KR20210115813A - 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법 및 그 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 목적은 공급되는 탄화수소계(메탄을 비롯한 다양한 탄화수소 종을 포함) 물질에서 직접 전환으로 아세틸렌 또는 에틸렌을 생산하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법을 제공하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법은, 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 플라즈마 반응기에 공급하는 공급단계, 및 상기 플라즈마 반응기 내부의 반응공간을 탄화수소계 물질에서 아세틸렌 또는 에틸렌으로 분해반응의 온도조건을 형성하는 온도제어단계를 포함한다.
Description
본 발명은 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 메탄을 비롯한 다양한 탄화수소 종을 포함한 기상 혹은 액상의 탄화수소계 물질로부터 아세틸렌(acetylene) 또는 에틸렌(ethylene)으로 직접 전환하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
알려진 바에 따르면, 에틸렌은 화학산업의 가장 기본이 되는 물질로써, 납사 분해장치(naptha cracker) 혹은 가스 분해장치(gas cracker)를 통해서 생산되고 있다. 이들 분해장치(cracker)는 열분해(thermal cracking) 또는 스팀분해(steam cracking) 방식을 통해서 에틸렌을 생산하며, 공급물질이 주로 에탄(ethane, C2H6)과 프로필렌(propylene, C3H6)일 때 유효한 수율(yield)을 제공할 수 있다.
그러나 공급물질이 메탄(methane)인 경우에는, 스팀분해(steam cracking) 반응은 개질(reforming) 반응이 되어서 사실상 에틸렌(ethylene)의 수율을 얻을 수 없게 한다.
이 때문에 메탄이 주성분인 공급물질로 에틸렌(ethylene)을 얻기 위해서는 개질(reforming) 단계에서 합성가스를 만들고, 이 합성가스로부터 에틸렌을 합성하는 간접 공정을 통해야만 가능한 단점이 있다.
즉 메탄과 수소만으로 구성된 공급물질로 아세틸렌(C2H2) 또는 에틸렌(C2H4)을 생성하기 위하여, 적절한 온도조건과 반응 시간의 제공이 어려웠다. 기존의 플라즈마 열분해(pyrolysis)는 공급물질이 메탄인 경우, 주로 수소와 고체 카본(solid carbon)을 생성하게 된다.
이러한 플라즈마 열분해(pyrolysis) 공정은 아크 반응기의 경우 열플라즈마 발생 과정에서 과도한 온도의 생성, 과도한 온도로 인하여 ??칭(quenching) 조건까지 소요 시간이 길어지는 점 등의 한계로 인하여, 아세틸렌 또는 에틸렌의 생성 조건을 만족시키지 못하였다.
본 발명의 목적은 공급되는 탄화수소계(메탄을 비롯한 다양한 탄화수소 종을 포함) 물질에서 직접 전환으로 아세틸렌 또는 에틸렌을 생산하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 상기 방법을 구현하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 메탄 열분해(pyrolysis) 반응에서 아세틸렌 또는 에틸렌을 생성할 수 있도록 메탄 분해반응의 온도 범위(예, 1300~2500℃), 및 유효 반응시간(예, 20ms 이하)의 공정 조건을 형성할 수 있는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법을 제공하는 것이다. 또한 본 발명의 목적은 상기 방법을 구현하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법은, 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 플라즈마 반응기에 공급하는 공급단계, 상기 플라즈마 반응기 내부의 반응공간을 탄화수소계 물질에서 아세틸렌 또는 에틸렌으로 분해반응의 온도조건을 형성하는 온도제어단계, 및 상기 온도조건을 유효한 반응시간 동안 유지하도록 상기 반응공간의 온도 저하를 유도하는 ??칭단계를 포함할 수 있다.
상기 온도제어단계는 상기 반응공간의 온도조건을 1300~2500℃로 형성할 수 있다.
상기 ??칭단계는 상기 반응공간을 ??칭하여 반응시간을 20ms 이하로 유지할 수 있다.
상기 온도제어단계는, 상기 플라즈마 반응기의 고전압 전극에 동일한 전력을 공급하여 플라즈마 아크를 생성할 경우, 상기 플라즈마 아크의 길이에 따라 상기 상기 반응공간의 온도가 달라지며, 상기 반응공간의 온도가 달라지는 것을 이용하면, 아세틸렌 또는 에틸렌의 생성 조건에 맞는 온도조건을 형성할 수 있다.
상기 온도제어단계는, 상기 메탄을 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환하기 위하여 설정 온도 이상의 온도조건이 필요한데, 상기 설정 온도 이상의 온도조건을 만족하는 가능한 낮은 온도조건을 생성할 수 있다.
상기 온도제어단계에서, 상기 플라즈마 반응기의 고전압 전극과 접지 전극에는 교류전력 또는 직류전력이 인가될 수 있고, 직류전력보다 교류전력 인가시, 플라즈마 아크의 길이가 더 길어질 수 있다.
상기 온도제어단계는, 플라즈마 아크를 위한 방전가스를 회전 공급함으로써 방전가스의 회전 모멘텀으로 더 안정화시킬 수 있다.
상기 온도제어단계는, 플라즈마 아크의 길이가 길어지도록 플라즈마 아크를 상기 접지전극의 내부통로에 고정(anchoring)시킬 수 있다.
상기 ??칭단계는, 상기 분해반응이 지속하지 않도록 상기 반응공간에 형성되는 반응장의 온도를 낮아지게 할 수 있다.
상기 ??칭단계는, 상기 반응공간의 벽면의 냉각을 통해서 일어나며, 상기 반응공간의 부피 대비 상기 반응공간의 표면적을 증대시켜 냉각량을 증가시킬 수 있다.
