KR20150085196A - 암모니아 합성 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

암모니아 합성 장치 및 방법을 제공된다. 상기 암모니아 합성 방법은 질소를 이용하여 저온 플라즈마를 생성하는 단계, 상기 저온 플라즈마를 반응 챔버 내로 주입하는 단계, 상기 반응 챔버 내에 수소 가스를 주입하는 단계, 및 상기 저온 플라즈마와 상기 수소 가스를 반응시켜 암모니아를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

암모니아 합성 장치 및 방법{Apparatus and method for producing ammonia}
본 발명은 암모니아 합성 장치 및 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 저온 플라즈마(NTP; Non-thermal Plasma)를 이용하여, 기존의 공정보다 저온에서 암모니아를 합성할 수 있는 암모니아 합성 장치 및 방법에 관한 것이다.
암모니아를 합성하기 위해 가장 많이 사용되는 하버-보시(Harbor-bosh)법은 철(Fe)촉매 하에 질소와 수소를 고온, 고압 하에 반응시켜 진행된다. 질소-질소간의 삼중결합의 본드 에너지(bond energy)가 다른 결합(bonding)에 비해 매우 높기 때문에, 질소와 질소간의 결합을 끊고 암모니아를 합성하기 위해서는 굉장히 에너지가 필요하게 된다. 따라서, 고온 및 고압 하에서 질소 또는 수소를 플라즈마(plasma) 상태로 만들어 반응을 일으키면 보다 쉽게 암모니아를 만들 수 있다.
플라즈마는 물질을 기체상태에서 온도를 한없이 더 올리면 원자와 전자가 따로 행동하게 되는 상태를 말한다(제4의 상태). 이때, 물질은 상당히 불안정하기 때문에, 에너지가 이온이나 중성원자일 때보다 훨씬 높게 되고, 반응성이 비약적으로 높아지게 된다.
암모니아 합성을 위해 온도를 높이지 않고도 상온에서 고압을 가해 플라즈마 상태로 만드는 기법이 발견되었고, 이것을 저온 플라즈마(NTP)라고 부른다. 수소와 질소를 기체 상태에서 주입한 다음 전압을 가해 NTP 상태로 만들어 촉매 하에서 반응시킨다.
다만, 이 경우 반응로(reactor) 안에서 정반응과 역반응이 동시에 진행되어 암모니아의 수율이 떨어지는 문제점이 있었다.
대한민국공개특허 제 2001-0041487 호
본 발명이 해결하려는 과제는, 기존 공정보다 저온에서 암모니아를 생성할 수 있는 암모니아 합성 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는, 기존 공정보다 암모니아 생성에 사용되는 에너지 소비를 줄이기 위하여 저온 프라즈마를 아용하여 암모니아를 생성할 수 있는 암모니아 합성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하려는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 암모니아 합성 방법의 일 면(aspect)은 질소를 이용하여 저온 플라즈마를 생성하는 단계, 상기 저온 플라즈마를 반응 챔버 내로 주입하는 단계, 상기 반응 챔버 내에 수소 가스를 주입하는 단계, 및 상기 저온 플라즈마와 상기 수소 가스를 반응시켜 암모니아를 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 반응 챔버에 전압을 가해주는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 저온 플라즈마를 상기 반응 챔버 내로 주입하는 단계에서, 상기 저온 플라즈마는 상기 반응 챔버 내에서 링형으로 배치될 수 있다.
또한, 상기 수소 가스를 주입하는 단계에서, 상기 수소 가스는 상기 저온 플라즈마를 통과하도록 상기 저온 플라즈마의 중심축을 따라 주입될 수 있다.
또한, 상기 반응 챔버 내에 수소 가스를 주입하는 단계에서, 상기 반응 챔버 내에는 상기 저온 플라즈마가 이미 리치하게 주입되어 있고, 상기 수소 가스는 상기 저온 플라즈마를 향하여 분사될 수 있다.
또한, 상기 저온 플라즈마를 상기 반응 챔버 내로 주입하는 단계에서, 상기 반응 챔버 내에는 이미 상기 수소 가스가 리치하게 주입되어 있고, 상기 저온 플라즈마는 상기 수소 가스를 향하여 분사될 수 있다.
또한, 상기 반응 챔버 내에서 생성된 상기 암모니아를, 즉시 암모니아 탱크로 배출하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 암모니아 합성 장치의 일 면은 반응 챔버, 상기 반응 챔버와 연결되는 플라즈마 발생기, 및 상기 반응 챔버 상에 형성되는 주입구를 통하여, 상기 반응 챔버로 주입될 수소 가스를 보관하는 수소 탱크를 포함하고, 상기 플라즈마 발생기는 저온 플라즈마 상태의 질소를 상기 반응 챔버의 내부로 주입하고, 상기 반응 챔버는 내부에서 상기 저온 플라즈마 상태의 질소와 상기 수소 가스를 반응시켜 암모니아를 생성한다.
