WO2015152518A1 - Gas synthesis apparatus and method - Google Patents

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WO2015152518A1
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probe
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신용욱
마노즈야다브
이봉주
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㈜그린사이언스
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Definitions

  • the disclosed embodiments relate to apparatus and methods for synthesizing gases, and more particularly to techniques for synthesizing gases, such as ammonia, through reversible exothermic reactions using plasma blasting.
  • Some gases are produced from reactants through reversible exothermic reactions.
  • the gas synthesis process may proceed at high temperature for dissociation of molecules in the reactant.
  • catalysts are used in these processes to improve yield.
  • commercially important ammonia NH 3
  • NH 3 commercially important ammonia
  • the commercialization of large-scale ammonia synthesis began with the discovery that nitrogen and hydrogen can be directly bonded when there is a catalyst composed of iron oxide and a small amount of cerium and chromium at reaction conditions of approximately 550 degrees Celsius and 200 atmospheres.
  • the axial flow reactor is reduced in pressure through the catalyst bed and consequently consumes energy, and thus is not suitable for use in low pressure large-capacity ammonia manufacturing facilities.
  • Radial flow reactors use several catalyst beds, each of which must be sealed at both ends. In order to avoid problems due to the expansion of the materials used for the various components inside the radial flow reactor, a large volume of structure is required, and the catalyst layer is disposed in one complex metal structure located inside the reactor, the catalyst It is complicated to put in or take out.
  • Patent Document 1 US Patent No. 4181701
  • the disclosed embodiments provide an apparatus and method for synthesizing a gas (eg, ammonia) via a reversible exothermic reaction using plasma blasting.
  • a gas eg, ammonia
  • a probe having a first electrode and a second electrode configured to apply electrical energy for plasma blasting; And a reactor accommodating a reactant gas reacting in the reversible exothermic reaction, and also containing a blasting medium, wherein a synthesis gas is formed from the reactant gas through the reversible exothermic reaction, the probe At least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are disposed in contact with the blasting medium, and in the reactor, the blasting medium is applied as the electrical energy is applied through the first electrode and the second electrode.
  • a gas synthesizing apparatus from which a plasma stream is generated from which the syngas is formed from the reactant gas upon generation of the plasma stream.
  • the reaction gas may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
  • the gas synthesizing apparatus may further include an adsorber for separating ammonia from the syngas.
  • the reactor includes a chamber for receiving the reaction gas and the blasting medium and generating the plasma flow and forming the synthesis gas; And a pressure transmission part for compressing the reaction gas in the chamber.
  • At least a portion of the inner wall of the chamber may be covered with a catalyst.
  • At least a portion of the probe may be inserted into the chamber through one side of the chamber such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode contact the blasting medium.
  • the reaction gas may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
  • the blasting medium may comprise hydrogen gas and nitrogen gas.
  • the reactor includes a first chamber in which the plasma flow is generated; A second chamber in which the synthesis gas is formed; And a pressure for dividing the first chamber and the second chamber and for compressing the reaction gas in the second chamber by transferring a pressure corresponding to the generation of the plasma flow to the second chamber to form the synthesis gas. It may include a delivery unit.
  • the reactor includes a blasting medium inlet through which the blasting medium is introduced into the first chamber; A reaction gas inlet through which the reaction gas flows into the second chamber; And a synthesis gas outlet through which the synthesis gas is discharged from the second chamber.
  • the reaction gas may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
  • the blasting medium may comprise hydrogen gas and nitrogen gas.
  • the reactor may further comprise an outlet gas outlet exiting the first chamber such that other syngas generated from the blasting medium is used in the second chamber upon generation of the plasma flow in the first chamber.
  • At least a portion of the inner wall of the second chamber may be covered with a catalyst.
  • At least a portion of the probe may be inserted into the first chamber through one side of the first chamber such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode contact the blasting medium.
  • the gas synthesizing apparatus may further include an additional probe having a plurality of electrodes, wherein the additional probe may be arranged such that at least a portion of each of the plurality of electrodes is in contact with the reaction gas.
  • the additional probe may be arranged such that at least a portion of each of the plurality of electrodes is in contact with the reaction gas.
  • another plasma flow may be generated from the reaction gas, and the reaction gas may be further pressurized according to the generation of the other plasma flow to form the synthesis gas.
  • At least a portion of the additional probe may be inserted into the second chamber through one side of the second chamber such that at least a portion of each of the plurality of electrodes contacts the reaction gas.
  • the apparatus may further include an electrical energy storage configured to store the electrical energy to be delivered to the probe.
  • a power supply unit charging the electrical energy storage unit at a first speed so that the electrical energy is stored in the electrical energy storage unit; And a switch for discharging the electrical energy storage unit at a second speed faster than the first speed so that the electrical energy is transferred from the electrical energy storage unit to the probe when activated.
  • the first electrode and the second electrode may be spaced apart by a dielectric.
  • the probe may include an adjusting part for moving a probe tip including an end of one of the first and second electrodes and an end of the dielectric with respect to an end of the other of the first and second electrodes. It may further include.
  • the first electrode and the second electrode may be coaxial electrodes.
  • the method comprises the steps of injecting a gas mixture reacting in a reversible exothermic reaction into a reactor; Compressing the gas mixture; Disposing a probe having a first electrode and a second electrode configured to apply electrical energy for plasma blasting such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the gas mixture; The electrical energy such that a plasma flow is generated from the gas mixture as the electrical energy is applied through the probe in the reactor and a synthesis gas is formed from the gas mixture through the reversible exothermic reaction as the plasma flow is generated.
  • a gas synthesis method comprising the step of delivering to the probe.
  • the transferring may include charging the electrical energy storage unit at a first speed so that the electrical energy is stored in the electrical energy storage unit; And discharging the electrical energy storage unit at a second speed faster than the first speed to transfer the electrical energy from the electrical energy storage unit to the probe.
  • the gas mixture may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
  • the gas synthesizing method may further include delivering the syngas to an adsorber to separate ammonia from the syngas; And it may further comprise the step of recovering the ammonia adsorbed in the adsorber.
  • the placing may include inserting at least a portion of the probe through one side of the reactor into the reactor such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the gas mixture; And a probe tip comprising an end of one of the first and second electrodes and an end of a dielectric that separates the first and second electrodes from the other of the first and second electrodes. Moving relative to the end of the.
  • the transferring may include charging the electrical energy storage unit at a first speed so that the electrical energy is stored in the electrical energy storage unit; And discharging the electrical energy storage unit at a second speed faster than the first speed to transfer the electrical energy from the electrical energy storage unit to the probe.
  • the reaction gas may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
  • the blasting medium may comprise hydrogen gas and nitrogen gas.
  • the gas synthesizing method may further include delivering the syngas to an adsorber to separate ammonia from the syngas; And it may further comprise the step of recovering the ammonia adsorbed in the adsorber.
  • the disposing step may include inserting at least a portion of the probe through one side of the first chamber into the first chamber such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode contact the blasting medium. step; And a probe tip comprising an end of one of the first and second electrodes and an end of a dielectric that separates the first and second electrodes from the other of the first and second electrodes. Moving relative to the end of the.
  • the gas synthesizing method may further comprise arranging an additional probe having a plurality of electrodes such that at least a portion of each of the plurality of electrodes is in contact with the reactant gas, wherein the plurality of electrodes in the second chamber
  • the plasma may generate another plasma flow from the reaction gas as electrical energy is applied thereto, and the reactant gas may be further pressurized according to the generation of the other plasma flow to form the synthesis gas.
  • plasma blasting techniques for the synthesis of gases eg, ammonia
  • gases eg, ammonia
  • very low energy eg, hundreds of kilowatts or more of power
  • the reactor in which the plasma chemistry for the synthesis of gas takes place may have a simple structure, require a small amount of catalyst, and be easily accessible for maintenance and repair, More economical than existing large-scale reactors.
  • the yield of syngas can be increased by creating a pressure that is greater than the pressure required in a conventional gas synthesis process and maintaining a low temperature.
  • a low cost and high efficiency process for separating the product material such as ammonia from the stream extracted from the reactor can be provided.
  • FIG. 2 is a schematic representation of a probe according to an exemplary embodiment
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a probe according to an exemplary embodiment
  • FIG. 4 shows a reactor with a probe inserted in accordance with an exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a reactor with a probe inserted in accordance with an exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a reactor with a probe inserted in accordance with an exemplary embodiment
  • This chemical reaction is an equilibrium reaction at low temperature and high pressure.
  • the reaction for ammonia synthesis does not proceed at normal ambient temperature.
  • Lower reactions can be limited by lowering the temperature, but considerably higher temperatures (eg, 250-400 degrees Celsius) are required for the nitrogen and hydrogen molecules to dissociate.
  • a catalyst is used to improve the yield of ammonia that will be lowered when the temperature is increased so that the reaction for ammonia synthesis occurs properly.
  • the disclosed embodiments involve plasma blasting for the formation of syngas via a reversible exothermic reaction.
  • plasma blasting techniques can be used to initiate chemical reactions for ammonia synthesis.
  • nitrogen molecules and hydrogen molecules included in the reaction gas of the above chemical reaction may be dissociated.
  • it is possible to increase the speed of the reaction for the ammonia synthesis by causing the pressure wave using the electrical pulse transmitted through the probe. As the pressure wave propagates, the temperature of the plasma flow decreases, and the ammonia yield may be higher even if the reaction gas comes into contact with a small amount of catalyst.
  • FIG. 1 shows an apparatus for synthesizing ammonia according to an exemplary embodiment.
  • Exemplary ammonia synthesizing apparatus 100 includes a plasma blasting apparatus 110, a reactor 120, an adsorber 130, a heat recovery unit 140, and a blower 150.
  • the plasma blasting apparatus 110 is used to deliver electrical energy to the reactor 120 to cause plasma blasting within the reactor 120.
  • the plasma blasting apparatus 110 may include a power supply 111, an electrical energy storage 112, a voltage protector 113, a switch 114, an inductor 115, and a probe ( 116).
  • the power supply unit 111 may be electrically connected to the electrical energy storage unit 112 and the voltage protection unit 113.
  • the electrical energy storage unit 112 and the voltage protection unit 113 may be electrically connected to the switch 114.
  • the switch 114 may be electrically connected to the probe 116 (eg, via the inductor 115).
  • Transmission cables can be used for such electrical connections.
  • the transmission cable may comprise a coaxial cable.
  • the transmission cable may comprise any cable configured to transmit power (eg in the form of a pulse).
  • the power supply 111 is configured to supply power to the electrical energy storage 112.
  • electrical energy storage 112 may include one or more capacitors or other suitable electrical energy storage means for storing electrical energy in accordance with the voltage provided from power supply 111.
  • the voltage protection unit 113 includes a circuit for preventing voltage reversal that damages the plasma blasting apparatus 110.
  • the switch 114 receives a specific voltage and / or current from the electrical energy storage 112.
  • the switch 114 allows the received voltage and / or current to be selectively delivered from the electrical energy store 112 to the probe 116.
  • switch 114 discharges electrical energy store 112 at a much faster rate than its charge (eg, for several tens of microseconds) to cause a pulse of a particular voltage / current (e.g., , A pulse corresponding to power of several hundred kilowatts or more) may be delivered to the probe 116.
  • activation of the switch 114 may cause electrical energy to be transferred from the electrical energy store 112 to the probe 116.
  • the reactor 120 may contain a reaction gas therein, which includes hydrogen gas (H 2 ) and nitrogen gas (N 2 ) required to synthesize ammonia.
  • the reactor 120 may accommodate a blasting medium therein.
  • the blasting medium may be plasmatized at least in part in response to the electrical energy applied by the probe 116.
  • the blasting medium may comprise vaporized or liquefied hydrogen and nitrogen.
  • the blasting medium and the reactant gas may be supplied to the reactor 120 through the same inlet of the reactor 120. In some other embodiments, the blasting medium and the reactant gas may be supplied to the reactor 120 through different inlets of the reactor 120.
  • reactor 120 may comprise one chamber.
  • the chamber may introduce a reaction gas and a blasting medium.
  • Both the reactant gas and the blasting medium may comprise hydrogen gas and nitrogen gas.
  • a gas mixture comprising hydrogen gas and nitrogen gas may enter the chamber and be used as blasting medium and also as reaction gas.
  • the reactor 120 may include a plurality of chambers, and reactant gas and blasting medium may be introduced into different chambers, respectively.
  • a gas mixture comprising vaporized hydrogen and nitrogen is introduced into the first chamber of the reactor 120 as a blasting medium, and a gas mixture comprising hydrogen gas and nitrogen gas is introduced into the second chamber of the reactor 120 as the reaction gas. Can be introduced as.
  • Probe 116 may be inserted into reactor 120 such that at least a portion of probe 116 contacts the blasting medium in reactor 120.
  • probe 116 may comprise at least two electrodes configured to apply electrical energy for plasma blasting, and probe 116 may be inserted into reactor 120.
  • the probe 116 is positioned such that at least a portion (eg, an end) of each electrode of the probe 116 is in contact with the blasting medium such that the insertion inserts such that the insertion is soaked into the blasting medium in the reactor 120.
  • electrical energy is applied to the blasting medium in the reactor 120 through the electrodes of 116, a plasma stream can be generated from the blasting medium, and the reaction gas in the reactor 120 is generated according to the generation of the plasma flow.
  • a synthesis gas comprising ammonia gas (NH 3 ) can be formed.
  • plasma may be generated as electrical energy is applied to the blasting medium at a fairly high rate through the probe 116.
  • This plasmaization occurring in reactor 120 increases the temperature of the blasting medium (eg, up to about 3000 to 4000 degrees Celsius), and the heat generated reacts with other portions of the blasting medium to Sharply increasing pressure; This increase in pressure produces high pressure shock waves (eg, spherical shock waves that spread all the way) within the reactor 120.
  • the shock wave generated by the plasma blasting causes the plasma chemical reaction to be initiated from the reaction gas.
  • the pressure represented by the wavefront of the shock wave can reach 2.5x10 9 Pa, which is sufficient to form a synthesis gas comprising ammonia gas, which is higher than the pressure used in conventional ammonia synthesis.
  • the shock wave emanates in the reactor 120, the temperature and pressure are reduced while ammonia may be synthesized from the reaction gas.
  • At least a portion of the inner wall of the reactor 120 is covered with a catalyst, and the reaction gas in the reactor 120 may react with the catalyst to promote ammonia synthesis.
  • This mechanism employs a plasma blasting technique to produce a pressure greater than that required in a conventional ammonia synthesis process in a relatively simple reactor 120 and to control the temperature of the reaction gas reacting with the catalyst on the inner wall of the reactor 120.
  • Syngas formed in the reactor 120 may be discharged from the reactor 120 and cooled in a heat recovery unit 140 such as a buffer tank. Subsequently, the synthesis gas having a sufficiently low temperature in the heat recovery unit 140 may be introduced into the adsorber 130 from the heat recovery unit 140.
  • a heat recovery unit 140 such as a buffer tank.
  • ammonia is separated from the synthesis gas.
  • the ammonia adsorbed by the adsorber 130 may be recovered to an ammonia collector (not shown) through a desorption process.
  • ammonia may enter the ammonia collector by lowering the pressure in the adsorber 130.
  • the gas remaining in the adsorber 130 after the ammonia is adsorbed in the adsorber 130 may include nitrogen gas and hydrogen gas, and at least some of the remaining gas passes through a blower 150 to the reactor 120. Can be injected again).
  • a technique for improving ammonia yield may be applied to the adsorber 130 for separating ammonia from the synthesis gas.