상기 ??칭단계는, 상기 반응장의 온도가 상기 분해반응이 유지될 수 있는 최소한의 온도가 되게 하고, 상기 반응장의 끝 부분에서 상기 플라즈마 반응기의 구조 또는 유체역학적인 방법으로 반응배출물의 온도가 상기 분해반응이 가능한 이하 온도로 냉각시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치는, 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 공급하는 공급구, 플라즈마 아크의 고온으로 탄화수소계 물질을 플라즈마 열분해반응에 의하여 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환시키는 반응공간, 전환된 아세틸렌 또는 에틸렌을 배출하는 배출구, 및 상기 배출구보다 확장되어 탄화수소 전환 반응을 멈추게 하는 확장공간을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치는, 상기 공급구를 형성하는 하우징, 상기 하우징의 일측에서 상기 공급구의 중심에 내장되고 상기 하우징의 내벽과의 사이에 상기 탄화수소계 물질이 이동하는 이동통로를 형성하는 고전압 전극, 상기 고전압 전극의 전방에서 방전갭을 형성하고 상기 하우징의 내면보다 좁으면서 상기 방전갭에 이어지는 내부통로를 형성하며 상기 내부통로의 끝에 상기 배출구를 형성하는 접지전극, 및 상기 접지전극에 연결되어 상기 확장공간을 형성하는 확장부재를 포함할 수 있다.
상기 반응공간은, 상기 이동통로, 상기 방전갭 및 상기 내부통로로 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치는, 상기 확장부재에 설치되어 상기 확장공간에 냉각유체를 분사하는 분사노즐을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치는, 상기 탄화수소계 물질이 이동하는 이동통로를 중심에 형성하고, 상기 이동통로의 선단에 상기 공급구를 형성하는 고전압 전극, 및 상기 고전압 전극의 전방에서 방전갭을 형성하고 상기 이동통로 및 상기 방전갭에 이어지는 내부통로를 형성하며 상기 내부통로의 끝에 상기 배출구를 형성하는 접지전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치는, 상기 고전압 전극과 상기 접지전극 사이에 배치되는 절연체를 더 포함하며, 상기 절연체는 상기 이동통로와 상기 내부통로를 연결하는 연결통로를 더 형성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치는, 하우징, 상기 하우징의 일측에서 배치되어 상기 탄화수소계 물질이 이동하는 이동통로를 도우넛 구조로 형성하고, 상기 이동통로의 선단에 상기 공급구를 형성하는 고전압 전극, 및 상기 고전압 전극의 전방에서 방전갭을 형성하고 상기 하우징의 내면보다 좁으면서 상기 방전갭에 이어지는 내부통로를 형성하며 상기 내부통로의 끝에 상기 배출구를 형성하는 접지전극을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법은, 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질에서 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환하는 전환단계, 생성된 아세틸렌에 촉매 수소화를 통하여 에틸렌의 수율을 더 높이는 에틸렌 수율 제고단계를 포함한다.
상기 에틸렌 수율 제고단계는 상기 전환단계에서 배출된 생성물 중 아세틸렌의 촉매 수소화 반응에 적합한 온도 조건 형성을 선행하는 열교환단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치는, 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질에서 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환하는 전환부, 및 상기 전환부에서 생성된 아세틸렌에 촉매 수소화를 통하여 에틸렌의 수율을 더 높이는 촉매부를 포함한다.
상기 촉매부는, 상기 전환부에서 배출된 생성물 중 아세틸렌의 촉매 수소화 반응에 적합한 온도 조건 형성을 선행하는 열교환부를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예는 탄화수소계(메탄을 비롯한 다양한 탄화수소 종을 포함) 물질을 플라즈마 반응기에 공급하여, 탄화수소계 물질에서 아세틸렌 또는 에틸렌으로 분해반응의 온도조건을 형성하고, 유효한 반응시간 동안 온도조건을 유지하므로 플라즈마 반응기 내부의 반응공간에서 탄화수소계 물질을 아세틸렌 또는 에틸렌으로 직접 전환할 수 있다.
본 발명의 일 실시예는 ??칭단계에서 온도조건을 유효한 반응시간 동안 유지하여 반응공간의 온도 저하를 유도하는 경우, 분해반응의 온도 범위(예, 1300~2500℃) 및 유효 반응시간(예, 20ms 이하)의 공정 조건을 효과적으로 형성할 수 있다. 따라서 탄화수소계(메탄을 비롯한 다양한 탄화수소 종을 포함) 물질은 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 6은 1기압에서 1몰의 메탄을 열분해 할 때, 반응시간(sec)과 메탄(CH4) 전환률(%)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 1기압에서 1몰의 메탄을 열분해 할 때, 반응시간과 아세틸렌(C2H2) 몰비(mole fraction)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 플라즈마 발생을 위하여 공급된 에너지(단위 탄화수소계 유량 당 공급되는 전기 에너지로 표현(SEI = kJ/L))와 반응 선택도(conversion and selectivity)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제6실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 6은 1기압에서 1몰의 메탄을 열분해 할 때, 반응시간(sec)과 메탄(CH4) 전환률(%)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 7은 1기압에서 1몰의 메탄을 열분해 할 때, 반응시간과 아세틸렌(C2H2) 몰비(mole fraction)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 8은 플라즈마 발생을 위하여 공급된 에너지(단위 탄화수소계 유량 당 공급되는 전기 에너지로 표현(SEI = kJ/L))와 반응 선택도(conversion and selectivity)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법을 도시한 순서도이다.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제6실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다.
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 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법을 도시한 순서도이다. 도 1을 참조하면, 제1실시예는 공급단계(ST1), 온도제어단계(ST2) 및 ??칭단계(ST3)를 포함한다.
공급단계(ST1)는 메탄을 비롯한 다양한 탄화수소 종을 포함한 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 전환장치, 즉 제1, 제2, 제3, 제4플라즈마 반응기(1, 2, 3, 4, 도 2 내지 도 5 참조)에 공급한다. 온도제어단계(ST2)는 플라즈마 반응기 내부의 반응공간을 탄화수소계 물질의 분해반응에 맞는 온도조건을 형성한다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다. 도 2를 참조하면, 제1실시예의 전환장치, 즉 제1플라즈마 반응기(1)는 공급구(10), 반응공간(20), 배출구(30) 및 확장공간(40)을 포함한다.