또한, 상기 반응 챔버에 전압을 가해주는 바이어스부를 더 포함하고, 상기 바이어스부는 반응 챔버의 외부에 위치하고, 상기 전압에 의해 발생한 전기장은 상기 저온 플라즈마를 링형으로 배치시킬 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 발생기는, 전원이 인가되는 캐소드 및 애노드와, 상기 플라즈마 발생을 위해 상기 캐소드와 상기 애노드 사이로 기체를 주입하는 한 개 이상의 기체 주입구와, 상기 캐소드과 상기 애노드 사이에서 발생한 플라즈마를 상기 플라즈마 발생기 외부로 분사하는 플라즈마 이송 통로를 포함할 수 있다.
또한, 상기 플라즈마 발생기는, 상기 반응 챔버 내에 상기 수소 가스가 리치하게 주입되어 있는 상태에서, 상기 저온 플라즈마 상태의 질소를 상기 수소 가스를 향해 분사할 수 있다.
또한, 상기 반응 챔버는 내부에 상기 저온 플라즈마 상태의 질소와 상기 수소 가스의 반응을 촉진하는 촉매를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 기타 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
상기 본 발명의 암모니아 합성 장치 및 방법에 따르면, 기존에 암모니아를 합성하던 공정을 그대로 차용하되, 질소를 NTP 상태의 플라즈마로 만들어서 빔으로 쏘는 주입법을 사용하면, 질소의 삼중결합을 끊는 것이 훨씬 용이해 지기 때문에 기존의 공정(약 섭씨 530도 내외)보다 저온(섭씨 150~400도 범위)에서 암모니아가 생성될 수 있다. 또한, 이 화학반응이 발열반응임을 고려했을 때, 암모니아의 수율이 상승될 수 있다. 또한, 반응로에 질소를 NTP상태로 주입하여 일정공간에 리치하게 머물도록 전압을 가해 조정함으로써, 질소가 반응성이 높은 NTP 상태로 풍부하게 존재하기 때문에 암모니아 생성 수율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 합성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 도 1의 플라즈마 발생기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 합성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
하나의 소자(elements)가 다른 소자와 "접속된(connected to)" 또는 "커플링된(coupled to)" 이라고 지칭되는 것은, 다른 소자와 직접 연결 또는 커플링된 경우 또는 중간에 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 반면, 하나의 소자가 다른 소자와 "직접 접속된(directly connected to)" 또는 "직접 커플링된(directly coupled to)"으로 지칭되는 것은 중간에 다른 소자를 개재하지 않은 것을 나타낸다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. "및/또는"은 언급된 아이템들의 각각 및 하나 이상의 모든 조합을 포함한다.
공간적으로 상대적인 용어인 "아래(below)", "아래(beneath)", "하부(lower)", "위(above)", "상부(upper)" 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 또는 동작시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 "아래(below)" 또는 "아래(beneath)"로 기술된 소자는 다른 소자의 "위(above)"에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 "아래"는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다. 소자는 다른 방향으로도 배향될 수 있고, 이에 따라 공간적으로 상대적인 용어들은 배향에 따라 해석될 수 있다.
비록 제1, 제2 등이 다양한 소자, 구성요소 및/또는 섹션들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 소자, 구성요소 및/또는 섹션들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 소자, 구성요소 또는 섹션들을 다른 소자, 구성요소 또는 섹션들과 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 소자, 제1 구성요소 또는 제1 섹션은 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 소자, 제2 구성요소 또는 제2 섹션일 수도 있음은 물론이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 합성 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 합성 장치(1)는 반응로(100), 플로우 컨트롤러(115), 수소 탱크(110), 컴프레셔(130), 암모니아 탱크(140), 플라즈마 발생기(200)를 포함할 수 있다. 반응로(100)는 주입구(102), 반응 챔버(105), 배출구(107)를 포함할 수 있다.
반응로(100)는 원통의 형상을 지닐 수 있다. 반응로(100)는 중공으로 이루어져 내부에 암모니아 합성을 위한 반응 챔버(105)가 형성된다. 반응로(100)의 일측에는 수소 기체의 유입을 위한 주입구(102)가 형성될 수 있고, 타측에는 합성된 암모니아의 배출을 위한 배출구(107)가 형성될 수 있다. 반응로(100)는 플라즈마 발생기(200)와 연결될 수 있고, 반응로(100) 내부의 반응 챔버(105) 내로 플라즈마를 주입할 수 있도록 연결될 수 있다. 예를 들어, 암모니아 배출을 위한 배출구(107)는 반응로(100)의 하단에 배치되고, 수소가 주입되는 주입구(102)는 반응로(100)의 상단에 배치될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
수소 탱크(110)는 반응 챔버(105) 상에 형성되는 주입구(102)를 통하여, 상기 반응 챔버(105)로 주입될 수소 가스를 보관할 수 있다. 수소 탱크(110)는 수소를 저장할 수 있다. 수소 가스는 수소 원자 두 개가 결합한 상태, 즉 수소 분자 상태로 존재할 수 있다. 수소 가스는 물에 대한 용해도가 매우 작아 물에 잘 녹지 않으며, 실온에서는 반응성이 작지만 온도가 높아지면 반응성이 커킬 수 있다. 수소 탱크(110)는 기체, 액체 또는 고체 상태의 수소를 보관할 수 있다. 수소 탱크(110)는 플로우 컨트롤러(115)와 연결될 수 있다.
