KR100893692B1 - 냉각자켓을 구비한 흡수탑 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복잡한 부가장치 없이도 아세트알데히드 등의 저비점 화합물의 회수율을 높이고, 독성가스 배출을 획기적으로 저감시킬 수 있도록 냉각자켓을 구비한 화학물질 제조용 흡수탑에 관한 것이다.

본 발명에서는 기체와 액체의 접촉반응을 위하여 내부에 버블캡트레이를 포함하는 흡수탑에 있어서, 흡수탑의 외형 골격을 이루는 외벽체, 판상의 트레이덱과 상기 트레이덱에 관통결합하는 다수의 버블캡과 상기 트레이덱 상의 상기 버블캡의 위치를 피한 자리에 적어도 하나 이상 마련되는 위어로 구성되어 상기 외벽체의 내부에 마련되는 버블캡트레이, 흡수탑의 상부에서 공급되는 액체를 상기 버블캡트레이로 이송하고 상기 버블캡트레이를 거친 액체를 상기 버블캡트레이의 하부로 이송하기 위한 액체의 이동통로인 다운커머 및 상기 버블캡트레이의 하부에 상기 버블캡 트레이와 연설되는 것으로 내부에 냉각수의 유동을 위한 중공부가 형성되고 냉각수 공급관 및 냉각수 배출관과 연결되는 냉각자켓을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각자켓을 구비한 흡수탑에 관하여 개시한다.

흡수탑(absorbing column), 버블캡트레이(bubble cap tray), 버블캡(bubble cap), 트레이덱(tray deck), 위어(weir), 격벽(compartment), 다운커머(downcomer), 충전물(packing), 냉각자켓(cooling jacket)

Description

냉각자켓을 구비한 흡수탑{Absorbing column with a cooling jacket}

본 발명은 액체와 기체 또는 가스상의 화합물을 서로 접촉시켜 원하는 혼합물을 증류 또는 흡수하기 위한 컬럼(column)에 관한 것으로서, 구체적으로는 저비점 화합물의 흡수효율을 증대시키기 위하여 구조가 개선된 버블캡트레이를 구비한 흡수탑에 관한 것이다.

흡수탑이란 일반적으로 화학플랜트 등에서 특정의 화합물 가스를 액체와 접촉시켜 액상으로 회수하기 위한 장치로서, 그 내부에 액체와 기체의 접촉을 위한 구조인 트레이를 포함하고 있는 것이다.

도 1은 종래의 버블캡트레이를 구비한 흡수탑의 개략적인 구조를 보인 종단 면도이다. 흡수탑(10)의 하방에서 상방으로 유동하는 가스나 기체 흐름과 흡수탑(10)의 상방에서 하방으로 유동하는 액체 흐름 사이의 접촉을 촉진시키기 위하여 적어도 하나 이상의 트레이(tray)들이 수평방향으로 배치된다. 도시한 도면은 버블캡트레이(bubble cap traay) 구조를 구비한 흡수탑(10)에 관한 것으로서 버블캡트레이는 판상의 트레이덱(tray deck,13)에 다수의 구멍이 관통형성되고 각 구멍 위치에 가스가 통과할 수 있는 구조를 가지는 버블캡(bubble cap,12)이 결합된다. 병뚜껑 모양의 버블캡(12)의 두부(head part) 측면(lateral side)에는 가스가 통과하기 위한 다수의 슬롯(slot,12a)이 형성된다. 또한 상기 트레이덱(13) 상에는 트레이덱(13) 상에서 횡으로 흐르는 액체(15)의 유동을 저지함으로써 액체가 트레이덱(13) 상에서 일정한 깊이를 가지고 흐르게 하여 버블캡(13)의 두부가 액체 속에 잠길 수 있도록 하기 위하여 적어도 하나 이상의 위어(weir,14)가 형성된다. 통상적으로 다운커머(downcomer,11a,11b,11c)는 상부에서 공급되는 액체(15)를 하부의 트레이덱(13)에 공급하기 위한 것으로서, 도시한 것처럼 트레이덱(13)의 일측 단부에 서로 대향하도록 지그재그로 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 구성을 가지는 흡수탑 내부에는 아래에서 위로 고온의 가스가 흐르면서 위에서 아래로 공급되는 액체와 접촉하게 되는데, 가스가 버블캡(12)의 슬롯(12a)을 통과하게 되면 액체와 접촉하여 질량 및 열전달을 하게 되고 결국 고온의 가스가 액체에 용해·흡수되는 것이다. 이러한 방식으로 흡수탑을 이용하여 액상화하여 획득되는 화학제품은 그 종류가 매우 다양하며, 예를 들면 포름알데히드(formaldehyde,HCHO)나 아세트알데 히드(acetaldehyde,CH₃CHO)와 같은 것들이 대표적이라고 할 수 있다.