공급구(10)는 제1플라즈마 반응기(1)의 일측에 구비되어, 메탄을 포함한 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 공급한다. 메탄을 포함하는 탄화수소계 물질이 플라즈마 반응 기체로 사용된다.
반응공간(20)은 제1플라즈마 반응기(1)의 공급구(10)와 배출구(30) 사이에서 공간을 형성하여, 플라즈마 아크(PA)의 고온으로 탄화수소계 물질을 플라즈마 열분해반응에 의하여 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환시킨다.
배출구(30)는 반응공간(20)에서 전환된 아세틸렌 또는 에틸렌을 배출한다. 확장공간(40)은 배출구(30)보다 확장되어 탄화수소 전환 반응을 멈추게 하여, 전환된 아세틸렌 또는 에틸렌이 고체 카본으로 전환되는 것을 방지한다.
보다 구체적으로 설명하면, 제1플라즈마 반응기(1)는 공급구(10)를 형성하는 하우징(11)과 플라즈마 아크를 발생시키는 고전압 전극(12), 접지전극(13) 및 확장부재(14)를 포함한다.
고전압 전극(12)은 하우징(11)의 일측에서 공급구(10)의 중심에 내장되고 하우징(11)의 내벽과의 사이에 탄화수소계 물질이 이동하는 이동통로(50)를 형성한다. 전환 반응을 위하여 고전압 전극(12)에는 고전압 전력(HV)이 인가된다. 고전압 전력(HV)은 직류 또는 교류일 수 있다.
접지전극(13)은 고전압 전극(12)의 전방에서 방전갭(G1)을 형성하고 하우징(11)의 내면보다 좁으면서 방전갭(G1)에 이어지는 내부통로(60)를 형성하며 내부통로(60)의 끝에 배출구(30)를 형성한다. 접지전극(13)의 내부통로(60)는 방전갭(G1)이 형성되는 하우징(11)의 내경보다 좁고 길게 형성되어 고온의 반응공간을 형성한다. 전환 반응을 위하여 접지전극(13)은 전기적으로 접지된다.
확장부재(14)는 접지전극(13)에 연결되어 확장공간(40)을 형성한다. 확장부재(14)는 배출구(30)의 일측에 배출구(30)의 내경보다 크게 확장되어 고온을 냉각시키므로 내부통로(60)에 이어지는 고온의 반응공간을 해제한다.
따라서 반응공간(20)은 이동통로(50), 방전갭(G1) 및 내부통로(60)로 형성된다. 내부통로(60)에서 실질적인 탄화수소 전환 반응이 일어나고, 확장공간(40)에서 탄화수소 전환 반응이 정지된다.
즉 메탄을 포함하는 탄화수소계 물질은 공급구(10)로 유입되어 이동통로(50), 방전갭(G1) 및 내부통로(60)를 경유하여 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환되고, 배출구(30)를 통하여 확장공간(40)으로 배출 냉각된다. 따라서 전환된 아세틸렌 또는 에틸렌을 얻을 수 있게 된다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 온도제어단계(ST2)는 반응공간(20) 또는 내부통로(60)의 온도조건을 1300~2500℃로 형성할 수 있다. 온도제어단계(ST2)는 제1플라즈마 반응기(1)의 고전압 전극(12)에 동일한 전력을 공급하여 플라즈마 아크(PA)를 생성할 경우, 반응공간(20)의 온도가 달라지는 것을 이용하여 아세틸렌(C2H2) 또는 에틸렌(C2H4)의 생성 조건에 맞는 온도조건을 형성할 수 있다. 온도제어단계(ST2)는 플라즈마 아크(PA)의 길이에 따라 반응공간(20)의 온도가 달라지게 할 수 있다.
온도제어단계(ST2)에서, 제1플라즈마 반응기(1)의 고전압 전극(12)과 접지 전극(13)에는 교류전력 또는 직류전력이 인가될 수 있다. 직류전력보다 교류전력 인가시, 플라즈마 아크(PA)의 길이가 더 길어질 수 있다. 온도제어단계(ST2)는 플라즈마 아크(PA)의 길이가 길어지도록 플라즈마 아크(PA)를 접지전극(13)의 내부통로(60)에 아킹(anchoring)시킬 수 있다.
온도제어단계(ST2)는 플라즈마 아크(PA)를 위한 방전가스를 회전 공급함으로써 방전가스의 회전 모멘텀으로 더 안정화시킬 수 있다. 제1플라즈마 반응기(1) 및 일 실시예는 메탄을 포함하는 탄화수소계 물질을 방전가스로 사용한다.
온도제어단계(ST2)는 메탄을 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환하기 위하여, 설정 온도 이상의 온도조건이 필요한데, 설정 온도 이상의 온도조건을 만족하는 가능한 낮은 온도조건을 생성할 수 있다. 고전압 전극(12)과 접지 전극(13)에 인가되는 전력을 제어하고, 이로 인하여, 플라즈마 아크(PA)의 길이를 제어한다. 이로써 반응공간(20)에서 요구되는 온도조건을 형성할 수 있다.
??칭단계(ST3)는 온도조건을 유효한 반응시간 동안 유지하도록 반응공간(20)의 온도 저하를 유도한다. ??칭단계(ST3)는 내부통로(60)의 길이로 반응시간을 설정하고, 반응공간(20)에서 확장공간(40)으로 배출되는 시간을 조절함으로써 메탄에서 전환된 아세틸렌 또는 에틸렌의 온도 전하를 유도할 수 있다. 예를 들면, ??칭단계(ST3)는 반응공간(20), 또는 내부통로(60)와 확장공간(40)의 연결로 ??칭하여 반응시간을 20ms 이하로 유지할 수 있다.