플로우 컨트롤러(115)는 수소 탱크(110)와 연결되어, 공급하는 수소 기체의 양을 조절할 수 있다. 플로우 컨트롤러(115)는 중앙 컨트롤러(미도시)로부터 전기적 신호를 입력받아 조절 될 수 있다. 플로우 컨트롤러(115)는 사용자에 의해 수동으로 조절될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 플로우 컨트롤러(115)는 수소 탱크(110)와 반응로(100)의 주입구(102) 사이에 위치할 수 있으며, 파이프를 통하여 수소 탱크(110) 및 주입구(102)와 연결될 수 있다.
암모니아 탱크(140)는 암모니아를 저장할 수 있다. 암모니아 기체는 질소와 수소의 화합물이고, 화학식이 NH3로, 무색으로 냄새가 자극적이며, 냉각에 의하여 액화될 수 있다. 암모니아는 물에 녹아 수산화 이온을 내는 염기성 물질이다. 암모니아 탱크(140)는 질소와 수소 기체를 이용하여 합성한 암모니아 기체를 가두어 둘 수 있다. 암모니아 탱크(140)는 암모니아를 기체, 액체 상태로 보관할 수 있다. 암모니아 탱크(140)는 컴프레셔(130)와 연결되어, 내부의 압력을 높게 유지할 수 있다.
컴프레셔(130)는 반응 챔버(105) 안에서 합성된 암모니아를 암모니아 탱크(140)의 내부로 이동시킬 수 있다. 컴프레셔(130)는 강한 압력을 주어 암모니아 기체를 이동시킬 수 있다. 컴프레셔(130)는 반응로(100)의 배출구(107)와 연결될 수 있다. 컴프레셔(130)는 배출구(107) 또는 암모니아 탱크(140)와 파이프로 연결될 수 있다.
플라즈마 발생기(200)는 질소 기체를 저온 플라즈마 상태로 만들 수 있다. 플라즈마 발생기(200)는 반응 챔버(105)와 연결될 수 있다. 플라즈마 발생기(200)는 반응 챔버(105) 내부로 저온 플라즈마 상태의 질소 기체를 주입할 수 있다.
플라즈마 발생기(200)는 반응 챔버(105) 내에 수소 가스가 리치하게 주입되어 있는 상태에서, 저온 플라즈마 상태의 질소를 수소 가스를 향해 분사할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 저온 플라즈마 상태의 질소를 반응 챔버(105) 내에 리치하게 주입하고, 이후에 수소 가스를 저온 플라즈마 상태의 질소를 향해 분사할 수 있다.
저온 플라즈마는 기체온도(격차온도라고도 한다)는 낮고, 전자온도는 높은(수만K) 비평형상태에 있는 플라스마의 총칭이다. 반면에, 열 플라즈마는 기체온도가 1만 K이상이고, 거의 평형상태에서의 것을 의미한다.
플라즈마는 초고온에서 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태를 의미한다. 플라즈마는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띌 수 있다. 일반적으로 물질의 상태는 고체?액체?기체 등 세 가지로 나눠진다. 플라즈마는 제4의 물질 상태라고 부른다. 고체에 에너지를 가하면 액체, 기체로 되고 다시 이 기체 상태에 높은 에너지를 가하면 수만℃에서 기체는 전자와 원자핵으로 분리되어 플라즈마 상태가 되기 때문이다. 플라즈마를 만들려면 직류, 초고주파, 전자빔 등 전기적 방법을 가해 플라스마를 생성한 뒤, 자기장 또는 전기장 등을 이용하여 플라즈마 상태를 유지할 수 있다.
플라즈마 발생기(200)의 자세한 설명은 후술하도록 한다.
도 2는 도 1의 플라즈마 발생기를 설명하기 위한 단면도이다.
도 2를 참조하면, 플라즈마 발생기(200)는 핀 형태의 캐소드(210)(cathode), 원통 형태의 애노드(220)(anode), 바디부(250), 기체 주입구(230), 플라즈마 이송 통로(255), 냉각액 주입구(260), 냉각액 배출구(265)를 포함할 수 있다.
