KR101223249B1 - 촉매 탈탄산 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매 탈탄산 장치에서 탄산칼슘으로 코팅된 비활성 입자들이 배출 파이프를 막을 위험없이 반응기로부터 연속적이고 조직적으로 배출되도록 하는 것을 목적으로 한다. 따라서, 상기 파이프(7'a,7'b)는 40 내지 60 ㎜의 내부 직경을 가지고 가능하게는 그 파이프가 반응기(1')에서 나오는 오리피스로부터 시작하는 수평부를 제외하고 외부 배출 파이프(8')에 연결될 때까지 연속적인 하향 경사를 나타낸다.

촉매 탈탄산 장치, 탈탄산반응(decarbonation), 곡률 반경, 석회, 소다

Description

촉매 탈탄산 장치{CATALYTIC DECARBONATION APPLIANCE}

본 발명은 물의 탈탄산반응(decarbonation)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 보다 개선된 "촉매 탈탄산" 장치 및 그 사용 방법에 관한 것이다.

기본적인 탈탄산 반응

천연수는 용해되어 있는 다수의 미네랄 물질을 상당히 다양한 비율로 포함하고 있다. 일부 미네랄 물질은 상당한 농도로 모든 형태의 물에 존재하고, 다른 미네랄 물질은 단지 미량 성분으로 존재한다. 본 발명은 단지 첫 번째 미네랄 물질에 관한 것이다.

이러한 용해된 물질은:

- 음이온: 탄산염 및 중탄산염, 황산염, 염화물 및 질산염, 실리카; 및

- 양이온: 칼슘, 마그네슘 및 알칼리 금속(주로 나트륨)을 포함한다.

표준 관례를 따르기 위하여, 이하에서는 이온들을 그 염의 형태로 기술할 것이지만, 실질적으로 천연수의 통상적인 농도에서 용해된 염들은 음이온, 즉 HCO₃ ^- 또는 CO₃ ^{2 -}, SO₄ ^{2 -} 또는 Cl^- 및 양이온, 즉 Ca^{2 +}, Mg^{2 +}, Na⁺ 등으로 완전히 용해되고, 따라서 예를 들어 의도적으로 나트륨을 염화물 또는 칼슘을 중탄산염과 결합시킴으로써 그 이온들을 임의의 그룹으로 간략히 할 수 있다. 사실상, 양이온은 베르톨레 법칙(Berthollet's law)에 따라 음이온과 불용성 형태로 침전할 때에만 음이온과 결합한다.

물의 정제를 위한 맨 처음의 반응에서, 이온들은 완전히 자유로운 형태로 존재하지만 단지 종래 관행을 따르기 위하여 이러한 반응을 이온 형태가 아닌 분자 형태로 기술한다.

관련 분야에 잘 알려져 있는 이러한 반응을 기술하면 다음과 같다.

중탄산칼슘에 대한 석회의 작용

1) 단지 칼슘염만을 포함하는 물의 경우

이러한 경우, 중탄산칼슘과 중성 탄산염과의 용해도의 큰 차이에 기초하여 적용되는 기본적인 탈탄산 반응은 다음과 같다:

CaCO₃의 용해도 및 자유 CO₂ 또는 "반결합된(semicombined)" CO₂와의 평형은 수많은 연구 과제를 제시하였다. 생캉트네르(Cinquantenaire)에 의해 1988년에 발행된 데그레몽 물 기술 핸드북(Degremont Water Technical Handbook)에 인용된 여러 조사로부터 물과 CaCO₃ 침전물의 평형 조건이 명백히 밝혀졌다. 포베(Pourbaix) 에 의한 조사로부터 여러 인자의 함수로서 탄산칼슘의 용해도를 알 수 있고 만약 사용되는 석회의 양이 정확히 화학양론적이라면 용액에 존재하는 탄산칼슘의 이론적인 양을 예측하는 것이 가능하다. 그 이론적인 양은 일반적으로 0.2 내지 0.3 밀리당량 TA/리터(TA: 중탄산염 함량; 이하를 참조)이지만 이러한 값은 실질적으로 거의 달성되지 않는다.