전술한 종래의 버블캡트레이들에 대해서는 기체와 액체간의 접촉을 증대시켜 흡수효율을 증가시키기 위하여 다양한 개선이 시도되었으며, 미국특허등록 제4,192,835호, 제4,539164호, 제4,059877호 및 대한민국 등록특허 제373661호, 제328496호 등이 그러한 예이다. 그러나 종래 선출원되어 특허등록된 상기 특허발명 등은 기체와 액체간의 접촉효율을 증대시키고자 버블캡의 구조를 변경하거나, 다운커머의 경사각이나 그 형상 또는 충전물(packing)의 배치구조 등을 변경하는 것에 지나지 않아 여전히 비점이 매우 낮은 아세트알데히드와 같은 저비점 화합물에는 적용하기 어려운 단점이 있었으며, 또한 그 구조가 보다 복잡해져 제조원가가 상승한다는 문제가 있었다.

또한, 종래의 통상적인 구조의 트레이구조를 가지는 흡수탑으로는 아세트알데히드 같은 저비점 화합물을 효율적으로 충분히 흡수할 수 없다는 문제가 있었다. 왜냐하면 아세트알데히드는 그 비점이 20.8 ℃에 불과한데, 흡수탑에 공급되는 액체는 고온인 아세트알데히드 가스와 접촉하면서 그 온도가 상승하기 때문이다. 이러한 액체의 온도 상승 정도는 트레이가 다단인 경우 하단으로 갈수록 더욱 심화되어 고온의 가스상태인 아세트알데히드의 흡수율을 심각하게 저하한다. 이러한 경우 유독성의 가스인 아세트알데히드 가스가 액체에 모두 흡수되지 못하고 그대로 흘러나가서 배출되게 되므로 후처리 공정이 복잡하고 그 처리비용이 증대한다는 문제가 생기게 되는 것이다. 특히나, 최근에는 배출가스에 관하여 각종 환경관련 규제가 대폭 강화되고 있는 실정이므로 유독 폐가스에 대한 후처리비용은 더욱 증가하게 될 것이다.

그리하여 현재 이러한 저비점 화합물의 흡수효율을 높이기 위하여 흡수탑 내부에 압력을 가하여 저비점 화합물의 비점을 상승시켜 고온상태에서 회수하는 방법도 실시하고 있으나, 이러한 경우 압력조절 및 전·후의 공정이 매우 복잡하고 난해하며, 별도의 고압설비가 추가로 필요하므로 건설비가 과다하고 공정관리비용도 증가한다는 문제가 있었다. 더구나, 이러한 고가의 압력설비를 추가하더라도 그 회수효율을 획기적으로 증대시키는 데는 한계가 있었다.

본 발명은 전술한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 버블캡트레이구조를 개선하여 저비점 화합물의 흡수효율을 증대시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 유독가스의 방출을 최대한 억제하고 유독가스의 처리에 따른 후처리비용을 감소시킴으로 실용적이고 경제적인 흡수탑을 제공하는 것이다.

위의 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 종래의 버블캡트레이의 구조를 개선하여 냉각자켓을 별도로 설치하였는바 그 기술적 구성은 다음과 같다.