  • the adsorber 130 includes a layer of adsorbent that is effective to absorb ammonia from the gas stream entering the adsorber 130.
  • the adsorbent may comprise activated carbon, silica gel, alumina and / or zeolite.
  • a porous material having a large surface area may be selected as the adsorbent for the pressure swing adsorption technique. The gas flow through such adsorption bed in the adsorber 130 only contains trace amounts of residual ammonia.
  • the gas stream discharged from the adsorber 130 may include nitrogen gas and hydrogen gas, which may be blown 150 to compensate for pressure changes in facilities such as the adsorber 130 and other pipes. Enter). On the other hand, such exhaust gas may be cooled in the blower 150 to a temperature suitable to be introduced back into the reactor 120.
  • FIG. 2 illustrates a probe according to an exemplary embodiment.
  • the exemplary probe 200 includes a controller 210, a first electrode 220, a second electrode 230, and a dielectric 240. Electrical energy may be transmitted to the probe 200 through the transmission cable 270.
  • the probe 116 shown in FIG. 1 may include the probe 200 of FIG. 2.
  • the probe 200 may be electrically connected to the remaining components (eg, the power supply 111, the electrical energy storage 112, and the switch 114) of the plasma blasting apparatus 100 through the transmission cable 270. have.
  • the first electrode 220 and the second electrode 230 are different electrodes for applying electrical energy for plasma blasting.
  • the first electrode 220 and the second electrode 230 may be spaced apart by the dielectric 240.
  • the first electrode 220 is a high voltage electrode and the second electrode 230 is a ground electrode.
  • the first electrode 220 is a ground electrode and the second electrode 230 is a high voltage electrode.
  • the probe 220 is not limited to having one high voltage electrode and one ground electrode.
  • the probe 220 may include a plurality of high voltage electrodes and / or a plurality of ground electrodes.
  • the first electrode 220 and the second electrode 230 may be coaxial electrodes having the same central axis.
  • the dielectric 240 spaced apart from the first electrode 220 and the second electrode 230 may also have the same central axis as the first electrode 220 and the second electrode 230.
  • one electrode of the first electrode 220 and the second electrode 230 and the dielectric 240 surround the other electrode of the first electrode 220 and the second electrode 230, and the dielectric 240. May be disposed between the first electrode 220 and the second electrode 230.
  • the arrangement of the high voltage electrode 220, the dielectric 240, and the ground electrode 230 exemplified above is merely exemplary, and various other arrangements are not excluded from the disclosure of the present specification.
  • the adjuster 210 is configured to move the probe tip 250.
  • the probe tip 250 includes an end of the first electrode 220 and an end of the dielectric 240 as the distal portion of the probe 200.
  • the adjusting unit 210 may move the probe tip 250 with respect to the end of the second electrode 230 along the central axis of the first electrode 220 and the second electrode 230.
  • the adjuster 210 may move the probe tip 250 such that the probe tip 250 extends from the end of the second electrode 230 or retracts toward the end of the second electrode 230.
  • the distance between the end of the first electrode 220 and the end of the second electrode 230, that is, the inter-electrode gap 260 may be adjusted.
  • the controller 210 may adjust the resistance of the probe 200 in the blasting medium in contact with the probe 200.
  • the adjusting unit 210 may adjust the power delivered from the probe 200 to the blasting medium as desired. For example, when the end of the first electrode 220 and the end of the second electrode 230 are in contact with the blasting medium, the blasting medium may respond to the transfer of electrical energy from the probe 200 and thus the probe tip 250 High energy can be given within a small volume around).
  • FIG. 4 shows a reactor with a probe inserted in accordance with an exemplary embodiment.
  • Exemplary reactor 400 includes a chamber 410, a pressure transmitter 420 such as a piston, an inlet 430 and an outlet 440.
  • the reactor 120 of FIG. 1 may include the reactor 400 of FIG. 4.
  • Chamber 410 may receive a reaction gas and a blasting medium. As shown in FIG. 4, at least a portion of the inner wall of the chamber 410 is covered with a catalyst 450, and a pair of latches 460 for locking the pressure transmitter 420 are provided with the chamber 410. ) Is installed on the inner wall. In addition, at least a portion of the probe 200 may be inserted into the chamber 410 through one side of the chamber 410. 4 shows that the probe 200 is mounted to the reactor 400 horizontally, however, depending on the purpose, the probe 200 may be mounted to the reactor 400 vertically or at any other angle.
  • a gas mixture comprising hydrogen gas and nitrogen gas may be injected 705 into the chamber 410 of the reactor 400.
  • the gas mixture may enter the chamber 410 through the inlet 430.
  • the inlet 430 may be closed after the inlet of the gas mixture.
  • the gas mixture may be compressed using the pressure transmitter 420 (710).
  • the pressure transmitter 420 eg, piston
  • the pressure transmitter 420 is moved downward to lock it to the latch 460 so that the gas mixture can be compressed until it has a predetermined pressure.
  • the probe 200 may be disposed such that at least a portion of the first electrode 220 and at least a portion of the second electrode 230 of the probe 200 contact the gas mixture, and the gas mixture in the chamber 410 may be It is used as a blasting medium for plasma blasting using the probe 200.
  • the inter-electrode gap 260 of the probe 200 may be adjusted (715).
  • the inter-electrode gap 260 may be adjusted by extending or retracting the probe tip 250 along the central axis of the probe 200 using the adjuster 210. Subsequently, at least a portion of the probe 200 may be inserted into the reactor 400 (720).
  • the probe 200 penetrates one side of the chamber 410 so that at least a portion of the first electrode 220 and at least a portion of the second electrode 230 of the probe 200 contact the gas mixture. It can be inserted into 410. Alternatively, at least a portion of the probe 200 may be inserted into the chamber 410 through one side of the chamber 410 before the inter-electrode gap 260 is adjusted.
  • the electrical energy store 112 may then be charged 725 by the power supply 111 at a relatively slow first rate (eg, for several seconds).
  • the switch 114 may then be activated (730). Activation of the switch 114 may cause electrical energy stored in the electrical energy store 112 to be discharged at a very fast second rate (eg, for tens of microseconds). Accordingly, a pulse of electrical energy (e.g., equivalent to a few hundred kilowatts of power) may be formed and delivered to the first electrode 220 and the second electrode 230 of the probe 200. As a result, a plasma flow can be generated from the blasting medium across the gap 260 between the first electrode 220 and the second electrode 230 in contact with the blasting medium (gas mixture).
  • a pulse of electrical energy e.g., equivalent to a few hundred kilowatts of power
  • a plasma chemical reaction for synthesizing ammonia may occur in the chamber 410 by using the compressed gas mixture in the chamber 410 as a reaction gas.
  • the blasting medium gas mixture
  • the blasting medium is suddenly increased in temperature (eg, about 3000 to 4000 degrees Celsius) due to the plasma flow between the first electrode 220 and the second electrode 230. ).
  • the generated heat reacts with a portion of the blasting medium causing a rapid pressure rise in the chamber 410 of the reactor 400. In such a short discharge time, high-pressure shock waves are generated.
  • This shock wave which can emanate to the wall of the chamber 410 with the gas mixture as a medium, adds pressure to the compressed gas mixture and ultimately contains ammonia gas in the chamber 410 of the reactor 400. To be formed.
  • the gas mixture can also be seen as a reactive gas.
  • the reaction gas when the reaction gas is in contact with the catalyst 450 on the inner wall of the chamber 410 may promote ammonia synthesis.
  • Syngas formed in the chamber 410 may be removed 735 from the chamber 410 through the outlet 440.
  • the synthesis gas flowing out through the outlet 440 may be sufficiently cooled (eg, in the heat recovery unit 140) and then transferred to the adsorber 130 for separating ammonia gas from the synthesis gas (740).
  • ammonia is adsorbed from the dilute ammonia stream introduced into the adsorber 130.
  • a discharge gas including hydrogen gas and nitrogen gas in the adsorber 130 may be delivered to the blower 150 for pressure replenishment and recycling (745).
  • ammonia adsorbed in the adsorber 130 may be recovered by lowering the pressure through the desorption process (750).
  • FIG. 5 shows a reactor with a plasma blasting probe inserted in accordance with an exemplary embodiment.
  • Exemplary reactor 500 includes reaction chamber 510, blasting chamber 515, pressure transmitter 520, such as a piston, reactant gas inlet 530, syngas outlet 540, blasting medium inlet 535, and Exhaust gas outlet 545.
  • the reactor 120 of FIG. 1 may include the reactor 500 of FIG. 5.
  • the reaction chamber 510 may receive a reaction gas and the blasting chamber 515 may receive a blasting medium. As shown in FIG. 5, the reaction chamber 510 and the blasting chamber 515 are separated by a pressure transmitter 520. As described below, a plasma flow may be generated from the blasting medium in the blasting chamber 515 in the blasting chamber 515, and in the reaction chamber 510 containing ammonia gas from the reaction gas in the reaction chamber 510. Syngas may be formed. In this regard, after a plasma flow is generated in the blasting chamber 515, a predetermined gas flow may exit the blasting chamber 515 through the exhaust gas outlet 545.
  • the blasting medium used in the blasting chamber 515 may be a mixture of nitrogen gas and hydrogen gas, or other gas.
  • ammonia gas may be formed from the blasting medium due to plasma blasting in the blasting chamber 515. This syngas may flow out through the exhaust gas outlet 545 to be used as the reactant gas in the reaction chamber 510.
  • At least a portion of the inner wall of the reaction chamber 510 is covered with the catalyst 550, and a pair of latches 560 for locking the pressure transmitter 520 are installed on the inner wall of the reaction chamber 510.
  • at least a portion of the probe 200 may be inserted into the blasting chamber 515 through one side of the blasting chamber 515.
  • the probe 200 may be mounted to the reactor 500 at a horizontal, vertical or any other angle depending on the purpose.
  • an exemplary process 800 is described below in which ammonia is synthesized in reactor 500 using indirect compressed plasma blasting.
  • the reaction chamber 510 and the blasting chamber 515 may be filled with a reaction gas and a blasting medium, respectively.
  • the reaction gas includes hydrogen gas and nitrogen gas.
  • the blasting medium may be a gas mixture comprising vaporized hydrogen and nitrogen.
  • the blasting medium may be injected 805 into the blasting chamber 515 through the blasting medium inlet 535.
  • the reactant gas may be injected into the reaction chamber 510 through the reactant gas inlet 530 (810).
  • the introduction of the blasting medium and the introduction of the reactant gas can be carried out simultaneously.
  • the probe 200 may be disposed such that at least a portion of the first electrode 220 and at least a portion of the second electrode 230 of the probe 200 contact the blasting medium.
  • the blasting medium for plasma blasting using the probe 200 may include hydrogen gas and nitrogen gas similar to the reaction gas.
  • the probe 200 may be arranged as follows. At least a portion of the probe 200 may be inserted 815 into the blasting chamber 515. For example, at least a portion of the probe 200 penetrates one side of the blasting chamber 515 such that at least a portion of the first electrode 220 and at least a portion of the second electrode 230 of the probe 200 contact the blasting medium. It can be inserted into the blasting chamber 515.
  • the inter-electrode gap 260 of the inserted probe 200 may be adjusted (820).
  • the inter-electrode gap 260 may be adjusted by extending or retracting the probe tip 250 along the central axis of the probe 200 using the adjuster 210.
  • at least a portion of the probe 200 may be inserted into the blasting chamber 515 after the inter-electrode gap 260 is adjusted.
  • the electrical energy storage 112 may be charged 825 by the power supply 111 at a relatively slow first speed (eg, for several seconds).
  • the switch 114 may then be activated (830). Activation of the switch 114 may cause electrical energy stored in the electrical energy store 112 to be discharged at a very fast second rate (eg, for tens of microseconds). Accordingly, a pulse of electrical energy (e.g., tens of thousands of amperes) may be formed and transmitted to the first electrode 220 and the second electrode 230 of the probe 200. As a result, a plasma flow can be generated from the blasting medium as described above. Furthermore, high pressure shock waves may be generated in the blasting chamber 515 as the plasma flow is generated. The high pressure generated in this way may move the pressure transmitter 520, such as a piston, and the pressure transmitter 520 may be locked to the latch 560. Accordingly, pressure may be transmitted to the reaction chamber 510 to compress the reaction gas in the reaction chamber 510. The compressed reaction gas is in contact with the catalyst applied to the inner wall of the reactor 510, whereby ammonia may be formed in the reaction chamber 510.
  • a pulse of electrical energy
  • Syngas formed in the reaction chamber 510 may be removed from the reaction chamber 510 through the syngas outlet 540 (835). Thereafter, similarly as described above with respect to reactor 400, the synthesis gas may be delivered to adsorber 130 (eg, via heat recovery 140) for adsorption of ammonia (840), Some of the gas discharged from the 130 may be delivered to the blower 150 for pressure replenishment and recycling (845), the ammonia adsorbed in the adsorber 130 may be recovered through the desorption process (850).
  • adsorber 130 eg, via heat recovery 140
  • ammonia adsorbed in the adsorber 130 may be recovered through the desorption process (850).
  • FIG. 6 illustrates a reactor with a plasma blasting probe inserted in accordance with an exemplary embodiment.
  • the reactor 600 of FIG. 6 is configured similarly to the reactor 500 of FIG. 5, but differs from the reactor 500 of FIG. 5 in that additional probes 201 can be inserted into the reaction chamber 510.
  • the reactor 120 of FIG. 1 may include the reactor 600 of FIG. 6.
  • the additional probe 201 may have the same configuration as the probe 200.
  • the additional probe 201 may be included in the plasma blasting apparatus 110 including the probe 200, or may be included in another plasma blasting apparatus (not shown) configured like the plasma blasting apparatus 110.
  • the additional probe 201 may be electrically connected to the other components of the plasma blasting apparatus 110 or other plasma blasting apparatus through the additional transmission cable 271.
  • Ammonia may be synthesized in reactor 600 using indirect compressed plasma blasting. In the following, the difference between the ammonia synthesis process and the process 800 illustrated in FIG. 8 will be described in detail.
  • Separate probes 200 and 201 may be inserted into each of the blasting chamber 515 and the reaction chamber 510 of the reactor 600.
  • a high pressure shock wave is generated in the blasting chamber 515 using the probe 200, a high pressure is transmitted to the reaction gas in the reaction chamber 510 through the piston 520.
  • electrical energy may be applied to the reaction gas through the additional probe 201 such that other plasma blasting occurs in the reaction chamber 510.
  • a very large pressure is generated in the reaction chamber 510, and the reaction gas in the reaction chamber 510 may be further pressurized.
  • ammonia synthesis in the reaction chamber 510 can be further promoted.

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Abstract

According to a disclosed embodiment, provided is a gas synthesis apparatus comprising: a probe having a first electrode and a second electrode configured to apply electrical energy for plasma blasting; and a reactor which accommodates reactant gas reacting in a reversible exothermic reaction and also accommodates a blasting medium, and in which synthesis gas is produced from the reactant gas through the reversible exothermic reaction, wherein the probe is arranged to enable at least a part of the first electrode and at least a part of the second electrode to contact the blasting medium, and a plasma stream is produced, in the reactor, from the blasting medium when the electrical energy is applied through the first electrode and the second electrode, and the synthesis gas is produced from the reactant gas as the plasma stream is produced.