플라즈마 발생기(200)는 높은 유량(수십 lpm)의 공기, 질소, 산소 등이 기체 주입구(230)를 통하여 플라즈마 발생기(200) 내부로 주입되고 캐소드(210)와 애노드(220) 사이의 방전(arc)에 의해서 저온 플라즈마(230)를 발생시킬 수 있다. 발생한 저온 플라즈마(230)는 플라즈마 이송 통로(255)를 통하여 플라즈마 발생기(200)의 외부로 고속 분사될 수 있다. 저온 플라즈마(230)는 반응 챔버(105) 내부로 분사될 수 있다.
저온 플라즈마(230)를 형성하는 방법에는 직류 전원을 이용하여 캐소드(210)에서 전자를 방출하는 방법, 펄스 전원을 이용하여 코로나를 방출하는 방법, DBD(dielectric barrier discharge) 방법, RF 플라즈마 토치를 이용하는 방법 등이 있을 수 있다. 이하에서는 캐소드(210)에서 전자를 방출하여 저온 플라즈마(230)를 만드는 플라즈마 발생기(200)에 대해 설명한다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 다른 방법을 이용하여 저온 플라즈마(230)를 생성하여 이용할 수 있다.
캐소드(210)는 핀 형태로 형성될 수 있다. 애노드(220)는 바디부(250)의 내측에 원통 형태로 형성될 수 있다. 캐소드(210)와 애노드(220)에는 전압이 인가될 수 있다.
캐소드(210)와 애노드(220)는 절연체(225)에 의해 절연이 유지될 수 있다. 캐소드(210)는 절연체(225)에 의해서 애노드(220)와 분리되어 고정될 수 있다. 절연체(225)는 열과 부식에 강한 텅스텐으로 만들어 질 수 있다.
두 전극(210, 220) 사이의 적절한 거리는 전원의 전압 및 기체 유량에 따라 다르나 수mm ~ 수십mm 가 적당할 수 있다. 거리가 짧을수록 투입 가능 전력량이 줄어들고, 거리가 길수록 높은 전압이 필요하고 플라즈마 발생이 어려워질 수 있다. 캐소드(210)와 애노드(220)는 플라즈마 특성 제어를 위하여 간격 조절이 가능한 구조를 가질 수 있다. 캐소드(210)와 애노드(220)는 구리 및 그의 합금, 알루미늄 및 그의 합금, 스테인레스 스틸 등을 이용할 수 있으나 이외에도 침식에 강한 텅스텐, 몰리브데늄, 지르코늄, 탄탈륨 등이나 그것의 합금 혹은 화합물을 이용할 수 있다.
기체 주입구(230)는 캐소드(210)의 옆면에 일정한 간격으로 배열될 수 있다. 기체 주입구(230)는 캐소드(210) 주변을 따라 형성되며, 적어도 하나 이상이 형성될 수 있다. 플라즈마 발생을 위한 전원(미도시)은 100KHz 이하의 고전압 교류 전원을 이용하거나, 더욱 바람직하게는 상용주파수의 100~240V 전원을 변압기를 사용하여 1kV~100kV까지 용이하게 승압하여 사용할 수 있다.
주입 기체로는 공기, 질소, 산소 혹은 이의 혼합물을 이용할 수 있어 저렴한 운전이 가능하다. 효과적인 플라즈마 처리를 위해 질소 혹은 산소 이외의 활성종이 필요한 경우 공기, 질소, 산소 이외에 별도의 기체 혹은 액체를 혼합하여 주입할 수 있다. 별도의 기체 혹은 액체는 널리 공지된 헬륨, 아르곤 및 CF4, SF6, NF3, CCl4 등의 불소 혹은 염소 함유 기체, 수소, 암모니아 등과 액상 유기물, 모노머(Monomer), 올리고머(Oligomer), 폴리머(Polymer) 등을 포함할 수 있다.
바디부(250)는 플라즈마 발생기(200)의 전체적인 형상을 이루는 역할을 할 수 있다. 바디부(250)는 지름의 크기가 변하는 원통형으로 형성될 수 있다. 바디부(250)의 내부로 기체 주입구(230)가 형성될 수 있고, 바디부(250)의 중심축을 따라 캐소드(210)가 배치될 수 있다. 캐소드(210)의 말단쪽에는, 기체 주입구(230)의 입구가 좁아질 수 있고, 바디부(250)의 말단에 애노드(220)가 설치될 수 있다. 애노드(220)의 주위를 냉각액이 순환을 하면서 온도를 낮출 수 있도록, 바디부(250) 내측에 냉각액 주입구(260) 및 냉각액 배출구(265), 및 냉각액 순환로(미도시)가 형성될 수 있다. 바디부(250)는 플라즈마 이송 통로(255)와 연결될 수 있다.
