KR101121803B1 - 정밀온도 제어가 가능한 연속식 냉각 결정화 반응장치 및이를 포함하는 결정화 분리공정 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전달 매체를 통해 반응로 전체 영역에서 균일한 온도 분포를 실현하기 위한 장치로서, 결정화 원료가 투입되어지는 반응조; 및 상기 반응조 내부에 설치된 열전달 매체관을 포함하는 냉각 결정화 반응장치 및 이를 포함하여 구성되는 냉각 결정화 분리공정 시스템을 제공한다.

냉각 결정화, 냉매, 테일러 반응기

Description

정밀온도 제어가 가능한 연속식 냉각 결정화 반응장치 및 이를 포함하는 결정화 분리공정 시스템{Reaction apparatus with precise temperature control for continuous cooling crystallization and the system comprising the same}

본 발명은 냉각 결정화 반응 등을 수행할 수 있는 반응장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 열전달 매체를 통해 반응조 전체 영역에서 균일한 온도 분포를 실현할 수 있는 반응장치에 관한 것이다.

기존의 냉각 결정화 반응장치들은 결정화 반응기의 크기가 커질수록 위치 차이에 따른 온도차이가 커서 결정입자의 크기 조절이 어렵고, 균일한 크기분포를 가지는 결정입자들을 얻기란 매우 어려운 단점이 있다.

전통적인 냉각 결정화 방법에서는 간접적인 열교환을 통해 용액을 냉각시켜 과포화를 생성하는 과정이 이용된다. 과포화는 용해도가 온도와 비례하는 특성을 이용한 것으로, 용액의 온도를 낮추어 유도되어질 수 있다. 이러한 냉각 결정화를 이용하여 얻을 수 있는 물질들은 벤조산, p-크실렌, 클로로벤젠 등과 같은 유기화합물을 들 수 있다.

도 1에 다양한 화합물에 대한 용해도 특성곡선이 제시되어 있다. 이를 참조 하면, 통상적으로는 좌측 그래프에서와 같이 온도가 낮아질수록 용해도가 떨어지는 경향을 가지는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 우측 그래프에서와 같이 온도에 거의 무관하게 용해도가 일정한 물질도 존재하며, 나아가 기울기가 역전되는 물질도 존재하여 온도와 반비례 관계를 나타내는 물질도 존재한다. 이와 같이 냉각 결정화는 온도가 낮아질수록 용해도가 떨어지는 물질의 결정화에 사용되는 방법이다.

이러한 물질들을 결정화 반응을 이용하여 고순도로서 분리하기 위해서는 반응기 전체에서 균일한 온도분포가 보장되어야만 한다. 하지만 종래 비연속식 결정화 공정만으로는 사용되는 반응기의 크기가 커짐에 따라 반응조 내부에서의 위치별 온도 불균일성이 더욱 커져 원하는 결과를 얻는 것은 매우 어려운 일이다. 즉, 종래기술에 의한 구성만으로는 원하는 용액의 포화농도를 조정하는 것이 쉽지 않고, 나아가 원하는 입자크기를 가지는 균일한 결정입자를 높은 순도 및 높은 결정화도로서 얻을 수 없는 문제가 제기된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술이 가지는 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 그 목적은 열전달 매체를 통해 반응조 전체 영역에서 균일한 온도 분포를 실현할 수 있는 반응장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 본 발명에 따른 결정화 반응장치를 포함하는 결정화 분리공정 시스템을 제공함에 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여,

결정화 원료가 투입되어지는 반응조; 및 상기 반응조 내부에 설치된 열전달 매체관을 포함하는 반응장치를 제공한다.

본 발명에 따른 상기 반응장치에서 열전달 매체관은 바람직하게는 반응조 내부에서 회전축에 의해 회전가능하도록 회전모터에 의해 지지되도록 구성된다.

본 발명에 따른 상기 반응장치에서 상기 열전달 매체관은 바람직하게는 원통형관으로 구성된다.

본 발명에 따른 상기 반응장치에서 상기 열전달 매체는 반응조 내부로부터 열을 흡수하기 위한 냉매가 사용된다.

본 발명에 따른 상기 반응장치에서 상기 열전달 매체관의 표면은 냉각에 따른 반응물질의 결정화 장소로 제공되어진다.

본 발명에 따른 상기 반응장치는 상기 반응물질의 가열을 위한 열공급부가 상기 반응조에 설치된다.

