KR20180082129A - 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기 - 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.

Description

플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기 {FAST HEAT CONTROL REACTOR USING PLASMA}
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.
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.
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.
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.
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.
메탄을 고부가 가치의 화합물로 전환하기 위한 다양한 연구가 수행되고 있으며, 플라즈마를 이용하여 메탄을 아세틸렌으로 전환하기 위한 기술이 오랫동안 연구되어 왔다.
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.
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.
미국특허 제5,749,937호는 고속 냉각 반응기 및 방법을 개시하고 있다.
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.
상기 2차 반응물 공급부는 복수의 토출 유로에 각각 연결되어 2차 반응물을 공급할 수 있다.
복수의 토출 유로는 제어밸브를 개재하여 상기 고온 발생부에 각각 연결될 수 있다.
상기 2차 반응물 공급부는 상기 제어밸브의 후방에서 복수의 토출 유로에 각각 연결되어 2차 반응물을 공급할 수 있다.
상기 2차 반응물 공급부는 상기 제어밸브의 전방에서 복수의 토출 유로 전체에 대응하여 연결되어 2차 반응물을 공급할 수 있다.
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.
상기 2차 반응물 공급부는 상기 2차 반응물로 메탄을 공급하고, 상기 토출 유로는 전환된 상기 화학 물질인 에틸렌 또는 아세틸렌를 토출할 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
상기 냉각부는 상기 토출 유로의 외면에 구비되는 냉각 핀들로 형성될 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
제1실시예의 개별 공급은 2차 반응물을 고온 플라즈마(P)에 노출시키는 시간이나 냉각시키는 시간을 최소화할 수 있다. 즉 온도 변화 시간이 최소화될 수 있다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
예를 들면, 메탄을 아세틸렌으로 전환하기 위해서는, 메탄 열분해 화학 반응에서 CH 단계(P1)에서 냉각을 실시함으로써, CH 라디칼(radical)이 결합한 아세틸렌(C2H2)이 생성된다(은선). 냉각부(40)는 CH 단계에서 냉각을 구현할 수 있도록 작동된다. 전환된 아세틸렌(C2H2)은 토출 유로(20)를 통하여 토출된다.
메탄을 에틸렌으로 전환하기 위해서는, 메탄 열분해 화학 반응에서 CH2 단계(P2)에서 냉각을 실시함으로써 CH2 라디칼(radical)이 결합한 에틸렌(C2H4)이 생성된다(실선). 냉각부(40)는 CH2 단계에서 냉각을 구현할 수 있도록 작동된다. 전환된 에틸렌(C2H4)은 토출 유로(20)를 통하여 토출된다.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 공간

Claims (13)

  1. 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 포함하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차 반응물 공급부는
    복수의 토출 유로에 각각 연결되어 2차 반응물을 공급하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 토출 유로는 제어밸브를 개재하여 상기 고온 발생부에 각각 연결되는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 2차 반응물 공급부는
    상기 제어밸브의 후방에서 복수의 토출 유로에 각각 연결되어 2차 반응물을 공급하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 2차 반응물 공급부는
    상기 제어밸브의 전방에서 복수의 토출 유로 전체에 대응하여 연결되어 2차 반응물을 공급하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.
  6. 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.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 2차 반응물 공급부는
    상기 2차 반응물로 메탄을 공급하고,
    상기 토출 유로는
    전환된 상기 화학 물질인 에틸렌 또는 아세틸렌를 토출하는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.
  8. 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.
  9. 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.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 냉각부는
    상기 토출 유로의 외면에 구비되는 냉각 핀들로 형성되는 플라즈마를 이용한 고속 열제어 반응기.
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