냉각액 주입구(260)는 바디부(250)의 내측으로 순환하면서 온도를 낮추도록 냉각액을 공급할 수 있다. 바디부(250)를 순환한 냉각액은 냉각액 배출구(265)를 통하여 배출될 수 있다. 이어서, 차가운 냉각액은 다시 냉각액 주입구(260)를 통하여 주입될 수 있다.
플라즈마 이송 통로(255)는 캐소드(210)과 애노드(220) 사이에서 발생한 플라즈마를 상기 플라즈마 발생기(200) 외부로 분사하는 통로 역할을 할 수 있다. 플라즈마 이송 통로(255)는 발생 장치 내부에서 발생한 저온 플라즈마(230)를 외부로 고속 분사하기 위해, 도면 상에 명확하게 도시하지 않았으나, 플라즈마 발생부에 비해 작은 구경으로 형성될 수 있다.
플라즈마 이송 통로(255)는 두 전극 사이에서 발생한 비교적 고온의 플라즈마(230)를 냉각시킬 수 있다. 플라즈마 이송 통로(255)는 목적지까지 빠른 유속으로 전달시킬 수 있다. 플라즈마 이송 통로(255)는 절연체를 이용하여 별도로 구성할 수도 있으나 애노드(220)를 확장하여 이용할 수 있다. 플라즈마 이송 통로(255)의 길이가 너무 짧은 경우, 분출된 플라즈마 온도가 비교적 높고, 너무 긴 경우 플라즈마 처리 효과가 떨어질 가능성이 있다. 플라즈마 이송 통로(255)를 조절하여, 좁은 원통형의 플라즈마 이외에 (-) 모양, (+) 모양 등 다양한 형태의 플라즈마 분사가 가능하다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는 앞서 설명한 실시예와 동일한 사항에 대해서는 중복된 설명을 생략하고 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 3을 참조하면 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치(2)는 바이어스부(300)를 포함할 수 있다.
바이어스부(300)는 반응 챔버(105)에 전압을 인가할 수 있다. 바이어스부(300)는 반응 챔버(105)의 외부에 위치할 수 있다. 바이어스부(300)는 반응 챔버(105)의 둘레를 둘러 싸도록 형성될 수 있다. 이는 상기 저온 플라즈마를 링형으로 배치시키는데 이용 할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 플라즈마 발생기(200)와 연결된 부분을 제외한 나머지 부분을 둘러싸도록 형성될 수 있다.
또한, 바이어스부(300)는 물리적으로 두개의 부분으로 나누어져 반응 챔버(105)의 외벽에 부착되어 전압을 가해줄 수 있다. 바이어스부(300)가 가해준 전압으로 인해 반응 챔버(105) 내부에는 전기장 또는 자기장이 형성될 수 있다. 저온 플라즈마는 전체적으로 보면 전기적으로 중성일 수 있으나, 내부의 입자들은 양이온 및 음이온을 포함할 수 있다. 전기장 또는 자기장은 양이온 및 음이온을 포함하는 저온 플라즈마를 반응 챔버(105)를 따라 링 형(237)으로 배치시킬 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 반응 챔버(105)의 내면을 따라서 다른 형태로도 배치될 수 있다.
링 형(237)으로 배치된 저온 플라즈마는 다른 영역보다 높은 농도로 리치하게 배치될 수 있다. 저온 플라즈마가 밀집되어 위치하고 있는 경우, 암모니아의 수율은 저온 플라즈마가 분산되어 있는 경우보다 더 좋게 나타날 수 있다.
수소 가스는 링 형(237)의 저온 플라즈마를 통과하도록 저온 플라즈마의 중심축을 따라 주입될 수 있다. 수소 가스가 중심축을 따라 주입되기 위하여 반응로(100)의 주입구(102)는 반응로(100)의 중심의 상단에 위치할 수 있다. 중심의 상단에서 수소 가스는 아래를 향하여 분출되어 반응로(100)의 중심축을 따라 이동할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 합성 장치(1)와 같이 반응로(100)의 측면에 주입구(102)가 형성될 수 있다.
링 형(237)의 저온 플라즈마의 중심을 향해 이동하는 수소 가스는 저온 플라즈마 상태로 밀집되어 있는 질소와 쉽게 반응할 수 있고, 보다 높은 수율의 암모니아를 얻을 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 구름 형태로 밀집된 저온 플라즈마 상태의 질소의 사이로 수소 기체가 통과하도록 유도할 수 있다. 이 경우도, 저온 플라즈마 상태의 질소가 밀집되어 있기에 수소 기체와 만날 경우, 보다 빠르게 많은 양이 반응할 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는 앞서 설명한 실시예와 동일한 사항에 대해서는 중복된 설명을 생략하고 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 4를 참조하면 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치(3)는 촉매(310)를 포함할 수 있다.
촉매(310)는 반응 챔버(105)의 내부에 위치할 수 있다.
