KR101169066B1 - 모노실란 제조시 부산물로 얻어진 소디움알루미늄테트라플루오라이드의 재활용 방법 - Google Patents

모노실란 제조시 부산물로 얻어진 소디움알루미늄테트라플루오라이드의 재활용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 소디움알루미늄플루오라이드를 사용하여 무수불산을 제조하는 방법 및 이를 위한 반응장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 플루오라이드의 공급원으로서 소디움알루미늄테트라플루오라이드(NaAlF4, sodium aluminum tetrafluoride) 및 황산을 예비반응기 내에서 혼합하며 분쇄하여 기체상 무수불산(HF, hydrogen fluoride) 및 고체상 물질을 얻고, 얻어진 고체상 물질을 다시 본반응기 내에서 열처리하여 기체상 무수불산 및 고체상 소디움알루미늄설페이트(NaAl(SO4)2, sodium aluminum sulfate)를 얻는 공정에 의해 무수불산을 제조함으로써, 무수불산을 제조하기 위한 플루오라이드의 공급원으로 고가의 수입 형석(CaF2, fluorspar) 대신 모노실란의 제조 부산물인 NaAlF4를 재활용할 수 있기 때문에 친환경 및 경제적일 뿐만 아니라 점성의 반응 중간물인 황산수소칼슘(Ca(HSO4)2)을 고르게 분산시킴으로써 벌키한 고형물의 생성을 억제하고, 반응물을 미분화 시킴으로써 HF의 제조 수율을 현저히 높일 수 있고, 원재료의 무게에 비해 많은 양의 HF를 제조할 수 있어 산업적 대량생산이 가능하며, 망초와 알루미늄 설페이트로 분리하여 재활용 가능한 부산물인 NaAl(SO4)2를 발생시키는 무수불산 제조 방법 및 이를 위한 반응장치에 관한 것이다.

Description

모노실란 제조시 부산물로 얻어진 소디움알루미늄테트라플루오라이드의 재활용 방법{METHOD OF REUSING SODIUM ALUMINUM TETRAFLUORIDE OBTAINED AS A BYPRODUCT FROM MONOSILANE PRODUCTION}
본 발명은 소디움알루미늄플루오라이드를 사용하여 무수불산을 제조하는 방법 및 이를 위한 반응장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 플루오라이드의 공급원으로서 소디움알루미늄테트라플루오라이드(NaAlF4, sodium aluminum tetrafluoride) 및 황산을 예비반응기 내에서 혼합하며 분쇄하여 기체상 무수불산(HF, hydrogen fluoride) 및 고체상 물질을 얻고, 얻어진 고체상 물질을 다시 본반응기 내에서 열처리하여 기체상 무수불산 및 고체상 소디움알루미늄설페이트(NaAl(SO4)2, sodium aluminum sulfate)를 얻는 공정에 의해 무수불산을 제조함으로써, 무수불산을 제조하기 위한 플루오라이드의 공급원으로 고가의 수입 형석(CaF2, fluorspar) 대신 모노실란의 제조 부산물인 NaAlF4를 재활용할 수 있기 때문에 친환경 및 경제적일 뿐만 아니라 점성의 반응 중간물인 황산수소칼슘(Ca(HSO4)2)을 고르게 분산시킴으로써 벌키한 고형물의 생성을 억제하고, 반응물을 미분화 시킴으로써 HF의 제조 수율을 현저히 높일 수 있고, 원재료의 무게에 비해 많은 양의 HF를 제조할 수 있어 산업적 대량생산이 가능하며, 망초와 알루미늄 설페이트로 분리하여 재활용 가능한 부산물인 NaAl(SO4)2를 발생시키는 무수불산 제조 방법 및 이를 위한 반응장치에 관한 것이다.
자연광물인 형석을 황산과 반응시켜 무수불산을 제조하는 공정이 1940년대 이후부터 알려져 왔으며, 이러한 공정에 대해 지금까지 반응기 소재와 형태의 개선을 통해 무수불산의 제조수율을 증가시켜 왔다.
