KR20240025664A - Co2-중성 수소를 이용한 암모니아 합성 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 CO2-중성 수소 생산 및 암모니아를 제공하기 위한 후속 추가 처리를 위한 장치 및 프로세스에 관한 것이다.
Description
본 발명은 CO2-중성 수소 생산 및 암모니아를 제공하기 위한 후속 추가 처리를 위한 장치 및 프로세스에 관한 것이다.
오늘날, 암모니아 합성을 위한 수소의 대부분은 수증기 개질에 의해 메탄으로부터 생산된다. 생산된 다량의 암모니아로 인해, 이는 전 세계적인 CO2 배출에 큰 영향을 미친다.
따라서, CO2 배출을 감소시키는 것이 바람직하다. 논의 중인 한 가지 옵션은 재생가능 에너지원, 예를 들어 태양광 발전으로부터 전기를 사용하여 전기분해에 의해 수소를 생산하는 것이다. 그렇지만, 전기화학적 물 분해 (water splitting) 에 대한 높은 에너지 수요로 인해, 프로세스는 에너지적으로 불리하고, 따라서 상대적으로 비용이 많이 든다. 그러나, 예를 들어, 저장이 용이하고 수송이 용이하며 다시 접근하기 용이한 에너지 저장 형태로서 예를 들어, 태양 전기를 암모니아로 변환하는 것은 많은 이점을 갖는다.
그럼에도 불구하고, 특히 비료 산업에서 높은 수요를 충족시킬 수 있기 위해, 대안을 모색하는 것이 합리적이다.
US 7 094 384 B1 은 탄화수소의 열 조성 (thermal composition) 및 암모니아의 합성을 개시한다.
WO 2002 038 499 A1 은 천연 가스로부터의 질소-수소 혼합물로부터 암모니아를 생산하는 프로세스를 개시한다.
US 2019 0144768 A1 은 암모니아의 합성을 개시한다.
본 발명의 목적은 산업적 대규모 암모니아 합성을 위한 비용 효율적인 CO2-무함유 수소 소스를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1 에 기재된 특징들을 갖는 장치에 의해 그리고 청구항 9 에 기재된 특징들을 갖는 프로세스에 의해 달성된다. 유리한 개발들은 종속 청구항들, 다음의 설명 및 도면들로부터 명백하다.
본 발명에 따른 암모니아 합성 장치는 수소를 생산하고 그 수소를 암모니아로 변환하기 위해 사용된다. 암모니아 합성 장치는 질소와 수소를 암모니아로 변환하기 위한 변환기를 포함한다. 해당 변환기는 당업자에게 공지되어 있으며, 전형적으로 Haber-Bosch 프로세스를 사용하여, 즉 적절한 촉매에 대해 상승된 온도 및 높은 압력에서 작동한다. 암모니아 합성 장치는 가스 스트림으로부터 암모니아를 분리하기 위한 분리 장치를 더 포함한다. 이는 또한 고전적인 Haber-Bosch 프로세스로부터 알려져 있다. 암모니아 합성 장치는 반응물 입구 및 생성물 출구를 갖고, 분리 장치는 가스 혼합물 입구 및 반응물 가스 출구를 갖는다. 암모니아 합성 장치의 생성물 출구는 분리 장치의 가스 혼합물 입구에 연결되고, 분리 장치의 반응물 가스 출구는 암모니아 합성 장치의 반응물 입구에 연결된다. 이는 수소와 질소의 미반응 가스 혼합물이 재순환되는 결과를 가지며, 이는 또한 고전적인 Haber-Bosch 프로세스로부터 알려져 있다. 암모니아 합성 장치의 생성물 출구는 분리 장치의 가스 혼합물 입구에 제 1 열 교환기를 통해 연결된다. 이로써 암모니아 합성에서 형성되는 발열 프로세스의 열을 제거할 수 있다.
본 발명에 따르면, 암모니아 합성 장치는 탄화수소의 탄소 및 수소로의 변환을 위한 열분해 반응기를 포함한다. 열분해 반응기는 탄화수소 입구 및 수소 출구를 갖는다. 열분해 반응기의 수소 출구는 암모니아 합성 장치의 반응물 입구에 연결된다. 또한, 분리 장치의 반응물 가스 출구는 열분해 반응기의 탄화수소 입구에 연결된다. 열분해 반응기에서, 탄화수소는 탄소 (고체) 와 수소 (기체) 로 분리된다. 수증기 개질 및 후속 수성 가스 전환 반응 (water gas shift reaction) 의 현재 통상적인 프로세스와는 대조적으로, 이는 CO2 를 형성하지 않고, 오히려 고체 형태의 탄소를 형성한다. 따라서, 이는 CO2 방출을 신뢰성 있게 회피하기 위해 비교적 신뢰성 있게 저장될 수 있다. 탄소는 또한 비-CO2-방출 방식으로 추가로 사용될 수 있다.