Description

가스 합성 장치 및 방법Gas synthesis apparatus and method
개시되는 실시예들은 가스를 합성하기 위한 장치 및 방법에 관한 것로서, 더욱 구체적으로는 플라즈마 블라스팅(plasma blasting)을 이용하여 가역 발열 반응을 통해 암모니아와 같은 가스를 합성하는 기법에 관한 것이다.The disclosed embodiments relate to apparatus and methods for synthesizing gases, and more particularly to techniques for synthesizing gases, such as ammonia, through reversible exothermic reactions using plasma blasting.
몇몇 가스는 가역 발열 반응을 통해 반응 물질로부터 생성된다. 특히, 그와 같이 가스가 합성되는 가역 발열 반응에 대하여, 저온에서 평형이 유지되는 경우에도 반응 물질 내 분자들의 해리를 위해 고온에서 가스 합성 공정이 진행될 수 있다. 통상적으로, 이러한 공정에서는 수율의 개선을 위해 촉매가 사용된다. 예컨대, 상업적으로 중요한 물질인 암모니아(NH3)는 현재 매년 1억 6천만 톤의 암모니아가 고온 고압의 공정을 통해 생산되고 있다. 대략 섭씨 550도 및 200 기압의 반응 조건에서 산화철과 소량의 세륨 및 크롬으로 구성된 촉매가 있을 때 질소와 수소가 직접적으로 결합될 수 있다는 것이 발견되면서 대규모 암모니아 합성의 상용화가 시작되었다.Some gases are produced from reactants through reversible exothermic reactions. In particular, for such a reversible exothermic reaction in which the gas is synthesized, even if equilibrium is maintained at a low temperature, the gas synthesis process may proceed at high temperature for dissociation of molecules in the reactant. Typically, catalysts are used in these processes to improve yield. For example, commercially important ammonia (NH 3 ) is currently producing 160 million tons of ammonia annually through high temperature and high pressure processes. The commercialization of large-scale ammonia synthesis began with the discovery that nitrogen and hydrogen can be directly bonded when there is a catalyst composed of iron oxide and a small amount of cerium and chromium at reaction conditions of approximately 550 degrees Celsius and 200 atmospheres.
기존의 암모니아와 같은 가스의 합성을 위한 반응기들 중에서 축류(axial flow) 반응기는 촉매층을 거치면서 압력이 감소되고 그에 따라 에너지 소모가 수반되는바, 저압 대용량 암모니아 제조시설에 사용하기에는 적합하지 않다. 한편, 방사류(radial flow) 반응기는 여러 촉매층을 사용하는데, 각 층은 양단에서 밀폐되어야 한다. 방사류 반응기 내부의 다양한 구성요소들에 사용되는 물질들의 팽창으로 인한 문제점을 방지하기 위해 큰 부피의 구조물이 필요하고, 촉매층은 그 반응기의 안쪽에 위치되는 하나의 복잡한 금속 구조 내에 배치되는바, 촉매를 넣거나 빼내는 것이 복잡하다.Among the reactors for synthesizing a gas such as ammonia, the axial flow reactor is reduced in pressure through the catalyst bed and consequently consumes energy, and thus is not suitable for use in low pressure large-capacity ammonia manufacturing facilities. Radial flow reactors, on the other hand, use several catalyst beds, each of which must be sealed at both ends. In order to avoid problems due to the expansion of the materials used for the various components inside the radial flow reactor, a large volume of structure is required, and the catalyst layer is disposed in one complex metal structure located inside the reactor, the catalyst It is complicated to put in or take out.
이러한 측면을 해결하기 위하여 여러 가지 방안들이 상업적으로 구현되었는데, 대부분의 방안들은 반응기의 설계 및 열 회수 방식에 특징이 있다. 다만, 최근의 저 에너지 공정에 적합하도록 반응기의 구성을 개선하여, 반응기 내 가스의 압력 강하를 최소화하고, 열교환기가 도입되기 쉽게 하며, 반응기에 촉매를 넣거나 반응기에서 빼내는 것이 더 편리하도록 하고, 수율을 증가시킬 필요가 여전히 있다. 아울러, 반응기에서 생성된 합성 가스로부터 암모니아와 같은 가스를 더 적은 비용으로써 효과적으로 분리하고 회수하기 위한 향상된 기법도 요구된다.In order to solve this aspect, various schemes have been commercially implemented. Most schemes are characterized by the design of the reactor and the heat recovery method. However, by improving the construction of the reactor to be suitable for recent low energy processes, it is possible to minimize the pressure drop of the gas in the reactor, to facilitate the introduction of heat exchangers, to make it more convenient to put the catalyst in or out of the reactor, and to improve the yield. There is still a need to increase. There is also a need for an improved technique for effectively separating and recovering gases such as ammonia from the synthesis gas produced in the reactor at lower cost.
[선행기술문헌][Preceding technical literature]
[특허문헌][Patent Documents]
(특허문헌 1) 미국등록특허 제4181701호(Patent Document 1) US Patent No. 4181701
개시되는 실시예들은 플라즈마 블라스팅을 이용한 가역 발열 반응을 통해 가스(예컨대, 암모니아)를 합성하는 장치 및 방법을 제공한다.The disclosed embodiments provide an apparatus and method for synthesizing a gas (eg, ammonia) via a reversible exothermic reaction using plasma blasting.
예시적인 실시예에 따르면, 플라즈마 블라스팅(plasma blasting)을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브; 및 가역 발열 반응에서 반응하는 반응 가스(reactant gas)를 수용하고, 또한 블라스팅 매질을 수용하며, 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 반응 가스로부터 합성 가스(synthesis gas)가 형성되는 반응기를 포함하고, 상기 프로브는 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 배치되고, 상기 반응기에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통해 상기 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름(plasma stream)이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스로부터 상기 합성 가스가 형성되는, 가스 합성 장치가 제공된다.According to an exemplary embodiment, a probe having a first electrode and a second electrode configured to apply electrical energy for plasma blasting; And a reactor accommodating a reactant gas reacting in the reversible exothermic reaction, and also containing a blasting medium, wherein a synthesis gas is formed from the reactant gas through the reversible exothermic reaction, the probe At least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are disposed in contact with the blasting medium, and in the reactor, the blasting medium is applied as the electrical energy is applied through the first electrode and the second electrode. There is provided a gas synthesizing apparatus from which a plasma stream is generated from which the syngas is formed from the reactant gas upon generation of the plasma stream.
상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.The reaction gas may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
상기 가스 합성 장치는 상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위한 흡착기를 더 포함할 수 있다.The gas synthesizing apparatus may further include an adsorber for separating ammonia from the syngas.
상기 반응기는, 상기 반응 가스 및 상기 블라스팅 매질을 수용하고 상기 플라즈마 흐름이 생성되며 상기 합성 가스가 형성되는 챔버; 및 상기 챔버 내의 상기 반응 가스를 압축하기 위한 압력 전달부를 포함할 수 있다.The reactor includes a chamber for receiving the reaction gas and the blasting medium and generating the plasma flow and forming the synthesis gas; And a pressure transmission part for compressing the reaction gas in the chamber.
상기 챔버의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮일 수 있다.At least a portion of the inner wall of the chamber may be covered with a catalyst.
상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부가 상기 챔버의 일측을 관통하여 상기 챔버 내에 삽입될 수 있다.At least a portion of the probe may be inserted into the chamber through one side of the chamber such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode contact the blasting medium.
상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.The reaction gas may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다.The blasting medium may comprise hydrogen gas and nitrogen gas.
상기 반응기는, 상기 플라즈마 흐름이 생성되는 제1 챔버; 상기 합성 가스가 형성되는 제2 챔버; 및 상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버를 구분하고, 상기 합성 가스의 형성을 위해 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따른 압력을 상기 제2 챔버에 전달하여 상기 제2 챔버 내의 상기 반응 가스를 압축하기 위한 압력 전달부를 포함할 수 있다.The reactor includes a first chamber in which the plasma flow is generated; A second chamber in which the synthesis gas is formed; And a pressure for dividing the first chamber and the second chamber and for compressing the reaction gas in the second chamber by transferring a pressure corresponding to the generation of the plasma flow to the second chamber to form the synthesis gas. It may include a delivery unit.
상기 반응기는, 상기 블라스팅 매질이 상기 제1 챔버로 유입되는 블라스팅 매질 유입구; 상기 반응 가스가 상기 제2 챔버로 유입되는 반응 가스 유입구; 및 상기 합성 가스가 상기 제2 챔버로부터 유출되는 합성 가스 유출구를 더 포함할 수 있다.The reactor includes a blasting medium inlet through which the blasting medium is introduced into the first chamber; A reaction gas inlet through which the reaction gas flows into the second chamber; And a synthesis gas outlet through which the synthesis gas is discharged from the second chamber.
상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.The reaction gas may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다.The blasting medium may comprise hydrogen gas and nitrogen gas.
상기 반응기는 상기 제1 챔버에서 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 생성된 다른 합성 가스가 상기 제2 챔버에서 사용되도록 상기 제1 챔버로부터 유출되는 배출 가스 유출구를 더 포함할 수 있다.The reactor may further comprise an outlet gas outlet exiting the first chamber such that other syngas generated from the blasting medium is used in the second chamber upon generation of the plasma flow in the first chamber.
상기 제2 챔버의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮일 수 있다.At least a portion of the inner wall of the second chamber may be covered with a catalyst.
상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부는 상기 제1 챔버의 일측을 관통하여 상기 제1 챔버 내에 삽입될 수 있다.At least a portion of the probe may be inserted into the first chamber through one side of the first chamber such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode contact the blasting medium.
상기 가스 합성 장치는 복수의 전극들을 구비한 추가적인 프로브를 더 포함할 수 있고, 상기 추가적인 프로브는 상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 배치될 수 있으며, 상기 제2 챔버에서는 상기 복수의 전극들을 통해 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 반응 가스로부터 다른 플라즈마 흐름이 생성될 수 있고 상기 다른 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스가 더 가압되어 상기 합성 가스가 형성될 수 있다.The gas synthesizing apparatus may further include an additional probe having a plurality of electrodes, wherein the additional probe may be arranged such that at least a portion of each of the plurality of electrodes is in contact with the reaction gas. As the electrical energy is applied through the plurality of electrodes, another plasma flow may be generated from the reaction gas, and the reaction gas may be further pressurized according to the generation of the other plasma flow to form the synthesis gas.
상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 상기 추가적인 프로브의 적어도 일부가 상기 제2 챔버의 일측을 관통하여 상기 제2 챔버 내에 삽입될 수 있다.At least a portion of the additional probe may be inserted into the second chamber through one side of the second chamber such that at least a portion of each of the plurality of electrodes contacts the reaction gas.
상기 프로브에 전달될 상기 전기에너지를 저장하도록 구성된 전기에너지 저장부를 더 포함할 수 있다.The apparatus may further include an electrical energy storage configured to store the electrical energy to be delivered to the probe.
상기 전기에너지가 상기 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전시키는 전원 공급부; 및 활성화되는 경우 상기 전기에너지가 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달되도록 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기 에너지 저장부를 방전시키는 스위치를 더 포함할 수 있다.A power supply unit charging the electrical energy storage unit at a first speed so that the electrical energy is stored in the electrical energy storage unit; And a switch for discharging the electrical energy storage unit at a second speed faster than the first speed so that the electrical energy is transferred from the electrical energy storage unit to the probe when activated.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 유전체에 의해 이격될 수 있다.The first electrode and the second electrode may be spaced apart by a dielectric.
상기 프로브는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키기 위한 조절부를 더 포함할 수 있다.The probe may include an adjusting part for moving a probe tip including an end of one of the first and second electrodes and an end of the dielectric with respect to an end of the other of the first and second electrodes. It may further include.
상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 동축 전극들일 수 있다.The first electrode and the second electrode may be coaxial electrodes.
다른 예시적인 실시예에 따르면, 반응기에 가역 발열 반응에서 반응하는 가스 혼합물을 주입하는 단계; 상기 가스 혼합물을 압축하는 단계; 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브를 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 가스 혼합물과 접촉하도록 배치하는 단계; 및 상기 반응기에서 상기 전기에너지가 상기 프로브를 통해 인가됨에 따라 상기 가스 혼합물로부터 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 가스 혼합물로부터 합성 가스가 형성되도록, 상기 전기에너지를 상기 프로브에 전달하는 단계를 포함하는, 가스 합성 방법이 제공된다.According to another exemplary embodiment, the method comprises the steps of injecting a gas mixture reacting in a reversible exothermic reaction into a reactor; Compressing the gas mixture; Disposing a probe having a first electrode and a second electrode configured to apply electrical energy for plasma blasting such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the gas mixture; The electrical energy such that a plasma flow is generated from the gas mixture as the electrical energy is applied through the probe in the reactor and a synthesis gas is formed from the gas mixture through the reversible exothermic reaction as the plasma flow is generated. Provided is a gas synthesis method comprising the step of delivering to the probe.
상기 전달하는 단계는, 상기 전기에너지가 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전하는 단계; 및 상기 전기에너지를 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달하기 위해 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기에너지 저장부를 방전시키는 단계를 포함할 수 있다.The transferring may include charging the electrical energy storage unit at a first speed so that the electrical energy is stored in the electrical energy storage unit; And discharging the electrical energy storage unit at a second speed faster than the first speed to transfer the electrical energy from the electrical energy storage unit to the probe.
상기 가스 혼합물은 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.The gas mixture may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
상기 가스 합성 방법은, 상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위해 상기 합성 가스를 흡착기에 전달하는 단계; 및 상기 흡착기에서 흡착된 암모니아를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.The gas synthesizing method may further include delivering the syngas to an adsorber to separate ammonia from the syngas; And it may further comprise the step of recovering the ammonia adsorbed in the adsorber.
상기 배치하는 단계는, 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 가스 혼합물과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부를 상기 반응기의 일측을 관통시켜 상기 반응기 내에 삽입하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이격시키는 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.The placing may include inserting at least a portion of the probe through one side of the reactor into the reactor such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the gas mixture; And a probe tip comprising an end of one of the first and second electrodes and an end of a dielectric that separates the first and second electrodes from the other of the first and second electrodes. Moving relative to the end of the.
또 다른 예시적인 실시예에 따르면, 블라스팅 매질을 제1 챔버 내로 주입하는 단계; 가역 발열 반응에서 반응하는 반응 가스를 제2 챔버 내로 주입하는 단계; 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브를 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 배치하는 단계; 및 상기 제1 챔버에서 상기 전기에너지가 상기 프로브를 통해 인가됨에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 제2 챔버에 압력이 전달되어 상기 반응 가스가 압축되며 상기 반응 가스의 압축에 따라 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 반응 가스로부터 합성 가스가 형성되도록, 상기 전기에너지를 상기 프로브에 전달하는 단계를 포함하는, 가스 합성 방법이 제공된다.According to yet another exemplary embodiment, the step of injecting a blasting medium into the first chamber; Injecting a reaction gas reacting in the reversible exothermic reaction into a second chamber; Disposing a probe having a first electrode and a second electrode configured to apply electrical energy for plasma blasting such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the blasting medium; And as the electrical energy is applied through the probe in the first chamber, a plasma flow is generated from the blasting medium, and a pressure is transferred to the second chamber as the plasma flow is generated, thereby compressing the reaction gas and reacting the reaction. Delivering the electrical energy to the probe such that a synthesis gas is formed from the reaction gas through the reversible exothermic reaction upon compression of the gas.