형석과 황산을 사용한 무수불산 제조시 형성되는 반응 중간물인 황산수소칼슘(Ca(HSO4)2)은 점성을 갖기 때문에 출발물질 및 반응 중간체를 덩어리지게 하고, 반응물들이 덩어리져 굳은 벌키(bulky)한 물질의 존재로 인하여 반응성이 저하될 뿐만 아니라, 열처리시 내부까지 열 전달이 어려워 HF로의 전환 수율이 낮아지게 된다. 또한 이 벌키한 물질은 반응기의 벽면에 달라붙어 반응기 내부를 막기도 한다.
상기한 문제점들을 극복하고자, 미국특허 3,607,121호에서는 이중관 구조의 로터리 킬른(Kiln) 반응기를 제안하였다. 이 이중관 구조의 로터리 킬른 반응기에서는, 내부에 고형 원재료 이송용 스크류를 설치하고, 반응 부산물인 석고(CaSO4)를 반응기의 형석 원료 투입부로 재순환시켜 새롭게 투입되는 형석을 희석함으로써 원재료가 뭉치는 것을 감소시키고자 하였다. 그러나 이 장치는, 킬른 내부에 반응물 재순환을 위한 이송 스크류를 두어야 하므로 킬른의 전단면이 좁아지고, 이것이 반응물의 움직임을 방해하여 결과적으로 킬른 내부에 고형분이 쌓이게 하는 단점을 가진다.
미국특허 3,718,736호는 반응물인 형석에 대해 반응 부산물인 석고를 3몰배의 양으로 함께 투입하여 원재료를 희석함으로써 반응 중간체의 엉김을 방지하는 방법을 제안하였으나, 이렇게 반응이 끝난 석고를 다시 투입하면 생산성이 낮아지는 단점이 있다.
미국특허 4,120,939호에서는 수직 형태의 반응기에서 형석을 작은 알갱이로 상부에서 투입하고 낙하시키고, 하부에서는 SO3와 스팀을 주입하여 황산으로 만들면서 이때 발생되는 고열로 황산을 기화시키고, 이를 상부에서 떨어지는 형석과 반응시켜 HF를 제조하는 일종의 유동화 베드 반응기(fluidized bed reactor)를 제안하였다. 그러나 이 장치는 복잡하고 운전조건을 맞추기가 어려워 양산에 적용할 수 없는 단점이 있다.
미국특허 3,607,121호 미국특허 3,718,736호 미국특허 4,120,939호
본 발명은 상기한 종래 기술들의 문제점을 해결하고자 한 것으로서, 무수불산 제조시 점성의 반응 중간물로 인한 뭉침 문제를 해결하고, 제조 수율을 현저히 높일 수 있어 HF의 산업적 대량생산을 가능하게 하는 친환경적이고 경제적인 방법 및 그를 위한 반응장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하고자 본 발명은, (1) 플루오라이드의 공급원으로서 소디움알루미늄테트라플루오라이드(NaAlF4, sodium aluminum tetrafluoride) 및 황산을 예비반응기 내에서 혼합하며 분쇄하여 기체상 무수불산(HF, hydrogen fluoride) 및 고체상 물질을 얻는 단계 및 (2) 상기 (1)단계에서 얻어진 고체상 물질을 본반응기 내에서 열처리하여 기체상 무수불산 및 고체상 소디움알루미늄설페이트(NaAl(SO4)2, sodium aluminum sulfate)를 얻는 단계를 포함하는 무수불산의 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, (1) 플루오라이드 공급원 투입부, 황산 투입부 및 혼합물 배출부를 가지며, 온도조절이 가능한 니더(kneader)형 예비반응기; (2) 상기 니더형 예비 반응기의 혼합물 배출부와 연결된 니더 혼합물 투입부, 기체상 무수불산 배출부 및 고체상 결과물 배출부를 가지며, 온도조절이 가능한 회전식 킬른(kiln)형 본반응기;를 포함하는 무수불산 제조용 반응장치가 제공된다.