열분해가 완료까지 가지 않기 때문에, 탄화수소의 특정 나머지가 수소 스트림에 남아있을 수 있다. 후속적으로 암모니아 합성에서 변환기와 분리 장치 사이에 회로가 존재하기 때문에, 이들 탄화수소는 시간 경과에 따라 축적될 것이다. 이러한 문제를 해결하기 위해, 서브스트림이 분리 장치와 변환기 사이에서 분리되고, 탄화수소가 열분해될 수 있는 열분해 반응기로 재순환된다. 이는 암모니아 합성 회로에서 낮지만 안정된 수준의 탄화수소를 초래한다.
추가의 효과는, 수증기 개질과 대조적으로, 일산화탄소가 형성될 수 없다는 것이다. 따라서, 수증기 개질기와 실제 Haber-Bosch 프로세스 사이에서 일산화탄소를 메탄으로 변환하기 위한 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 열분해 반응기의 하류 및 변환기의 상류에 메탄화기 (methanizer) 가 배열된다. 예를 들어 순수한 메탄이 반응물로서 사용되면, 일산화탄소 촉매 독이 산소 없이 형성될 수 없기 때문에 수증기 개질 후에 전형적으로 요구되는 이 단계는 불필요할 것이다. 그러나, 일부 천연 가스 침착물 (deposits) 은 이산화탄소 및/또는 일산화탄소의 비율을 포함한다. 이러한 출발 물질을 사용할 때, 메탄 및 이산화탄소를 제공하기 위해 수소와 함께 존재하는 임의의 일산화탄소를 반응시키기 위한 메탄화기의 사용이 변환기 내의 촉매를 보호하는 데 유리할 것이다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 분리 장치를 빠져나가는 암모니아 합성 반응물 가스 스트림은 제어가능한 밸브를 사용하여 변환기로의 제 1 서브스트림 및 열분해 반응기로의 제 2 서브스트림으로 분할된다. 제어가능한 밸브가 제어 장치에 연결되고, 제어 장치는 분석 장치에 연결되며, 분석 장치는 분리 장치와 제 1 서브스트림을 포함하는 변환기 사이의 암모니아 합성 반응물 가스 스트림 내에 또는 변환기와 분리 장치 사이의 암모니아 합성 반응물 가스 스트림 내에 배열되는 것이 특히 바람직하다. 분석 장치는 탄화수소의 정량적 검출을 위해 구성된다. 탄화수소의 정량적 검출은 탄화수소의 농도의 직접 검출 및 탄화수소의 농도와 상관된 파라미터, 예를 들어 열 용량의 검출 둘 다를 포함한다. Haber-Bosch 회로 내의 탄화수소의 농도가 높을수록, 제어 장치에 의한 제어가능한 밸브의 적절한 제어를 통해 선택되는 제 1 서브스트림에 대한 제 2 서브스트림의 비율이 더 커진다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 암모니아 합성 장치는 공기 분리 장치를 포함한다. 공기 분리 장치는 질소 출구를 포함하고, 공기 분리 장치의 질소 출구는 암모니아 합성 장치의 반응물 입구에 연결된다. 공기 분리 장치의 질소 출구는 바람직하게는 질소 압축기를 통해 암모니아 합성 장치의 반응물 입구에 연결된다. 공기 분리 장치는 산소 출구를 더 포함한다. 산소는 다른 프로세스에서 이용되거나 대기로 배기될 수 있다. 공기 분리 장치가 공기 분리용 막을 포함하는 것이 바람직한데, 이것이 Linde 프로세스에 의한 공기 분리보다 더 에너지 효율적이기 때문이다. 대안적으로, 예를 들어 액체 질소의 증발로부터 질소를 얻는 것이 가능하다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 공기 분리 장치의 질소 출구는 산소 필터 장치를 통해 암모니아 합성 장치의 반응물 입구에 연결된다. 수소 스트림이 열분해 프로세스 후에 탄화수소를 함유하지 않는다는 것이 보장되지 않기 때문에, 낮은 농도에서라도 산소가 도입되어야 한다면 이는 촉매 독으로서 회피되어야 하는 이산화탄소를 형성할 수 있기 때문에 중요할 것이다. 산소 필터 장치는 예를 들어 쉽게 부식되는 재료, 예를 들어 비귀금속의 넓은 표면적을 가질 수 있다. 따라서, 임의의 산소가 표면에 화학적으로 결합된다. 산소가 상자성이고 질소가 반자성이기 때문에 자기장에 의해 효과가 향상될 수 있다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 공기 분리 장치의 질소 출구는 제 1 열교환기를 통해 암모니아 합성 장치의 반응물 입구에 연결된다. 이는 질소 스트림을 변환기에 공급될 때 가져야 하는 온도로 가져오는 것을 비교적 용이한 방식으로 가능하게 한다.