??칭단계(ST3)는 플라즈마 열분해반응이 지속하지 않도록 반응공간(20), 또는 내부통로(60)에 형성되는 반응장의 온도를 확장공간(40)에서 낮아지게 할 수 있다. 예를 들면, ??칭단계(ST3)는 반응공간(20), 또는 내부통로(60)에 연결된 확장공간(40)의 벽면의 냉각을 통해서 일어나며, 반응공간(20), 또는 내부통로(60)의 부피 대비 확장공간(40)의 표면적을 증대시켜 냉각량을 증가시킬 수 있다.
??칭단계(ST3)는 반응공간(20), 또는 내부통로(60)에서 반응장의 온도가 플라즈마 열분해반응이 유지될 수 있는 최소한의 온도가 되게 하고, 반응장의 끝, 즉 내부통로(60)의 끝 부분에서 확장공간(40)을 형성하는 제1플라즈마 반응기(1)의 구조 또는 유체역학적인 방법으로 반응 배출물(메탄에서 전환된 아세틸렌 또는 에틸렌)의 온도가 열분해반응이 가능한 이하 온도로 냉각시킬 수 있다.
예를 들면, 메탄을 전환할 때, 열역학적 평형은 1000℃ 이상의 고온 조건(온도제어단계)이고, 10ms 이하의 짧은 시간 동안의 반응 조건에서 ??칭(??칭단계)이 될 경우, 아세틸렌을 형성할 수 있으며, 이 때 적정량의 수소가 메탄과 같이 공급되고 공급되는 에너지의 양이 감소하면(플라즈마 반응기(1)의 고전압 전극(12)에 인가되는 전력이 감소하면) 에틸렌을 주 생성물로 생산할 수 있게 된다.
이때, 고온 조건의 반응을 빠른 시간에 ??칭시키지 못하면, 메탄에서 전환된 아세틸렌 또는 에틸렌의 일부로부터 고체 카본(solid carbon)이 생성되어 아세틸렌 또는 에틸렌의 수율이 저하된다. 그리고 메탄의 전환 반응이 지속되기도 어려워진다.
다만, 촉매는 고온 조건에서 소결(sintering)되어 촉매의 성능이 저하되고, 촉매와 지지체가 열질량을 가지므로 촉매 반응을 통하여, 짧은 시간의 반응으로 고온 조건의 반응을 ??칭시키기는 더욱 어렵다. 따라서 촉매를 사용하는 ??칭이 적용할 수 없다.
이에 비하여, 일 실시예에 적용되는 제1플라즈마 반응기(1)는 플라즈마로 고온 조건의 반응을 형성할 수 있고, 적절한 온도조건으로 퀘칭할 수도 있다. 탄화수소계 물질이 플라즈마의 고온 조건을 가지는 반응공간(20) 또는 내부통로(60)를 매우 짧은 시간 안에 지나면서, 탄화수소계 물질의 온도조건을 열분해반응이 더 이상 진행되지 않는 ??칭 조건 이하로 낮출 수 있다.
탄화수소계 물질의 온도조건을 ??칭 조건 이하로 낮출 수 있다면, 메탄 전환 반응의 공급물질인 메탄과 수소를 포함하는 탄화수소계 물질만으로도 플라즈마를 생성할 수 있다. 즉 플라즈마 방전을 위한 별도의 방전가스가 요구되지 않는다. 그러나 메탄 전환 반응의 온도조건, 즉 열적 환경에 대한 제어가 가능한 방전가스, 즉 플라즈마 소스가 아니면 상대적으로 반응 시간을 짧게 형성하는 것이 어려워 아세틸렌 또는 에텔렌의 생성이 어렵게 된다.
일례로써, 고주파 유도 결합 플라즈마(ICP; inductively coupled plasma)에서 메탄을 공급할 경우 빠른 반응 ??칭이 어려워서 플라즈마 발생 상의 불안정성이 증가되어, 플라즈마 자체가 ??칭된다. 즉 고주파 유도 결합 플라즈마는 플라즈마 반응기 및 온도제어단계에 사용될 수 없다.
일 실시예는 플라즈마 아크(PA) 생성 시, 고전압 전극(12)에 전압과 전류 조건을 상대적으로 제어하여 매우 짧은 시간에 플라즈마 아크(PA)를 형성하고, 플라즈마 아크(PA)에서의 열전달을 통해 반응공간(20) 또는 내부통로(60)의 온도가 확장공간(40)에서 급속히 떨어지게 하여 반응공간(20) 또는 내부통로(60)에서의 열분해반응을 ??칭시킨다.
한편, 제1실시예는 ??칭단계(ST3) 후에 플라즈마 반응기(1)를 크리닝 하는 플라즈마 크리닝 단계(ST6)를 더 포함할 수 있다(도 9 참조). 플라즈마 반응기(1)를 장시간 운전하는 경우, 발생하는 카본이 플라즈마 반응기(1)의 내부에 쌓일 가능성이 있다. 이를 고려하여, 크리닝 단계(ST6)는 주기적으로 탄화수소계 물질의 공급을 중단하고, 공기 또는 산소가 포함된 기체 스트림(stream)을 공급하는 재생 운전으로 플라즈마 반응기(1) 내부에 누적된 카본을 제거한다.
이하, 본 발명의 다양한 실시예들에 대하여 설명한다. 제1실시예의 전환장치 및 기 설명된 실시예들의 전환장치들과 비교하여 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 제2실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다. 도 3을 참조하면, 제2실시예의 전환장치, 즉 제2플라즈마 반응기(2)는 고전압 전극(22), 접지전극(23) 및 절연체(21)를 포함한다.
고전압 전극(22)은 탄화수소계 물질이 이동하는 이동통로(250)를 중심에 형성하고, 이동통로(250)의 선단에 공급구(210)를 형성한다. 접지전극(23)은 고전압 전극(22)의 전방에서 방전갭(G2)을 형성하고 이동통로(250) 및 방전갭(G2)에 이어지는 내부통로(260)를 형성하며 내부통로(260)의 끝에 배출구(230)를 형성한다.