또한, 본 발명은 결정화 원료를 제공하는 원료공급부; 상기 원료공급부에 의해 공급되는 결정화 원료가 투입되는 위 반응장치; 및 상기 반응장치에서 배출되는 용액으로부터 결정을 분리하기 위한 고액분리기를 포함하는 분리공정 시스템을 제공한다.

본 발명의 상기 구성에 의하면, 열전달 매체를 통해 반응조 전체 영역에서 균일한 온도 분포를 실현할 수 있다. 또한, 반응기 내부의 온도조절이 용이하기 때문에 원하는 용액의 포화농도를 조정할 수 있고, 나아가 원하는 입자크기를 가지는 균일한 결정입자를 높은 순도 및 높은 결정화도로서 얻을 수 있다.

이하, 본 발명의 내용을 도면에 도시되어 있는 실시예를 참조하여 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 반응장치를 포함하는 결정화 분리 공정 시스템의 전체 구성도를 나타낸다.

결정화되어질 원료 (130)는 교반기 (110)에 의해 균일한 용액 상태로 액체펌프 (140)를 통해 본 발명의 반응장치 (150)내로 유입된다. 또, 필요에 따라 결정화를 위한 시드가 될 수 있는 물질 (120)이 교반기 (110)에 의해 균일한 상태에서 액체펌프 (140)를 통해 마찬가지로 반응장치 (150)내에 유입될 수 있다.

반응장치 (150)는 유체의 안정성을 제공하고, 결정화가 진행되는 장소이다. 본 발명의 상기 반응장치 (150)는 원하는 물질의 결정화의 진행을 위해 수정된 형태의 쿠에트-테일러 반응기의 형태로 구성된다.

상기 반응장치의 내부에는 열전달 매체, 예를 들어 냉매와 같은 물질을 함유하는 관을 구비하고 있다. 상기 열전달 매체관은 외부 회전모터와 연결되어 회전하며, 이러한 회전은 내부 원료물질에 테일러 와류를 제공하여 균일한 혼합을 가능하게 한다.

또, 경우에 따라서는 열전달 매치관을 회전하지 않고, 이를 둘러싸는 반응장치 (150)를 회전시켜도 동일한 효과를 달성할 수 있다.

냉매는 반응장치내에 투입되는 물질들로부터 열을 빼앗아 용액의 경우 과포화 상태, 또는 용융액의 경우 용융점 이하가 되도록 냉각시켜 용액을 구성하는 용질의 결정을 석출시키며, 이러한 결정은 순수한 상태의 것으로 배출구를 통해 유출된다.

유출된 용액은 고액분리기 (160)을 통해 불순물을 함유하는 액체부와 순수한 결정상태로 존재하는 결정으로 분리된다.

이와 같이 분리된 결정들은 입자의 크기 및 형상을 측정하기 위해 전자현미경 (180)에 의해 검사되어질 수 있고, 응집된 결정의 크기를 분석하기 위해 바람직하게는 초음파를 이용하는 입도분석기 (190)가 이용될 수 있다.

또, 상기 반응장치에서 생성된 결정화 물질의 수소이온농도는 pH 미터 (170)를 이용해 측정할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 반응장치의 구체적인 구성도로서, 반응조 (151), 열 전달 매체관 (152), 결정화 원료의 투입구 (153), 생성물질의 배출구 (154), 필요에 따라 결정화를 위한 시드 또는 기타 첨가제의 투입구 (155), 반응조에 열을 공급하는 열공급부 (156)를 포함하고 있다. 부호 157은 반응조 내부 공간을 나타낸다. 이러한 반응장치는 냉각 결정화 반응을 수행하기에 특히 적합하다.

결정화 원료는 반응조 (151)의 일측에 구비된 투입구 (153)를 통해 투입된다. 이때 원료의 투입구 (153)는 반응조의 일측에 구비되는 것 뿐만 아니라, 반응조의 중앙에 위치하여도 좋으며, 하나 이상 설치되어도 좋다.

결정화 원료의 종류는 특별한 한정을 요하지는 아니하며, 특히 상기 장치의 경우 냉각 결정화법에 의해 분리가능한 어떠한 화합물도 여기에 포함될 수 있다. 예를 들어, 앞서 열거한 벤조산, p-크실렌, 클로로벤젠 등과 같은 유기화합물 뿐 아니라, 황산구리, 염화나트륨, 아세트산나트륨, 크롬산 칼륨, 황산나트륨, 아세트산 칼슘, 크롬산나트륨, 아세트산 바륨 등의 무기 금속염 등도 여기에 포함될 수 있다.

