KR100394085B1 - A feeding method of chlorine for the oxidation of aqueous ferrous chloride solution - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염화제일철(FeCl2) 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염화제일철을 포함하는 수용액에 염소가스를 투입하여 염화제일철을 염화제이철(FeCl3)로 산화시키는 방법에 있어서, 산화반응이 진행되면서 변화되는 염화제일철의 농도에 따라 염소가스의 투입속도를 변화시킴으로써, 반응에 필요한 양의 염소가스를 최단시간에 투입함은 물론 미반응 염소가스를 배출시키지 않는 염소가스 공급방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for supplying chlorine gas for the oxidation of ferric chloride (FeCl 2 ) aqueous solution, and more particularly, to oxidize ferrous chloride to ferric chloride (FeCl 3 ) by adding chlorine gas to an aqueous solution containing ferrous chloride. In the method, the chlorine gas input rate is changed according to the concentration of ferrous chloride which is changed as the oxidation reaction proceeds, thereby introducing chlorine gas in the shortest time as well as chlorine which does not discharge unreacted chlorine gas. It relates to a gas supply method.

Description

염화제일철 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법{A feeding method of chlorine for the oxidation of aqueous ferrous chloride solution}A feeding method of chlorine for the oxidation of aqueous ferrous chloride solution}

본 발명은 염화제일철(FeCl2) 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 염화제일철을 포함하는 수용액에 염소가스를 투입하여 염화제일철을 염화제이철(FeCl3)로 산화시키는 방법에 있어서, 산화반응이 진행되면서 변화되는 염화제일철의 농도에 따라 염소가스의 투입속도를 변화시킴으로써, 반응에 필요한 양의 염소가스를 최단시간에 투입함은 물론 미반응 염소가스를 배출시키지 않는 염소가스 공급방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for supplying chlorine gas for the oxidation of ferric chloride (FeCl 2 ) aqueous solution, and more particularly, to oxidize ferrous chloride to ferric chloride (FeCl 3 ) by adding chlorine gas to an aqueous solution containing ferrous chloride. In the method, the chlorine gas input rate is changed according to the concentration of ferrous chloride which is changed as the oxidation reaction proceeds, thereby introducing chlorine gas in the shortest time as well as chlorine which does not discharge unreacted chlorine gas. It relates to a gas supply method.

염화제일철 수용액은 철이나 철의 합금을 에칭시키기 위한 에칭제로 사용되며, 에칭과정에서 염화제이철이 염화제일철로 환원되어 에칭능력을 잃게 된다. 순수한 철의 에칭에 사용된 용액은 단순히 산화과정을 거쳐 염화제이철 용액으로 재생할 수 있다. 그러나, 합금의 에칭에 사용된 폐염화철 수용액에는 니켈, 구리 등과 같은 중금속들이 용해되어 폐액 속에 존재하게 된다. 이 폐액을 재사용하기 위해서는 용해된 중금속을 환원시켜 석출, 제거하여야 하며, 이때 염화제이철 또한 모두 염화제일철로 환원되게 된다. 따라서, 에칭액으로 재사용하기 위해서는 환원된 염화제일철을 다시 염화제이철로 산화시키는 재생과정이 필요하게 된다.Ferric chloride aqueous solution is used as an etchant for etching iron or an alloy of iron, the ferric chloride is reduced to ferric chloride in the etching process, the etching ability is lost. The solution used to etch pure iron can simply be oxidized and regenerated into ferric chloride solution. However, in the waste iron chloride solution used for etching the alloy, heavy metals such as nickel and copper are dissolved and present in the waste liquid. In order to reuse this waste solution, the dissolved heavy metals must be reduced and precipitated and removed. At this time, the ferric chloride is also reduced to ferrous chloride. Therefore, in order to reuse the etching solution, a regeneration process of oxidizing the reduced ferric chloride back to ferric chloride is required.

일반적으로, 염화제일철 수용액을 산화시키는 방법으로는 염화제일철(FeCl2)을 산소가스와 접촉시켜 산화시키는 방법[미국 특허등록 제6,682,592호]과, 염소가스와 접촉시켜 산화시키는 방법[미국 특허등록 제4,066,748호, 유럽 특허 제340,070호]이 제안되어 있다. 상기 방법 중에서 염소가스를 사용하여 수용액상의 염화제일철을 산화시키는 방법은 다음과 같은 반응식 1로 표시된다.In general, a method of oxidizing an aqueous ferric chloride solution is a method of oxidizing ferric chloride (FeCl 2 ) by contact with oxygen gas [US Patent No. 6,682,592] and a method of oxidizing by contact with chlorine gas [US Patent Registration No. 4,066,748, European Patent 340,070. Among the above methods, chlorine gas is used to oxidize ferrous chloride in aqueous solution, which is represented by the following Scheme 1.

반응식 1Scheme 1

상기 반응은 발열반응으로서 상온에서 자발적으로 일어나며 반응속도가 매우 빠르다.The reaction is exothermic and occurs spontaneously at room temperature and the reaction rate is very fast.