본 발명에서는 기체와 액체의 접촉반응을 위하여 내부에 버블캡트레이를 포 함하는 흡수탑에 있어서, 흡수탑의 외형 골격을 이루는 외벽체, 판상의 트레이덱과 상기 트레이덱에 관통결합하는 다수의 버블캡과 상기 트레이덱 상의 상기 버블캡의 위치를 피한 자리에 적어도 하나 이상 마련되는 위어로 구성되어 상기 외벽체의 내부에 마련되는 버블캡트레이, 흡수탑의 상부에서 공급되는 액체를 상기 버블캡트레이로 이송하고 상기 버블캡트레이를 거친 액체를 상기 버블캡트레이의 하부로 이송하기 위한 액체의 이동통로인 다운커머 및 상기 버블캡트레이의 하부에 상기 버블캡 트레이와 연설되는 것으로 내부에 냉각수의 유동을 위한 중공부가 형성되고 냉각수 공급관 및 냉각수 배출관과 연결되는 냉각자켓을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각자켓을 구비한 흡수탑을 제공한다.

여기서, 상기 버블캡트레이는 흡수탑의 상·하 방향으로 다단으로 배치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 냉각자켓의 내부에는 냉각수의 유동방향을 조절하기 위한 격벽이 적어도 하나 이상 마련되는 것이 바람직하다.

상기 다단의 버블캡트레이 중에서 최하단의 버블캡트레이의 하방에는 기체와 액체 간의 접촉 표면적을 증가시키기 위한 충전물이 마련되는 것이 바람직하다.

상기 각 단의 다운커머는 서로 대향하며 엇갈리게 배치되는 것이 바람직하다.

상기 액체는 순수로 하고 상기 기체는 아세트알데히드 가스로 선택할 수 있다.

본 발명에 의하면 흡수탑의 상부에서 공급되는 액체가 냉각자켓으로 인하여 지속적으로 냉각되어 일정온도 이하를 유지하게 되고 따라서 저비점 화합물인 아세트알데히드 등의 흡수효율을 획기적으로 높일 수 있으므로 버려지는 원료가스를 대부분 회수하게 되어 결국원가절감을 이룰 수 있다. 특히, 최근에 유가 급등으로 인한 알코올 류의 재료원가 상승 등을 고려하면 이러한 본 발명에 의한 화합물 가스의 회수효율 극대화는 앞으로도 매우 중요시될 것으로 기대된다.

게다가, 본 발명에 의하면 유독성 가스인 아세트알데히드 가스의 배출을 최대한으로 억제하게 되므로 배출가스에 대한 후처리 비용이 감소하게 되어 공정이 단순해지며 건설비용이 저렴하다는 장점이 있게 된다.

또한, 종래와 같이 저비점 화합물의 흡수를 위하여 흡수탑 내부에 압력을 가하여 저비점 화합물의 비점을 상승시켜 고온으로 회수할 필요가 없게 되므로, 본 발명에 의하면 이러한 고압처리설비를 생략할 수 있게 되어 매우 경제적이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구성과 작동원리를 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각자켓을 구비한 버블캡트레이 구조를 보여주는 부분 종단면도, 도 3은 도 2에 도시한 버블캡트레이 중 하단의 버블캡트레이의 평면도, 도 4는 도 2에 도시한 버블캡트레이 중 상단의 버블캡트레이의 평 면도, 도 5는 도 3의 절단선 V-V 에 따른 단면구조를 보여주는 종단면이고 도 6은 도 2의 절단선 VI-VI 에 따른 냉각자켓의 횡단면도이다.