결정화 원료 투입구 (153)를 통해 유입된 원료 들은 용액 또는 용융액의 형태로 반응조 (151) 내부공간 (157)을 유동하며, 이들은 결정화 반응을 위한 소정의 체류시간 동안 반응조 내부에 체류할 수 있다.

결정화 반응은 관 (152) 내부에 포함되는 또는 내부를 흐르는 냉매에 의해 진행된다. 냉매를 용액상태의 결정화 원료로부터 열을 흡수하여 원료를 과포화 상태가 되도록 한다. 이러한 상태에서 결정의 형성은 최초 관 (152)의 표면에서 시작되어 점차 회전축의 연직방향으로 확산된다.

상기 관 (152)은 외부에 회전모터 (도 2의 158)에 의해 회전가능하며, 내부에는 소정의 열전달 매체를 포함하거나 유동할 수 있는 공간을 가진다. 관 (152)의 회전속도가 임계치 이상을 나타내면 관 (152) 주위의 유체들이 회전축으로부터 연직방향으로 원심력을 받아 이동하고 이에 의해 테일러 와류가 형성된다. 이에 의해 유동은 매우 규칙적이고 온도분포가 매우 균일한 상태를 얻을 수 있으며, 또한 균일한 결정의 입자크기를 얻는 것이 가능해진다.

관 (152)의 회전운동에 따라 용액에서 테일러 와류가 형성되는 과정은 도 4에 제시되어 있다. 이에 의하면 반응조 내에서의 유체의 흐름은 관 (152)의 축을 따라 주기적으로 배열되는 와류 셀들로서 특성화되어질 수 있다. 예를 들어, 관 (152)과 반응조 (151)의 사이에 유체가 흐를 때 관 (152)이 회전함에 따라 원심력에 의해 관 부근의 유체들이 고정된 반응조 (151) 방향으로 나가려는 경향을 가지게 된다. 이로 인해 유체층이 불안정하게 되어 테일러 와류가 형성된다. 와류 영역은 관의 회전속도가 임계치 이상일 때 나타난다. 각 흐름요소는 서로 반대방향을 회전하는 고리모양의 와류쌍으로 이루어져 있고, 각 셀의 축방향 길이는 관 (152)과 외부 반응조 (151) 사이의 거리와 거의 같다. 따라서 본 발명에 따른 반응장치는 각각 같은 부피와 체류 시간을 갖게 된다.

이와 같이 본 발명의 반응장치에서는 테일러 와류를 이용함으로써 유동이 매우 규칙적이고 균일한 혼합을 얻을 수 있으며, 온도분포가 모든 영역에서 균일하여 균일한 입자크기를 나타낸다.

본 발명의 실시예에서는 바람직하게는 반응조 (151)의 내부에 설치되는 상기 관 (152)은 원통형상을 가지는 것으로 하였으나, 하지만 이외에도 열전달을 효율적으로 수행할 수 있으면서 결정화를 위한 충분한 표면적을 제공할 수 있다면 이에 한정되는 것은 아니다.

또한 상기 실시형태는 관 (152)이 외부 회전모터 (158)에 의해 회전하는 것으로 설명되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며 역으로 반응조 (151)가 외부 회전모터에 회전하도록 구현하는 것에 의해서도 동일한 효과를 얻을 수 있다.

열교환에 의한 반응조 내부의 냉각과정은 열역학적 평형관계로부터 적절한 수준으로 제어될 수 있다. 즉, 반응조 내부에 포함되는 용액의 열용량과 열전달 매체관과 내부에 유동하는 매체의 열용량 등의 기본적인 물리량을 알고 있다면 원하는 수준의 온도로 반응조 내부의 온도를 제어하는 것이 가능하다. 이 경우 온도의 제어는 반응조 (151)에 설치된 열공급부 (156)에 의해 공급되는 열량의 제어를 통해 조절될 수 있다. 바람직하게는 상기 열공급부 (156)는 자켓형태로 구현될 수 있다.