2단의 반응기를 사용한 연속공정의 특허[미국 특허등록 제4,066,748호]에서는 1차 반응기에서 염화제일철 수용액을 과량의 염소가스와 향류접촉시켜 염화제일철을 산화시키고 미반응 염소가스는 2차 반응기를 통과시켜 염화제일철 수용액과 다시 향류접촉시킨다. 1차 반응기에서 반응이 완료된 염화철 수용액은 제품으로 배출하고 2차 반응기에서 일부 산화된 염화철 수용액은 다시 1차 반응기로 순환시켜 반응을 마무리 짓는다. 이 방법에는 2개 이상의 반응기가 필요하며 염소가스를 반응 당량 공급하도록 기재되어 있을 뿐 투입속도에 대해서는 언급이 없다. 따라서, 이 방법의 경우 1차 반응기에서 반응을 마무리 짓기 위해서는 충분한 반응시간(염소가스 접촉시간)이 요구되며 과량의 염소가스가 투입되어야 한다. 이렇게 하면 결국, 미반응 염소가스가 2차 반응기로 과량 넘어가는 문제점과 함께 염화제이철로 완전 산화된 수용액에 염소가스가 용해되어 남게 된다. 염소가스가 남아 있는 염화제이철 수용액을 이송하거나 에칭액으로 사용할 경우에는 이송중 혹은 에칭작업 중에 염소가스가 배출되는 문제가 야기된다.In a continuous process patent using a two-stage reactor [US Pat. No. 4,066,748], the ferric chloride aqueous solution is countercurrently contacted with excess chlorine gas in the primary reactor to oxidize ferric chloride and unreacted chlorine gas passes through the secondary reactor. To countercurrent contact with the ferric chloride aqueous solution. The aqueous iron chloride solution completed in the first reactor is discharged to the product, and the partially oxidized iron chloride solution in the secondary reactor is circulated back to the first reactor to complete the reaction. This process requires two or more reactors and is described to supply the reaction equivalent of chlorine gas, but there is no mention of feed rate. Therefore, in this method, sufficient reaction time (chlorine gas contact time) is required to complete the reaction in the primary reactor, and excess chlorine gas must be introduced. As a result, chlorine gas is dissolved in an aqueous solution completely oxidized with ferric chloride, with unreacted chlorine gas being excessively passed to the secondary reactor. When the ferric chloride aqueous solution in which chlorine gas remains is used or used as an etching solution, chlorine gas is discharged during transfer or during etching.

상기 유럽 특허 제340,070호에서는 한 개의 충진탑을 이용하여 약간의 비활성가스를 포함한 염소가스를 탑의 하단에 연속으로 투입하고, 상단으로 염화제일철 수용액을 공급하며 향류 기체-액체 접촉이 잘 이루어지도록 하여 염화제일철을 산화시키는 방법을 제안하였다. 이렇게 비활성가스를 포함한 염소가스를 사용할 경우 기체-액체 접촉면적은 늘릴 수 있으나 기포 안에 미반응 염소가스가 남는 문제가 있다. 또한, 상기 특허는 과량의 염화제이철 수용액을 탑의 중간에 공급하여 기체-액체 접촉이 충분이 일어나도록 하는 방법을 제시하고 있다. 투입된 염소가스를 완전히 반응시킴과 동시에 염화제일철을 완전히 산화시키기 위해서는 충분한 기체-액체 접촉면적과 함께 충분한 접촉시간이 요구되며, 이를 위해서는 장치가 과다하게 커지는 문제가 발생한다. 또한, 비활성가스 사용에 따라 염소가스가 완전히 반응될 수 없는 문제가 있다.In European Patent No. 340,070, one filling tower is used to continuously feed chlorine gas containing some inert gas into the bottom of the tower, supply ferrous chloride solution to the top, and make countercurrent gas-liquid contact well. A method of oxidizing ferrous chloride has been proposed. When using chlorine gas containing an inert gas can increase the gas-liquid contact area, but there is a problem that unreacted chlorine gas remains in the bubble. The patent also discloses a method in which an excess amount of ferric chloride aqueous solution is supplied in the middle of the tower to ensure sufficient gas-liquid contact. In order to fully react the injected chlorine gas and to completely oxidize ferrous chloride, sufficient contact time is required along with a sufficient gas-liquid contact area, which causes an excessively large device. In addition, there is a problem that chlorine gas can not be completely reacted according to the use of inert gas.