상기 전달하는 단계는, 상기 전기에너지가 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전하는 단계; 및 상기 전기에너지를 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달하기 위해 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기에너지 저장부를 방전시키는 단계를 포함할 수 있다.The transferring may include charging the electrical energy storage unit at a first speed so that the electrical energy is stored in the electrical energy storage unit; And discharging the electrical energy storage unit at a second speed faster than the first speed to transfer the electrical energy from the electrical energy storage unit to the probe.
상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함할 수 있다.The reaction gas may include hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas may include ammonia gas.
상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다.The blasting medium may comprise hydrogen gas and nitrogen gas.
상기 가스 합성 방법은, 상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위해 상기 합성 가스를 흡착기에 전달하는 단계; 및 상기 흡착기에서 흡착된 암모니아를 회수하는 단계를 더 포함할 수 있다.The gas synthesizing method may further include delivering the syngas to an adsorber to separate ammonia from the syngas; And it may further comprise the step of recovering the ammonia adsorbed in the adsorber.
상기 배치하는 단계는, 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부를 상기 제1 챔버의 일측을 관통시켜 상기 제1 챔버 내에 삽입하는 단계; 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이격시키는 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키는 단계를 포함할 수 있다.The disposing step may include inserting at least a portion of the probe through one side of the first chamber into the first chamber such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode contact the blasting medium. step; And a probe tip comprising an end of one of the first and second electrodes and an end of a dielectric that separates the first and second electrodes from the other of the first and second electrodes. Moving relative to the end of the.
상기 가스 합성 방법은, 복수의 전극들을 구비한 추가적인 프로브를 상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 배치하는 단계를 더 포함할 수 있고, 상기 제2 챔버에서는 상기 복수의 전극들을 통해 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 반응 가스로부터 다른 플라즈마 흐름이 생성될 수 있고 상기 다른 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스가 더 가압되어 상기 합성 가스가 형성될 수 있다.The gas synthesizing method may further comprise arranging an additional probe having a plurality of electrodes such that at least a portion of each of the plurality of electrodes is in contact with the reactant gas, wherein the plurality of electrodes in the second chamber The plasma may generate another plasma flow from the reaction gas as electrical energy is applied thereto, and the reactant gas may be further pressurized according to the generation of the other plasma flow to form the synthesis gas.
개시되는 실시예들에 따르면, 가역 발열 반응을 통한 가스(예컨대, 암모니아)의 합성을 위해 플라즈마 블라스팅 기법을 채택함으로써 기존의 고압 및 고온의 반응기에 비해 매우 낮은 에너지(에컨대, 수백 킬로와트 이상의 전력이 수십 마이크로 초 이하 동안 인가됨)를 사용할 수 있다.According to the disclosed embodiments, plasma blasting techniques for the synthesis of gases (eg, ammonia) through reversible exothermic reactions result in very low energy (eg, hundreds of kilowatts or more of power) compared to conventional high pressure and high temperature reactors. Applied for up to several tens of microseconds).
개시되는 실시예들에 따르면, 가스의 합성을 위한 플라즈마 화학 반응이 일어나는 반응기는 단순한 구조를 가질 수 있고, 적은 양의 촉매를 필요로 할 수 있으며, 유지 및 보수를 위해 쉽게 접근할 수 있는바, 기존의 대규모의 반응기들에 비해 더욱 경제적이다.According to the disclosed embodiments, the reactor in which the plasma chemistry for the synthesis of gas takes place may have a simple structure, require a small amount of catalyst, and be easily accessible for maintenance and repair, More economical than existing large-scale reactors.
개시되는 실시예들에 따르면, 종래의 가스 합성 공정에서 요구되는 압력보다 큰 압력을 생성하고 저온을 유지함으로써, 합성 가스의 수율을 증가시킬 수 있다.According to the disclosed embodiments, the yield of syngas can be increased by creating a pressure that is greater than the pressure required in a conventional gas synthesis process and maintaining a low temperature.
개시되는 실시예들에 따르면, 반응기로부터 추출된 흐름으로부터 암모니아와 같은 생성 물질을 분리하기 위한 저비용 및 고효율의 공정이 제공될 수 있다.According to the disclosed embodiments, a low cost and high efficiency process for separating the product material such as ammonia from the stream extracted from the reactor can be provided.
도 1은 예시적인 실시예에 따라 암모니아를 합성하는 장치를 도시한 도면,1 shows an apparatus for synthesizing ammonia according to an exemplary embodiment,
도 2는 예시적인 실시예에 따른 프로브를 도식적으로 나타낸 도면,2 is a schematic representation of a probe according to an exemplary embodiment;
도 3은 예시적인 실시예에 따른 프로브의 단면을 도시한 도면,3 is a cross-sectional view of a probe according to an exemplary embodiment;
도 4는 예시적인 실시예에 따라 프로브가 삽입된 반응기를 도시한 도면,4 shows a reactor with a probe inserted in accordance with an exemplary embodiment;
도 5는 예시적인 실시예에 따라 프로브가 삽입된 반응기를 도시한 도면,5 shows a reactor with a probe inserted in accordance with an exemplary embodiment;
도 6은 예시적인 실시예에 따라 프로브가 삽입된 반응기를 도시한 도면,6 shows a reactor with a probe inserted in accordance with an exemplary embodiment;
도 7은 예시적인 실시예에 따른 암모니아 합성 과정을 도시한 도면,7 illustrates ammonia synthesis process according to an exemplary embodiment;
도 8은 예시적인 실시예에 따른 암모니아 합성 과정을 도시한 도면.8 illustrates ammonia synthesis process according to an exemplary embodiment.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하기로 한다. 이하의 상세한 설명은 본 명세서에서 기술된 방법, 장치 및/또는 시스템에 대한 포괄적인 이해를 돕기 위해 제공된다. 그러나 이는 예시에 불과하며 본 발명은 이에 제한되지 않는다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The following detailed description is provided to assist in a comprehensive understanding of the methods, devices, and / or systems described herein. However, this is only an example and the present invention is not limited thereto.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서, 본 발명과 관련된 공지기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 그리고, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 상세한 설명에서 사용되는 용어는 단지 본 발명의 실시예들을 기술하기 위한 것이며, 결코 제한적이어서는 안 된다. 명확하게 달리 사용되지 않는 한, 단수 형태의 표현은 복수 형태의 의미를 포함한다. 본 설명에서, "포함" 또는 "구비"와 같은 표현은 어떤 특성들, 숫자들, 단계들, 동작들, 요소들, 이들의 일부 또는 조합을 가리키기 위한 것이며, 기술된 것 이외에 하나 또는 그 이상의 다른 특성, 숫자, 단계, 동작, 요소, 이들의 일부 또는 조합의 존재 또는 가능성을 배제하도록 해석되어서는 안 된다.In describing the embodiments of the present invention, when it is determined that the detailed description of the known technology related to the present invention may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, terms to be described below are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of a user or an operator. Therefore, the definition should be made based on the contents throughout the specification. The terminology used in the description is for the purpose of describing embodiments of the invention only and should not be limiting. Unless explicitly used otherwise, the singular forms “a,” “an,” and “the” include plural forms of meaning. In this description, expressions such as "comprises" or "equipment" are intended to indicate certain features, numbers, steps, actions, elements, portions or combinations thereof, and one or more than those described. It should not be construed to exclude the presence or possibility of other features, numbers, steps, actions, elements, portions or combinations thereof.
예를 들어, 질소 및 수소로부터 암모니아를 합성하는 것은 가역 발열 반응으로서, 다음과 같이 기술될 수 있다.For example, the synthesis of ammonia from nitrogen and hydrogen is a reversible exothermic reaction, which can be described as follows.
화학식 1
Figure PCTKR2015001447-appb-C000001
Formula 1
Figure PCTKR2015001447-appb-C000001
위 화학 반응의 평형 상수는 다음과 같다.The equilibrium constant of the above chemical reaction is
화학식 2
Figure PCTKR2015001447-appb-C000002
Formula 2
Figure PCTKR2015001447-appb-C000002
이러한 화학 반응은 저온 및 고압에서 평형 반응이다. 그런데, 통상적인 주변온도(ambient temperature)에서는 암모니아 합성을 위한 반응이 진행되지 않는다. 온도를 낮춤으로써 역반응이 제한될 수는 있으나, 질소 및 수소 분자들이 해리되기 위해서는 상당히 높은 온도(예컨대, 섭씨 250 내지 400도)가 요구된다. 이와 같이 암모니아 합성을 위한 반응이 제대로 일어나도록 온도를 증가시킬 때 낮아질 암모니아의 수율을 개선하기 위해 촉매가 사용된다.This chemical reaction is an equilibrium reaction at low temperature and high pressure. However, the reaction for ammonia synthesis does not proceed at normal ambient temperature. Lower reactions can be limited by lowering the temperature, but considerably higher temperatures (eg, 250-400 degrees Celsius) are required for the nitrogen and hydrogen molecules to dissociate. As such, a catalyst is used to improve the yield of ammonia that will be lowered when the temperature is increased so that the reaction for ammonia synthesis occurs properly.
개시되는 실시예들은 가역 발열 반응을 통한 합성 가스의 형성을 위해 플라즈마 블라스팅을 수반한다. 예를 들어, 암모니아 합성을 위한 화학 반응을 개시하기 위해 플라즈마 블라스팅 기법이 이용될 수 있다. 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지가 인가된 프로브 주변에 플라즈마 흐름이 형성되면, 위 화학 반응의 반응 가스에 포함된 질소 분자와 수소 분자를 해리시킬 수 있다. 또한, 프로브를 통해 전달되는 전기적 펄스를 이용하여 압력파를 야기함으로써 암모니아 합성을 위한 반응의 속도를 급격히 증가시킬 수 있다. 압력파가 전파됨에 따라 플라즈마 흐름의 온도는 내려가며, 반응 가스가 적은 양의 촉매와 접촉하여도 암모니아의 수율이 더 높을 수 있다. 이하에서 다양한 실시예들이 수소와 질소를 포함하는 반응 물질로부터 암모니아를 합성하기 위한 장치 및 방법에 관점에서 서술되나, 다른 가역 발열 반응(에컨대, 저온에서 화학 평형이 유지되는 가역 발열 반응)을 통해 다른 생성 물질을 형성하기 위한 장치 및 방법에 대해서도 동일/유사한 접근법이 적용될 수 있다.The disclosed embodiments involve plasma blasting for the formation of syngas via a reversible exothermic reaction. For example, plasma blasting techniques can be used to initiate chemical reactions for ammonia synthesis. When a plasma flow is formed around a probe to which electrical energy is applied for plasma blasting, nitrogen molecules and hydrogen molecules included in the reaction gas of the above chemical reaction may be dissociated. In addition, it is possible to increase the speed of the reaction for the ammonia synthesis by causing the pressure wave using the electrical pulse transmitted through the probe. As the pressure wave propagates, the temperature of the plasma flow decreases, and the ammonia yield may be higher even if the reaction gas comes into contact with a small amount of catalyst. Various embodiments are described below in terms of apparatus and methods for synthesizing ammonia from reactants comprising hydrogen and nitrogen, but through other reversible exothermic reactions (eg, reversible exothermic reactions that maintain chemical equilibrium at low temperatures). The same / similar approach can be applied to apparatus and methods for forming other product materials.
도 1은 예시적인 실시예에 따라 암모니아를 합성하는 장치를 도시한다.1 shows an apparatus for synthesizing ammonia according to an exemplary embodiment.
예시적인 암모니아 합성 장치(100)는 플라즈마 블라스팅 장치(110), 반응기(120), 흡착기(130), 열 회수부(140) 및 블로워(150)를 포함한다.Exemplary ammonia synthesizing apparatus 100 includes a plasma blasting apparatus 110, a reactor 120, an adsorber 130, a heat recovery unit 140, and a blower 150.
플라즈마 블라스팅 장치(110)는 전기에너지를 반응기(120)에 전달하여 반응기(120) 내에서 플라즈마 블라스팅이 일어나도록 하는 데 사용된다. 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이, 플라즈마 블라스팅 장치(110)는 전원 공급부(111), 전기에너지 저장부(112), 전압 보호부(113), 스위치(114), 인덕터(115) 및 프로브(116)를 포함한다. 전원 공급부(111)는 전기에너지 저장부(112) 및 전압 보호부(113)와 전기적으로 연결될 수 있다. 전기에너지 저장부(112) 및 전압 보호부(113)는 스위치(114)와 전기적으로 연결될 수 있다. 스위치(114)는 (예를 들어 인덕터(115)를 통해) 프로브(116)와 전기적으로 연결될 수 있다. 이와 같은 전기적 연결들을 위해 전송 케이블이 사용될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 전송 케이블은 동축 케이블을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전송 케이블은 (예를 들어 펄스 형태의) 전력을 전송하도록 구성된 임의의 케이블을 포함할 수 있다.The plasma blasting apparatus 110 is used to deliver electrical energy to the reactor 120 to cause plasma blasting within the reactor 120. For example, as shown in FIG. 1, the plasma blasting apparatus 110 may include a power supply 111, an electrical energy storage 112, a voltage protector 113, a switch 114, an inductor 115, and a probe ( 116). The power supply unit 111 may be electrically connected to the electrical energy storage unit 112 and the voltage protection unit 113. The electrical energy storage unit 112 and the voltage protection unit 113 may be electrically connected to the switch 114. The switch 114 may be electrically connected to the probe 116 (eg, via the inductor 115). Transmission cables can be used for such electrical connections. In some embodiments, the transmission cable may comprise a coaxial cable. Alternatively, the transmission cable may comprise any cable configured to transmit power (eg in the form of a pulse).
전원 공급부(111)는 전기에너지 저장부(112)에 전력을 공급하도록 구성된다. 몇몇 실시예들에서, 전기에너지 저장부(112)는 전원 공급부(111)로부터 제공되는 전압에 따라 전기에너지를 저장하는 하나 이상의 캐패시터 또는 다른 적절한 전기에너지 저장 수단을 포함할 수 있다. 전압 보호부(113)는 플라즈마 블라스팅 장치(110)를 손상시키는 전압역전(voltage reversal)을 방지하기 위한 회로를 포함한다.The power supply 111 is configured to supply power to the electrical energy storage 112. In some embodiments, electrical energy storage 112 may include one or more capacitors or other suitable electrical energy storage means for storing electrical energy in accordance with the voltage provided from power supply 111. The voltage protection unit 113 includes a circuit for preventing voltage reversal that damages the plasma blasting apparatus 110.
스위치(114)는 전기에너지 저장부(112)로부터 특정 전압 및/또는 전류를 수신한다. 스위치(114)는 수신된 전압 및/또는 전류가 전기에너지 저장부(112)로부터 프로브(116)에 선택적으로 전달되도록 한다. 예컨대, 스위치(114)가 활성화되는 경우, 스위치(114)는 전기에너지 저장부(112)를 그 충전보다 훨씬 더 빠른 속도로(가령, 수십 마이크로 초 동안) 방전시켜 특정 전압/전류의 펄스(예컨대, 수백 킬로와트 이상의 전력에 상당하는 펄스)가 프로브(116)에 전달되도록 할 수 있다. 이와 같이, 스위치(114)의 활성화는 전기에너지가 전기에너지 저장부(112)로부터 프로브(116)에 전달되게 할 수 있다.The switch 114 receives a specific voltage and / or current from the electrical energy storage 112. The switch 114 allows the received voltage and / or current to be selectively delivered from the electrical energy store 112 to the probe 116. For example, when switch 114 is activated, switch 114 discharges electrical energy store 112 at a much faster rate than its charge (eg, for several tens of microseconds) to cause a pulse of a particular voltage / current (e.g., , A pulse corresponding to power of several hundred kilowatts or more) may be delivered to the probe 116. As such, activation of the switch 114 may cause electrical energy to be transferred from the electrical energy store 112 to the probe 116.