일반적으로 물의 영구경도라는 명칭으로 표시되고, 강한 음이온 즉, 황산염, 염화물 및 질산염에 대응하는 칼슘은 일반적으로 용액에 잔존하며, 석회는 원수(raw water)의 일반적인 농도에서 이러한 여러 염들과 반응할 수 없다.

만약 처리된 물에서 용액에 잔존하는 알칼리도를 고려한다면, 순전히 칼슘질인 원수(raw water)의 경우에 세 가지 상황을 생각할 수 있다:

1. 불충분한 양의 석회가 있다: 중탄산칼슘의 일부는 용액에 존재하고, Ca(HCO₃)₂ 및 CaCO₃는 그 용해도 한계 내에서 물에 동시에 존재한다.

2. 투여량은 정확하다: 물에 용해될 수 있는 CaCO₃ 만이 존재한다.

3. 과잉의 석회가 있다: 과도하게 존재하는 자유 석회는 그 용해도 한계에서 탄산칼슘과 공존한다.

물의 알칼리도 적정은 두 가지 측정을 포함한다는 것을 기억하여야 한다:

- pH = 8.2/8.3에서 페놀프탈레인 지시약의 색 변화에 의해 희석 산(dilute acid)의 적정된 용액을 수단으로 평가함으로써 획득된 영구 알칼리도(P-알칼리도), 또는 PA; 및

- pH = 3.5/4.5에서 메틸 오렌지 지시약의 색 변화에 의해 동일한 용액을 수단으로 평가함으로써 획득된 전체 알칼리도(M-알칼리도), 또는 TA.

칼슘 및 마그네슘 둘 다를 포함하는 물의 경우

이러한 상황은 일반적으로 접하게 되며, 순수하게 칼슘질인 물은 예외적인 경우이다.

이런 경우, 그 물은 이하에서 정의된 함량(농도)에 의해 특징지워진다:

- TH(총경도(total hardness)) = C.Ca + C.Mg(칼슘 함량 + 마그네슘 함량),

- TA = 중탄산염 함량(물의 일시경도(temporary hardness)).

TH와 TA의 차이(TH-TA)는 강한 음이온(SO₄ ^{2 -} + Cl^- + NO₃ ^{2 -})의 염에 의한 총경도(물의 영구경도)를 나타낸다.

이런 경우, 석회는 TA의 칼슘 분획으로부터 완전한 정화가 달성될 때까지 CaCO₃의 형성을 유발하며, 냉각 조건하에서 CaCO₃의 용해도를 감소시킨다.

물은 C.Mg 및 탄산염 상태로 침전된 TA의 밀리당량에 의해 감소된 최초 C.Ca에 동등한 C.Ca를 포함한다.

만약 석회가 과도하게 첨가된다면 다음의 2차 반응이 발생한다:

불용성 마그네시아는 침전하고 칼슘은 용액에서 마그네슘을 완전히 치환한다.

셀레늄의 함량이 매우 높은 물의 예외적인 경우를 제외하고, 칼슘은 가용성으로 존재하고, 차가운 물에서 황산칼슘의 용해도는 리터당 2 그램이며, 그 값은 상기 반응 (2)의 결과보다도 더 높다.

실질적으로, 이런 첨가는 정제된 물의 전체 TH를 변형하지 않는다; PA 및 TA는 마그네시아의 물에서의 용해성(0.1 밀리당량/리터)으로 인해 약간 증가하고, 마그네시아가 완전히 침전하지 않는 한 실질적으로 일정하게 유지된다. 최적의 정제에서, 소량의 자유 마그네시아가 물에 존재할 것이며, PA는 TA/2보다 매우 약간 더 크다.

중탄산칼슘에 대한 소다(SODA)의 작용

이 방법은 석회로 처리한 상기 방법의 변형예로서, 처리된 물에서 이산화탄소를 제거하고 그 물을 부드럽게 하기 위해 바람직한 경우 또는 부식성 소다의 사용이 석회의 사용보다 논리적으로나 경제적으로 더 바람직한 경우에 이용된다.

