tube and central connector fastener (metal)
26: Precious Metal Lining Tube 27: Precious Metal Lining Tube Fastener
28: sulfuric acid inlet 29: sulfuric acid decomposition gas outlet
30: ring type aluminum liner
31: Bell type silicon carbide tube 32: Silicon carbide tube outer diameter
33: Silicon carbide tube bore 34: Silicon carbide tube skirt
35: silicon carbide center connection 36: sulfuric acid inlet
37: sulfuric acid decomposition gas outlet 38: gas rising path
39: Inner tube connector (threaded)
41: upper inner tube (silicon carbide or quartz material)
42: lower inner tube (silicon carbide or quartz material)
43: inner tube thread
44: sulfuric acid decomposition catalyst layer installed in the inner tube
45: sulfate decomposition catalyst layer installed outside the inner tube
46: catalyst bed support (silicon carbide material)
51: Bundle of vertically integrated silicon carbide sulfate reactor
52: upper heating block 53: lower heating block
54: sulfuric acid inlet 55: sulfuric acid decomposition gas outlet

Claims (16)

실리콘카바이드 소재 벨 형상의 상부튜브;
실리콘카바이드 소재 벨 형상의 하부튜브;
상기 상부튜브와 하부튜브를 연결하는 실리콘 카바이드 소재의 중앙 연결부; 및
상기 상부 튜브 및 상기 하부 튜브와 상기 중앙 연결부를 체결하는 알루미늄 라이너가 있는 스테인레스스틸 소재의 체결부;를 포함하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기로서,
상기 중앙 연결부는 황산 투입구, 황산분해가스 배출구, 공급 유로, 배출 유로 및 1 개 이상의 기체 상승 유로를 포함하고, 상기 황산투입구는 상기 공급유로와 연결되어 있으며, 상기 황산분해가스 배출구는 상기 배출유로와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산 분해 반응기.
Bell-shaped upper tube made of silicon carbide;
Bell-shaped lower tube made of silicon carbide;
A center connection part of silicon carbide material connecting the upper tube and the lower tube; And
A vertically integrated silicon carbide sulfate decomposition reactor comprising: a fastening portion of a stainless steel material having an aluminum liner for fastening the upper tube and the lower tube to the central connection portion.
The central connection portion includes a sulfuric acid inlet, a sulfuric acid cracking outlet, a supply passage, an outlet passage, and one or more gas ascending passages, wherein the sulfuric acid inlet is connected to the supply passage, and the sulfated gas outlet is connected to the outlet passage. Vertically integrated silicon carbide sulfuric acid decomposition reactor, characterized in that connected.
제 1 항에 있어서,
상기 황산분해반응기는 상기 상부 튜브 및 상기 하부 튜브 각각의 튜브 내부에 양 말단이 뚫려있는 상부 내부관 및 하부 내부관을 각각 더 포함하고,
상기 상부 내부관의 한쪽 말단은 상기 배출 유로와 연결되며, 상기 하부 내부관의 한쪽 말단은 상기 공급 유로와 연결되는 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
The method of claim 1,
The sulfuric acid decomposition reactor further includes an upper inner tube and a lower inner tube, each of which is open at both ends in the tubes of the upper tube and the lower tube, respectively.
One end of the upper inner tube is connected to the discharge passage, one end of the lower inner tube is vertically integrated silicon carbide sulfate decomposition reactor, characterized in that connected to the supply passage.
제 2 항에 있어서,
상기 황산분해가스 배출구는 상기 중앙 연결부 상부 측면에 위치하고, 상기 황산 투입구는 상기 중앙 연결부 하부 측면에 위치하며;
상기 배출 유로는 수직 배출유로와 수평 배출유로로 이루어지고, 상기 수직 배출유로는 상기 중앙 연결부 상부면 중심에서 상기 중앙 연결부의 중심축을 따라 하부로 향해 상기 수평 배출유로와 이어져 있으며, 상기 수평 배출유로는 상기 황산분해가스 배출구에서 상기 중심축 방향으로 수평으로 향하여 상기 수직 배출유로와 연결되고;
상기 공급유로는 수직 공급유로와 수평 공급유로로 이루어지고, 상기 수직 공급유로는 상기 중앙 연결부 하부면 중심에서 상기 중앙 연결부의 중심축을 따라 상부로 향해 상기 수평 공급유로와 이어져 있으며, 상기 수평 공급유로는 상기 황산 투입구에서 상기 중심축 방향으로 수평으로 향하여 상기 수직 공급유로와 연결되고;
상기 1개 이상의 기체상승 유로는 상기 수직 공급유로 및 수직 배출유로보다 상기 중심축으로부터 더 먼 위치에서 상기 수평 배출유로와 상기 수평 공급유로와는 만나지 않도록 상기 중앙 연결부를 수직으로 관통하는 것을 특징으로 하는 황산분해반응기.