상기에서 살펴본 바와 같이, 염소가스를 사용하여 염화제일철 용액을 염화제이철 용액으로 산화시키는 방법이 이미 제시되어 있고, 연속반응으로 염화제이철 용액을 제조하기 위한 여러 가지 방안들도 제시되어 있다. 그러나, 효율적으로 염소가스를 투입하는 방법 즉, 수용액 중의 염화제일철의 농도에 따른 염소가스의 적정 투입속도에 대해서는 제시되어 있지 않다. 염화제일철 수용액을 염소가스로 산화시키는 방법은 상기 언급한 연속적인 방법 이외에, 염화철 수용액을 반응기에 넣고 염소가스를 계속적으로 공급하며 산화시키는 회분식 방법도 가능하다. 이러한 회분식 방법에서 염화제일철 농도에 따른 염소가스의 투입속도 제어는 미반응 염소가스의 배출을 억제하면서 가능한 많은 양의 염소가스를 공급하여 반응시간을 줄여야 하므로 생산량을 결정하는 매우 중요한 운전요소가 된다.As described above, a method of oxidizing a ferric chloride solution to a ferric chloride solution using chlorine gas has already been proposed, and various methods for preparing a ferric chloride solution by a continuous reaction have also been proposed. However, there is no suggestion on how to efficiently introduce chlorine gas, that is, the proper rate of chlorine gas depending on the concentration of ferrous chloride in the aqueous solution. The method of oxidizing the ferric chloride aqueous solution to chlorine gas may be a batch method in which, in addition to the continuous method mentioned above, the aqueous iron chloride solution is placed in a reactor and continuously supplied with chlorine gas. In this batch method, the control of the feed rate of chlorine gas according to the concentration of ferric chloride is a very important operation factor to determine the production amount, because it is necessary to reduce the reaction time by supplying as much chlorine gas as possible while suppressing the discharge of unreacted chlorine gas.

본 발명의 목적은 염화제일철을 함유하는 염화철 수용액을 염소가스로 산화시켜 염화제이철 수용액으로 재생함에 있어서, 반응시간을 효과적으로 단축시키기 위한 염소가스 투입방법을 제공하는 것이다. 즉, 반응에 필요한 염소가스를 최대한 빨리 공급하면서도 미반응 염소가스가 배출되지 않도록 염소가스의 투입속도를 결정하는 방법을 제공하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to provide a chlorine gas input method for effectively shortening the reaction time in oxidizing the ferric chloride aqueous solution containing ferric chloride with chlorine gas to regenerate the ferric chloride aqueous solution. In other words, it is to provide a method for determining the input rate of the chlorine gas so as to supply the chlorine gas required for the reaction as soon as possible while not reacting the unreacted chlorine gas.

도 1은 본 발명에 따라 염화철 수용액을 산화시키기 위한 회분식 산화반응 장치의 구성도이다.1 is a block diagram of a batch oxidation apparatus for oxidizing the aqueous iron chloride solution according to the present invention.

도 2는 염화제일철 농도, 염화철 수용액의 순환량 및 염소가스 투입속도의 관계를 나타내는 그래프이다.2 is a graph showing the relationship between the concentration of ferric chloride, the amount of circulation of the iron chloride aqueous solution and the chlorine gas injection rate.

[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명][Description of Symbols for Main Parts of Drawing]

1 : 반응기1: reactor

2 : 순환펌프2: circulation pump

3 : 열교환기3: heat exchanger

4 : 저장탱크4: storage tank

본 발명은 염화철 수용액에 염소가스를 공급하여 염화제일철을 염화제이철로 산화시키는 방법에 있어서,The present invention provides a method of oxidizing ferrous chloride to ferric chloride by supplying chlorine gas to an aqueous solution of iron chloride,

다음 수학식 1에 따라 염소가스의 투입속도를 조절하는 방법을 그 특징으로 한다.It is characterized by the method of controlling the input speed of the chlorine gas according to the following equation (1).

수학식 1Equation 1

Cmax/Wcirc∝ Fconc C max / W circ ∝ F conc

상기 수학식 1에서 : Cmax는 염소가스의 투입속도(㎏/hr)이고, Wcirc은 염화철 수용액의 순환량(㎏/hr)이고, Fconc는 염화제일철의 농도(중량%)이다.In Equation 1: C max is the chlorine gas input rate (kg / hr), W circ is the circulation amount of the iron chloride solution (kg / hr), F conc is the concentration of ferrous chloride (wt%).

이와 같은 본 발명에 따른 염소가스 공급방법은 다음과 같은 원리에 근거하여 구성된다.Such a chlorine gas supply method according to the present invention is configured based on the following principle.

상기 반응식 1에 의하면 염화제이철(FeCl3)이 생성되는 반응속도는 반응기의 형태가 동일할 경우, 반응물인 염소가스(Cl2)의 양과 염화제일철(FeCl2)의 농도에 의존하게 된다. 회분식 반응기를 사용할 경우, 기상의 염소가스가 액상에 용해되어 염화제일철과 반응할 수 있는 기회는 염화제일철의 농도가 높은 반응초기에 매우 높으며, 점차 반응이 진행되어 염화제일철의 농도가 낮아지면 반응속도도 낮아지게 된다. 즉, 일정한 유량으로 염소가스를 공급하게 되면 반응물인 염화제일철의 농도가 높은 반응초기에는 미반응염소가스가 배출되진 않지만, 염화제일철의 농도가 낮아진 반응 후반에는 미반응 염소가스가 배출되게 된다.According to Scheme 1, the reaction rate at which ferric chloride (FeCl 3 ) is produced is dependent on the amount of chlorine gas (Cl 2 ) and the concentration of ferrous chloride (FeCl 2 ) as reactants when the type of the reactor is the same. In the case of a batch reactor, the opportunity for the reaction of chlorine gas in the gas phase to react with ferric chloride is very high in the early stage of the reaction with high concentration of ferric chloride, and the reaction rate gradually decreases as the concentration of ferrous chloride decreases. Will also be lowered. That is, when chlorine gas is supplied at a constant flow rate, unreacted chlorine gas is not discharged at the initial reaction of high concentration of ferrous chloride as a reactant, but unreacted chlorine gas is discharged at the end of the reaction when the concentration of ferrous chloride is lowered.