고전압 전극(22)과 접지전극(23)은 원통 구조의 면방전을 형성하여, 제1실시예에 비하여 보다 큰 체적의 플라즈마 아크(PA2)를 형성할 수 있다. 제2플라즈마 반응기(2)는 제1플라즈마 반응기(1)에 비하여 메탄을 아세틸렌(C2H2) 또는 에틸렌(C2H4)으로 전환하는 용량을 증대시킬 수 있다.
절연체(21)는 고전압 전극(22)과 접지전극(23) 사이에 배치된다. 절연체(21)는 이동통로(250)와 내부통로(260)를 연결하는 연결통로(70)를 더 형성한다. 이때, 반응공간(220)은 이동통로(250), 방전갭(G2)의 연결통로(70) 및 내부통로(260)로 형성된다. 내부통로(260)에서 실질적인 탄화수소 전환 반응이 일어나고, 확장공간(40)에서 탄화수소 전환 반응이 정지된다.
온도제어단계(ST2)는 제2플라즈마 반응기(2)의 고전압 전극(22)에 동일한 전력을 공급하여 플라즈마 아크(PA2)를 생성할 경우, 반응공간(220)의 온도가 달라지는 것을 이용하여 아세틸렌(C2H2) 또는 에틸렌(C2H4)의 생성 조건에 맞는 온도조건을 형성할 수 있다. 온도제어단계(ST2)는 플라즈마 아크(PA2)의 길이에 따라 반응공간(220)의 온도가 달라지게 할 수 있다.
온도제어단계(ST2)에서, 제2플라즈마 반응기(2)의 고전압 전극(22)과 접지 전극(23)에는 교류전력 또는 직류전력이 인가될 수 있다. 직류전력보다 교류전력 인가시, 플라즈마 아크(PA2)의 길이가 더 길어질 수 있다. 온도제어단계(ST2)는 플라즈마 아크(PA2)의 길이가 길어지도록 플라즈마 아크(PA2)를 접지전극(23)의 내부통로(260)에 고정하여 안정화(anchoring)시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제3실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다. 도 4를 참조하면, 제3실시예의 전환장치, 즉 제3플라즈마 반응기(3)는 하우징(31), 고전압 전극(32) 및 접지전극(33)을 포함한다.
일례로써, 하우징(31)은 원통으로 형성된다. 고전압 전극(32)은 하우징(31)의 일측에서 배치되어 탄화수소계 물질이 이동하는 이동통로(350)를 도우넛 구조로 형성하고, 이동통로(350)의 선단에 공급구(310)를 형성한다.
접지전극(33)은 고전압 전극(32)의 전방에서 방전갭(G3)을 형성하고 하우징(31)의 내면보다 좁으면서 방전갭(G3)에 이어지는 내부통로(360)를 형성하며 내부통로(360)의 끝에 배출구(330)를 형성한다.
고전압 전극(32)과 접지전극(33)은 원뿔대통 구조의 면방전을 형성하여, 제1실시예에 비하여 보다 큰 체적의 플라즈마 아크(PA3)를 형성할 수 있다. 제3플라즈마 반응기(3)는 제1플라즈마 반응기(1)에 비하여 메탄을 아세틸렌(C2H2) 또는 에틸렌(C2H4)으로 전환하는 용량을 증대시킬 수 있다.
하우징(31)은 고전압 전극(32)과 접지전극(33) 사이에 배치된다. 하우징(31)은 이동통로(350)와 내부통로(360)를 연결하는 연결통로(370)를 더 형성한다. 이때, 반응공간(320)은 이동통로(350), 방전갭(G3)의 연결통로(370) 및 내부통로(360)로 형성된다. 내부통로(360)에서 실질적인 전환 반응이 일어나고, 확장공간(40)에서 탄화수소 전환 반응이 정지된다.
온도제어단계(ST2)는 제3플라즈마 반응기(3)의 고전압 전극(32)에 동일한 전력을 공급하여 플라즈마 아크(PA3)를 생성할 경우, 반응공간(320)의 온도가 달라지는 것을 이용하여 아세틸렌(C2H2) 또는 에틸렌(C2H4)의 생성 조건에 맞는 온도조건을 형성할 수 있다. 온도제어단계(ST2)는 플라즈마 아크(PA3)의 길이에 따라 반응공간(320)의 온도가 달라지게 할 수 있다.
온도제어단계(ST2)에서, 제3플라즈마 반응기(3)의 고전압 전극(32)과 접지 전극(33)에는 교류전력 또는 직류전력이 인가될 수 있다. 직류전력보다 교류전력 인가시, 플라즈마 아크(PA3)의 길이가 더 길어질 수 있다. 온도제어단계(ST2)는 플라즈마 아크(PA3)의 길이가 길어지도록 플라즈마 아크(PA3)를 접지전극(33)의 내부통로(360)에 아킹(anchoring)시킬 수 있다.
도 5는 본 발명의 제4실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다. 도 5를 참조하면, 제4실시예의 전환장치, 즉 제4플라즈마 반응기(4)는 분사노즐(35)을 더 포함한다.
분사노즐(35)은 확장부재(34)에 설치되어 확장공간(340)에 냉각유체를 분사하여, 확장공간(340)에서 메탄에서 전환된 아세틸렌(C2H2) 또는 에틸렌(C2H4)을 ??칭시켜 전환된 아세틸렌 또는 에틸렌이 고체 카본으로 전환되는 것을 방지한다.
제4실시예의 제4플라즈마 반응기(4)는 제1실시예의 제1플라즈마 반응기(1)의 변형예이다. 별도로 도시하지 않았으나, 제2, 제3실시예의 제2, 제3플라즈마 반응기(2, 3)에도 제4실시예에서와 같이 분사노즐을 적용할 수 있다.