1. 첫 번째 단계에서, 이하의 반응 (3)이 일어난다:

2. 만약 이러한 침전 후에, 황산염 또는 염화물과 연관된 칼슘 이온이 충분하게 더 존재한다면, 다음의 반응이 일어난다:

이러한 반응은 예를 들어 다음과 같다:

소다는 만약 원수(raw water)가 Na₂CO₃의 나트륨으로 치환될 칼슘을 위해 황산염 또는 염화물에 결합된 칼슘(영구 경도)을 충분하게 포함하는 경우에만 1 Ca(OH)₂ 및 1 Na₂CO₃를 치환하는 2 NaOH처럼 작용한다.

TA는 만약 반응 (3)에 의해 생산된 모든 Na₂CO₃가 CaCO₃ 형태로 침전하기에 충분한 양의 칼슘과 결합된다면, 즉 원수(raw water)의 칼슘 함량, C.Ca가 2 TA 이상이라면 0.6 밀리당량/리터 이하로 감소할 수 있다.

만약 C.Ca가 2 TA 이하이고 만약 NaOH 투여량이 그 TA에 따라 계산된다면, 여분의 자유 Na₂CO₃은 물에 존재할 것이고, 원수(raw water)의 (2 TA-C.Ca)의 값이 증가함에 따라 물에 더 큰 PA 및 TA를 제공할 것이다.

그러나, 그 방법은 만약 물에서 중탄산염을 일정 수준으로 유지한다면(예를 들어, 음용수의 처리시에) 바람직하지만, 소다의 투여량을 C.Ca/2의 화학양론적 당량으로 감소시킬 필요가 있다.

결론적으로, 부식성의 소다를 사용함으로써 어떠한 위험도 없이 석회만큼 완벽하게 정화하면서 물의 총경도(total hardness)를 낮추는 것이 가능하게 된다; TH의 이러한 감소는 만약 투입되는 소다의 투여량이 원수(raw water)의 칼슘 함량의 반을 초과하지 않는다면, 중탄산염의 2배 감소와 동일할 것이다.

PA 및 TA는 석회의 등가의 투여량이 사용되는 것만큼 낮다.

그러나, 만약 원수(raw water)가 자유 탄산을 포함한다면, 이하의 반응식에서처럼 소다가 더 소비되기 때문에, 소다의 투여량을 계산함에 있어서 보정이 이루어져야 한다:

사용되는 장치

관련 분야에서 사용되는 장치는 물 처리 속도를 특징으로 하며, 그 속도는 다음의 방식으로 표현된다: 시간당 1 미터의 속도는 시간당 반응기의 표면적의 제곱 미터당 1 세제곱미터의 처리, 즉 1 ㎥/㎡/h에 일치한다.

장치의 세 개의 카테고리는 침전에 의한 탈탄산 분야에서 사용되었거나 사용된다:

- "느린" 반응기(예를 들어, 탈탄산탑을 제공하기 위해 변형되고 단지 하나의 혼합 챔버와 침전물을 위한 공간을 포함하는 종래 정화기); 이러한 반응기는 매우 늦은 흐름 속도(따라서 큰 공간을 필요로 함)를 특징으로 하고, 잔류 시간은 탄산칼슘의 침전을 위한 매우 낮은 속도에 의해 설정된다(주위 온도에서 침전 평형은 석회 또는 소다를 처리될 물과 섞은 후 20 내지 30 시간 후에 달성된다). 이러한 반응기로 가능한 처리 속도는 하부 필터의 광범위한 스케일링의 위험을 방지하기 위하여 시간당 수 센티미터 정도이다.