본 발명에서는 상기 열전달 매체로서 냉매가 사용되고 있지만, 경우에 따라서는 온수 등의 고온 매체가 이용될 수도 있다. 이는 반응조에서 수행되는 반응의 특징에 의존하며, 당업자라면 적절한 열전달 매체를 선택할 수 있을 것이다. 냉매가 사용되는 경우에는 특별한 종류로 한정될 것이 요구되는 것은 아니며, 예를 들어 물, 에틸렌 글리콜 등이 사용될 수 있다. 구체적인 용매의 선택은 반응에 따라 상이하며, 가령 0℃ 이하로 냉각을 요할 경우에는 물은 고상이 되므로 사용하기 곤란하며, 이 경우 에틸렌 글리콜이 적당하다.

상기 결정화 과정에서 필요에 따라 결정화 반응의 개시를 위한 시드 물질이나, 기타 첨가제 등이 투입구 (155)를 통해 투입될 수도 있다.

결정화 반응은 관의 표면에서 개시되어 점차 반응조 전영역으로 확장된다.

상기와 같이 얻어진 결정은 배출구 (154)를 통해 유출되어지고, 고액분리기로 전송되어 고순도로 정제된 결정화 원료를 얻게 된다.

상기 반응기에서 생성된 결정화 물질의 수소이온농도는 pH 미터 (170)를 이용해 측정할 수 있다.

고액분리기 (160)에 의해 분리된 고체 또는 액체의 결정화된 물질을 전도성 카본 테이프를 이용하여 재물대에 부착하고, 이는 형상과 개별 입자의 크기를 분석할 수 있는 전자현미경 (180)에 의해 분석되어질 수 있다.

또, 고액분리기 (160)에 의해 분리된 고체 또는 액체의 결정화된 물질은 초음파를 이용하는 입도분석기 (190)에 제공되어질 수 있으며, 결정은 물리적인 약한 인력으로 합체된 상태이므로 매분마다 입도분석하여 특정시간이 경과할 때 입도에 더 이상의 변화가 없거나, 강한 힘으로 결합된 응집체는 초음파에 의해 분리되지 않으므로 이에 의해 응집 결정의 크기를 측정할 수 있다.

이하, 본 발명의 내용을 보다 구체적인 실시예를 들어 상세하게 설명하면 다음과 같다.

황산구리 오수화물을 예를 들면, 수용액에서 100℃에서의 용해도는 약 70 정도이고, 이를 상기 열교환과정에 의해 20℃ 정도로 냉각시킬 경우 용해도는 20으로 감소하여 대략적으로 50kg의 순수한 황산구리 결정을 얻을 수 있다.

또한, 아세트산 나트륨 삼수화물의 경우 60℃ 이하에서 용해도가 100이며, 이를 20℃ 정도로 냉각시킬 경우 약 50kg의 순수한 결정을 얻을 수 있다.

이러한 과정은 모두 반응조 전체에서 균일한 온도 분포하에 진행되어지므로 형성되는 결정의 상태는 균일한 크기를 가지고, 또 온도제어가 용이하므로 여러 물질이 혼합되어 있는 경우에도 고순도로 원하는 물질만을 순수하게 결정화하여 분리할 수 있다.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 적용될 수 있는 다양한 물질들의 용해도 특성 곡선이다.

도 2는 본 발명에 따른 결정화 분리공정 시스템의 전체 구성도이다.

도 3은 본 발명에 따른 결정화 반응장치의 구성도이다.

도 4는 본 발명에 따른 결정화 반응장치내에서의 반응물의 유동형태를 나타내는 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

151: 반응조 152: 열전달 매체관

153: 원료물질의 투입구 154: 생성물질의 배출구

156: 열공급부 157: 반응조의 내부공간

Claims (7)

1. 결정화 원료가 투입되어지는 반응조; 및

   상기 반응조 내부에 설치되고, 내부에 열전달 매체로 냉매를 포함하며, 회전모터에 의해 회전하면서 반응물질의 냉각 결정화를 위한 반응표면을 제공하는 원통형 열전달 매체관;

   을 포함하는 결정화 반응장치.
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3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1항에 있어서, 상기 결정화 원료의 가열을 위한 열공급부가 상기 반응조에 설치된 것을 특징으로 하는 반응장치.
7. 결정화 원료를 제공하는 원료공급부; 상기 원료공급부에 의해 공급되는 결정 화 원료가 투입되는 청구항 1의 반응장치; 및 상기 청구항 1의 반응장치에서 배출되는 용액으로부터 결정을 분리하기 위한 고액분리기를 포함하는 분리공정 시스템.

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