촉매(310)는 화학반응에서 반응속도를 조절해 주는 물질이다. 반응속도를 빠르게 해 주는 촉매를 정촉매라 하며, 반응속도를 느리게 해 주는 촉매를 부촉매 또는 억제제라고 한다. 일반적으로 촉매라고 하는 것은 정촉매를 의미하고, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치(3)에서의 촉매(310)도 정촉매를 의미할 수 있다.
정촉매는 물질들이 반응을 일으키기 위해서 필요한 활성화 에너지를 낮추어 정반응, 역반응 모두의 속도를 빠르게 만든다. 이때, 반응열은 달라지지 않는다.
촉매(310)는 저온 플라즈마 상태의 질소와 수소 가스의 반응을 촉진시킬 수 있다. 촉매(310)는 반응 챔버(105)의 하부에 위치할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 반응 챔버(105)의 중간에 지지망(미도시)에 의해 지지되어 위치할 수 있다. 촉매(310)는 화학반응에 직접적으로 참여하지 않을 수 있다. 촉매(310)에 의해 암모니아의 수율이 증가할 수 있다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치를 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는 앞서 설명한 실시예와 동일한 사항에 대해서는 중복된 설명을 생략하고 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 5를 참조하면 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 장치(4)는 건조기(420); dryer)와 가스 정화기(430; gas purification), 파워 서플라이(460; power supply)를 포함할 수 있다. 반응로(450)는 파워 서플라이(460)와 연결된 내측 전극(465; inner electrode)과 외측 전극(467; outer electrode)을 포함할 수 있다.
건조기(420)는 수소 탱크(410)와 연결된 플로우 컨트롤러(415)와 연결될 수 있다. 건조기(420)는 수소 탱크(410)로부터 나온 수소 기체에 포함된 수분을 빼앗을 수 있다. 건조기(420) 내부에 수분을 흡착하는 물질을 포함할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 열원이나 레이저 등을 이용하여 수분을 제거할 수 있다.
가스 정화기(430)는 건조기(420)와 연결될 수 있다. 가스 정화기(430)는 반응로(450)의 주입부(452)와 연결될 수 있다. 가스 정화기(430)는 건조기(420)로부터 나온 수분이 제거된 가스에 섞여있는 다른 물질들을 제거할 수 있다. 건조기(420)를 통과하는 경우, 건조기(420)에 포함된 물질들이 수소 기체와 섞여서 이동할 수 있기 때문에, 가스 정화기(430)는 이러한 불순물을 제거하는 역할을 할 수 있다. 가스 정화기(430)는 순수한 수소 기체만이 배출할 수 있다. 가스 정화기(430)를 통해 나온 수소 기체는 반응로(450)의 주입부(452)로 들어갈 수 있다.
반응로(450)는 반응 챔버(455), 주입구(102), 배출구(107), 내측 전극(465), 외측 전극(467), 플라즈마 발생기(200), 촉매(410)를 포함할 수 있다.
내측 전극(465)과 외측 전극(467)은 파워 서플라이(460)에 연결될 수 있다. 파워 서플라이(460)는 내측 전극(465)과 외측 전극(467)에 전압을 가할 수 있다. 내측 전극(465)은 반응로(450) 내의 반응 챔버(455)의 중심에 위치할 수 있다. 외측 전극(467)은 반응 챔버(455)의 외부를 감싸도록 형성될 수 있다. 내측 전극(465)에는 (+) 전극이, 외측 전극(467)에는 (-) 전극 또는 접지가 연결될 수 있다. 내측 전극(465)에서 외측 전극(467) 방향으로 전기장이 발생할 수 있다. 반응 챔버(455) 내측에는 전기장 또는 자기장이 발생할 수 있다. 전기장 또는 자기장에 의해 저온 플라즈마 상태의 질소 기체는 일정 영역에 리치하게 분포할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
플라즈마 발생기(200)는 반응 챔버(455) 측면에 연결될 수 있다. 플라즈마 발생기(200)는 저온 플라즈마 상태의 질소 기체를 반응 챔버(455) 내부에 분사할 수 있다. 가스 정화기(430)를 통과한 순수한 수소 기체는 저온 플라즈마 상태의 질소 기체를 통과할 수 있다. 이 때, 저온 플라즈마 상태의 질소 기체와 순수한 수소 기체가 반응하여 암모니아를 생성할 수 있다. 순수한 수소 기체와 반응하는 경우, 암모니아의 순도가 높아지고, 수율이 좋아질 수 있다.
저온 플라즈마 상태의 질소 기체와 수소 기체가 반응할 때, 촉매(410)가 작용할 수 있다. 촉매(410)는 화학적 반응에 직접 참여하지는 않으나, 암모니아 생성 반응의 활성화 에너지를 낮춰서, 암모니아 생성의 수율을 높이는 요인이 될 수 있다.