- 슬러지 재순환 반응기. 탈탄산 반응 동안 생산된 탄산칼슘 슬러지의 일부 가 그 반응기의 상부로 재주입되고, 처리될 물의 "살포(seeding)"가 가능하게 되며, 이는 실제로 반응 속도를 상당히 가속화시킨다; 이러한 경우에 탈탄산 반응은 슬러지와의 몇 분간(2 내지 3분이면 일반적으로 충분하다)의 접촉으로 평형에 도달하는 것을 고려하는 것이 가능하기 때문이다. 이러한 반응기는 두 개의 매우 다른 구역을 포함한다: 제한된 부피 및 매우 거친 조건을 가진 하나의 구역은 처리될 물+반응물(석회 또는 소다)의 접촉을 제공할 수 있고 다른 하나의 구역은 물/슬러지 분리 및 따라서 물의 정화를 제공한다. 이런 경우에, 처리 속도의 상당한 개선, 즉 그 장치가 얇은 판 분리 시스템을 포함하든지 그렇지 않든지 간에 시간당 몇 미터 또는 몇 수십 미터가 달성된다.

- 마지막으로, 선행 반응기의 특별한 경우를 구성하는 "촉매" 탈탄산탑은 반응기에 살포하기 위해 사용되는 입자 형태로 모래 또는 다른 비활성 미네랄 물질의 본체로 구성되며, 모래 낟알은 점차 탄산칼슘으로 코팅되어 결과적으로 시드(seeds)로서 작용하고, 탈탄산 반응을 가속화(또는 "촉매화") 시킬 수 있다. 이러한 디캔터는 사실상 슬러지 재순환 반응기의 경우에 기술된 반응 구역만을 포함하기 때문에, 상기한 장치에 비해 매우 집약적이다; 이러한 장치의 처리 속도는 시간당 70 미터, 가장 좋은 경우에 시간당 100 미터에 도달할 수 있다. 이러한 속도를 달성할 수 있는 특성은 이러한 형태의 반응기의 용도를 "무거운 슬러지"의 경우에 제한하고, 탄산칼슘으로 코팅된 모래는 완벽히 적용되지만, 수산화마그네슘 또는 유기 플록(organic flocs)과 같은 "가벼운" 침전물을 포함하는 물의 정제를 완벽히 제외한다.

"촉매" 형태의 탈탄산 장치

상기한 슬러지 재순환 장치로부터의 본질적인 차이점은 큰 시드(seeds)의 조직적인 사용에 있다. 그러나, 선행 장치의 슬러지 베드(sludge beds)에서, 각각의 결정의 크기는 1 ㎜의 1/100이고, 촉매 탈탄산탑(펠렛 반응기로도 알려짐)의 낟알은 일반적으로 0.2 내지 1 ㎜이고 때때로 수 밀리미터에 달할 수 있다.

그 결과로 낟알들이 농축된 덩어리로 쉽게 모이고 원뿔 장치에서 원수(raw water)의 상승 여과는 완전한 반응 및 크기면에서 상당히 감소하고 상승 속도가 매우 증가하여 침전물의 정확한 분리를 가능하게 한다.

장치의 바닥에 위치한 낟알의 움직임을 유발하고 그것들이 단단하게 되는 것을 방지하기 위하여, 반응물 및 물을 빠른 속도로 동시에 반응기에 주입한다.

그러나, 원수(raw water) 및 화학 반응물을 맨 먼저 수용하는 것은 항상 동일한 낟알이라는 사실 때문에, 이러한 낟알은 막연히 성장하는 경향을 가지며 따라서 그것들을 의도적으로 제거하고 주기적으로 미세한 낟알을 재주입하는 것이 필요하다.

이러한 시스템은 두 가지 특이한 장점, 즉 낮은 바닥 면적과 결과적으로 압력하에 장치를 사용할 수 있는 가능성을 가진다. 따라서 탈탄산 반응에서 가압수을 처리하고 그 물을 폐쇄 필터를 통해서 회로로 되돌리는 것이 가능하다.

또한, 슬러지 재순환 시스템에서 제거된 매우 미세한 탄산염 슬러지(10 내지 30 미크론의 낟알)는 매우 빨리 배수되고 부가 처리없이 인가된 쓰레기 매립지로 수송될 수 있거나 또는 선택적으로 밸러스트, 도로의 안정화를 위한 노반, 배수 물 질 등으로 재사용될 수 있는 직경이 1 내지 2 ㎜인 비드(beads)로 대체될 수 있다.