본 발명의 제 1 실시형태에서, 제 1 열교환기는 열전달 유체 시스템에 연결된다. 공기 분리 장치의 질소 출구는 제 2 열교환기를 통해 암모니아 합성 장치의 반응물 입구에 연결된다. 또한, 열분해 반응기의 탄화수소 입구는 탄화수소 소스에 연결되며, 열분해 반응기의 탄화수소 입구는 제 3 열교환기를 통해 탄화수소 소스에 연결된다. 제 2 열 교환기 및 제 3 열 교환기는 열전달 유체 시스템에 연결된다. 이는 제 1 열교환기에서 제거된 열을 제 2 열교환기로 그리고 제 3 열교환기로 전달할 수 있게 하고, 따라서 양 반응물 스트림들을 가열할 수 있게 한다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 열분해 반응기의 탄화수소 입구는 탄화수소 소스에 연결되고, 열분해 반응기의 탄화수소 입구는 제 1 열교환기를 통해 탄화수소 소스에 연결된다.
본 발명의 다른 실시형태에서, 열분해 반응기의 수소 출구는 제 1 압축기를 통해 암모니아 합성 장치의 반응물 입구에 연결된다. 또한, 분리 장치의 반응물 가스 출구는 감압 장치를 통해 열분해 반응기의 탄화수소 입구에 연결된다. 제 1 압축기는 팽창 감압 장치에 커플링된다. Haber-Bosch 프로세스는 전형적으로 매우 높은 압력에서 작동되어 평형 상태를 생성물 암모니아 쪽으로 이동시킨다. 대조적으로 열분해는 종종 더 낮은 압력에서 수행된다. 열분해 반응기 내로 재순환된 가스에 의해 방출된 에너지를 이용하기 위해, 열분해 반응기의 높은 압력으로부터 더 낮은 압력 레벨로 될 때, 제 1 압축기는 예를 들어 단 하나의 공통 축을 통해 감압 장치에 연결된다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 열분해 반응기는 1 bar 내지 20 bar 의 압력 및 600℃ 내지 1500℃ 의 온도를 위해 구성된다. 열분해 반응기는 특히 바람직하게는 2 bar 내지 10 bar 의 압력을 위해 구성된다. 온도와 관련하여, 상이한 유형의 열분해에 기인하는 다양한 최적의 온도 범위가 있다. 열분해 반응기는 금속 멜트, 이동층, 또는 플라즈마를 포함한다. 이러한 탄화수소의 열분해 기술은 산업적 대규모 사용에 준비된 것으로 기술적으로 입증되었다. 따라서, 열분해 반응기는 예를 들어 600℃ 내지 900℃ 의 온도 범위를 위해 구성될 수 있다. 이는 예를 들어 금속 멜트 열분해 반응기에 최적이다. 열분해 반응기는 대안적으로 900℃ 내지 1500℃, 바람직하게는 1200℃ 내지 1500℃ 의 온도 범위를 위해 구성될 수 있다.
열분해 반응기는 특히 바람직하게는 WO 2019/145279 A1 에 따라 구성될 수 있다.
본 발명의 추가 실시형태에서, 열분해 반응기는 전기 가열을 갖는다. 이는 재생가능 에너지원으로부터의 전기를 사용하여 열분해에 필요한 에너지를 제공하기 위해 CO2 배출을 피할 수 있게 한다.