합성된 암모니아는 반응로(450) 하단에 위치한 배출구(107)를 통하여, 컴프레셔(470) 방향으로 이동할 수 있다. 컴프레셔(470)는 암모니아를 암모니아 탱크(480)로 이동시킬 수 있다. 암모니아 탱크(480)는 암모니아를 기체 또는 액체 상태로 저장할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 합성 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 암모니아 합성 방법은, 플라즈마 발생기(200)에서 질소를 이용하여 저온 플라즈마(230)를 생성한다(S510). 본 실시예에 따른 플라즈마 발생기(200)는 캐소드(210)에서 전자를 방출하여 저온 플라즈마(230)를 만드는 방식을 이용할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이어서, 플라즈마 발생기(200)는 저온 플라즈마(230) 상태의 질소를 반응 챔버(105) 내로 주입한다(S520). 이때, 질소는 음전하를 가진 전자와 양전하를 띤 이온으로 분리된 기체 상태로 존재할 수 있다. 저온 플라즈마(230)는 전하 분리도가 상당히 높으면서도 전체적으로 음과 양의 전하수가 같아서 중성을 띌 수 있다. 이어서, 반응 챔버(105) 내에 수소 가스를 주입한다(S530). 수소 가스는 수소 탱크(110)로부터 공급되며, 수소 탱크(110)와 반응로(100) 사이에 위치하는 플로우 컨트롤러(115)에 의해 수소 가스의 양이 조절될 수 있다. 이어서, 저온 플라즈마(230) 상태의 질소와 수소 가스가 반응하여 암모니아가 생성된다(S540). 반응 챔버(105)에서 저온 플라즈마(230) 상태의 질소와 수소 가스가 반응하여 암모니아가 생성될 시 반응 화학식은 하기와 같다.
[화학식 1]
Figure pat00001
도 6에서는, S510 및 S520 단계와 S530 단계를 순차적으로 수행하는 것으로 도시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. S510 및 S520 단계와 S530 단계의 수행 순서는 변경되거나, 또는 동시에 수행될 수도 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 6와의 차이점을 중점으로 하여 설명하기로 한다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 방법은, 반응 챔버(105)를 둘러싼 바이어스부(300)에서 반응 챔버(105)에 전압을 인가한다(S610). 전압이 인가된 반응 챔버(105) 내에는 전기장 또는 자기장이 발생할 수 있다. 이어서, 플라즈마 발생기(200)에서 질소를 이용하여 저온 플라즈마 상태의 질소를 생성한다(S620). 이어서, 플라즈마 발생기(200)는 저온 플라즈마 상태의 질소를 반응 챔버(105) 내로 주입한다(S630). 저온 플라즈마 상태의 질소는 반응 챔버(105) 내로 비스듬히 또는 수직으로 주입될 수 있다. 저온 플라즈마 상태는 전기적으로는 중성을 띌 수 있으나, 음전하를 가진 전자와 양전하를 띈 이온으로 분리되어 있기 때문에, 반응 챔버(105) 내에 형성된 전기장 또는 자기장에 의해 재배치 될 수 있다. 이어서, 저온 플라즈마 상태의 질소는 리치한 상태로 링 형(237)으로 배치될 수 있다(S640). 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 구름 모양이나 또는 반응 챔버(105)의 외벽을 따라 밀집되어, 높은 농도로 운집하여 배치될 수 있다. 이어서, 반응 챔버(105) 내에 수소 가스를 주입한다(S650). 이때, 수소 가스는 링 형(237)의 저온 플라즈마를 통과하도록 저온 플라즈마의 중심축을 따라 주입될 수 있다. 수소 가스가 중심축을 따라 주입되기 위하여 반응로(100)의 주입구(102)는 반응로(100)의 중심의 상단에 위치할 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 이어서, 저온 플라즈마 상태의 질소와 수소 가스가 반응하여 암모니아가 생성된다(S660). 링 형(237)의 저온 플라즈마의 가운데를 향해 이동하는 수소 가스는 저온 플라즈마 상태로 밀집되어 있는 질소와 쉽게 반응할 수 있고, 보다 높은 수율의 암모니아를 얻을 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 구름 형태로 밀집된 저온 플라즈마 상태의 질소의 사이로 수소 기체가 통과하도록 유도할 수 있다. 이 경우도, 저온 플라즈마 상태의 질소가 밀집되어 있기에 수소 기체와 만날 경우, 보다 빠르게 많은 양이 반응할 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 6와의 차이점을 중점으로 하여 설명하기로 한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 암모니아 합성 방법은, 플로우 컨트롤러(115)를 조정하여 반응 챔버(105) 내에 수소 가스를 주입한다(S710). 이때, 반응 챔버(105)에 수소 가스가 리치하게 존재하도록 다량의 수소 가스를 주입한다. 이어서, 플라즈마 발생기(200)에서 질소를 이용하여 저온 플라즈마를 생성한다(S720). 