이러한 현상은 회분식 공정 뿐만 아니라 연속식 공정에서도 나타나게 된다. 일정한 반응장치와 반응조건(온도, 압력 등)에서 반응물로 공급 또는 순환되는 염화철 수용액의 염화제일철 농도에 따라 염소가스와의 반응속도가 결정되므로, 적정한 염소가스의 투입속도가 주어지지 않으면 미반응 염소가스가 배출되거나 미반응 염화제일철이 수용액에 남게 된다.This phenomenon occurs not only in a batch process but also in a continuous process. The reaction rate with chlorine gas is determined according to the concentration of ferric chloride in the iron chloride solution supplied or circulated to the reactants under constant reaction equipment and reaction conditions (temperature, pressure, etc.). Emissions of gas or unreacted ferric chloride remain in the aqueous solution.

이러한 원리에 근거한 본 발명의 염소가스 공급방법을 더욱 구체화하여 설명하면 다음과 같다. 본 발명에서는 임의의 반응기를 선택하고, 이 반응기에 대하여 '염화제일철의 농도', '염소가스 투입속도' 및 '염화철 수용액의 순환량'을 주요 인자로 하는 정확한 수학식을 알아낸다. 그런 다음, 상기 얻어진 수학식에 '염화철 수용액의 순환량'과, '염화제일철의 농도'를 대입하여 최적의 염소가스 투입속도를 예측해 내고, 이 속도에 따라 염소가스를 공급함으로써 염소가스가 부족하지도 않고 과량 투입되지도 않게 제어할 수 있다.The chlorine gas supply method of the present invention based on this principle will be described in more detail as follows. In the present invention, an arbitrary reactor is selected, and the exact equations based on 'concentration of ferrous chloride', 'chlorine gas input rate' and 'circulating amount of aqueous iron chloride solution' are found. Then, by substituting 'circulation amount of iron chloride solution' and 'concentration of ferrous chloride' into the above equation, the optimum chlorine gas input rate is estimated, and chlorine gas is not supplied by supplying chlorine gas according to this rate. It can be controlled so as not to overdose.

즉, 먼저 임의의 반응기와 반응온도에서 염화제일철의 산화 반응을 수행하여 다음 수학식 2에서 상수 k와 b의 값을 알아낸다.That is, the oxidation of ferrous chloride is first performed at an arbitrary reactor and reaction temperature to find the values of the constants k and b in Equation 2 below.

수학식 2Equation 2

Cmax/Wcirc= k ×Fconc+ bC max / W circ = k × F conc + b

상기 수학식 2에서 : Cmax는 최대 가능한 염소가스 투입속도(㎏/hr)이고, Wcirc은 순환되는(염소가스와 접촉하는) 염화철 수용액의 유량(㎏/hr)이고, Fconc는 상기 수용액에서 염화제일철의 농도(중량%)이며, k와 b는 임의의 상수이다.In equation (2): C max is the maximum possible chlorine gas input rate (kg / hr), W circ is the flow rate of the iron chloride solution circulated (in contact with chlorine gas) (kg / hr), F conc is the aqueous solution Is the concentration of ferrous chloride in weight percent, and k and b are arbitrary constants.