한편, 제1, 제2, 제3, 제4플라즈마 반응기(1, 2, 3, 4)를 적용하여, 탄화수소계 물질을 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환하는 방법을 예로 들어 설명한다.
도 6은 1기압에서 1몰의 메탄을 열분해 할 때, 반응시간(sec)과 메탄(CH4) 전환률(%)의 관계를 도시한 그래프이고, 도 7은 1기압에서 1몰의 메탄을 열분해할 때, 반응시간과 아세틸렌(C2H2) 몰비(mole fraction)의 관계를 도시한 그래프이다.
도 6 및 도 7의 이론적 계산치를 참조하여 보면, 메탄(CH4)으로부터 아세틸렌(C2H2)을 더 많이 생산되려면 반응시간(RT, residence time)이 0 < RT ≤6ms이고, 반응온도(CT, conversion temperature)가 1700 ≤ CT ≤2000℃ 일 것이 요구된다.
이러한 물리적 특성을 고려할 때, 본 발명에 적용되는 제1, 제2, 제3, 제4플라즈마 반응기(1, 2, 3, 4)는 0 < RT ≤ 10ms의 반응시간(RT) 및 1300 ≤ CT ≤ 2500℃의 반응온도(CT)를 제공할 수 있다. 즉 제1, 제2, 제3, 제4플라즈마 반응기(1, 2, 3, 4)는 이론적 계산치 범위보다 넓은 반응시간 및 반응온도 조건을 제공할 수 있다.
이와 같이 반응시간을 짧게 하려면, 높은 온도로 공급되는 탄화수소계 물질(예, 메탄)을 가열하려면, 비교예의 기계적인 반응기(미도시)에 많은 에너지를 공급해 주어야 한다. 그러나 외부로부터 메탄에 높은 에너지가 공급되어도 그 에너지가 메탄으로 열전달 되기 위한 소요 시간이 필요하다. 이로 인하여, 통상의 기계적인 반응기에서는 0.5ms 이하의 범위에서 반응시간을 설정할 경우, 열전달이 충분하지 못하여 열분해 반응이 원활히 일어나지 않는다.
메탄을 전환하여 아세틸렌(C2H2)을 얻으려면, 메탄이 열분해 될 때 발생하는 고상탄소(solid carbon)가 생성물(예, 아세틸렌)의 수율을 저하시킨다. 따라서 불필요한 고상탄소의 생성을 억제하기 위하여 메탄과 함께 수소를 공급하여 함께 반응시킬 필요가 있다.
메탄에 대한 수소의 비(H2/CH4)가 1~9 범위 내에서 제1, 제2, 제3, 제4플라즈마 반응기(1, 2, 3, 4)를 운전할 수 있고, 비(H2/CH4)가 1미만 또는 9초과인 경우, 과도한 고상탄소의 발생으로 제1플라즈마 반응기(1)의 지속적인 운전이 어려워진다.
도 8은 플라즈마 발생을 위하여 공급된 에너지(단위 탄화수소계 유량 당 공급되는 전기 에너지로 표현(SEI = kJ/L))와 반응 선택도(conversion and selectivity)의 관계를 도시한 그래프이다.
공급되는 탄화수소계 물질(예, 메탄)이 반응할 수 있도록 반응온도를 올려주기 위하여, 제1, 제2, 제3, 제4플라즈마 반응기(1, 2, 3, 4)에 공급하는 에너지(SEI = kJ/L)는 단위 탄화수소계 물질 유량(Liter) 당 공급되는 전기 에너지(kJ)로 표현할 수 있습니다.
에너지(SEI) 값의 범위에 따라 탄화수소계 물질을 실제로 반응시키면, 생성물들의 조성이 변화하게 된다. 예를 들어, 메탄에 대한 수소의 비(H2/CH4)가 1~9 범위의 탄화수소계 물질을 공급하고, 도 8에서와 같이 공급하는 에너지(SEI)가 2~3.5 인 경우, 주 생성물이 에틸렌(C2H4)이고, 3.5 초과인 경우, 주 생성물이 아세틸렌(C2H2)이다.
메탄이 전환되는 경우, 예를 들어, 에틸렌(C2H4)의 선택도가 80%일 때, 전환된 메탄에서의 탄소는 80%가 에틸렌으로 전환된다. 그리고 에너지(SEI)가 1.5 이하에서는 제1, 제2, 제3, 제4플라즈마 반응기(1, 2, 3, 4)에 공급되는 에너지 부족으로 인하여 메탄의 전환 자체에 의미가 없어진다.
메탄의 전환을 통하여 C2 화합물(아세틸렌, 에틸렌)을 생산하는 반응의 핵심은 0.5 < RT ≤ 10ms의 빠른 반응시간(RT) 안에 충분한 열을 공급해서, 1700 ≤ CT ≤2000℃의 반응온도(CT)로 조성하고, 이후 빠른 시간에 열분해 반응을 더 하지 않는 온도로 떨어지게 하는 것이다.
제1, 제2, 제3, 제4플라즈마 반응기(1, 2, 3, 4)에 의한 플라즈마 외에는 0.5 < RT ≤ 10ms의 빠른 반응시간(RT) 내에 2~3.5의 높은 에너지(SEI)를 가할 수 없다. 제1, 제2, 제3, 제4플라즈마 반응기(1, 2, 3, 4)의 크기는 반응공간의 반경(R), 공급되는 탄화수소계 물질의 유속(Q), 및 반응공간의 길이(L)에 대하여, 아래 조건 범위에서 반응이 일어나야 한다(단위=초).
이하에서 제2실시예의 전환방법에 대하여 설명한다. 제1실시예의 전환방법과 제2실시예의 전환방법을 비교하여, 동일한 구성에 대한 설명을 생략하고 서로 다른 구성에 대하여 설명한다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법을 도시한 순서도이다. 도 9를 참조하면, 제2실시예의 전환방법은 전환단계(ST10)와 에틸렌 수율 제고단계(ST20)를 포함한다.