이어서, 플라즈마 발생기(200)는 저온 플라즈마 상태의 질소를 반응 챔버(105) 내로 주입한다(S730). 이어서, 저온 플라즈마 상태의 질소와 수소 가스가 반응하여 암모니아가 생성된다(S740). 이때, 반응 챔버(105) 내에는 수소 가스가 리치하게 형성되어 있기 때문에, 저온 플라즈마 상태의 질소는 빠르게 수소 가스와 반응할 수 있고, 기존 방식보다 수율이 상승할 수 있다. 이어서, 반응 챔버(105) 내에서 생성된 암모니아를, 컴프레셔(130)를 통하여 즉시 암모니아 탱크(140)로 배출한다(S750). 반응 챔버(105) 내에 암모니아의 농도가 높아지면, 질소 기체 및 수소 기체와 암모니아 사이에 역반응이 진행되어 수율이 감소할 수 있다. 따라서, 암모니아 기체가 생성되는 즉시 암모니아 기체를 반응 챔버(105) 밖으로 내보내면, 암모니아 반응 수율을 지속적으로 유지할 수 있다. 또한, 반응 챔버(105) 내에 촉매(310)를 포함시켜서, 저온 플라즈마 상태의 질소와 수소 가스를 반응 시키면, 암모니아 반응의 수율을 더욱 높일 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
100 : 반응 챔버 110 : 수소 탱크
130 : 컴프레셔 140 : 암모니아 탱크
200 : 플라즈마 발생기

Claims (12)

  1. 질소를 이용하여 저온 플라즈마를 생성하는 단계,
    상기 저온 플라즈마를 반응 챔버 내로 주입하는 단계,
    상기 반응 챔버 내에 수소 가스를 주입하는 단계, 및
    상기 저온 플라즈마와 상기 수소 가스를 반응시켜 암모니아를 생성하는 단계를 포함하는 암모니아 합성 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 챔버에 전압을 가해주는 단계를 더 포함하는 암모니아 합성 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 저온 플라즈마를 상기 반응 챔버 내로 주입하는 단계에서, 상기 저온 플라즈마는 상기 반응 챔버 내에서 링형으로 배치되는 암모니아 합성 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 수소 가스를 주입하는 단계에서, 상기 수소 가스는 상기 저온 플라즈마를 통과하도록 상기 저온 플라즈마의 중심축을 따라 주입되는 암모니아 합성 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내에 수소 가스를 주입하는 단계에서, 상기 반응 챔버 내에는 상기 저온 플라즈마가 이미 리치하게 주입되어 있고,
    상기 수소 가스는 상기 저온 플라즈마를 향하여 분사되는 암모니아 합성 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 저온 플라즈마를 상기 반응 챔버 내로 주입하는 단계에서, 상기 반응 챔버 내에는 이미 상기 수소 가스가 리치하게 주입되어 있고,
    상기 저온 플라즈마는 상기 수소 가스를 향하여 분사되는 암모니아 합성 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 반응 챔버 내에서 생성된 상기 암모니아를, 즉시 암모니아 탱크로 배출하는 단계를 더 포함하는 암모니아 합성 방법.
  8. 반응 챔버;
    상기 반응 챔버와 연결되는 플라즈마 발생기; 및
    상기 반응 챔버 상에 형성되는 주입구를 통하여, 상기 반응 챔버로 주입될 수소 가스를 보관하는 수소 탱크를 포함하고,
    상기 플라즈마 발생기는 저온 플라즈마 상태의 질소를 상기 반응 챔버의 내부로 주입하고,
    상기 반응 챔버는 내부에서 상기 저온 플라즈마 상태의 질소와 상기 수소 가스를 반응시켜 암모니아를 생성하는 암모니아 합성 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 반응 챔버에 전압을 가해주는 바이어스부를 더 포함하고,
    상기 바이어스부는 반응 챔버의 외부에 위치하고,
    상기 전압에 의해 발생한 전기장은 상기 저온 플라즈마를 링형으로 배치시키는 암모니아 합성 장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기는, 전원이 인가되는 캐소드 및 애노드와,
    상기 플라즈마 발생을 위해 상기 캐소드와 상기 애노드 사이로 기체를 주입하는 한 개 이상의 기체 주입구와,
    상기 캐소드과 상기 애노드 사이에서 발생한 플라즈마를 상기 플라즈마 발생기 외부로 분사하는 플라즈마 이송 통로를 포함하는 암모니아 합성 장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 플라즈마 발생기는, 상기 반응 챔버 내에 상기 수소 가스가 리치하게 주입되어 있는 상태에서, 상기 저온 플라즈마 상태의 질소를 상기 수소 가스를 향해 분사하는 암모니아 합성 장치.
  12. 제 8항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 내부에 상기 저온 플라즈마 상태의 질소와 상기 수소 가스의 반응을 촉진하는 촉매를 더 포함하는 암모니아 합성 장치.
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