The method of claim 2,
The sulfuric acid decomposition gas outlet is located at an upper side of the central connection, and the sulfuric acid inlet is located at a lower side of the central connection;
The discharge passage includes a vertical discharge passage and a horizontal discharge passage, wherein the vertical discharge passage is connected to the horizontal discharge passage from the center of the upper surface of the central connection portion toward the lower side along the central axis of the central connection portion. Connected to the vertical discharge passage from the sulfuric acid decomposition gas outlet toward the center axis in a horizontal direction;
The supply passage includes a vertical supply passage and a horizontal supply passage, wherein the vertical supply passage is connected to the horizontal supply passage from the center of the lower surface of the center connection portion toward the upper side along the central axis of the central connection portion. Connected to the vertical feed channel from the sulfuric acid inlet to the central axis in a horizontal direction;
The at least one gas rise passage penetrates the central connection portion vertically so as not to meet the horizontal discharge passage and the horizontal supply passage at a position farther from the central axis than the vertical supply passage and the vertical discharge passage. Sulfuric Acid Reactor.
제 2 항에 있어서,
상기 상부 튜브의 상부에는 입상 황산분해촉매층을 더 포함하고, 상기 입상 황산분해촉매층은 상부 내부관의 상부 말단 내부에 설치하거나, 또는 상기 상부 내부관과 상기 상부 튜브 사이에 설치하는 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
The method of claim 2,
The upper portion of the upper tube further comprises a granular sulfate decomposition catalyst layer, wherein the granular sulfate decomposition catalyst layer is installed inside the upper end of the upper inner tube, or between the upper inner tube and the upper tube vertical Integrated Silicon Carbide Sulfuric Acid Reactor.
제 1 항에 있어서,
상기 황산 투입구 및 상기 황산분해가스 배출구에는 각각 황산 투입배관과 분해가스 배출배관과 연결할 수 있도록 귀금속이 라이닝된 금속튜브를 체결시킨 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
The method of claim 1,
And the sulfuric acid inlet and the sulfuric acid decomposition gas outlet are connected to a sulfuric acid inlet pipe and a decomposition gas discharge pipe, respectively.
제 2 항에 있어서,
상기 상부 내부관과 상기 하부 내부관의 재질이 석영 또는 실리콘카바이드인 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
The method of claim 2,
Vertically integrated silicon carbide sulfate decomposition reactor, characterized in that the material of the upper inner tube and the lower inner tube is quartz or silicon carbide.
제 2 항에 있어서,
상기 상부 튜브와 상기 상부 내부관 사이에 라시그링(Raschig ring) 형태의 석영관(quartz tube) 조각 또는 세라믹관(ceramic tube) 조각을 충진한 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
The method of claim 2,
And a piece of a quartz tube or a piece of ceramic tube filled with a Raschig ring in between the upper tube and the upper inner tube.
제 2 항에 있어서,
상기 하부 튜브와 상기 하부 내부관 사이에 라시그링(Raschig ring) 형태의 석영관(quartz tube) 조각 또는 세라믹관(ceramic tube) 조각을 충진한 것을 특징으로 하는 수직 일체형 실리콘카바이드 황산분해반응기.
The method of claim 2,
And a piece of a quartz tube or a piece of ceramic tube filled with a Raschig ring in between the lower tube and the lower inner tube.
제 1 항에 따른 수직 일체형 황산분해반응기를 포함하여 황산을 분해하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해장치.Sulfuric acid decomposition apparatus for producing sulfur dioxide and oxygen by decomposing sulfuric acid, including the vertically integrated sulfuric acid decomposition reactor according to claim 1. 제 9 항에 있어서,
상기 황산분해장치는 수직 일체형 황산분해반응기를 복수의 다발로 연결한 것을 특징으로 하는 황산분해장치.