도 10은 본 발명의 제5실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다. 도 10을 참조하면, 제5실시예의 전환장치, 즉 플라즈마 반응기(5)는 전환부(81)와 촉매부(82)를 포함한다.
전환부(81)는 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질에서 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환하도록 구성된다. 전환부(81)는 제1실시예의 플라즈마 반응기(1)로 구성될 수 있다.
촉매부(82)는 전환부(81)에서 생성된 아세틸렌에 촉매 수소화를 통하여 에틸렌의 수율을 더 높이도록 구성된다. 제5실시예의 플라즈마 반응기(5)는 제1실시예의 플라즈마 반응기(1)에 촉매부(82)를 더 포함한다.
촉매부(82)는 촉매 하우징(821)의 내부에 촉매(822)를 구비한다. 촉매 하우징(821)은 확장부재(14)에 연결된다. 따라서 확장부재(14)를 경유하는 아세틸렌과 에틸렌을 포함하는 생성물은 촉매 하우징(821)에 내장된 촉매(822)를 경유하게 된다.
도 9 및 도 10을 참조하면, 전환단계(ST10)는 플라즈마 반응기(5)의 고온의 플라즈마를 이용하여 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 분해반응으로 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환한다. 일례로써, 전환단계(ST10)는 제1실시예의 제1, 제2, 제3단계(ST1, ST2, ST3)로 탄화수소계 물질을 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환할 수 있다.
에틸렌 수율 제고단계(ST20)는 전환단계(ST10)에서 생성된 아세틸렌을 촉매부(82)를 경유하여 에틸렌을 추가로 생성하여 에틸렌의 수율을 더 높일 수 있다. 일례로써, 에틸렌 수율 제고단계(ST20)는 촉매 수소화 단계(ST5)를 통하여 에틸렌의 수율을 높일 수 있다.
에틸렌 수율 제고단계(ST20)는 플라즈마 반응기(5)를 크리닝 하는 플라즈마 반응기 크리닝 단계(ST6)을 더 포함할 수 있다. 플라즈마 반응기(5)를 장시간 운전하는 경우, 발생하는 카본이 플라즈마 반응기(5)의 내부에 쌓일 가능성이 있다. 이를 고려하여, 크리닝 단계(ST6)는 주기적으로 탄화수소계 물질의 공급을 중단하고, 공기 또는 산소가 포함된 기체 스트림(stream)을 공급하는 재생 운전으로 플라즈마 반응기(5) 내부에 누적된 카본을 제거한다. 크리닝 단계(ST6)는 재생 운전을 통하여 촉매부(82)에 내장된 촉매(822)를 재생할 수도 있다.
도 11은 본 발명의 제6실시예에 따른 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치의 단면도이다. 도 11을 참조하면, 제6실시예의 전환장치, 즉 플라즈마 반응기(6)는 전환부(81)와 촉매부(92)를 포함한다. 촉매부(92)는 촉매 하우징(821)에 촉매(922)와 열교환부(923)를 내장하여 형성된다.
열교환부(923)는 플라즈마 반응기(6)의 전환부(81)에서 배출된 아세틸렌과 에틸렌을 포함하는 생성물이 촉매부(92) 내의 촉매(922)에서 촉매 반응에 적합하도록 촉매부(92)의 온도 조건을 형성한다. 예를 들면, 열교환부(923)는 요구되는 반응 온도에 따라 히터 또는 냉각 장치로 형성될 수 있다.
열교환부(923)가 구비되는 경우, 에틸렌 수율 제고단계(ST20)는 촉매 수소화 단계(ST5) 앞에 열교환단계(ST5)를 더 포함할 수 있다. 열교환단계(ST5)는 전환단계(ST10)에서 배출된 생성물 중 아세틸렌의 촉매 수소화 반응에 적합한 온도 조건을 먼저 형성한다. 따라서 촉매부(92) 내의 촉매(922)에서 아세틸렌이 에틸렌으로 전환되는 수율을 더욱 높일 수 있다.
이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이들에 한정되는 것이 아니고 청구범위와 발명의 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
1, 2, 3, 4, 5, 6: 제1, 제2, 제3, 제4, 제5, 제6플라즈마 반응기
10, 210, 310: 공급구 11, 31: 하우징
12, 22, 32: 고전압 전극 13, 23, 33: 접지전극
14, 34: 확장부재 20, 220, 320: 반응공간
21: 절연체 30, 230, 330: 배출구
35: 분사노즐 40: 확장공간
50, 250, 350: 이동통로 60, 260, 360: 내부통로
70, 370: 연결통로 81: 전환부
82, 92: 촉매부 821: 촉매 하우징
822, 922: 촉매 923: 열교환부
G1, G2, G3, G4: 방전갭 HV: 고전압 전력
PA, PA2, PA3: 플라즈마 아크
10, 210, 310: 공급구 11, 31: 하우징
12, 22, 32: 고전압 전극 13, 23, 33: 접지전극
14, 34: 확장부재 20, 220, 320: 반응공간
21: 절연체 30, 230, 330: 배출구
35: 분사노즐 40: 확장공간
50, 250, 350: 이동통로 60, 260, 360: 내부통로
70, 370: 연결통로 81: 전환부
82, 92: 촉매부 821: 촉매 하우징
822, 922: 촉매 923: 열교환부
G1, G2, G3, G4: 방전갭 HV: 고전압 전력
PA, PA2, PA3: 플라즈마 아크
Claims (22)
- 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 플라즈마 반응기에 공급하는 공급단계;
상기 플라즈마 반응기 내부의 반응공간을 탄화수소계 물질에서 아세틸렌 또는 에틸렌으로 분해반응의 온도조건을 형성하는 온도제어단계; 및
상기 온도조건을 유효한 반응시간 동안 유지하도록 상기 반응공간의 온도 저하를 유도하는 ??칭단계
를 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제1항에 있어서,
상기 온도제어단계는
상기 반응공간의 온도조건을 1300~2500℃로 형성하는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제2항에 있어서,
상기 ??칭단계는
상기 반응공간을 ??칭하여 반응시간을 20ms 이하로 유지하는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제2항에 있어서,
상기 온도제어단계는
상기 플라즈마 반응기의 고전압 전극에 동일한 전력을 공급하여 플라즈마 아크를 생성할 경우,
상기 플라즈마 아크의 길이에 따라 상기 상기 반응공간의 온도가 달라지며,