반응기(120)는 반응 가스를 내부에 수용할 수 있는데, 반응 가스는 암모니아를 합성하는 데 필요한 수소 가스(H2) 및 질소 가스(N2)를 포함한다. 또한, 반응기(120)는 블라스팅 매질(blasting medium)을 내부에 수용할 수 있다. 블라스팅 매질은 프로브(116)에서 인가되는 전기 에너지에 반응하여 적어도 그 일부가 플라즈마화될 수 있다. 예컨대, 블라스팅 매질은 기화된 또는 액화된 수소 및 질소를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 블라스팅 매질과 반응 가스는 반응기(120)의 동일한 유입구를 통해 반응기(120)에 공급될 수 있다. 다른 몇몇 실시예들에서, 블라스팅 매질과 반응 가스는 반응기(120)의 서로 다른 유입구를 통해 반응기(120)에 공급될 수 있다.The reactor 120 may contain a reaction gas therein, which includes hydrogen gas (H 2 ) and nitrogen gas (N 2 ) required to synthesize ammonia. In addition, the reactor 120 may accommodate a blasting medium therein. The blasting medium may be plasmatized at least in part in response to the electrical energy applied by the probe 116. For example, the blasting medium may comprise vaporized or liquefied hydrogen and nitrogen. In some embodiments, the blasting medium and the reactant gas may be supplied to the reactor 120 through the same inlet of the reactor 120. In some other embodiments, the blasting medium and the reactant gas may be supplied to the reactor 120 through different inlets of the reactor 120.
몇몇 실시예들에 따르면, 반응기(120)는 하나의 챔버(chamber)를 포함할 수 있다. 또한, 그 챔버에는 반응 가스와 블라스팅 매질이 유입될 수 있다. 반응 가스와 블라스팅 매질은 모두 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다. 예컨대, 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는 가스 혼합물이 그 챔버에 유입되어 블라스팅 매질로서, 또한 반응 가스로서 사용될 수 있다. 다른 몇몇 실시예들에 따르면, 반응기(120)는 복수의 챔버를 포함하고, 반응 가스와 블라스팅 매질이 각각 서로 다른 챔버에 유입될 수 있다. 예컨대, 반응기(120)의 제1 챔버에는 기화된 수소 및 질소를 포함하는 가스 혼합물이 블라스팅 매질로서 유입되고, 반응기(120)의 제2 챔버에는 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는 가스 혼합물이 반응 가스로서 유입될 수 있다.According to some embodiments, reactor 120 may comprise one chamber. In addition, the chamber may introduce a reaction gas and a blasting medium. Both the reactant gas and the blasting medium may comprise hydrogen gas and nitrogen gas. For example, a gas mixture comprising hydrogen gas and nitrogen gas may enter the chamber and be used as blasting medium and also as reaction gas. According to some other embodiments, the reactor 120 may include a plurality of chambers, and reactant gas and blasting medium may be introduced into different chambers, respectively. For example, a gas mixture comprising vaporized hydrogen and nitrogen is introduced into the first chamber of the reactor 120 as a blasting medium, and a gas mixture comprising hydrogen gas and nitrogen gas is introduced into the second chamber of the reactor 120 as the reaction gas. Can be introduced as.
프로브(116)의 적어도 일부분은 반응기(120) 내의 블라스팅 매질과 접촉하도록 프로브(116)가 반응기(120)에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 프로브(116)는 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 적어도 두 개의 전극들을 포함할 수 있고, 프로브(116)가 반응기(120)에 삽입될 수 있다. 이와 같은 삽입을 통해 프로브(116)의 각 전극의 적어도 일부(예컨대, 단부)가 반응기(120) 내의 블라스팅 매질에 잠기는 것과 같이 블라스팅 매질과 접촉하도록 프로브(116)가 배치된 실시예들에서, 프로브(116)의 전극들을 통해 전기에너지가 반응기(120) 내의 블라스팅 매질에 인가됨에 따라 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름(plasma stream)이 생성될 수 있고, 이러한 플라즈마 흐름의 생성에 따라 반응기(120) 내의 반응 가스로부터 암모니아 가스(NH3)를 포함하는 합성 가스가 형성될 수 있다. 구체적으로, 프로브(116)를 통해 전기에너지가 상당히 빠른 속도로 블라스팅 매질에 가해짐에 따라 플라즈마가 생성될 수 있다. 반응기(120) 내에서 일어나는 이러한 플라즈마화는 블라스팅 매질의 온도를 (예컨대, 약 섭씨 3000 내지 4000도까지) 증가시키고, 발생된 열은 블라스팅 매질의 다른 일부와 반응하여 반응기(120) 내 반응 가스의 압력을 급격히 증가시킨다. 이러한 압력 증가로 인해 반응기(120) 내에서 고압의 충격파(예컨대, 전방위로 퍼지는 구형의 충격파)가 생성된다. 프로브(140)의 전극들을 통해 전기에너지가 반응기(120) 내의 블라스팅 매질에 인가되는 경우 플라즈마 블라스팅으로 인해 발생하는 충격파는 반응 가스로부터 플라즈마 화학 반응이 개시되도록 한다. 예를 들어, 충격파의 파면이 나타내는 압력은 암모니아 가스를 포함하는 합성 가스를 형성하는 데 충분한 2.5x109 Pa에 이를 수 있고, 이는 기존의 암모니아 합성에서 사용되는 압력보다 높다. 충격파가 반응기(120) 내에서 발산되면서 온도 및 압력은 감소되되 암모니아가 반응 가스로부터 합성될 수 있다. 반응기(120)의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮여 있고, 반응기(120) 내의 반응 가스가 이 촉매와 반응하여 암모니아 합성이 촉진될 수 있다. 이러한 메커니즘은 플라즈마 블라스팅 기법을 채용함으로써 비교적 단순한 구조의 반응기(120)에서 종래의 암모니아 합성 공정에서 요구되는 압력보다 큰 압력을 생성하고, 반응기(120)의 내벽의 촉매와 반응하는 반응 가스의 온도를 충분히 낮추며, 암모니아 합성을 위해 사용되는 촉매의 양을 줄일 수 있다. 특히, 플라즈마 블라스팅을 위해 가령 수백 킬로와트 이상의 전력을 수십 마이크로 초 이하 동안 인가함으로써, 기존의 암모니아 합성 기술에 비해 1% 미만의 에너지를 사용할 수 있다. 나아가, 더욱 효과적이고 경제적으로 암모니아의 수율이 증가될 수 있다. Probe 116 may be inserted into reactor 120 such that at least a portion of probe 116 contacts the blasting medium in reactor 120. For example, probe 116 may comprise at least two electrodes configured to apply electrical energy for plasma blasting, and probe 116 may be inserted into reactor 120. In embodiments in which the probe 116 is positioned such that at least a portion (eg, an end) of each electrode of the probe 116 is in contact with the blasting medium such that the insertion inserts such that the insertion is soaked into the blasting medium in the reactor 120. As electrical energy is applied to the blasting medium in the reactor 120 through the electrodes of 116, a plasma stream can be generated from the blasting medium, and the reaction gas in the reactor 120 is generated according to the generation of the plasma flow. From this a synthesis gas comprising ammonia gas (NH 3 ) can be formed. Specifically, plasma may be generated as electrical energy is applied to the blasting medium at a fairly high rate through the probe 116. This plasmaization occurring in reactor 120 increases the temperature of the blasting medium (eg, up to about 3000 to 4000 degrees Celsius), and the heat generated reacts with other portions of the blasting medium to Sharply increasing pressure; This increase in pressure produces high pressure shock waves (eg, spherical shock waves that spread all the way) within the reactor 120. When electrical energy is applied to the blasting medium in the reactor 120 through the electrodes of the probe 140, the shock wave generated by the plasma blasting causes the plasma chemical reaction to be initiated from the reaction gas. For example, the pressure represented by the wavefront of the shock wave can reach 2.5x10 9 Pa, which is sufficient to form a synthesis gas comprising ammonia gas, which is higher than the pressure used in conventional ammonia synthesis. As the shock wave emanates in the reactor 120, the temperature and pressure are reduced while ammonia may be synthesized from the reaction gas. At least a portion of the inner wall of the reactor 120 is covered with a catalyst, and the reaction gas in the reactor 120 may react with the catalyst to promote ammonia synthesis. This mechanism employs a plasma blasting technique to produce a pressure greater than that required in a conventional ammonia synthesis process in a relatively simple reactor 120 and to control the temperature of the reaction gas reacting with the catalyst on the inner wall of the reactor 120. Lowered sufficiently, it is possible to reduce the amount of catalyst used for ammonia synthesis. In particular, by applying a power of hundreds of kilowatts or more for several tens of microseconds or less for plasma blasting, it is possible to use less than 1% of energy compared to conventional ammonia synthesis techniques. Furthermore, the yield of ammonia can be increased more effectively and economically.
반응기(120)에서 형성된 합성 가스는 반응기(120)로부터 유출되어 버퍼 탱크(buffer tank)와 같은 열 회수부(140)에서 냉각될 수 있다. 이어서, 열 회수부(140)에서 충분히 온도가 낮아진 합성 가스는 열 회수부(140)로부터 흡착기(130)로 유입될 수 있다.Syngas formed in the reactor 120 may be discharged from the reactor 120 and cooled in a heat recovery unit 140 such as a buffer tank. Subsequently, the synthesis gas having a sufficiently low temperature in the heat recovery unit 140 may be introduced into the adsorber 130 from the heat recovery unit 140.
흡착기(130)에서 암모니아가 합성 가스로부터 분리된다. 흡착기(130)에서 흡착된 암모니아는 탈착 과정을 통해 암모니아 수집부(미도시)로 회수될 수 있다. 예컨대, 흡착기(130)에서 압력을 낮춤으로써 암모니아가 암모니아 수집부로 들어갈 수 있다. 흡착기(130)에서 암모니아가 흡착된 후 흡착기(130) 내에 남아 있는 가스는 질소 가스와 수소 가스를 포함할 수 있는바, 이 잔여 가스 중 적어도 일부는 블로워(blower)(150)를 거쳐 반응기(120)로 다시 주입될 수 있다.In the adsorber 130, ammonia is separated from the synthesis gas. The ammonia adsorbed by the adsorber 130 may be recovered to an ammonia collector (not shown) through a desorption process. For example, ammonia may enter the ammonia collector by lowering the pressure in the adsorber 130. The gas remaining in the adsorber 130 after the ammonia is adsorbed in the adsorber 130 may include nitrogen gas and hydrogen gas, and at least some of the remaining gas passes through a blower 150 to the reactor 120. Can be injected again).
합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위한 흡착기(130)에는 암모니아 수율을 개선하기 위한 기법이 적용될 수 있다. 예컨대, 훨씬 적은 비용으로 암모니아 회수를 가능하게 하는 압력 변동 흡착(pressure swing adsorption) 기법에 따르면, 흡착기(130)는 흡착기(130)로 들어간 가스 흐름으로부터 암모니아를 흡수하는 데 효과적인 흡착제의 층을 포함한다. 흡착제는 활성화된 탄소, 실리카겔, 알루미나 및/또는 제올라이트를 포함할 수 있다. 특히, 압력 변동 흡착 기법을 위해서 표면적이 넓은 다공성의 물질이 흡착제로 선택될 수 있다. 흡착기(130)에서 그러한 흡착층을 거친 가스 흐름은 기껏해야 미량의 잔여 암모니아를 포함할 뿐이다. 흡착기(130)로부터 배출된 가스 흐름은 질소 가스와 수소 가스를 포함할 수 있는데, 이와 같이 배출된 가스는 흡착기(130)와 기타 파이프와 같은 설비들 내에서의 압력 변화를 보상하기 위해 블로워(150)로 들어간다. 한편, 그러한 배출 가스는 반응기(120)에 다시 유입되기에 적합한 온도로 블로워(150)에서 냉각될 수 있다.A technique for improving ammonia yield may be applied to the adsorber 130 for separating ammonia from the synthesis gas. For example, according to a pressure swing adsorption technique that enables ammonia recovery at a much lower cost, the adsorber 130 includes a layer of adsorbent that is effective to absorb ammonia from the gas stream entering the adsorber 130. . The adsorbent may comprise activated carbon, silica gel, alumina and / or zeolite. In particular, a porous material having a large surface area may be selected as the adsorbent for the pressure swing adsorption technique. The gas flow through such adsorption bed in the adsorber 130 only contains trace amounts of residual ammonia. The gas stream discharged from the adsorber 130 may include nitrogen gas and hydrogen gas, which may be blown 150 to compensate for pressure changes in facilities such as the adsorber 130 and other pipes. Enter). On the other hand, such exhaust gas may be cooled in the blower 150 to a temperature suitable to be introduced back into the reactor 120.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 프로브를 도시한다.2 illustrates a probe according to an exemplary embodiment.
예시적인 프로브(200)는 조절부(210), 제1 전극(220), 제2 전극(230) 및 유전체(240)를 포함한다. 프로브(200)에는 전송 케이블(270)을 통해 전기에너지가 전달될 수 있다. 도 1에 도시된 프로브(116)는 도 2의 프로브(200)를 포함할 수 있다. 프로브(200)는 전송 케이블(270)을 통해 플라즈마 블라스팅 장치(100)의 나머지 구성요소들(예컨대, 전원 공급부(111), 전기에너지 저장부(112) 및 스위치(114))과 전기적으로 연결될 수 있다.The exemplary probe 200 includes a controller 210, a first electrode 220, a second electrode 230, and a dielectric 240. Electrical energy may be transmitted to the probe 200 through the transmission cable 270. The probe 116 shown in FIG. 1 may include the probe 200 of FIG. 2. The probe 200 may be electrically connected to the remaining components (eg, the power supply 111, the electrical energy storage 112, and the switch 114) of the plasma blasting apparatus 100 through the transmission cable 270. have.
제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하기 위한 상이한 전극들이다. 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 유전체(240)에 의해 이격될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 제1 전극(220)은 고전압 전극이고 제2 전극(230)은 접지 전극이다. 몇몇 다른 실시예들에서, 제1 전극(220)은 접지 전극이고 제2 전극(230)은 고전압 전극이다. 프로브(220)는 하나의 고전압 전극 및 하나의 접지 전극을 구비하는 것에 제한되지 않으며, 실시예에 따라서는 복수의 고전압 전극 및/또는 복수의 접지 전극이 프로브(220)에 구비될 수 있다.The first electrode 220 and the second electrode 230 are different electrodes for applying electrical energy for plasma blasting. The first electrode 220 and the second electrode 230 may be spaced apart by the dielectric 240. In some embodiments, the first electrode 220 is a high voltage electrode and the second electrode 230 is a ground electrode. In some other embodiments, the first electrode 220 is a ground electrode and the second electrode 230 is a high voltage electrode. The probe 220 is not limited to having one high voltage electrode and one ground electrode. In some embodiments, the probe 220 may include a plurality of high voltage electrodes and / or a plurality of ground electrodes.