이때, 반응온도를 일정하게 유지하면서 반응속도에 영향을 미칠 수 있는 '염화제일철의 농도' 및 '염화철 수용액의 순환량'의 인자들을 변화시키며 반응을 실시하고, 염소가스는 미반응 염소가스가 배출되는 지점까지 투입하여 '최대 염소가스 투입속도'를 확인한다. 그리고, 이들의 관계를 통해 k와 b의 값을 계산할 수 있는데, 상기 k와 b의 값은 반응기의 형태나 반응온도에 따라 달라질 수 있다. 여기서 사용될 수 있는 반응장치로 예를 들면, 첨부도면 도 1과 같이 반응부분과 순환부분을 조합한 장치가 있는데, 도 1의 경우 반응기(1), 순환펌프(2), 열교환기(3), 저장탱크(4)로 구성되며 회분식 장치에 해당된다. 이 장치에 따라 반응물의 경로를 설명하면, 먼저 염화철 수용액을 섬유강화 플라스틱(FRP) 재질의 저장탱크(4)에 투입한 후, 순환펌프(2)를 사용하여 저장탱크(4) 위에 설치된 반응기(1)를 통과시켜 저장탱크로 순환시킨다. 여기서, 순환되는 염화철 수용액이 반응기에 투입되기 전에 열교환기(3)를 통과시켜 일정한 온도가 되도록 조절하는데, 상기 산화반응은 40 ∼ 80 ℃의 온도 범위에서 수행하는 것이 바람직하며, 상기 반응기(1)로는 컬럼형태의 충전탑 또는 이젝터(ejector) 등을 사용할 수 있다. 그리고, 상기 염화철 수용액에 포함된 염화제일철과 염화제이철의 합계 농도는 0.1 ∼ 50 중량%, 염화제일철의 농도는 0.1 중량% 이상이 되도록 함이 바람직하다. 본 발명은 상기 반응장치를 이용하여 회분식으로 진행시키거나, 연속식 반응장치를 이용하여 연속식으로 진행시킬 수도 있다.At this time, the reaction temperature is maintained while changing the factors of 'concentration of ferrous chloride' and 'circulation amount of the iron chloride solution' which may affect the reaction rate, and the chlorine gas is discharged unreacted chlorine gas Check the 'maximum chlorine gas feed rate' by inputting to the point. And, through these relationships it is possible to calculate the value of k and b, the value of k and b may vary depending on the type of reactor or the reaction temperature. As a reaction apparatus that can be used here, for example, there is a device combining the reaction portion and the circulation portion as shown in Figure 1, in the case of Figure 1 reactor (1), circulation pump (2), heat exchanger (3), It consists of a storage tank (4) and corresponds to a batch device. Referring to the path of the reactants according to this device, first the aqueous solution of iron chloride is introduced into the storage tank (4) made of fiber-reinforced plastic (FRP), and then the reactor installed on the storage tank (4) using the circulation pump ( Circulate 1) through the storage tank. Here, the circulating iron chloride aqueous solution is adjusted to pass through the heat exchanger (3) to be a constant temperature before entering the reactor, the oxidation reaction is preferably carried out in a temperature range of 40 ~ 80 ℃, the reactor (1) The furnace may be a column-type packed column or ejector. In addition, the total concentration of ferric chloride and ferric chloride contained in the iron chloride solution is preferably 0.1 to 50% by weight, and the concentration of ferrous chloride is preferably 0.1% by weight or more. The present invention may proceed in a batch manner using the reaction apparatus, or may proceed continuously in a continuous reaction apparatus.

이렇게 하여, 미반응 염소가스가 배출되지 않는 '최대 염소가스 투입속도'는 염화제일철의 농도와 염화철 수용액의 순환량에 비례한다는 관계를 확인할 수 있었고, 이러한 관계는 첨부도면 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 수학식 2를 따른다. 그리고, 상기 k와 b의 값은 반응기의 형태나 반응온도에 따라 달라질 수 있으나, 상기 수학식 2는 '염소가스에 의한 염화제일철 수용액의 산화반응'에서 일반적으로 적용될 수 있음을 실험적으로 확인하였다. 이때, 회분식으로 반응시키는 경우에는, 반응을 진행시키면서 상기 수학식에 '염화철 수용액의 순환량'과, 변화하고 있는 '염화제일철의 농도'를 대입하여 최적의 염소가스 투입속도를 시시각각으로 예측해 내고, 이와 동시에 염소가스 투입속도를 조절하여야 하므로, 염화제일철 농도의 분석과 그에 따른 염소가스 투입속도의 조절을 자동화하면 보다 간편하고도 효율적으로 본 발명을 활용할 수 있을 것이다.In this way, it was confirmed that the 'maximum chlorine gas input rate' in which unreacted chlorine gas is not discharged is proportional to the concentration of ferrous chloride and the circulation amount of the aqueous iron chloride solution, and this relationship is shown in FIG. Follow Equation 2. In addition, the values of k and b may vary depending on the type of reactor and the reaction temperature, but Equation 2 has been experimentally confirmed that it can be generally applied in the oxidation reaction of ferric chloride aqueous solution by chlorine gas. In this case, in the case of reacting in a batch manner, the optimum chlorine gas input rate is predicted at a time by substituting the circulation amount of the aqueous iron chloride solution and the changing concentration of ferrous chloride into the above equation as the reaction proceeds. At the same time, the chlorine gas input rate should be controlled, so that the analysis of the ferric chloride concentration and the adjustment of the chlorine gas input rate accordingly will be able to utilize the present invention more simply and efficiently.

이하, 본 발명을 다음 실시예에 의거하여 더욱 상세하게 설명하겠는바, 본 발명이 실시예에 의하여 한계가 설정되는 것은 아니며, 반응기에 따른 상수의 변화 및 본 발명의 효과는 다음 실시예를 통해 보다 확실히 입증될 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on the following examples, which are not intended to limit the present invention. Examples of changes in the constants according to the reactor and the effects of the present invention may be obtained through the following examples. It will certainly prove.