상기 반응공간의 온도가 달라지는 것을 이용하면, 아세틸렌 또는 에틸렌의 생성 조건에 맞는 온도조건을 형성하는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제2항에 있어서,
상기 온도제어단계는
상기 메탄을 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환하기 위하여
설정 온도 이상의 온도조건이 필요한데,
상기 설정 온도 이상의 온도조건을 만족하는 가능한 낮은 온도조건을 생성하는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제2항에 있어서,
상기 온도제어단계에서
상기 플라즈마 반응기의 고전압 전극과 접지 전극에는 교류전력 또는 직류전력이 인가될 수 있고,
직류전력보다 교류전력 인가시, 플라즈마 아크의 길이가 더 길어지는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제6항에 있어서,
상기 온도제어단계는
플라즈마 아크를 위한 방전가스를 회전 공급함으로써 방전가스의 회전 모멘텀으로 더 안정화시키는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제6항에 있어서,
상기 온도제어단계는
플라즈마 아크의 길이가 길어지도록 플라즈마 아크를 상기 접지전극의 내부통로에 고정(anchoring)시키는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제3항에 있어서,
상기 ??칭단계는
상기 분해반응이 지속하지 않도록 상기 반응공간에 형성되는 반응장의 온도를 낮아지게 하는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제9항에 있어서,
상기 ??칭단계는
상기 반응공간의 벽면의 냉각을 통해서 일어나며,
상기 반응공간의 부피 대비 상기 반응공간의 표면적을 증대시켜 냉각량을 증가시키는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제9항에 있어서,
상기 ??칭단계는
상기 반응장의 온도가 상기 분해반응이 유지될 수 있는 최소한의 온도가 되게 하고,
상기 반응장의 끝 부분에서 상기 플라즈마 반응기의 구조 또는 유체역학적인 방법으로 반응배출물의 온도가 상기 분해반응이 가능한 이하 온도로 냉각시키는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질을 공급하는 공급구;
플라즈마 아크의 고온으로 탄화수소계 물질을 플라즈마 열분해반응에 의하여 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환시키는 반응공간;
전환된 아세틸렌 또는 에틸렌을 배출하는 배출구; 및
상기 배출구보다 확장되어 탄화수소 전환 반응을 멈추게 하는 확장공간을 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치. - 제12항에 있어서,
상기 공급구를 형성하는 하우징,
상기 하우징의 일측에서 상기 공급구의 중심에 내장되고 상기 하우징의 내벽과의 사이에 상기 탄화수소계 물질이 이동하는 이동통로를 형성하는 고전압 전극,
상기 고전압 전극의 전방에서 방전갭을 형성하고 상기 하우징의 내면보다 좁으면서 상기 방전갭에 이어지는 내부통로를 형성하며 상기 내부통로의 끝에 상기 배출구를 형성하는 접지전극, 및
상기 접지전극에 연결되어 상기 확장공간을 형성하는 확장부재
를 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치. - 제13항에 있어서,
상기 반응공간은
상기 이동통로, 상기 방전갭 및 상기 내부통로로 형성되는, 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치. - 제13항에 있어서,
상기 확장부재에 설치되어 상기 확장공간에 냉각유체를 분사하는 분사노즐을 더 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치. - 제12항에 있어서,
상기 탄화수소계 물질이 이동하는 이동통로를 중심에 형성하고, 상기 이동통로의 선단에 상기 공급구를 형성하는 고전압 전극, 및
상기 고전압 전극의 전방에서 방전갭을 형성하고 상기 이동통로 및 상기 방전갭에 이어지는 내부통로를 형성하며 상기 내부통로의 끝에 상기 배출구를 형성하는 접지전극
을 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치. - 제16항에 있어서,
상기 고전압 전극과 상기 접지전극 사이에 배치되는 절연체를 더 포함하며,
상기 절연체는
상기 이동통로와 상기 내부통로를 연결하는 연결통로
를 더 형성하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치. - 제12항에 있어서,
하우징,
상기 하우징의 일측에서 배치되어 상기 탄화수소계 물질이 이동하는 이동통로를 도우넛 구조로 형성하고, 상기 이동통로의 선단에 상기 공급구를 형성하는 고전압 전극, 및
상기 고전압 전극의 전방에서 방전갭을 형성하고 상기 하우징의 내면보다 좁으면서 상기 방전갭에 이어지는 내부통로를 형성하며 상기 내부통로의 끝에 상기 배출구를 형성하는 접지전극
을 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치. - 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질에서 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환하는 전환단계; 및
생성된 아세틸렌에 촉매 수소화를 통하여 에틸렌의 수율을 더 높이는 에틸렌 수율 제고단계
를 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 제19항에 있어서,
상기 에틸렌 수율 제고단계는
상기 전환단계에서 배출된 생성물 중 아세틸렌의 촉매 수소화 반응에 적합한 온도 조건 형성을 선행하는 열교환단계
를 더 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환방법. - 기상 또는 액상의 탄화수소계 물질에서 아세틸렌 또는 에틸렌으로 전환하는 전환부; 및
상기 전환부에서 생성된 아세틸렌에 촉매 수소화를 통하여 에틸렌의 수율을 더 높이는 촉매부
를 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치. - 제21항에 있어서,
상기 촉매부는
상기 전환부에서 배출된 생성물 중 아세틸렌의 촉매 수소화 반응에 적합한 온도 조건 형성을 선행하는 열교환부
를 더 포함하는 탄화수소계 물질의 아세틸렌 또는 에틸렌 전환장치.
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