도 3에 도시된 단면도에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)은 동일한 중심축을 가지는 동축 전극들일 수 있다. 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)을 이격시키는 유전체(240) 역시 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)과 동일한 중심축을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 중 한 전극과 유전체(240)가 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 중 다른 한 전극을 둘러싸고, 유전체(240)가 제1 전극(220)과 제2 전극(230) 사이에 배치될 수 있다. 다만, 앞서 예시한 고전압 전극(220), 유전체(240) 및 접지 전극(230)의 배치는 어디까지나 예시적이며, 다른 다양한 배치가 본 명세서의 개시사항으로부터 배제되는 것은 아니다.As can be seen in the cross-sectional view shown in FIG. 3, the first electrode 220 and the second electrode 230 may be coaxial electrodes having the same central axis. The dielectric 240 spaced apart from the first electrode 220 and the second electrode 230 may also have the same central axis as the first electrode 220 and the second electrode 230. For example, one electrode of the first electrode 220 and the second electrode 230 and the dielectric 240 surround the other electrode of the first electrode 220 and the second electrode 230, and the dielectric 240. May be disposed between the first electrode 220 and the second electrode 230. However, the arrangement of the high voltage electrode 220, the dielectric 240, and the ground electrode 230 exemplified above is merely exemplary, and various other arrangements are not excluded from the disclosure of the present specification.
조절부(210)는 프로브 팁(250)을 이동시키도록 구성된다. 프로브 팁(250)은 프로브(200)의 말단 부분으로서 제1 전극(220)의 단부 및 유전체(240)의 단부를 포함한다. 특히, 조절부(210)는 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)의 중심축을 따라 제2 전극(230)의 단부에 대해 프로브 팁(250)을 이동시킬 수 있다. 예컨대, 조절부(210)는 프로브 팁(250)이 제2 전극(230)의 단부로부터 연장되거나 제2 전극(230)의 단부를 향해 후퇴하도록 프로브 팁(250)을 이동시킬 수 있다. 이로써, 제1 전극(220)의 단부와 제2 전극(230)의 단부 간의 거리, 즉 전극간 갭(260)이 조절될 수 있다.The adjuster 210 is configured to move the probe tip 250. The probe tip 250 includes an end of the first electrode 220 and an end of the dielectric 240 as the distal portion of the probe 200. In particular, the adjusting unit 210 may move the probe tip 250 with respect to the end of the second electrode 230 along the central axis of the first electrode 220 and the second electrode 230. For example, the adjuster 210 may move the probe tip 250 such that the probe tip 250 extends from the end of the second electrode 230 or retracts toward the end of the second electrode 230. As a result, the distance between the end of the first electrode 220 and the end of the second electrode 230, that is, the inter-electrode gap 260 may be adjusted.
이러한 조절을 통해 조절부(210)는 프로브(200)와 접촉하는 블라스팅 매질 내에서 프로브(200)가 가지는 저항을 조절할 수 있다. 결국, 조절부(210)는 프로브(200)에서 블라스팅 매질에 전달되는 전력을 원하는 대로 조절할 수 있다. 예컨대, 제1 전극(220)의 단부 및 제2 전극(230)의 단부가 블라스팅 매질과 접촉하는 경우 블라스팅 매질은 프로브(200)로부터의 전기에너지 전달에 반응할 수 있고, 이에 따라 프로브 팁(250) 주위의 작은 체적 내에 높은 에너지가 주어질 수 있다.Through such adjustment, the controller 210 may adjust the resistance of the probe 200 in the blasting medium in contact with the probe 200. As a result, the adjusting unit 210 may adjust the power delivered from the probe 200 to the blasting medium as desired. For example, when the end of the first electrode 220 and the end of the second electrode 230 are in contact with the blasting medium, the blasting medium may respond to the transfer of electrical energy from the probe 200 and thus the probe tip 250 High energy can be given within a small volume around).
이하에서 암모니아 합성 장치의 예시적인 구현들에 대하여 도 4 내지 도 6을 참조하여 기술한다.Exemplary implementations of the ammonia synthesis apparatus are described below with reference to FIGS. 4 to 6.
도 4는 예시적인 실시예에 따라 프로브가 삽입된 반응기를 도시한다.4 shows a reactor with a probe inserted in accordance with an exemplary embodiment.
예시적인 반응기(400)는 챔버(410), 피스톤과 같은 압력 전달부(420), 유입구(430) 및 유출구(440)를 포함한다. 도 1의 반응기(120)는 도 4의 반응기(400)를 포함할 수 있다. Exemplary reactor 400 includes a chamber 410, a pressure transmitter 420 such as a piston, an inlet 430 and an outlet 440. The reactor 120 of FIG. 1 may include the reactor 400 of FIG. 4.
챔버(410)는 반응 가스 및 블라스팅 매질을 수용할 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 챔버(410)의 내벽의 적어도 일부분은 촉매(450)로 덮여 있고, 압력 전달부(420)를 로킹(locking)시키기 위한 한 쌍의 래치(460)가 챔버(410)의 내벽에 설치된다. 또한, 프로브(200)의 적어도 일부가 챔버(410)의 일측을 관통하여 챔버(410) 내에 삽입될 수 있다. 도 4는 프로브(200)가 수평으로 반응기(400)에 장착되었음을 도시하나, 목적에 따라서는 프로브(200)가 수직으로 또는 다른 임의의 각도로 반응기(400)에 장착될 수 있다. Chamber 410 may receive a reaction gas and a blasting medium. As shown in FIG. 4, at least a portion of the inner wall of the chamber 410 is covered with a catalyst 450, and a pair of latches 460 for locking the pressure transmitter 420 are provided with the chamber 410. ) Is installed on the inner wall. In addition, at least a portion of the probe 200 may be inserted into the chamber 410 through one side of the chamber 410. 4 shows that the probe 200 is mounted to the reactor 400 horizontally, however, depending on the purpose, the probe 200 may be mounted to the reactor 400 vertically or at any other angle.
도 7을 참조하여, 직접 압축 플라즈마 블라스팅을 이용하여 반응기(400)에서 암모니아가 합성되는 예시적인 과정(700)을 이하에서 기술한다.Referring to FIG. 7, an exemplary process 700 is described below in which ammonia is synthesized in reactor 400 using direct compression plasma blasting.
수소 가스 및 질소 가스를 포함하는 가스 혼합물이 반응기(400)의 챔버(410)에 주입될 수 있다(705). 가스 혼합물은 유입구(430)를 통해 챔버(410) 내로 유입될 수 있다. 가스 혼합물의 유입 후 유입구(430)는 닫힐 수 있다.A gas mixture comprising hydrogen gas and nitrogen gas may be injected 705 into the chamber 410 of the reactor 400. The gas mixture may enter the chamber 410 through the inlet 430. The inlet 430 may be closed after the inlet of the gas mixture.
반응기(400)의 챔버(410)가 반응 가스로 소정의 수준까지 채워진 후, 압력 전달부(420)을 이용하여 가스 혼합물이 압축될 수 있다(710). 예컨대, 가스 혼합물의 주입 이후 압력 전달부(420)(예컨대, 피스톤)을 아래쪽으로 이동시켜 래치(460)에 로킹시키면 가스 혼합물은 소정의 압력을 가질 때까지 압축될 수 있다.After the chamber 410 of the reactor 400 is filled with the reaction gas to a predetermined level, the gas mixture may be compressed using the pressure transmitter 420 (710). For example, after injection of the gas mixture, the pressure transmitter 420 (eg, piston) is moved downward to lock it to the latch 460 so that the gas mixture can be compressed until it has a predetermined pressure.
한편, 프로브(200)의 제1 전극(220)의 적어도 일부 및 제2 전극(230)의 적어도 일부가 가스 혼합물과 접촉하도록 프로브(200)가 배치될 수 있는데, 챔버(410) 내의 가스 혼합물은 프로브(200)를 이용한 플라즈마 블라스팅을 위한 블라스팅 매질로 사용된다. 이러한 배치를 위해, 프로브(200)의 전극간 갭(260)이 조절될 수 있다(715). 예컨대, 조절부(210)를 이용하여 프로브 팁(250)을 프로브(200)의 중심축을 따라 연장시키거나 후퇴시킴으로써 전극간 갭(260)을 조절할 수 있다. 이어서, 프로브(200)의 적어도 일부가 반응기(400)에 삽입될 수 있다(720). 예컨대, 프로브(200)의 제1 전극(220)의 적어도 일부 및 제2 전극(230)의 적어도 일부가 가스 혼합물과 접촉하도록 프로브(200)의 적어도 일부가 챔버(410)의 일측을 관통하여 챔버(410) 내에 삽입될 수 있다. 대안적으로, 전극간 갭(260)이 조절되기 전에 프로브(200)의 적어도 일부가 챔버(410)의 일측을 관통하여 챔버(410) 내에 삽입될 수 있다.Meanwhile, the probe 200 may be disposed such that at least a portion of the first electrode 220 and at least a portion of the second electrode 230 of the probe 200 contact the gas mixture, and the gas mixture in the chamber 410 may be It is used as a blasting medium for plasma blasting using the probe 200. For this arrangement, the inter-electrode gap 260 of the probe 200 may be adjusted (715). For example, the inter-electrode gap 260 may be adjusted by extending or retracting the probe tip 250 along the central axis of the probe 200 using the adjuster 210. Subsequently, at least a portion of the probe 200 may be inserted into the reactor 400 (720). For example, at least a portion of the probe 200 penetrates one side of the chamber 410 so that at least a portion of the first electrode 220 and at least a portion of the second electrode 230 of the probe 200 contact the gas mixture. It can be inserted into 410. Alternatively, at least a portion of the probe 200 may be inserted into the chamber 410 through one side of the chamber 410 before the inter-electrode gap 260 is adjusted.
이후, 전기에너지 저장부(112)가 상대적으로 느린 제1 속도로(예컨대, 수 초 동안) 전원 공급부(111)에 의해 충전될 수 있다(725).The electrical energy store 112 may then be charged 725 by the power supply 111 at a relatively slow first rate (eg, for several seconds).
이어서, 스위치(114)가 활성화될 수 있다(730). 스위치(114)의 활성화는 전기에너지 저장부(112)에 저장된 전기에너지가 매우 빠른 제2 속도로(예컨대, 수십 마이크로 초 동안) 방전되게 할 수 있다. 이에 따라, (가령 수백 킬로와트의 전력에 상당하는) 전기에너지의 펄스가 형성되고 프로브(200)의 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)으로 전달될 수 있다. 그 결과, 블라스팅 매질(가스 혼합물)과 접촉하는 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 간의 갭(260)에 걸쳐 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성될 수 있다. 이와 같이 챔버(410) 내에서 플라즈마 흐름이 생성되면, 챔버(410) 내에 압축된 가스 혼합물을 반응 가스로 하여 암모니아 합성을 위한 플라즈마 화학 반응이 챔버(410) 내에서 일어날 수 있다. 구체적으로, 프로브(200)에서의 방전에 반응하여 블라스팅 매질(가스 혼합물)은 제1 전극(220) 및 제2 전극(230) 간의 플라즈마 흐름으로 인해 갑작스런 온도 증가(예컨대, 약 섭씨 3000 내지 4000도)를 겪게 된다. 생성된 열은 블라스팅 매질의 일부와 반응하여 반응기(400)의 챔버(410) 내에서 급격한 압력 상승을 일으킨다. 이와 같이 매우 짧은 시간 동안의 방전을 통해 고압의 충격파가 생성된다. 가스 혼합물을 매질로 하여 챔버(410)의 벽면까지 발산할 수 있는 이 충격파는 압축된 가스 혼합물에 압력을 더 가함으로써 궁극적으로 반응기(400)의 챔버(410) 내에서 암모니아 가스를 포함하는 합성 가스가 형성되도록 한다. 이런 점에서 가스 혼합물은 반응 가스라고도 볼 수 있다. 한편, 이러한 반응 가스는 챔버(410)의 내벽에서 촉매(450)와 접촉하면 암모니아 합성이 촉진될 수 있다.The switch 114 may then be activated (730). Activation of the switch 114 may cause electrical energy stored in the electrical energy store 112 to be discharged at a very fast second rate (eg, for tens of microseconds). Accordingly, a pulse of electrical energy (e.g., equivalent to a few hundred kilowatts of power) may be formed and delivered to the first electrode 220 and the second electrode 230 of the probe 200. As a result, a plasma flow can be generated from the blasting medium across the gap 260 between the first electrode 220 and the second electrode 230 in contact with the blasting medium (gas mixture). When the plasma flow is generated in the chamber 410 as described above, a plasma chemical reaction for synthesizing ammonia may occur in the chamber 410 by using the compressed gas mixture in the chamber 410 as a reaction gas. Specifically, in response to the discharge at the probe 200, the blasting medium (gas mixture) is suddenly increased in temperature (eg, about 3000 to 4000 degrees Celsius) due to the plasma flow between the first electrode 220 and the second electrode 230. ). The generated heat reacts with a portion of the blasting medium causing a rapid pressure rise in the chamber 410 of the reactor 400. In such a short discharge time, high-pressure shock waves are generated. This shock wave, which can emanate to the wall of the chamber 410 with the gas mixture as a medium, adds pressure to the compressed gas mixture and ultimately contains ammonia gas in the chamber 410 of the reactor 400. To be formed. In this sense, the gas mixture can also be seen as a reactive gas. On the other hand, when the reaction gas is in contact with the catalyst 450 on the inner wall of the chamber 410 may promote ammonia synthesis.
챔버(410)에서 형성된 합성 가스는 유출구(440)를 통해 챔버(410)로부터 제거될 수 있다(735). 유출구(440)를 통해 유출된 합성 가스는 (예컨대, 열 회수부(140)에서) 충분히 냉각된 후, 합성 가스로부터 암모니아 가스를 분리하기 위한 흡착기(130)로 전달될 수 있다(740). 흡착기(130)에서는 흡착기(130)로 유입된 묽은 암모니아 흐름으로부터 암모니아가 흡착된다. 암모니아가 흡착된 후 흡착기(130) 내의 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는 배출 가스가 압력 보충 및 재활용을 위해 블로워(150)로 전달될 수 있다(745). 한편, 흡착기(130)에서 흡착된 암모니아는 탈착 과정을 통해 압력을 낮춤으로써 회수될 수 있다(750).Syngas formed in the chamber 410 may be removed 735 from the chamber 410 through the outlet 440. The synthesis gas flowing out through the outlet 440 may be sufficiently cooled (eg, in the heat recovery unit 140) and then transferred to the adsorber 130 for separating ammonia gas from the synthesis gas (740). In the adsorber 130, ammonia is adsorbed from the dilute ammonia stream introduced into the adsorber 130. After ammonia is adsorbed, a discharge gas including hydrogen gas and nitrogen gas in the adsorber 130 may be delivered to the blower 150 for pressure replenishment and recycling (745). On the other hand, ammonia adsorbed in the adsorber 130 may be recovered by lowering the pressure through the desorption process (750).
도 5는 예시적인 실시예에 따라 플라즈마 블라스팅 프로브가 삽입된 반응기를 도시한다.5 shows a reactor with a plasma blasting probe inserted in accordance with an exemplary embodiment.
예시적인 반응기(500)는 반응 챔버(510), 블라스팅 챔버(515), 피스톤과 같은 압력 전달부(520), 반응 가스 유입구(530), 합성 가스 유출구(540), 블라스팅 매질 유입구(535) 및 배출 가스 유출구(545)를 포함한다. 도 1의 반응기(120)는 도 5의 반응기(500)를 포함할 수 있다. Exemplary reactor 500 includes reaction chamber 510, blasting chamber 515, pressure transmitter 520, such as a piston, reactant gas inlet 530, syngas outlet 540, blasting medium inlet 535, and Exhaust gas outlet 545. The reactor 120 of FIG. 1 may include the reactor 500 of FIG. 5.