또 다른 양태에서, 본 발명은 탄화수소로부터 암모니아를 합성하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 본 프로세스는 하기 단계를 포함한다:
a) 열분해 반응기에 탄화수소를 공급하는 단계,
b) 열분해 반응기에서 탄화수소를 열분해하여 탄소 및 수소를 제공하는 단계,
c) 열분해 반응기로부터 수소를 변환기 내로 전달하는 단계,
d) 변환기에 질소를 공급하는 단계,
e) 수소와 질소를 반응시켜 변환기에서 암모니아를 제공하는 단계,
f) 제 1 열교환기에서 암모니아 합성 생성물 가스 스트림을 냉각하는 단계,
g) 분리 장치에서 암모니아 합성 생성물 가스 스트림으로부터 암모니아를 분리하여, 암모니아 합성 반응물 가스 스트림을 수득하는 단계,
h) 암모니아 합성 반응물 가스 스트림을 제 1 서브스트림 및 제 2 서브스트림으로 분할하는 단계,
i) 제 1 서브스트림을 변환기 내로 전달하는 단계,
j) 제 2 서브스트림을 열분해 반응기 내로 전달하는 단계.
본 발명에 따른 프로세스가 본 발명에 따른 장치에서 수행되는 것이 바람직하다.
프로세스 단계 h) 및 j) 에 의해, 암모니아 합성 반응물 가스 스트림의 일부가 재순환되어 그 안에 존재하는 탄화수소를 분해하고 따라서 축적을 방지한다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 단계 b) 에서의 열분해는 촉매적으로 수행되지 않는다. 따라서, 순전히 열적 열분해가 바람직하게 수행된다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 메탄은 단계 b) 에서 열분해된다. 메탄의 열분해는 그 자체로 유리하고, 오늘날 암모니아 합성에 사용되는 수증기 개질은 마찬가지로 주로 메탄을 사용하므로, 기존의 공급 인프라를 사용하면서도 CO2 배출을 현저히 줄이기 위해 본 발명에 따른 프로세스로 비교적 용이하게 전환할 수 있다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 단계 a) 에서 탄화수소를 공급하는 동안, 상기 탄화수소는 제 1 열교환기에서 암모니아 합성 생성물 가스 스트림으로부터 회수된 에너지를 사용하여 가열된다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 단계 d) 에서 질소를 공급하는 동안, 상기 질소는 제 1 열교환기에서 암모니아 합성 생성물 가스 스트림으로부터 회수된 에너지를 사용하여 가열된다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 수소 스트림은 단계 c) 에서 열분해 반응기로부터 변환기 내로의 상기 스트림의 전달 동안에 압축된다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 제 2 서브스트림이 감압되고, 감압을 통해 수득되는 에너지가 수소 스트림을 압축하는 데 이용된다. 이는 바람직하게는 예를 들어 제 1 압축기 및 감압 장치가 공통 샤프트를 통해 커플링되는 방식으로 이루어질 수 있다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 열분해 반응기 및 변환기는 동일한 압력에서 작동된다. 이 실시형태는 압축 및 감압을 통한 에너지 손실을 회피하기 때문에 특히 바람직하다. 다른 한편으로, 이 실시형태는 가스상에서의 그을음 (soot) 형성을 피하기 위해 열분해 반응기에 대한 요구가 매우 높은데, 이는 비교적 높은 압력 및 그에 따른 가스상에서의 분자들 사이의 더 낮은 평균 거리의 결과로서 가스상의 탄소 입자들의 형성 위험이 비교적 높기 때문이다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 단계 h) 에서의 암모니아 합성 반응물 가스 스트림의 분할은 암모니아 합성 반응물 가스 스트림의 탄화수소 함량 (분율) 에 따라 수행된다. 특히, 암모니아 합성 반응물 가스 스트림 또는 암모니아 합성 생성물 가스 스트림 내의 탄화수소 함량은 직접적으로 또는 간접적으로 검출된다. 예컨대 IR 에 의해 직접 검출이 가능할 것이고, 예컨대 열전도도 측정에 의해 간접 검출이 가능할 것이다. 검출된 탄화수소 함량이 클수록, 제 2 서브스트림의 선택된 비율이 커진다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 열분해 반응기는 전기적으로 가열된다. 이는 재생가능 에너지원으로부터의 그리고 따라서 CO2 배출 없이 에너지를 사용하는 것을 특히 용이하게 한다. 이를 위해, 암모니아 합성 장치는 특히 바람직하게는 풍력 발전소, 태양 발전소, 및 에너지 저장 수단을 포함한다. 이러한 에너지 조합(mix) 및 중간 저장은 비교적 신뢰성 있는 연속 작동을 달성할 수 있게 한다. 필요한 경우, 공공 공급 그리드로부터 전기 에너지가 보충될 수 있다.