실시예 1 : 70 ℃의 반응온도에서 반응기로서 컬럼형 충진탑을 이용한 경우Example 1 In the case of using a column-type packed column as a reactor at a reaction temperature of 70 ℃

내경 250 ㎜, 높이 2.4 m, FRP 재질의 컬럼형 충진탑(3/8 inch 폴리프로필렌 Pall ring) 반응기를 갖춘 1.8 ㎥ 용량의 FRP 탱크에 FeCl233.7 중량%, FeCl31.8 중량% 조성의 염화철 수용액 500 리터를 투입하였다. 펌프를 사용하여 탱크의 용액을 열교환기를 통과시켜 70 ℃가 되도록 조절한 후, 일정한 유량(100 ℓ/min)으로 반응기 상부에 투입하여 탱크로 순환되도록 하였다. 이때, 반응은 염화제일철 농도가 33.7 중량%에서 0.5 중량% 정도가 될 때까지 회분식으로 진행하였고, 미반응된 염소가스가 배출되지 않는 유량의 범위에서 반응기 하부로 염소가스를 공급하였다. 미반응 염소가스의 배출여부는 염소가스와 함께 분석을 위해 소량 투입한 질소가스가 배출되는 반응기 상부에서, 배출되는 가스를 연속으로 샘플링하여 염소가스검출기(화성계기(주) 제품, 모델 TS-2000CL2)로 분석하였다. 수회 반복실험을 통하여 '염화제일철 농도'에 따른 '최대 염소가스 투입속도'는 다음 표 1과 같이 변화함을 확인하였다.Ferric chloride solution containing 33.7% by weight of FeCl 2 and 1.8% by weight of FeCl 3 in a 1.8 m3 FRP tank equipped with an internal diameter of 250 mm, a height of 2.4 m, and a 3/8 inch polypropylene Pall ring reactor made of FRP. 500 liters was charged. Using a pump, the solution of the tank was adjusted to 70 ° C. through a heat exchanger, and then introduced into the reactor at a constant flow rate (100 l / min) to circulate into the tank. At this time, the reaction was carried out in a batch until the ferric chloride concentration is from 33.7% by weight to about 0.5% by weight, and chlorine gas was supplied to the bottom of the reactor at a flow rate in which unreacted chlorine gas was not discharged. The discharge of unreacted chlorine gas is chlorine gas detector by continuously sampling the gas discharged from the upper part of the reactor where nitrogen gas injected with a small amount for analysis is discharged along with chlorine gas (product of Mars Instruments Co., Ltd., model TS-2000CL2). ). Through repeated experiments, it was confirmed that the 'maximum chlorine gas input rate' according to 'ferrous chloride concentration' changed as shown in Table 1 below.

그 결과, 도 2의 그래프에 나타나는 상기 수학식 1의 경향을 확인하였고, 상기 수학식 2에 대하여 상수 k와 b는 각각 0.196 ×10-3과 1.65 ×10-3으로 계산되었다. 그리고, 이렇게 완성된 수학식에 따라 염소가스의 공급유량을 변화시키면서 산화반응을 실시한 결과, 염소가스의 배출이 없이 2.4시간만에 산화에 필요한 염소가스 66.9 kg을 공급할 수 있었다. 이때, 수용액을 30분마다 채취하여 습식분석에 의해 염화제일철 농도를 확인하였으며, 필요한 염소가스의 공급을 완료한 후 염화철 수용액을 1시간 더 순환시켜 농도를 분석한 결과, FeCl20.3 중량%, FeCl344.6 중량%로 산화율은 99.3 %이었다.As a result, the tendency of Equation 1 shown in the graph of FIG. 2 was confirmed, and for Equation 2, constants k and b were calculated to be 0.196 × 10 −3 and 1.65 × 10 −3 , respectively. As a result of performing the oxidation reaction while changing the supply flow rate of chlorine gas according to the completed equation, 66.9 kg of chlorine gas required for oxidation can be supplied in 2.4 hours without chlorine gas discharge. At this time, the aqueous solution was taken every 30 minutes to check the concentration of ferric chloride by wet analysis, and after completing the supply of the required chlorine gas, the concentration of the iron chloride solution was circulated for another 1 hour to analyze the concentration, FeCl 2 0.3% by weight, FeCl 3 The oxidation rate was 99.3% at 44.6% by weight.

실시예 2 : 50 ℃의 반응온도에서 반응기로서 컬럼형 충진탑을 이용한 경우Example 2 In the case of using a column-type packed column as a reactor at a reaction temperature of 50 ℃

상기 실시예 1과 같은 방법으로 동일한 양과 농도의 염화철 수용액을 산화시키되, 순환되는 용액의 온도를 50 ℃로 하였다. 실시예 1과 같이 '염화제일철 농도'에 따른 '최대 염소가스 투입속도'는 위와 같은 수학식으로 표시될 수 있었으며, 상수 k와 b는 각각 0.131 ×10-3과 1.84 ×10-3으로 계산되었다. 또한, 수학식에 따라 염소가스의 공급유량을 변화시켰을 때, 염소가스의 배출 없이 3.6시간만에 산화에 필요한 염소가스 66.9 kg을 공급할 수 있었다. 필요한 염소가스공급을 완료한 후 염화철 수용액을 1시간 더 순환시켜 농도를 분석한 결과, FeCl20.4 중량%, FeCl344.4 중량%로 산화율은 98.8 %이었다.The same amount and concentration of iron chloride solution was oxidized in the same manner as in Example 1, but the temperature of the circulated solution was 50 ° C. As shown in Example 1, the 'maximum chlorine gas input rate' according to the 'iron iron chloride concentration' could be expressed by the above equation, and the constants k and b were calculated as 0.131 × 10 -3 and 1.84 × 10 -3 , respectively. . In addition, when the supply flow rate of chlorine gas was changed according to the equation, 66.9 kg of chlorine gas required for oxidation could be supplied in 3.6 hours without chlorine gas discharge. After completion of the required chlorine gas was supplied to 1 more hour cycle the iron chloride aqueous solution analyzed concentration, FeCl 2 0.4% by weight, 44.4% by weight of FeCl 3 in oxidation rate was 98.8%.