본 발명에 따른 방법 및 장치를 활용하면, 무수불산을 제조하기 위한 플루오라이드의 공급원으로 고가의 수입 형석 대신 모노실란의 제조 부산물인 NaAlF4를 재활용할 수 있기 때문에 친환경 및 경제적일 뿐만 아니라 점성의 반응 중간물인 황산수소칼슘을 고르게 분산시킴으로써 벌키한 고형물의 생성을 억제하고, 반응물을 미분화 시킴으로써 HF의 제조 수율을 현저히 높일 수 있고, 원재료의 무게에 비해 많은 양의 HF를 제조할 수 있어 산업적 대량생산이 가능하며, 또한 망초와 알루미늄 설페이트로 분리하여 재활용 가능한 부산물인 NaAl(SO4)2를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무수불산 제조용 반응장치의 일 구체예에 대한 개략도이다.
이하에서, 본 발명에 따른 무수불산 제조방법 및 무수불산 제조용 반응장치에 대해 더욱 상세히 설명한다.
본 발명의 무수불산 제조방법의 제(1)단계에 있어서, 플루오라이드의 공급원인 소디움알루미늄테트라플루오라이드(이하, "SAF"라고도 한다) 화합물에는 특별한 제한이 없으나, 바람직하게는 하기 식 1)과 같이 SiF4가스를 NaAlH4 환원제로 반응시켜 모노실란을 제조하는 공정에서 발생되는 NaAlF4 부산물 혹은 하기 식 2)와 같이 AlF3와 NaF 혼합물을 기계적으로 밀링(milling)하여 제조된 NaAlF4가 사용가능하며, 특히 모노실란을 제조하는 공정에서 발생되는 NaAlF4 부산물을 사용하는 것이 친환경 및 경제적인 측면에서 더욱 바람직하다.
1) SiF4 + NaAlH4 → SiH4 + NaAlF4
2) AlF3 + NaF → NaAlF4
본 발명의 무수불산 제조방법의 제(1)단계에 있어서 황산은, SAF 투입량를 기준으로, 하기 식 3) 및 4)를 만족하는 양으로 사용된다.
3) NaAlF4 + 2H2SO4 → NaAlF2(HSO4)2 + 2HF (예비반응기내 주반응)
4) NaAlF2(HSO4)2 + 2H2SO4 → NaAl(HSO4)4 + 2HF (예비반응기내 부반응)
본 발명의 무수불산 제조방법의 제(1)단계에 있어서, SAF는 바람직하게는 파우더(약 20μm 크기)나 그래뉼 (약 1mm 크기) 형태로 사용가능하며, 황산은 98%의 진한 황산 또는 부식을 낮추기 위해 발연황산을 사용할 수도 있다. 반응출발물질인 SAF와 황산의 투입형태에는 특별한 제한이 없으나, 공정효율의 측면에서 볼 때 연속적으로 투입되는 것이 바람직하다.
본 발명의 무수불산 제조방법의 제(1)단계에서 사용되는 예비반응기로는, SAF와 황산을 혼합하며 분쇄할 수 있는 반응기라면 특별한 제한이 없으나, 상기 식 3) 및 4)의 반응이 예비반응기 내에서 진행됨에 따라 황산의 양이 감소하여 반응 혼합물의 유동성이 감소하고, 또한 점성의 부산물인 NaAl(HSO4)4 가 발생하기 때문에, 균일한 혼합을 위하여 기계적으로 반응물을 혼합 및 분쇄할 수 있어야 한다. 이러한 측면에서 예비반응기로는 온도조절이 가능한 니더 반응기가 특히 바람직하다.