본 발명의 추가의 실시형태에서, 단계 b) 에서 생성된 탄소는 폐기, 즉 최종 저장을 위해 보내진다. 이는 CO2 형태로 대기에의 탄소의 도입을 영구적으로 그리고 신뢰성 있게 회피한다.
도면에 도시된 모범적인 실시형태들을 참조하여 아래에서 본 발명에 따른 장치가 더 구체적으로 설명된다.
도 1 은 제 1 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 2 는 제 2 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 3 은 제 3 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 4 는 제 4 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 5 는 제 5 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 6 은 제 6 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 2 는 제 2 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 3 은 제 3 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 4 는 제 4 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 5 는 제 5 모범적인 실시형태를 보여준다.
도 6 은 제 6 모범적인 실시형태를 보여준다.
이하의 모범적인 실시형태들에서 동일한 컴포넌트들에는 각각의 경우에 동일한 참조 부호들이 제공된다.
이하에서 제 1 모범적인 실시형태를 보다 상세히 설명하며, 추가 모범적인 실시형태들은 차이점들에 대해 부연한다.
도 1 은 본 발명의 암모니아 합성 장치 (10) 의 제 1 모범적인 실시형태를 보여준다. 암모니아 합성 장치 (10) 는 탄화수소 소스 (150), 예를 들어 메탄 가스 네트워크에 대한 연결부를 포함한다. 탄화수소는 탄화수소 입구 (100) 를 통해 열분해 반응기 (90) 로 전달되고, 그 안에서 예를 들어 1200℃ 내지 1500℃에서 열분해되어 탄소 및 수소를 제공한다. 열분해 반응기는 예를 들어 저부에서 저온 탄화수소가 도입되는 이동층 반응기로서 구성될 수 있다. 이는 탄화수소가 역류로 흐르는 탄소에 의해 가열되면서 상승하고, 이는 차례로 탄소를 냉각시킨다. 열분해 반응기 (90) 의 중간에서, 탄소 입자의 전기적 가열이 수행되고 탄화수소의 열분해 및 이에 따른 탄소의 성장을 초래한다. 그 추가의 상승 과정에서, 수소는 역류로 흐르는 탄소를 가열하고, 따라서 바람직하게는 수소를 Haber-Bosch 프로세스의 규모 정도의 온도로 냉각한다. 수소는 수소 출구 (110) 를 통해 열분해 반응기 (90) 를 빠져나간다. 수소 스트림 (190) 은 제 1 압축기 (160) 에 의해 압축되어 변환기 (20) 의 반응기 입구 (40) 로 공급된다. 수증기 개질과 대조적으로, 수소 스트림 (190) 이 질소를 포함하지 않으므로, 질소가 별도로 공급된다. 이를 위해, 암모니아 합성 장치 (10) 는 공기 분리 장치 (120) 를 포함한다. 질소는 질소 출구 (130) 를 통해 공기 분리 장치 (120) 를 빠져나간다. 도시된 예에서, 질소 스트림은 선택적인 산소 필터 장치 (140) 를 통해 변환기 (20) 의 반응물 입구 (40) 로 전달된다. 변환기 (20) 는 질소와 수소의 변환을 초래하여 암모니아를 제공한다. 암모니아 합성 생성물 가스 스트림 (210) 은 생성물 출구 (50) 를 통해 변환기 (20) 를 빠져나가고, 제 1 열교환기 (80) 를 통해 가스 혼합물 입구 (60) 를 통해 분리 장치 (30) 로 공급된다. 생성물 암모니아는 예를 들어 요소 합성에 공급되는 암모니아 출구 (230) 를 통해 그리고 여기서 분리된다. 남아 있는 것은 미반응 수소와 미반응 질소의 혼합물이며, 이는 열분해 반응기에서 반응하지 않거나 완전히 반응하지 않은 탄화수소를 함유할 수 있다. 이 혼합물은 암모니아 합성 반응물 가스 스트림 (200) 으로서 반응기 출구 (70) 를 통해 분리 장치 (30) 를 빠져나간다. 암모니아 합성 반응 가스 스트림 (200) 의 가장 큰 부분은 제 1 서브스트림 (240) 으로서 변환기 (20) 의 반응기 입구 (40) 로 직접 재순환된다. 암모니아 합성 반응 가스 스트림 (220) 의 다른 부분은 밸브 (270) 에서 제 2 서브스트림 (250) 으로서 분리되고, 제 2 서브스트림 (250) 으로서 열분해 반응기 (90) 의 탄화수소 입구 (100) 로 재순환된다. 암모니아 합성은 전형적으로 훨씬 더 높은 압력 하에서 수행되기 때문에, 해방된 에너지를 이용하기 위해 커플링을 통해 제 1 압축기 (160) 에 연결되는 감압 장치 (170) 가 제 2 서브스트림 (250) 에 배치된다. 열분해 반응기 (90) 로부터 탄소를 배출하기 위해, 상기 반응기는 탄소 출구 (260) 를 갖는다.