실시예 3 : 반응기로서 이젝터(ejector)를 이용한 경우Example 3 In the case of using an ejector as an reactor

반응기로서 접촉면적이 넓은 컬럼형의 충진탑 대신에 티탄 재질의 이젝터를 사용하여 기체(염소가스)-액체(염화철 수용액) 접촉반응을 촉진시켰다. 직경 1인치, 길이 35 cm 크기의 이젝터에 염화철 수용액을 순환시키며 동시에 염소가스를 공급하였다. 이때, 수용액의 온도는 70 ℃가 되도록 조절하였고, 염화철 수용액의 순환량은 상기 실시예 1과 같이 100l/min가 되도록 하였으며, 이젝터에서 염소가스와 접촉한 용액은 탱크내 용액속으로 순환되도록 구성하였다. 상기 실시예 1과 같이 '염화제일철 농도'에 따른 '최대 염소가스 투입속도'는 상기 수학식 2로 표시될 수 있었으며, 상수 k와 b는 각각 0.234 ×10-3과 1.41 ×10-3으로 계산되었다. 또한, 수학식에 따라 염소가스의 공급유량을 변화시켰을 때, 염소가스의배출 없이 2.1시간만에 산화에 필요한 염소가스 66.9 kg을 공급할 수 있었다. 필요한 염소가스의 공급을 완료한 후 염화철 수용액을 1시간 더 순환시켜 농도를 분석한 결과, FeCl20.2 중량%, FeCl344.7 중량%로 산화율은 99.5 %이었다.Titanium ejectors were used instead of column-type packed towers as reactors to promote gas (chlorine gas) -liquid (iron chloride solution) contact reactions. Aqueous solution of iron chloride was circulated to the ejector having a diameter of 1 inch and a length of 35 cm, and chlorine gas was simultaneously supplied. At this time, the temperature of the aqueous solution was adjusted to 70 ℃, the circulation amount of the aqueous iron chloride solution was to be 100 l / min as in Example 1, the solution in contact with the chlorine gas in the ejector was configured to circulate into the solution in the tank. . As shown in Example 1, the 'maximum chlorine gas input rate' according to the 'iron iron chloride concentration' could be expressed by the above Equation 2, and the constants k and b were calculated as 0.234 × 10 −3 and 1.41 × 10 −3 , respectively. It became. In addition, when the supply flow rate of chlorine gas was changed according to the equation, 66.9 kg of chlorine gas required for oxidation could be supplied in 2.1 hours without chlorine gas discharge. As a result of after completion of the supply of the chlorine gas required by the ferric chloride aqueous solution one more time circulation analyzing the concentration, 0.2% by weight of FeCl 2, FeCl 3 44.7% by weight of oxidation rate was 99.5%.