니더의 형태에는 특별한 제한이 없으나, SAF와 황산을 균일하게 혼합하고 100 ~ 300℃로 가열하여 반응이 일어날수 있도록 하여야 하며, 반응 혼합물을 분쇄하여 바람직하게는 1mm 이하의 그래뉼로 만들어 이후의 본반응기에 투입할 수 있어야 한다. 이러한 니더로서 더블스크류 형태를 자체 제작하거나 일반적 배치(batch) 형태의 니더를 사용할 수 있다.
본 발명의 무수불산 제조방법의 제(1)단계에서는 전체 반응의 50% 정도가 진행되도록 반응조건들을 조절하는 것이 바람직하며, 그 결과, 기체상의 무수불산(HF) 및 고체상 물질이 얻어진다. 예비반응기는 발생된 기체가 황산이나 SAF 투입구로 빠져나가지 않도록 실링 장치가 되어 있기 때문에 기체상의 무수불산은 본반응기로 이동된 뒤 외부로 배출되고, 고체상 물질은 바람직하게는 1mm 이하의 크기로 분쇄되어 본반응기로 이송된다.
본 발명의 무수불산 제조방법의 제(2)단계에서는, 상기 (1)단계에서 얻어진 고체상 물질로부터 기체상 무수불산(HF) 및 고체상 소디움알루미늄설페이트(SAS)가 얻어진다.
상기 (1)단계에서 얻어진 고체상 물질 중에 존재하는 미반응의 NaAlF4 및 H2SO4 로부터는 상기 식 3) 및 4)에 따라 HF가 얻어지고, 상기 (1)단계에서 얻어진 고체상 물질 중에 존재하는, 또는 (2)단계 반응 진행 중에 생성된 NaAl(HSO4)4 및 미반응 NaAlF4로부터는 하기 식 5)에 따라 기체상 무수불산 및 SAS가 얻어진다. 또한, 상기 (1)단계에서 얻어진 고체상 물질 중에 존재하는, 또는 (2)단계 반응 진행 중에 생성된 NaAlF2(HSO4)2로부터도 하기 식 5)의 두번째 반응에 따라 기체상 무수불산 및 SAS가 얻어진다.
5) NaAl(HSO4)4 + NaAlF4 → 2NaAlF2(HSO4)2 → 2NaAl(SO4)2 + 2HF
본 발명의 무수불산 제조방법의 제(2)단계에서 사용되는 본반응기로는, 상기 식3) 내지 5)의 반응을 수행하여 결과적으로 기체상 무수불산 및 SAS를 제조할 수 있는 반응기라면 특별한 제한이 없으며, 온도조절이 가능한 회전형 킬른(kiln) 반응기가 바람직하게 사용된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 회전형 킬른 반응기로서 5m 길이에 폭 1m로 1~6rpm으로 회전하며, 1/500의 경사로를 갖도록 설치된 것이 사용가능하다. 반응물의 체류시간은 투입되는 원재료의 양과 킬른의 회전수 또는 반응물의 배출 정도로 조절될 수 있으며 반응온도는 100~700℃가 바람직하고, 200~500℃가 더 바람직하며, 300~500℃가 보다 더 바람직하다. 가열은 외부 가열방식으로 수행할 수 있다. 회전반응기의 말단에는 배출용 뜨게가 설치되어 반응생성물 SAS를 배출할 수 있도록 하고, 뜨게의 높이를 조절함으로 반응물의 체류시간을 조절하는 것이 바람직하다. 반응물의 체류시간은 2시간 내지 6시간이 바람직하며, 발생된 HF는 필터를 거쳐 미분을 제거하고 컴프레서(compressor)를 통해 HF 봄베(bomb)에 압축저장된다. 운전 압력은 예비반응기와 본반응기에서 발생된 가스 제거를 원활히 하기 위해 -20mmHg에서 상압까지의 감압 조건을 유지하며 반응을 수행하는 것이 바람직하다. 고형 생성물인 SAS는 킬른 밖으로 배출되며, 이후 망초와 알루미늄 설페이트로 분리하여 재활용될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 측면에 따르면, (1) 플루오라이드 공급원 투입부, 황산 투입부 및 혼합물 배출부를 가지며, 온도조절이 가능한 니더(kneader)형 예비반응기; (2) 상기 니더형 예비 반응기의 혼합물 배출부와 연결된 니더 혼합물 투입부, 기체상 무수불산 배출부 및 고체상 결과물 배출부를 가지며, 온도조절이 가능한 회전식 킬른(kiln)형 본반응기;를 포함하는, 상기한 무수불산 제조방법에 특히 적합한 반응장치가 제공된다. 본 발명의 반응장치의 일 구체예에 대한 개략도를 도 1에 나타내었다.