The method of claim 9,
The sulfuric acid decomposition device is a sulfuric acid decomposition device characterized in that the vertical integral sulfuric acid decomposition reactor connected to a plurality of bundles.
제 9 항에 있어서,
상기 황산분해반응기의 상부 튜브 및 하부 튜브를 각각 다른 온도로 가열할 수 있는 가열로를 더 포함하는 황산분해장치.
The method of claim 9,
And a heating furnace capable of heating the upper tube and the lower tube of the sulfate decomposition reactor to different temperatures.
제 9 항에 있어서,
상기 황산분해반응기로 공급되는 황산의 공급속도를 조절할 수 있는 황산공급펌프 및 상기 황산분해반응기에서 배출하는 황산분해가스의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기 내의 압력을 조절할 수 있는 압력조절밸브를 더 포함하는 황산분해장치.
The method of claim 9,
A sulfuric acid supply pump for controlling the supply rate of sulfuric acid supplied to the sulfuric acid decomposition reactor and a pressure control valve for controlling the pressure in the sulfuric acid decomposition reactor by adjusting the discharge rate of the sulfuric acid decomposition gas discharged from the sulfuric acid decomposition reactor Sulfuric acid decomposition device.
제 9 항에 있어서,
상기 황산분해반응기에서 배출되는 SO3과 H2O을 포집하여 SO3, H2O로부터 기체 SO2와 O2를 분리하는 희황산 용액 트랩을 더 포함하는 황산분해장치.
The method of claim 9,
And a rare sulfuric acid solution trap for trapping SO 3 and H 2 O discharged from the sulfate decomposition reactor to separate gases SO 2 and O 2 from SO 3 and H 2 O.
제 9 항에 따른 황산분해장치를 이용하여 이산화황과 산소를 제조하는 황산분해방법에 있어서,
(a) 하부 내부관을 통하여 하부 튜브에 황산 용액을 공급하고, 하부 튜브의 온도를 350-700 ℃로 가열하여 황산을 증발시키고 SO3와 H2O로 열분해하는 단계;
(b) 상부튜브의 온도를 700-1000 ℃로 가열하여 상기 (a)단계에서 분해되지 않은 황산을 추가적으로 SO3와 H2O로 열분해하고, 상부 튜브에 설치된 촉매층에서 SO3와 H2O를 SO2과 O2로 분해하는 단계; 및
(c) 상기 분해된 SO2과 O2를 상부 내부관을 통하여 배출하는 단계를 포함하는 황산분해방법.
In the sulfuric acid decomposition method for producing sulfur dioxide and oxygen using the sulfuric acid decomposition device according to claim 9,
(a) supplying a sulfuric acid solution to the lower tube through the lower inner tube, heating the temperature of the lower tube to 350-700 ° C. to evaporate the sulfuric acid and pyrolyze into SO 3 and H 2 O;
(b) heating the temperature of the upper tube to 700-1000 ℃ pyrolysis and the undissolved sulfate in the step (a) with additional SO 3 and H 2 O, the SO 3 and H 2 O in the catalyst layer provided on the upper tube Decomposing into SO 2 and O 2 ; And
(C) sulfuric acid decomposition method comprising the step of discharging the decomposed SO 2 and O 2 through the upper inner tube.
제 14 항에 있어서,
상기 (a)단계는 황산 용액을 공급하는 속도를 조절하는 단계를 더 포함하고, 상기 황산 용액을 5-35 g/min으로 공급하는 것을 특징으로 하는 황산분해방법.
15. The method of claim 14,
The step (a) further comprises the step of adjusting the rate of supplying sulfuric acid solution, sulfuric acid decomposition method characterized in that for supplying the sulfuric acid solution at 5-35 g / min.
제 14 항에 있어서,
상기 (c)단계는 분해된 SO2과 O2의 배출속도를 조절하여 황산분해반응기의 압력을 조절하는 단계를 더 포함하고, 상기 황산분해반응기의 압력은 0.2-5 기압인 것을 특징으로 하는 황산분해방법.
15. The method of claim 14,
The step (c) further comprises the step of adjusting the pressure of the sulfuric acid decomposition reactor by controlling the discharge rate of the decomposed SO 2 and O 2 , the pressure of the sulfuric acid decomposition reactor is characterized in that the sulfuric acid is 0.2-5 atmosphere Decomposition method.
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