비교예 1Comparative Example 1

상기 실시예 1과 동일한 양과 농도의 염화철 수용액을 산화시키되, 염화철 수용액 전부를 산화시키기 위해 필요한 염소가스량 66.9 kg을 2.4시간 동안에 투입할 수 있도록 27.875 kg/hr의 일정한 속도를 유지하면서 투입하였다. 염소가스투입 1.9시간 후 염화제일철의 농도가 8.2 중량% 정도가 되었을 때 미반응 염소가스가 배출되었다. 미반응 염소가스가 배출되는 조건에서 반응을 계속하여 계획된 염소가스 투입량과 시간인 66.9kg, 2.4시간만에 염소가스투입을 중단시켰고, 이때 미반응된 염화제일철의 농도는 6.1 중량%이었다. 미반응된 염화제일철을 완전히 반응시키기 위하여 동일한 염소가스 투입속도로 1.4시간 동안 더 공급하였을 때, 염화제일철의 농도가 0.8 중량%까지 낮아졌다. 추가로 1시간 더 순환시켜 농도를 분석한 결과, FeCl20.0 중량%, FeCl344.9 중량%이었고 염화철 수용액에 염소가스가 잔존하였다.The aqueous solution of iron chloride in the same amount and concentration as in Example 1 was oxidized, but was added while maintaining a constant rate of 27.875 kg / hr so that 66.9 kg of chlorine gas required to oxidize all of the iron chloride aqueous solution could be added in 2.4 hours. Unreacted chlorine gas was released when the concentration of ferrous chloride reached 8.2 wt% after 1.9 hours of chlorine gas injection. The reaction was continued under the condition that the unreacted chlorine gas was discharged, and the chlorine gas injection was stopped in 66.9 kg and 2.4 hours, which was the planned chlorine gas input time, and the concentration of the unreacted ferrous chloride was 6.1% by weight. The ferrous chloride concentration was lowered to 0.8% by weight when 1.4 wt% was further fed at the same chlorine gas input rate to completely react the unreacted ferric chloride. The concentration was analyzed by further circulating for 1 hour. As a result, 0.01 wt% FeCl 2 and 44.9 wt% FeCl 3 were present, and chlorine gas remained in the aqueous iron chloride solution.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 염화제일철 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법은 반응물의 농도 변화와 반응속도의 관계를 이용하여 염소가스 공급방법을 최적화함으로써, 종래에 비해 단축된 시간 내에 염화제일철의 산화반응을 종결시키면서 염소가스가 잔존하거나 배출되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 연속식 공정에 의해 염화철 수용액을 염소가스로 산화하는데 있어서도 수용액 농도에 적합한 염소가스의 투입속도가 지정되므로 반응기를 가장 효율적으로 활용함은 물론 과량의 염소가스를 사용하지 않게 된다.As described above, the chlorine gas supply method for the oxidation of the ferric chloride aqueous solution according to the present invention by optimizing the chlorine gas supply method using the relationship between the concentration change of the reactant and the reaction rate, the iron chloride in a shorter time than the conventional Terminating the oxidation reaction of the has the effect of preventing the remaining or discharge of chlorine gas. In addition, in order to oxidize the iron chloride aqueous solution to chlorine gas by a continuous process, the input rate of chlorine gas suitable for the concentration of the aqueous solution is specified, so that the most efficient use of the reactor and of course, no excess chlorine gas is used.

Claims (7)

염화철 수용액에 염소가스를 공급하여 염화제일철을 염화제이철로 산화시키는 방법에 있어서,In the method of supplying chlorine gas to an aqueous solution of iron chloride to oxidize ferrous chloride to ferric chloride, 다음 수학식 1에 따라 염소가스의 투입속도를 조절하는 것을 특징으로 하는 염화제일철 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법.Chlorine gas supply method for the oxidation of the ferric chloride aqueous solution, characterized in that for adjusting the input rate of chlorine gas according to the following equation (1). 수학식 1Equation 1 Cmax/Wcirc∝ Fconc C max / W circ ∝ F conc 상기 수학식 1에서 : Cmax는 염소가스의 투입속도(㎏/hr)이고, Wcirc은 염화철 수용액의 순환량(㎏/hr)이고, Fconc는 염화제일철의 농도(중량%)이다.In Equation 1: C max is the chlorine gas input rate (kg / hr), W circ is the circulation amount of the iron chloride solution (kg / hr), F conc is the concentration of ferrous chloride (wt%). 제 1 항에 있어서, 상기 염화철 수용액에 포함된 염화제일철과 염화제이철의 합계 농도는 0.1 ∼ 50 중량% 범위이고, 염화제일철의 농도는 0.1 중량% 이상인 것을 특징으로 하는 염화제일철 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법.According to claim 1, wherein the total concentration of ferric chloride and ferric chloride contained in the aqueous solution of iron chloride is in the range of 0.1 to 50% by weight, the concentration of ferric chloride is at least 0.1% by weight of chlorine for the oxidation of the ferric chloride solution Gas supply method. 제 1 항에 있어서, 상기 산화반응은 40 ∼ 80 ℃의 온도 범위에서 수행하는 것을 특징으로 하는 염화제일철 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법.The method of claim 1, wherein the oxidation reaction is carried out at a temperature range of 40 ~ 80 ℃ chlorine gas supply method for the oxidation of the ferric chloride aqueous solution. 제 1 항에 있어서, 상기 산화반응은 회분식 운전방법에 따라 수행하고, 상기 수학식 1에 따라 연속적으로 염소가스의 투입속도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 염화제일철 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법.The method of claim 1, wherein the oxidation reaction is performed according to a batch operation method, and the chlorine gas supply method for the oxidation of the ferric chloride aqueous solution, characterized in that continuously changing the input rate of the chlorine gas according to the equation (1). 제 1 항에 있어서, 상기 산화반응은 연속식 운전방법에 따라 수행하고, 상기 수학식 1에 따라 염소가스의 투입속도를 변화시키는 것을 특징으로 하는 염화제일철 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법.The method of claim 1, wherein the oxidation reaction is performed according to a continuous operation method, and the chlorine gas supply method for the oxidation of the ferric chloride aqueous solution, characterized in that for changing the input rate of the chlorine gas according to the equation (1). 제 1 항에 있어서, 상기 반응기는 컬럼형 충전탑인 것을 특징으로 하는 염화제일철 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법.The method of claim 1, wherein the reactor is a column-type packed column chlorine gas supply method for the oxidation of the ferric chloride aqueous solution. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기는 이젝터(ejector)인 것을 특징으로 하는 염화제일철 수용액의 산화를 위한 염소가스 공급방법.The method of claim 1, wherein the reactor is an ejector (ejector).
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