전술한 바와 같이, 제 1 실시형태에 관하여 상이한 점만을 상술한다.
도 2 에 도시된 제 2 모범적인 실시형태는 질소가 직접 제 1 열교환기 (80) 를 통해 전달되고 따라서 암모니아 합성의 프로세스 열에 의해 직접 가열된다는 점에서 제 1 실시형태와 상이하다.
도 3 은 탄화수소 소스 (150) 로부터의 탄화수소가 직접 제 1 열교환기 (80) 를 통해 전달되고 따라서 가열되는 제 3 모범적인 실시형태이다. 따라서, 탄소 출구 (260) 로부터 빠져나오는 탄소는 비교적 더 따뜻할 수 있고, 따라서 질소 스트림 (200) 을 가열하기 위해 이용될 수 있지만, 이는 단순화를 위해 여기에 도시되지 않는다.
도 4 에 도시된 제 4 모범적인 실시형태는, 제 1 모범적인 실시형태에 더하여, 질소 스트림 (200) 내의 제 2 열교환기 (280) 및 탄화수소 소스 (150) 와 열분해 반응기 (90) 사이의 탄화수소를 가열하기 위한 제 3 열교환기 (290) 를 나타낸다. 제 1 열교환기 (80), 제 2 열교환기 (280) 및 제 3 열교환기 (290) 는 단순화를 위해 여기에 도시되지 않은 열전달 유체 시스템을 통해 서로 연결된다. 결과적인 프로세스 열은 양 반응물 스트림들에 전달될 수 있다.
도 5 는 열분해 반응기 (90) 가 변환기 (20) 와 동일한 압력 레벨에서 작동하는 제 5 모범적인 실시형태를 나타낸다. 이를 위해, 제 1 압축기가 수소 스트림 (190) 으로부터 변위되었고, 이제 탄화수소 소스 (150) 와 열분해 반응기 (90) 사이에 배열되며; 감압 장치 (170) 및 따라서 커플링 (180) 이 또한 생략된다. 질소 스트림 (200) 은 바람직하게는 다른 모범적인 실시형태에 또한 존재하는 질소 스트림 내에 배열된 제 2 압축기 (300) 를 추가로 갖는다.
제 6 모범적인 실시형태가 도 6 에 도시되어 있으며, 질소 스트림이 수소 스트림 (190) 내로, 따라서 변환기 (20) 의 반응물 입구 (40) 내로 개방되지 않고, 오히려 열분해 반응기 (90) 의 탄화수소 입구 (100) 내로 개방된다는 점에서 제 1 모범적인 실시형태와 상이하다. 본 실시형태의 이점은 탄화수소 분자들 사이의 충돌 확률, 및 따라서 그을음 형성이 감소될 수 있다는 것이다. 대조적으로, 단점은 질소가 마찬가지로 열분해 온도까지 가열되어야 한다는 것이다. 그러나, 이 에너지는 열분해 반응기 (90) 의 단부에서 다시 회수될 수 있다.