도시한 것처럼, 본 발명의 흡수탑(100) 내부에는 1단 또는 그 이상의 다수의 단으로 마련되는 버블캡트레이가 배치된다. 상기 버블캡트레이는 판상의 금속재질로 된 트레이덱(tray deck, 120), 상기 트레이덱(120) 상에 다수개 형성되는 관통구멍에 결합되는 버블캡(bubble cap, 110) 및 상기 트레이덱(120) 상에 마련되는 일종의 둑으로서 액체를 축적하기 위한 위어(weir,122)를 포함하여 구성된다. 상기 트레이덱(120)은 원판형상인 것이 바람직하며 흡수탑(100)의 상부에 1단 또는 다단으로 배치되어 흡수탑(100)의 외벽체(190)에 결합하여 지지가 된다. 상기 버블캡(110)은 도 5에 도시한 바와 같이 내부가 오목한 병뚜껑 형상으로 제작되는데, 하방에서 공급되는 고온의 가스가 통과하여 액체와 접촉할 수 있도록 두부(head part)의 측면(lateral side)부에는 원주방향을 따라 다수의 슬롯(110a)이 형성되는 것이 바람직하다. 상기 위어(122)는 상부에서 공급되는 액체가 바로 하단의 버블캡트레이로 흐르지 않고 일정기간 트레이덱(120) 상에 축적되어 머무를 수 있도록 하기 위한 것이며, 액체를 일정높이로 가둬둘 수 있는 한 그 형상에는 제한이 없으나 통상은 얇은 금속판의 격벽형상으로 하는 것이 바람직하다.

상기 트레이덱(120) 상에는 항상 일정 높이의 액체가 축적되게 되는데, 상부에서 공급된 액체를 각 단의 트레이덱(120)으로 흘려보내기 위하여 각 단의 트레이 사이에 다운커머(downcomer,141,142)가 마련된다. 상기 다운커머(141,142)는 수직하게 또는 경사지게 설치될 수 있으며, 트레이덱(120)의 일측 단부에 마련되어 서 로 대향하도록 엇갈리게 설치되는 것이 바람직하다.

상기 트레이덱(120)의 하부에는 내부에 중공부(131)를 가지는 냉각자켓(cooling jacket,130)이 형성된다. 상기 냉각자켓(130)은 트레이덱(120) 상에 축적되는 액체를 냉각하기 위한 것으로서 외부로부터 냉각수를 공급받는다. 따라서, 상기 냉각자켓(130)에는 냉각수 공급관(132) 및 냉각수 배출관(134)이 연결된다. 냉각수 공급관(132) 및 냉각수 배출관(134)은 각 단의 트레이마다 각 별개로 구성될 수도 있고, 다단의 트레이들이 모두 동일한 공급관(132) 및 배출관(134)에 연결될 수도 있다. 다만, 흡수탑(100)의 하방에서 위로 공급되는 저비점 화합물 가스가 고온인 점을 감안하면 각 단의 트레이별로 별도의 냉각수 공급관(132) 및 냉각수 배출관(134)을 구성하는 것이 바람직할 것이다.

도 6에 도시한 바와 같이, 상기 냉각자켓(130)의 내부에는 다수의 격벽(151,152,153)이 마련되는 것이 바람직한데, 이는 냉각수의 유동을 원활히 함으로써 냉각자켓(130)의 냉각효율을 증가시키기 위한 것이다. 각 격벽(151,152,153)의 일단은 냉각자켓(130)의 측면부와 연결되고 타단은 냉각자켓(130)의 대향하는 측면부와 이격되도록 하여 서로 엇갈리게 구성하는 것이 바람직하다. 이렇게 함으로써 냉각수가 충분한 시간을 가지고 넓은 면적을 거쳐 유동하게 되므로 냉각효과가 배가될 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 흡수탑의 구조를 보인 개략적인 단면도이다. 전술한 버블캡트레이의 하방에는 적어도 하나 이상의 충전물(packing, 160)이 배치되는 것이 바람직하다. 충전물(160)은 액체와 가스의 역류 유동 중에 액체와 기체의 접촉 면적을 증가시켜 질량전달을 크게 하기 위한 것으로서, 일정한 형상을 가지는 솔리드 타입 또는 중공체를 말한다. 충전물의 종류로는 크게 랜덤타입(random type)과 구조화된 타입(structured type)의 두 가지가 있다. 랜덤 충전물은 개개의 구성물이 어떠한 배향성을 가지지 않는 것을 말하고, 구조화된 충전물이란 개개의 구성물이 서로에 대하여 또는 흡수탑의 종축 방향에 대하여 특정의 배향성을 갖는 것을 말한다. 구조화된 충전물은 대개 층이나 나선형의 권선으로 적층된 망상의 와이어 스크린 등으로 제조된다.