반응 챔버(510)는 반응 가스를 수용할 수 있고, 블라스팅 챔버(515)는 블라스팅 매질을 수용할 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 반응 챔버(510) 및 블라스팅 챔버(515)는 압력 전달부(520)에 의해 구분된다. 이하에서 설명되는 바와 같이, 블라스팅 챔버(515)에서는 블라스팅 챔버(515) 내의 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성될 수 있고, 반응 챔버(510)에서는 반응 챔버(510) 내의 반응 가스로부터 암모니아 가스를 포함하는 합성 가스가 형성될 수 있다. 이와 관련하여, 블라스팅 챔버(515)에서 플라즈마 흐름이 생성된 후, 소정의 가스 흐름이 배출 가스 유출구(545)를 통해 블라스팅 챔버(515)에서 유출될 수 있다. 예컨대, 블라스팅 챔버(515)에서 사용되는 블라스팅 매질은 질소 가스와 수소 가스, 또는 다른 가스의 혼합물일 수 있다. 질소 가스와 수소 가스의 가스 혼합물이 블라스팅 매질로서 사용되는 경우, 블라스팅 챔버(515)에서 플라즈마 블라스팅으로 인해 암모니아 가스가 블라스팅 매질로부터 형성될 수 있다. 이 합성 가스는 반응 챔버(510)에서 반응 가스로 사용되도록 배출 가스 유출구(545)를 통해 유출될 수 있다.The reaction chamber 510 may receive a reaction gas and the blasting chamber 515 may receive a blasting medium. As shown in FIG. 5, the reaction chamber 510 and the blasting chamber 515 are separated by a pressure transmitter 520. As described below, a plasma flow may be generated from the blasting medium in the blasting chamber 515 in the blasting chamber 515, and in the reaction chamber 510 containing ammonia gas from the reaction gas in the reaction chamber 510. Syngas may be formed. In this regard, after a plasma flow is generated in the blasting chamber 515, a predetermined gas flow may exit the blasting chamber 515 through the exhaust gas outlet 545. For example, the blasting medium used in the blasting chamber 515 may be a mixture of nitrogen gas and hydrogen gas, or other gas. When a gas mixture of nitrogen gas and hydrogen gas is used as the blasting medium, ammonia gas may be formed from the blasting medium due to plasma blasting in the blasting chamber 515. This syngas may flow out through the exhaust gas outlet 545 to be used as the reactant gas in the reaction chamber 510.
반응 챔버(510)의 내벽의 적어도 일부분은 촉매(550)로 덮여 있고, 압력 전달부(520)를 로킹시키기 위한 한 쌍의 래치(560)가 반응 챔버(510)의 내벽에 설치된다. 또한, 프로브(200)의 적어도 일부가 블라스팅 챔버(515)의 일측을 관통하여 블라스팅 챔버(515) 내에 삽입될 수 있다. 프로브(200)는 목적에 따라 수평, 수직 또는 다른 임의의 각도로 반응기(500)에 장착될 수 있다.At least a portion of the inner wall of the reaction chamber 510 is covered with the catalyst 550, and a pair of latches 560 for locking the pressure transmitter 520 are installed on the inner wall of the reaction chamber 510. In addition, at least a portion of the probe 200 may be inserted into the blasting chamber 515 through one side of the blasting chamber 515. The probe 200 may be mounted to the reactor 500 at a horizontal, vertical or any other angle depending on the purpose.
도 8을 참조하여, 간접 압축 플라즈마 블라스팅을 이용하여 반응기(500)에서 암모니아가 합성되는 예시적인 과정(800)을 이하에서 기술한다.Referring to FIG. 8, an exemplary process 800 is described below in which ammonia is synthesized in reactor 500 using indirect compressed plasma blasting.
반응 챔버(510) 및 블라스팅 챔버(515)는 각각 반응 가스 및 블라스팅 매질 로 채워질 수 있다. 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함한다. 또한, 소정의 실시예에 따르면, 블라스팅 매질은 기화된 수소 및 질소를 포함하는 가스 혼합물일 수 있다. 블라스팅 매질은 블라스팅 매질 유입구(535)를 통해 블라스팅 챔버(515) 내로 주입될 수 있다(805). 반응 가스는 반응 가스 유입구(530)를 통해 반응 챔버(510) 내로 주입될 수 있다(810). 블라스팅 매질의 유입과 반응 가스의 유입은 동시에 수행될 수 있다.The reaction chamber 510 and the blasting chamber 515 may be filled with a reaction gas and a blasting medium, respectively. The reaction gas includes hydrogen gas and nitrogen gas. In addition, according to certain embodiments, the blasting medium may be a gas mixture comprising vaporized hydrogen and nitrogen. The blasting medium may be injected 805 into the blasting chamber 515 through the blasting medium inlet 535. The reactant gas may be injected into the reaction chamber 510 through the reactant gas inlet 530 (810). The introduction of the blasting medium and the introduction of the reactant gas can be carried out simultaneously.
한편, 프로브(200)의 제1 전극(220)의 적어도 일부 및 제2 전극(230)의 적어도 일부가 블라스팅 매질과 접촉하도록 프로브(200)가 배치될 수 있다. 몇몇 실시예들에 따르면, 프로브(200)를 이용한 플라즈마 블라스팅을 위한 블라스팅 매질은 반응 가스와 유사하게 수소 가스 및 질소 가스를 포함할 수 있다. 구체적으로, 프로브(200)는 다음과 같이 배치될 수 있다. 프로브(200)의 적어도 일부가 블라스팅 챔버(515)에 삽입될 수 있다(815). 예컨대, 프로브(200)의 제1 전극(220)의 적어도 일부 및 제2 전극(230)의 적어도 일부가 블라스팅 매질과 접촉하도록 프로브(200)의 적어도 일부가 블라스팅 챔버(515)의 일측을 관통하여 블라스팅 챔버(515) 내에 삽입될 수 있다. 이어서, 삽입된 프로브(200)의 전극간 갭(260)이 조절될 수 있다(820). 예컨대, 조절부(210)를 이용하여 프로브 팁(250)을 프로브(200)의 중심축을 따라 연장시키거나 후퇴시킴으로써 전극간 갭(260)을 조절할 수 있다. 대안적으로, 전극간 갭(260)이 조절된 후에 프로브(200)의 적어도 일부가 블라스팅 챔버(515) 내에 삽입될 수 있다.Meanwhile, the probe 200 may be disposed such that at least a portion of the first electrode 220 and at least a portion of the second electrode 230 of the probe 200 contact the blasting medium. According to some embodiments, the blasting medium for plasma blasting using the probe 200 may include hydrogen gas and nitrogen gas similar to the reaction gas. Specifically, the probe 200 may be arranged as follows. At least a portion of the probe 200 may be inserted 815 into the blasting chamber 515. For example, at least a portion of the probe 200 penetrates one side of the blasting chamber 515 such that at least a portion of the first electrode 220 and at least a portion of the second electrode 230 of the probe 200 contact the blasting medium. It can be inserted into the blasting chamber 515. Subsequently, the inter-electrode gap 260 of the inserted probe 200 may be adjusted (820). For example, the inter-electrode gap 260 may be adjusted by extending or retracting the probe tip 250 along the central axis of the probe 200 using the adjuster 210. Alternatively, at least a portion of the probe 200 may be inserted into the blasting chamber 515 after the inter-electrode gap 260 is adjusted.
이후, 전기에너지 저장부(112)가 상대적으로 느린 제1 속도로(예컨대, 수 초 동안) 전원 공급부(111)에 의해 충전될 수 있다(825).Thereafter, the electrical energy storage 112 may be charged 825 by the power supply 111 at a relatively slow first speed (eg, for several seconds).
이어서, 스위치(114)가 활성화될 수 있다(830). 스위치(114)의 활성화는 전기에너지 저장부(112)에 저장된 전기에너지가 매우 빠른 제2 속도로(예컨대, 수십 마이크로 초 동안) 방전되게 할 수 있다. 이에 따라, (가령 수만 암페어에 상당하는) 전기에너지의 펄스가 형성되고 프로브(200)의 제1 전극(220) 및 제2 전극(230)에 전달될 수 있다. 그 결과, 앞서 설명한 바와 마찬가지로 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성될 수 있다. 나아가, 플라즈마 흐름의 생성에 따라 고압의 충격파가 블라스팅 챔버(515) 내에서 생성될 수 있다. 이와 같이 생성된 높은 압력은 피스톤과 같은 압력 전달부(520)를 이동시킬 수 있고, 압력 전달부(520)는 래치(560)에 로킹될 수 있다. 이에 따라 반응 챔버(510)에 압력이 전달되어 반응 챔버(510) 내의 반응 가스가 압축될 수 있다. 압축된 반응 가스는 반응기(510) 내벽에 도포된 촉매와 접촉하고, 그에 따라 반응 챔버(510) 내에서 암모니아가 형성될 수 있다.The switch 114 may then be activated (830). Activation of the switch 114 may cause electrical energy stored in the electrical energy store 112 to be discharged at a very fast second rate (eg, for tens of microseconds). Accordingly, a pulse of electrical energy (e.g., tens of thousands of amperes) may be formed and transmitted to the first electrode 220 and the second electrode 230 of the probe 200. As a result, a plasma flow can be generated from the blasting medium as described above. Furthermore, high pressure shock waves may be generated in the blasting chamber 515 as the plasma flow is generated. The high pressure generated in this way may move the pressure transmitter 520, such as a piston, and the pressure transmitter 520 may be locked to the latch 560. Accordingly, pressure may be transmitted to the reaction chamber 510 to compress the reaction gas in the reaction chamber 510. The compressed reaction gas is in contact with the catalyst applied to the inner wall of the reactor 510, whereby ammonia may be formed in the reaction chamber 510.
반응 챔버(510)에서 형성된 합성 가스는 합성 가스 유출구(540)를 통해 반응 챔버(510)로부터 제거될 수 있다(835). 이후, 앞서 반응기(400)와 관련하여 기술한 바와 유사하게, 암모니아의 흡착을 위해 합성 가스가 (예컨대, 열 회수부(140)를 거쳐) 흡착기(130)로 전달될 수 있고(840), 흡착기(130)에서 배출되는 가스 중 일부가 압력 보충 및 재활용을 위해 블로워(150)로 전달될 수 있으며(845), 흡착기(130)에서 흡착된 암모니아는 탈착 과정을 통해 회수될 수 있다(850).Syngas formed in the reaction chamber 510 may be removed from the reaction chamber 510 through the syngas outlet 540 (835). Thereafter, similarly as described above with respect to reactor 400, the synthesis gas may be delivered to adsorber 130 (eg, via heat recovery 140) for adsorption of ammonia (840), Some of the gas discharged from the 130 may be delivered to the blower 150 for pressure replenishment and recycling (845), the ammonia adsorbed in the adsorber 130 may be recovered through the desorption process (850).
도 6은 예시적인 실시예에 따라 플라즈마 블라스팅 프로브가 삽입된 반응기를 도시한다.6 illustrates a reactor with a plasma blasting probe inserted in accordance with an exemplary embodiment.
도 6의 반응기(600)는 도 5의 반응기(500)와 마찬가지로 구성되나, 추가적인 프로브(201)가 반응 챔버(510) 내에 삽입 가능하다는 점에서 도 5의 반응기(500)와 상이하다. 도 1의 반응기(120)는 도 6의 반응기(600)를 포함할 수 있다. 추가적인 프로브(201)는 프로브(200)와 동일한 구성을 가질 수 있다. 아울러, 추가적인 프로브(201)는 프로브(200)를 포함하는 플라즈마 블라스팅 장치(110)에 포함될 수도 있고, 플라즈마 블라스팅 장치(110)와 마찬가지로 구성되는 다른 플라즈마 블라스팅 장치(미도시)에 포함될 수도 있다. 추가적인 프로브(201)는 추가적인 전송 케이블(271)을 통해 플라즈마 블라스팅 장치(110) 또는 다른 플라즈마 블라스팅 장치의 나머지 구성요소들과 전기적으로 연결될 수 있다.The reactor 600 of FIG. 6 is configured similarly to the reactor 500 of FIG. 5, but differs from the reactor 500 of FIG. 5 in that additional probes 201 can be inserted into the reaction chamber 510. The reactor 120 of FIG. 1 may include the reactor 600 of FIG. 6. The additional probe 201 may have the same configuration as the probe 200. In addition, the additional probe 201 may be included in the plasma blasting apparatus 110 including the probe 200, or may be included in another plasma blasting apparatus (not shown) configured like the plasma blasting apparatus 110. The additional probe 201 may be electrically connected to the other components of the plasma blasting apparatus 110 or other plasma blasting apparatus through the additional transmission cable 271.
간접 압축 플라즈마 블라스팅을 이용하여 반응기(600)에서 암모니아가 합성될 수 있다. 이하에서, 이러한 암모니아 합성 과정이 도 8에 예시된 과정(800) 과 다른 점들을 상세히 설명한다.Ammonia may be synthesized in reactor 600 using indirect compressed plasma blasting. In the following, the difference between the ammonia synthesis process and the process 800 illustrated in FIG. 8 will be described in detail.
반응기(600)의 블라스팅 챔버(515) 및 반응 챔버(510) 각각에 별개의 프로브(200, 201)가 삽입될 수 있다. 프로브(200)를 이용하여 블라스팅 챔버(515)에서 고압의 충격파가 생성되면, 피스톤(520)을 통해 높은 압력이 반응 챔버(510) 내의 반응 가스에 전달된다. 더욱이, 도 5의 반응기(500)와 달리, 다른 플라즈마 블라스팅이 반응 챔버(510)에서 일어나도록 추가적인 프로브(201)를 통해 전기에너지가 반응 가스에 인가될 수 있다. 이로써, 반응 챔버(510) 내에 매우 큰 압력이 생기고, 반응 챔버(510) 내의 반응 가스가 더 가압될 수 있다. 그 결과, 반응 챔버(510) 내의 암모니아 합성이 더욱 촉진될 수 있다. Separate probes 200 and 201 may be inserted into each of the blasting chamber 515 and the reaction chamber 510 of the reactor 600. When a high pressure shock wave is generated in the blasting chamber 515 using the probe 200, a high pressure is transmitted to the reaction gas in the reaction chamber 510 through the piston 520. Moreover, unlike the reactor 500 of FIG. 5, electrical energy may be applied to the reaction gas through the additional probe 201 such that other plasma blasting occurs in the reaction chamber 510. As a result, a very large pressure is generated in the reaction chamber 510, and the reaction gas in the reaction chamber 510 may be further pressurized. As a result, ammonia synthesis in the reaction chamber 510 can be further promoted.
이상에서 본 발명의 대표적인 실시예들을 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.While the exemplary embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will appreciate that various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the scope of the present invention. . Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims below and equivalents thereof.
[부호의 설명][Description of the code]
100: 암모니아 합성 장치100: ammonia synthesis device
110: 플라즈마 블라스팅 장치110: plasma blasting apparatus
120: 반응기120: reactor
130: 흡착기130: adsorber

Claims (34)

  1. 플라즈마 블라스팅(plasma blasting)을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브; 및A probe having a first electrode and a second electrode configured to apply electrical energy for plasma blasting; And
    가역 발열 반응에서 반응하는 반응 가스(reactant gas)를 수용하고, 또한 블라스팅 매질을 수용하며, 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 반응 가스로부터 합성 가스(synthesis gas)가 형성되는 반응기를 포함하고,A reactor for receiving a reactant gas reacting in a reversible exothermic reaction, and also containing a blasting medium, wherein a synthesis gas is formed from the reactant gas through the reversible exothermic reaction,
    상기 프로브는 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 배치되고, 상기 반응기에서는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 통해 상기 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름(plasma stream)이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스로부터 상기 합성 가스가 형성되는,The probe is arranged such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the blasting medium, and wherein the electrical energy is applied through the first electrode and the second electrode in the reactor. A plasma stream is produced from a blasting medium and the synthesis gas is formed from the reaction gas in accordance with the generation of the plasma stream.