도 1을 참고로 하여, 본 발명의 반응장치를 활용한 무수불산의 제조공정을 설명하면 다음과 같다.
먼저 플루오라이드 공급원 투입부 (1) 및 황산 투입부 (2)를 통하여 원료물질이 예비반응기인 니더 (B)에 투입된다. 황산은 모터 (E)로 연결된 역류 방지 스크류 (D)를 통하여 니더 (B)에 투입된다. 니더 (B)는 100 ~ 300℃로 가열되며, 투입된 원료물질들은 여기에서 예비적으로 반응하며 혼합, 분쇄되어 본반응기인 킬른 (A)로 이송된다. 킬른 (A)은 300~500℃로 가열되며, 회전하면서 반응을 완료시키고, 최종 고체상 결과물은 배출 스크류 (C)를 통해 킬른 밖으로 배출되며, 기체상 HF는 기체 배출부 (3)을 통해 수거된다.
이하 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 그러나 본 발명의 범위가 이들에 의해 한정되는 것은 아니다.
[ 실시예 1~5] 니더와 킬른 반응기를 사용한 무수불산의 제조
실시예 1~4에서는 모노실란(SiH4)을 제조하기 위한 실리콘테트라플루오라이드(SiF4)와 소디움알루미늄하이드라이드(NaAlH4)의 반응에서 발생된 부산물인 소디움알루미늄 플루오라이드(NaAlF4) 분말(약 20μm 크기) 또는 알갱이(직경 약 1mm)를 300℃ 하소로(calciner)에서 건조시킨 후 6.87kg/hr의 투입량으로 니더 반응기에 투입하였다. 실시예 5에서는 AlF3와 NaF를 기계적으로 밀링하여 얻어진 혼합물을 사용하였다.
이와 동시에 당량비의 98% 진한 황산 10.70kg/hr를 니더 반응기에 투입하고, 반응물이 니더 반응기 내에서 2분 이상 머물 수 있도록 하였다. 니더 반응기는 200℃로 유지하였으며, 발생된 가스는 킬른내의 가스 배출배관을 통해 모았다. 니더를 통과한 반응 중간체를 고온의 킬른 내에서 추가로 반응시켜 무수불산을 제조하였다. 반응 수율은 12시간 황산을 투입하였을 때 얻어진 무수불산의 양을 기초로 적정법을 통하여 결정하였으며, 아래 표 1에 그 결과를 나타내었다.
[표 1]
Figure 112010023148519-pat00001
무수불산의 수율은 킬른의 온도에 따라 증가하였으며, 원재료의 투입량이 적은 실시예 4의 경우 니더 내 및 킬른내 체류시간의 증가로 무수불산 제조 수율이 증가하였다.
[ 비교예 1~3] 킬른만을 사용한 무수불산의 제조
소디움알루미늄 플루오라이드(NaAlF4) 분말(약 20μm 크기) 또는 알갱이(직경 약 1mm)를 300℃ 하소로(calciner)에서 건조시킨 후 6.87kg/hr의 투입량으로 킬른 반응기에 투입하였다. 이와 동시에 당량비의 98% 진한 황산 10.70kg/hr를 킬른 반응기에 투입하여 반응을 진행하였다. 발생된 가스는 킬른 내의 가스 배출배관을 통해 모았다. 반응 수율은 실시예와 같은 방법으로 결정하였으며 아래 표 2에 그 결과를 나타내었다.