10
암모니아 합성 장치
20 변환기
30 분리 장치
40 반응물 입구
50 생성물 출구
60 가스 혼합물 입구
70 반응물 가스 출구
80 제 1 열교환기
90 열분해 반응기
100 탄화수소 입구
110 수소 출구
120 공기 분리 장치
130 질소 출구
140 산소 필터 장치
150 탄화수소 소스
160 제 1 압축기
170 감압 장치
180 커플링
190 수소 스트림
200 질소 스트림
210 암모니아 합성 생성물 가스 스트림
220 암모니아 합성 반응물 가스 스트림
230 암모니아 출구
240 제 1 서브스트림
250 제 2 서브스트림
260 탄소 출구
270 밸브
280 제 2 열교환기
290 제 3 열교환기
300 제 2 압축기
20 변환기
30 분리 장치
40 반응물 입구
50 생성물 출구
60 가스 혼합물 입구
70 반응물 가스 출구
80 제 1 열교환기
90 열분해 반응기
100 탄화수소 입구
110 수소 출구
120 공기 분리 장치
130 질소 출구
140 산소 필터 장치
150 탄화수소 소스
160 제 1 압축기
170 감압 장치
180 커플링
190 수소 스트림
200 질소 스트림
210 암모니아 합성 생성물 가스 스트림
220 암모니아 합성 반응물 가스 스트림
230 암모니아 출구
240 제 1 서브스트림
250 제 2 서브스트림
260 탄소 출구
270 밸브
280 제 2 열교환기
290 제 3 열교환기
300 제 2 압축기
Claims (15)
- 수소를 생산하고 상기 수소를 암모니아로 변환하기 위한 암모니아 합성 장치 (10) 로서, 상기 암모니아 합성 장치 (10) 는 질소와 수소를 암모니아로 변환하기 위한 변환기 (20) 를 포함하고, 상기 암모니아 합성 장치 (10) 는 가스 스트림으로부터 상기 암모니아를 분리하기 위한 분리 장치 (30) 를 포함하며, 상기 암모니아 합성 장치 (10) 는 반응물 입구 (40) 및 생성물 출구 (50) 를 갖고, 상기 분리 장치 (30) 는 가스 혼합물 입구 (60) 및 반응물 가스 출구 (70) 를 가지며, 상기 암모니아 합성 장치 (10) 의 상기 생성물 출구 (50) 는 상기 분리 장치 (30) 의 상기 가스 혼합물 입구 (60) 에 연결되고, 상기 분리 장치 (30) 의 상기 반응물 가스 출구 (70) 는 상기 암모니아 합성 장치의 상기 반응물 입구 (40) 에 연결되며, 상기 암모니아 합성 장치 (10) 의 상기 생성물 출구 (50) 는 상기 분리 장치 (30) 의 상기 가스 혼합물 입구 (60) 에 제 1 열 교환기 (80) 를 통해 연결되고, 상기 암모니아 합성 장치 (10) 는 탄화수소의 탄소 및 수소로의 변환을 위한 열분해 반응기 (90) 를 포함하고, 상기 열분해 반응기 (90) 는 탄화수소 입구 (100) 와 수소 출구 (110) 를 가지며, 상기 열분해 반응기 (90) 의 상기 수소 출구 (110) 는 상기 암모니아 합성 장치 (10) 의 상기 반응물 입구 (40) 에 연결되고, 상기 분리 장치 (30) 의 상기 반응물 가스 출구 (70) 는 상기 열분해 반응기 (90) 의 상기 탄화수소 입구 (100) 에 연결되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 합성 장치 (10).
- 제 1 항에 있어서,
상기 암모니아 합성 장치 (10) 는 공기 분리 장치 (120) 를 포함하고, 상기 공기 분리 장치 (120) 는 질소 출구 (130) 를 포함하며, 상기 공기 분리 장치 (120) 의 상기 질소 출구 (130) 는 상기 암모니아 합성 장치 (10) 의 상기 반응물 입구 (40) 에 연결되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 합성 장치 (10). - 제 2 항에 있어서,
상기 공기 분리 장치 (120) 의 상기 질소 출구 (130) 는 상기 암모니아 합성 장치 (10) 의 상기 반응물 입구 (40) 에 산소 필터 장치 (140) 를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 합성 장치 (10). - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 공기 분리 장치 (120) 의 상기 질소 출구 (130) 는 상기 암모니아 합성 장치 (10) 의 상기 반응물 입구 (40) 에 상기 제 1 열교환기 (80) 를 통해 연결되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 합성 장치 (10). - 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 열교환기 (80) 는 열전달 유체 시스템에 연결되고, 상기 공기 분리 장치 (120) 의 상기 질소 출구 (130) 는 상기 암모니아 합성 장치 (10) 의 상기 반응물 입구 (40) 에 제 2 열교환기 (280) 를 통해 연결되며, 상기 열분해 반응기 (90) 의 상기 탄화수소 입구 (100) 는 탄화수소 소스 (150) 에 연결되고, 상기 열분해 반응기 (90) 의 상기 탄화수소 입구 (100) 는 제 3 열교환기 (290) 를 통해 탄화수소 소스 (150) 에 연결되며, 상기 제 2 열교환기 (280) 및 상기 제 3 열교환기 (290) 는 상기 열전달 유체 시스템에 