    가스 합성 장치.Gas synthesis device.
  2. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함하고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함하는, 가스 합성 장치.Wherein the reaction gas comprises hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas comprises ammonia gas.
  3. 청구항 2에 있어서,The method according to claim 2,
    상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위한 흡착기를 더 포함하는, 가스 합성 장치.And an adsorber for separating ammonia from the synthesis gas.
  4. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 반응기는,The reactor,
    상기 반응 가스 및 상기 블라스팅 매질을 수용하고 상기 플라즈마 흐름이 생성되며 상기 합성 가스가 형성되는 챔버; 및A chamber containing the reactant gas and the blasting medium and wherein the plasma flow is generated and the syngas is formed; And
    상기 챔버 내의 상기 반응 가스를 압축하기 위한 압력 전달부를 포함하는,Including a pressure transmission for compressing the reaction gas in the chamber,
    가스 합성 장치.Gas synthesis device.
  5. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4,
    상기 챔버의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮인, 가스 합성 장치.At least a portion of the inner wall of the chamber is covered with a catalyst.
  6. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부가 상기 챔버의 일측을 관통하여 상기 챔버 내에 삽입되는, 가스 합성 장치.And at least a portion of the probe is inserted into the chamber through one side of the chamber such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the blasting medium.
  7. 청구항 4에 있어서,The method according to claim 4,
    상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함하고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함하는, 가스 합성 장치.Wherein the reaction gas comprises hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas comprises ammonia gas.
  8. 청구항 7에 있어서,The method according to claim 7,
    상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는,The blasting medium comprises hydrogen gas and nitrogen gas,
    가스 합성 장치.Gas synthesis device.
  9. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 반응기는,The reactor,
    상기 플라즈마 흐름이 생성되는 제1 챔버;A first chamber in which the plasma flow is generated;
    상기 합성 가스가 형성되는 제2 챔버; 및A second chamber in which the synthesis gas is formed; And
    상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버를 구분하고, 상기 합성 가스의 형성을 위해 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따른 압력을 상기 제2 챔버에 전달하여 상기 제2 챔버 내의 상기 반응 가스를 압축하기 위한 압력 전달부를 포함하는,Pressure transfer for distinguishing the first chamber and the second chamber and for compressing the reaction gas in the second chamber by transferring a pressure resulting from the plasma flow to the second chamber to form the synthesis gas. Containing wealth,
    가스 합성 장치.Gas synthesis device.
  10. 청구항 9에 있어서,The method according to claim 9,
    상기 반응기는,The reactor,
    상기 블라스팅 매질이 상기 제1 챔버로 유입되는 블라스팅 매질 유입구;A blasting medium inlet through which the blasting medium is introduced into the first chamber;
    상기 반응 가스가 상기 제2 챔버로 유입되는 반응 가스 유입구; 및A reaction gas inlet through which the reaction gas flows into the second chamber; And
    상기 합성 가스가 상기 제2 챔버로부터 유출되는 합성 가스 유출구를 더 포함하는,Further comprising a syngas outlet for the syngas outflow from the second chamber,
    가스 합성 장치.Gas synthesis device.
  11. 청구항 9에 있어서,The method according to claim 9,
    상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함하고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함하는, 가스 합성 장치.Wherein the reaction gas comprises hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas comprises ammonia gas.
  12. 청구항 11에 있어서,The method according to claim 11,
    상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는, 가스 합성 장치.The blasting medium comprises hydrogen gas and nitrogen gas.
  13. 청구항 12에 있어서,The method according to claim 12,
    상기 반응기는 상기 제1 챔버에서 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 생성된 다른 합성 가스가 상기 제2 챔버에서 사용되도록 상기 제1 챔버로부터 유출되는 배출 가스 유출구를 더 포함하는, 가스 합성 장치.Wherein the reactor further comprises an exhaust gas outlet exiting the first chamber such that other syngas generated from the blasting medium is used in the second chamber upon generation of the plasma flow in the first chamber. .
  14. 청구항 9에 있어서,The method according to claim 9,
    상기 제2 챔버의 내벽의 적어도 일부는 촉매로 덮인, 가스 합성 장치.At least a portion of the inner wall of the second chamber is covered with a catalyst.
  15. 청구항 9에 있어서,The method according to claim 9,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부는 상기 제1 챔버의 일측을 관통하여 상기 제1 챔버 내에 삽입되는, 가스 합성 장치.And at least a portion of the probe is inserted into the first chamber through one side of the first chamber such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the blasting medium.
  16. 청구항 9에 있어서,The method according to claim 9,
    상기 가스 합성 장치는 복수의 전극들을 구비한 추가적인 프로브를 더 포함하고, 상기 추가적인 프로브는 상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 배치되며, 상기 제2 챔버에서는 상기 복수의 전극들을 통해 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 반응 가스로부터 다른 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 다른 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스가 더 가압되어 상기 합성 가스가 형성되는, 가스 합성 장치.The gas synthesizing apparatus further comprises an additional probe having a plurality of electrodes, wherein the additional probe is arranged such that at least a portion of each of the plurality of electrodes is in contact with the reactant gas, and in the second chamber the plurality of electrodes And another plasma flow is generated from the reaction gas as electric energy is applied through the second gas, and the reaction gas is further pressurized to form the synthesis gas according to the generation of the other plasma flow.
  17. 청구항 16에 있어서,The method according to claim 16,
    상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 상기 추가적인 프로브의 적어도 일부가 상기 제2 챔버의 일측을 관통하여 상기 제2 챔버 내에 삽입되는, 가스 합성 장치.At least a portion of the additional probe is inserted into the second chamber through one side of the second chamber such that at least a portion of each of the plurality of electrodes is in contact with the reaction gas.
  18. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 프로브에 전달될 상기 전기에너지를 저장하도록 구성된 전기에너지 저장부를 더 포함하는, 가스 합성 장치.And an electrical energy storage configured to store the electrical energy to be delivered to the probe.
  19. 청구항 18에 있어서,The method according to claim 18,
    상기 전기에너지가 상기 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전시키는 전원 공급부; 및A power supply unit charging the electrical energy storage unit at a first speed so that the electrical energy is stored in the electrical energy storage unit; And
    활성화되는 경우 상기 전기에너지가 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달되도록 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기 에너지 저장부를 방전시키는 스위치를 더 포함하는, 가스 합성 장치.And a switch for discharging the electrical energy storage at a second rate faster than the first speed so that the electrical energy is transferred from the electrical energy storage to the probe when activated.
  20. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 유전체에 의해 이격되는, 가스 합성 장치.And the first electrode and the second electrode are spaced apart by a dielectric.
  21. 청구항 20에 있어서,The method of claim 20,
    상기 프로브는 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키기 위한 조절부를 더 포함하는, 가스 합성 장치.The probe may include an adjusting part for moving a probe tip including an end of one of the first and second electrodes and an end of the dielectric with respect to an end of the other of the first and second electrodes. Further comprising, a gas synthesizing apparatus.
  22. 청구항 1에 있어서,The method according to claim 1,
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극은 동축 전극들인, 가스 합성 장치.And the first electrode and the second electrode are coaxial electrodes.
  23. 반응기에 가역 발열 반응에서 반응하는 가스 혼합물을 주입하는 단계;Injecting a gas mixture reacting in the reversible exothermic reaction into the reactor;
    상기 가스 혼합물을 압축하는 단계;Compressing the gas mixture;
    플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브를 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 가스 혼합물과 접촉하도록 배치하는 단계; 및Disposing a probe having a first electrode and a second electrode configured to apply electrical energy for plasma blasting such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the gas mixture; And
    상기 반응기에서 상기 전기에너지가 상기 프로브를 통해 인가됨에 따라 상기 가스 혼합물로부터 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 가스 혼합물로부터 합성 가스가 형성되도록, 상기 전기에너지를 상기 프로브에 전달하는 단계를 포함하는,The electrical energy is generated such that a plasma flow is generated from the gas mixture as the electrical energy is applied through the probe in the reactor and a synthesis gas is formed from the gas mixture through the reversible exothermic reaction as the plasma flow is generated. Including delivering to the probe,
    가스 합성 방법.Gas synthesis method.
  24. 청구항 23에 있어서,The method according to claim 23,
    상기 전달하는 단계는,The delivering step,
    상기 전기에너지가 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전하는 단계; 및Charging the electrical energy storage unit at a first rate so that the electrical energy is stored in the electrical energy storage unit; And
    상기 전기에너지를 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달하기 위해 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기에너지 저장부를 방전시키는 단계를 포함하는,Discharging the electrical energy storage at a second rate faster than the first speed to transfer the electrical energy from the electrical energy storage to the probe.
    가스 합성 방법.Gas synthesis method.
  25. 청구항 23에 있어서,The method according to claim 23,
    상기 가스 혼합물은 수소 가스 및 질소 가스를 포함하고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함하는, 가스 합성 방법.Wherein said gas mixture comprises hydrogen gas and nitrogen gas and said synthesis gas comprises ammonia gas.
  26. 청구항 25에 있어서,The method according to claim 25,
    상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위해 상기 합성 가스를 흡착기에 전달하는 단계; 및Delivering the syngas to an adsorber to separate ammonia from the syngas; And
    상기 흡착기에서 흡착된 암모니아를 회수하는 단계를 더 포함하는,Recovering the ammonia adsorbed in the adsorber;
    가스 합성 방법.Gas synthesis method.
  27. 청구항 23에 있어서,The method according to claim 23,
    상기 배치하는 단계는,The disposing step,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 가스 혼합물과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부를 상기 반응기의 일측을 관통시켜 상기 반응기 내에 삽입하는 단계; 및Inserting at least a portion of the probe through one side of the reactor into the reactor such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the gas mixture; And
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이격시키는 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키는 단계를 포함하는,A probe tip comprising an end of one of the first electrode and the second electrode and an end of a dielectric that separates the first electrode and the second electrode from the other of the first electrode and the second electrode. Moving relative to the end,
    가스 합성 방법.Gas synthesis method.
  28. 블라스팅 매질을 제1 챔버 내로 주입하는 단계;Injecting a blasting medium into the first chamber;
    가역 발열 반응에서 반응하는 반응 가스를 제2 챔버 내로 주입하는 단계;Injecting a reaction gas reacting in the reversible exothermic reaction into a second chamber;
    플라즈마 블라스팅을 위해 전기에너지를 인가하도록 구성된 제1 전극 및 제2 전극을 구비한 프로브를 상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 배치하는 단계; 및Disposing a probe having a first electrode and a second electrode configured to apply electrical energy for plasma blasting such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode are in contact with the blasting medium; And
    상기 제1 챔버에서 상기 전기에너지가 상기 프로브를 통해 인가됨에 따라 상기 블라스팅 매질로부터 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 제2 챔버에 압력이 전달되어 상기 반응 가스가 압축되며 상기 반응 가스의 압축에 따라 상기 가역 발열 반응을 통해 상기 반응 가스로부터 합성 가스가 형성되도록, 상기 전기에너지를 상기 프로브에 전달하는 단계를 포함하는,As the electrical energy is applied through the probe in the first chamber, a plasma flow is generated from the blasting medium, and pressure is transferred to the second chamber as the plasma flow is generated, thereby compressing the reaction gas and the reaction gas. Delivering the electrical energy to the probe such that a synthesis gas is formed from the reaction gas through the reversible exothermic reaction according to compression of;
    가스 합성 방법.Gas synthesis method.
  29. 청구항 28에 있어서,The method according to claim 28,
    상기 전달하는 단계는,The delivering step,
    상기 전기에너지가 전기에너지 저장부에 저장되도록 상기 전기에너지 저장부를 제1 속도로 충전하는 단계; 및Charging the electrical energy storage unit at a first rate so that the electrical energy is stored in the electrical energy storage unit; And
    상기 전기에너지를 상기 전기에너지 저장부로부터 상기 프로브에 전달하기 위해 상기 제1 속도보다 빠른 제2 속도로 상기 전기에너지 저장부를 방전시키는 단계를 포함하는,Discharging the electrical energy storage at a second rate faster than the first speed to transfer the electrical energy from the electrical energy storage to the probe.
    가스 합성 방법.Gas synthesis method.
  30. 청구항 28에 있어서,The method according to claim 28,
    상기 반응 가스는 수소 가스 및 질소 가스를 포함하고, 상기 합성 가스는 암모니아 가스를 포함하는, 가스 합성 방법.Wherein the reaction gas comprises hydrogen gas and nitrogen gas, and the synthesis gas comprises ammonia gas.
  31. 청구항 30에 있어서,The method of claim 30,
    상기 블라스팅 매질은 수소 가스 및 질소 가스를 포함하는, 가스 합성 방법.Wherein said blasting medium comprises hydrogen gas and nitrogen gas.
  32. 청구항 30에 있어서,The method of claim 30,
    상기 합성 가스로부터 암모니아를 분리하기 위해 상기 합성 가스를 흡착기에 전달하는 단계; 및Delivering the syngas to an adsorber to separate ammonia from the syngas; And
    상기 흡착기에서 흡착된 암모니아를 회수하는 단계를 더 포함하는,Recovering the ammonia adsorbed in the adsorber;
    가스 합성 방법.Gas synthesis method.
  33. 청구항 28에 있어서,The method according to claim 28,
    상기 배치하는 단계는,The disposing step,
    상기 제1 전극의 적어도 일부 및 상기 제2 전극의 적어도 일부가 상기 블라스팅 매질과 접촉하도록 상기 프로브의 적어도 일부를 상기 제1 챔버의 일측을 관통시켜 상기 제1 챔버 내에 삽입하는 단계; 및Inserting at least a portion of the probe through one side of the first chamber into the first chamber such that at least a portion of the first electrode and at least a portion of the second electrode contact the blasting medium; And
    상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 한 전극의 단부 및 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극을 이격시키는 유전체의 단부를 포함하는 프로브 팁을 상기 제1 전극 및 상기 제2 전극 중 다른 한 전극의 단부에 대해 이동시키는 단계를 포함하는,A probe tip comprising an end of one of the first electrode and the second electrode and an end of a dielectric that separates the first electrode and the second electrode from the other of the first electrode and the second electrode. Moving relative to the end,
    가스 합성 방법.Gas synthesis method.
  34. 청구항 28에 있어서,The method according to claim 28,
    복수의 전극들을 구비한 추가적인 프로브를 상기 복수의 전극들 각각의 적어도 일부가 상기 반응 가스와 접촉하도록 배치하는 단계를 더 포함하되,Disposing an additional probe having a plurality of electrodes such that at least a portion of each of the plurality of electrodes is in contact with the reactant gas,
    상기 제2 챔버에서는 상기 복수의 전극들을 통해 전기에너지가 인가됨에 따라 상기 반응 가스로부터 다른 플라즈마 흐름이 생성되고 상기 다른 플라즈마 흐름의 생성에 따라 상기 반응 가스가 더 가압되어 상기 합성 가스가 형성되는,In the second chamber, another plasma flow is generated from the reactant gas as electrical energy is applied through the plurality of electrodes, and the reactant gas is further pressurized according to the generation of the other plasma flow to form the synthesis gas.
    가스 합성 방법.Gas synthesis method.
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