[표 2]
Figure 112010023148519-pat00002
니더 반응기 없이 킬른만을 사용하여 SAF와 황산을 반응시킨 경우 반응 중간체가 킬른 반응기 내부에 축적되어 킬른 내부가 막히는 현상이 일어났다.
[ 비교예 4~5] 니더만을 사용한 무수불산의 제조
소디움알루미늄 플루오라이드(NaAlF4) 분말(약 20μm 크기) 또는 알갱이(직경 약 1mm)를 300℃ 하소로(calciner)에서 건조시킨 후 6.87kg/hr의 투입량으로 니더 반응기에 투입하였다. 이와 동시에 당량비의 98% 진한 황산 10.70kg/hr를 니더 반응기에 투입하여 반응을 진행하였다. 니더 반응기 직경은 1.2m 였으며 니더 주위를 가열 재킷(heating jacket)으로 감싸 150℃ 내지 200℃를 유지하였다. 발생된 가스는 니더 끝단의 고형분 저장 탱크에 연결된 가스 배출배관을 통해 모았다. 반응 수율은 실시예와 같은 방법으로 결정하였으며 아래 표 3에 그 결과를 나타내었다.
[표 3]
Figure 112010023148519-pat00003
킬른 반응기 없이 니더만을 사용하여 SAF와 황산을 반응시킨 경우 배출된 고형분은 황산으로 젖은 상태로 배출되었고, 낮은 반응 온도로 인해 무수불산의 수율은 낮았다.
1: 플루오라이드 공급원 투입부
2: 황산 투입부
3: 기체 배출부
A: 회전형 킬른 반응기
B: 니더 반응기
C: 배출 스크류
D: 역류 방지 스크류
E: 모터

Claims (10)

  1. (1) SiF4가스를 NaAlH4 환원제로 반응시켜 모노실란을 제조하는 공정에서 발생되는 부산물인 소디움알루미늄테트라플루오라이드 및 황산을, 100 ~ 300℃의 예비반응기 내에서 혼합하며 분쇄하여 기체상 무수불산 및 고체상 물질을 얻는 단계; 및
    (2) 상기 (1)단계에서 얻어진 고체상 물질을 300 ~ 500℃의 본반응기 내에서 열처리하여 기체상 무수불산, 및 망초와 알루미늄 설페이트로 유용하게 분리될 수 있는 고체상 소디움알루미늄설페이트를 얻는 단계;
    를 포함하는, 모노실란 제조 부산물인 소디움알루미늄테트라플루오라이드의 재활용 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 예비반응기가 니더 반응기인 것을 특징으로 하는, 모노실란 제조 부산물인 소디움알루미늄테트라플루오라이드의 재활용 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, (1)단계의 결과물인 고체상 물질이 1mm 이하의 크기로 분쇄되어 본반응기로 이송되는 것을 특징으로 하는, 모노실란 제조 부산물인 소디움알루미늄테트라플루오라이드의 재활용 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 본반응기가 회전형 킬른 반응기인 것을 특징으로 하는, 모노실란 제조 부산물인 소디움알루미늄테트라플루오라이드의 재활용 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, -20mmHg에서 상압까지의 감압 조건을 유지하며 반응을 수행하는 것을 특징으로 하는, 모노실란 제조 부산물인 소디움알루미늄테트라플루오라이드의 재활용 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, (2)단계의 결과물인 고체상 소디움알루미늄설페이트가 망초와 알루미늄 설페이트로 분리되는 것을 특징으로 하는, 모노실란 제조 부산물인 소디움알루미늄테트라플루오라이드의 재활용 방법.
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