연결되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 합성 장치 (10). - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열분해 반응기 (90) 의 탄화수소 입구 (100) 는 탄화수소 소스 (150) 에 연결되고, 상기 열분해 반응기 (90) 의 탄화수소 입구 (100) 는 상기 제 1 열교환기 (80) 를 통해 탄화수소 소스 (150) 에 연결되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 합성 장치 (10). - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열분해 반응기 (90) 의 수소 출구 (110) 는 상기 암모니아 합성 장치 (10) 의 반응물 입구 (40) 에 제 1 압축기 (160) 를 통해 연결되고, 상기 분리 장치 (30) 의 반응물 가스 출구 (70) 는 상기 열분해 반응기 (90) 의 탄화수소 입구 (100) 에 감압 장치 (170) 를 통해 연결되며, 상기 제 1 압축기 (160) 는 상기 감압 장치 (170) 에 커플링되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 합성 장치 (10). - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열분해 반응기 (90) 는 1 bar 내지 20 bar 의 압력 및 600℃ 내지 1500℃ 의 온도를 위해 구성되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 합성 장치 (10). - 탄화수소로부터 암모니아의 합성 방법으로서,
a) 열분해 반응기 (90) 에 탄화수소를 공급하는 단계,
b) 상기 열분해 반응기 (90) 에서 상기 탄화수소를 열분해하여 탄소 및 수소를 제공하는 단계,
c) 상기 열분해 반응기 (90) 로부터 상기 수소를 변환기 (20) 내로 전달하는 단계,
d) 상기 변환기 (20) 에 질소를 공급하는 단계,
e) 상기 변환기 (20) 에서 상기 수소 및 상기 질소를 암모니아로 변환시키는 단계,
f) 제 1 열교환기 (80) 에서 암모니아 합성 생성물 가스 스트림 (210) 을 냉각하는 단계,
g) 분리 장치에서 상기 암모니아 합성 생성물 가스 스트림 (210) 으로부터 암모니아를 분리하여, 암모니아 합성 반응물 가스 스트림 (220) 을 수득하는 단계,
h) 상기 암모니아 합성 반응물 가스 스트림 (220) 을 제 1 서브스트림 (240) 및 제 2 서브스트림 (250) 으로 분할하는 단계,
i) 상기 제 1 서브스트림 (240) 을 상기 변환기 (20) 내로 전달하는 단계,
j) 상기 제 2 서브스트림 (250) 을 상기 열분해 반응기 (90) 내로 전달하는 단계를 포함하는, 탄화수소로부터 암모니아의 합성 방법. - 제 9 항에 있어서,
단계 a) 에서 탄화수소를 공급하는 동안, 상기 탄화수소는 상기 제 1 열교환기 (80) 에서 상기 암모니아 합성 생성물 가스 스트림 (210) 으로부터 회수된 에너지를 사용하여 가열되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소로부터 암모니아의 합성 방법. - 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
단계 d) 에서 질소를 공급하는 동안, 상기 질소는 상기 제 1 열교환기 (80) 에서 상기 암모니아 합성 생성물 가스 스트림 (210) 으로부터 회수된 에너지를 사용하여 가열되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소로부터 암모니아의 합성 방법. - 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
수소 스트림 (190) 이 단계 c) 에서 상기 열분해 반응기 (90) 로부터 상기 변환기 (20) 내로의 상기 스트림의 전달 동안에 압축되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소로부터 암모니아의 합성 방법. - 제 12 항에 있어서,
상기 제 2 서브스트림 (250) 이 감압(decompressing)되고, 감압을 통해 수득되는 에너지가 상기 수소 스트림 (190) 을 압축하는 데 이용되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소로부터 암모니아의 합성 방법. - 제 9 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열분해 반응기 (90) 및 상기 변환기 (20) 가 동일한 압력에서 작동되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소로부터 암모니아의 합성 방법. - 제 9 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 h) 에서 상기 암모니아 합성 반응 가스 스트림 (220) 의 분할은 상기 암모니아 합성 반응물 가스 스트림 (220) 의 탄화수소 함량에 따라 수행되는 것을 특징으로 하는, 탄화수소로부터 암모니아의 합성 방법.
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