전술한 구조를 가지는 본 발명에 따른 흡수탑의 작동원리를 설명하면 다음과 같다. 저비점 화합물 예를 들어, 아세트알데히드는 에탄올 과잉법에 의하여 다음과 같은 과정을 거쳐 제조된다. 즉, 원료인 에탄올을 기화시켜 과열시킨 후 외부에서 공급되는 가압 공기와 혼합기에서 혼합한 다음 이 혼합물을 촉매역할을 하는 은망이 설치된 반응기에 공급한다. 이 과정의 주요 화학반응식은 아래와 같다.

CH₃CH₂OH + 1/2 O₂ ---------> CH₃CHO + H₂O

△H = -242.0 KJ/mol

이 과정은 다량의 열을 발생하는 발열과정이므로 반응기의 하부에 설치되는 열회수보일러(미도시)에 반응열을 전달하여 아세트알데히드 반응가스의 온도를 일차 냉각한 후 이어서 흡수탑(100)에 아세트알데히드 가스를 공급하게 된다. 흡수탑(100)의 하방에 공급된 아세트알데히드 가스는 흡수탑(100)의 상부로 이동하게 되는데, 먼저 충전물(160)을 지나면서 다량의 액체, 바람직하게는 순수(pure water),와 접촉하면서 흡수되어 수용액의 형태로 획득된다. 충전물(160)을 통과하는 과정에서 순수에 흡수되지 않고 남는 잔량의 아세트알데히드 가스는 계속하여 상부로 이동하면서 버블캡(110)을 통과한 후 트레이덱(120) 상에 축적된 순수에 추가 흡수되는 것이다. 이 과정에서 비교적 고온인 아세트알데히드 가스는 다단의 버블캡트레이를 통과하게 되는데, 아세트알데히드는 그 자체의 비점이 20.8℃로 매우 낮아 아세트알데히드 가스와 접촉하는 액체 즉 순수의 온도가 상승하여 아세트알데히드의 비점에 가까워지면 가스의 흡수효율이 급격히 떨어지게 되며, 특히 순수의 온도가 아세트알데히드의 비점 이상으로 상승하면 순수에 흡수되었던 가스가 기포를 발생하며 다시 기화되기 때문에 흡수효율은 더욱 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 흡수체인 순수 등의 반응 온도를 저하시켜 저비점 화합물인 아세트알데히드 가스의 흡수효율을 증가시키기 위하여 전술한 바와 같이 냉각자켓(130)을 형성한다. 즉, 냉각자켓(130)에 외부로부터 일정 온도 이하의 냉각수를 지속적으로 순환시켜 줌으로써 고온의 아세트알데히드 가스와 접촉하는 순수의 온도를 냉각하는 것이다. 냉각수의 온도는 약 5℃ 이하의 냉수를 사용할 수 있으며, 필요에 따라서는 냉매로 대체할 수도 있다. 이렇게 함으로써 각 단의 버블캡트레이에서 아세트알데히드 가스를 충분히 흡수할 수 있게 되어 아세트알데히드 가스가 미처 흡수되지 못하고 방출되어 폐기되는 것을 막을 수 있게 되는 것이다. 즉, 충전물(160)을 통과하고 남은 아세트알데히드 가스를 최하단의 버블캡트레이에서 충분히 재차 흡수한 후에도 남는 아세트알데히드 가스는 다음 단의 버블캡트레이에서 다시 흡수하는 과정을 거쳐 종국적으로는 아세트알데히드 가스의 대부분을 순수에 흡수시켜 대 기중에 버려지는 양을 최소화할 수 있게 되는 것이다.

따라서, 본 발명의 흡수탑을 사용하게 되면 아세트알데히드 가스의 흡수율 및 회수율이 대단히 우수하다. 따라서, 원료인 동일한 양의 에탄올을 사용하더라도 종래보다 많은 양의 아세트알데히드 수용액을 얻을 수 있게 되어 매우 경제적이다. 또한, 유독성 가스인 아세트알데히드 가스의 배출을 최소화할 수 있으므로 폐가스의 후처리비용이 획기적으로 저감된다.

상기 흡수탑(100)을 거친 아세트알데히드 수용액은 보통 이후 별도의 정제과정을 거쳐 99% 이상의 순도로 하여 제품화하게 된다.

이상의 설명에서는 저비점 화합물 중에서 주로 아세트알데히드를 예로 들어 기술하였으나, 반응가스를 흡수탑에 공급하여 수용액의 형태로 제조되는 기타의 저비점 화합물들에도 동일하게 적용 가능하다.

도 1은 종래의 버블캡트레이를 구비한 흡수탑의 개략적인 구조를 보인 종단면도이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각자켓을 구비한 버블캡트레이 구조를 보여주는 부분 종단면도이다.

도 3은 도 2에 도시한 버블캡트레이 중 하단의 버블캡트레이의 평면도이다.

도 4는 도 2에 도시한 버블캡트레이 중 상단의 버블캡트레이의 평면도이다.

도 5는 도 3의 절단선 V-V 에 따른 단면구조를 보여주는 종단면도이다.

도 6은 도 2의 절단선 VI-VI 에 따른 냉각자켓의 횡단면도이다.

도 7은 본 발명에 따른 흡수탑의 구조를 보인 개략적인 단면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 흡수탑 110: 버블캡(bubble cap)

120: 트레이덱(tray deck) 122: 위어(weir)

130: 냉각자켓(cooling jacket) 131: 중공부

132: 냉각수 공급관 134: 냉각수 배출관

141,142: 다운커머(downcomer) 151,152,153: 격벽

160: 충전물(packing)

Claims (6)

1. 기체와 액체의 접촉반응을 위하여 내부에 버블캡트레이를 포함하는 흡수탑에 있어서,

   흡수탑의 외형 골격을 이루는 외벽체;

   판상의 트레이덱과 상기 트레이덱에 관통결합하는 다수의 버블캡과 상기 트레이덱 상의 상기 버블캡의 위치를 피한 자리에 적어도 하나 이상 마련되는 위어로 구성되어 상기 외벽체의 내부에 마련되는 버블캡트레이;

   흡수탑의 상부에서 공급되는 액체를 상기 버블캡트레이로 이송하고 상기 버블캡트레이를 거친 액체를 상기 버블캡트레이의 하부로 이송하기 위한 액체의 이동통로인 다운커머; 및

   상기 버블캡트레이의 하부에 상기 버블캡 트레이와 연설되는 것으로 내부에 냉각수의 유동을 위한 중공부가 형성되고 냉각수 공급관 및 냉각수 배출관과 연결되는 냉각자켓

   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 냉각자켓을 구비한 흡수탑.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 버블캡트레이는 흡수탑의 상·하 방향으로 다단으로 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각자켓을 구비한 흡수탑.
3. 제2항에 있어서,

   상기 냉각자켓의 내부에는 냉각수의 유동방향을 조절하기 위한 격벽이 적어도 하나 이상 마련되는 것을 특징으로 하는 냉각자켓을 구비한 흡수탑.
4. 제2항에 있어서,

   상기 다단의 버블캡트레이 중에서 최하단의 버블캡트레이의 하방에는 기체와 액체 간의 접촉 표면적을 증가시키기 위한 충전물이 마련되는 것을 특징으로 하는 냉각자켓을 구비한 흡수탑.
5. 제2항에 있어서,

   상기 각 단의 다운커머는 서로 대향하며 엇갈리게 배치되는 것을 특징으로 하는 냉각자켓을 구비한 흡수탑.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 액체는 순수이며, 상기 기체는 아세트알데히드 가스인 것을 특징으로 하는 냉각자켓을 구비한 흡수탑.

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