다른 한편으로 이러한 기술은 단점이 있으며, 그 단점들 중에서 이하의 것들이 가장 중요하다:

1. 만약 모래 낟알이 과도하게 성장하면 전체 반응 표면적은 부적절하게 되고 반응은 불완전하게 되기 때문에 탄산칼슘으로 코팅된 모래 낟알의 크기 변화를 주의깊게 관찰하는 것이 필요하다.

2. 그 장치는 유기 콜로이드가 풍부한 물 및 TH-TA 보다 더 많은 마그네슘 함량을 가진 물로 작동한다. 특히, 후자의 경우에, 마그네시아는 침전하고, 그 마그네시아는 CaCO₃와 결정화되지 않으며 빠른 침전을 방해한다. 빠른 침전이 없이는 이 시스템이 실용적이지 못하다.

3. 만약 흐름 속도가 느려진다면, 물질의 본체는 유동화하는 것을 멈추고 우선적인 통로의 형성이 관찰되며, 질이 낮은 물의 방출에 의해, 사실상 단단히 굳은 결정에 의해 반향되기 때문에, 그 장치는 상당히 좁은 흐름 속도 한계(일반적으로 100%까지 변화한다) 내에서만 작동할 수 있다.

상기의 표제 2 및 3에서 언급한 단점은 처리될 물 및 작동자의 요건의 대한 좋은 지식에 관계된 문제점이기 때문에 극복하기가 매우 쉽다. 모든 이러한 관점은 플랜트를 위한 계획의 준비 동안 한정될 수 있고 한정되어야 한다.

다른 한편으로 침전 시드(seeds)의 성장 조절에 부과된 문제점은 촉매의 규칙적인 모니터링과 탄산칼슘으로 코팅된 모래의 "큰 비드"를 제거하기 위한 시스템 의 효율적인 계획 뿐만 아니라 최소한의 조사 과정 및 유지를 필요로 한다.

본 발명은 치수를 최적화하고 "촉매" 형태의 이러한 탈탄산 시스템의 사용을 열거하기 위하여 본 출원인 회사에 의해 실행된 공장 설비에서의 여러 시도 및 역동적인 연구에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 촉매 탈탄산 장치에서, 탄산칼슘으로 코팅된 1.2 ㎜ 이상의 유압 직경(hydraulic diameter)을 가진 모래 입자의 규칙적이고 조직적인 제거를 가능하게 하는 것이다.

공지된 기술에서, 이러한 제거는 서로에 대하여 동일한 위치에서 반응기 바닥의 상부면과 동일한 높이에서 출발하여 외부의 폐기 파이프라인과 연결되는 유연한 파이프에 의해 실행되고, 장치의 외부로 향하는 통로는 반응기에 원수(raw water)을 공급하기 위한 노즐을 포함하는 바닥 밑으로 지나가며, 그 장치의 벽을 통과한다. 이러한 형상은 최소량의 더 작은 비드를 동반하면서 "큰 비드"의 규칙적이고 효율적인 배출을 보장하기에 부적절하다.

이는 이러한 큰 코팅된 비드를 제거하기 위해 사용되는 유연한 파이프가 반응기의 바닥에 대하여 고정된 위치를 갖지 못하여, 비록 그 파이프들이 바닥 아래에 위치한 외부 배출 파이프라인 방향으로 일반적으로 기울어지더라도 그 파이프들은 부분적으로 상부로 휘어진 부분을 가지기 때문이며, 배출되는 비드는 그 휘어진 부분의 아랫부분에 퇴적되고 축적될 수 있어 관여된 파이프의 국부적인 부분 차단을 초래한다.

프랑스 특허 FR 2 426 042 A는 용해도가 매우 낮은 결정질 염을 형성할 수 있고 그 혼합물을 결정화를 활성화시키는 시드(seed)와 접촉시킬 수 있는 적어도 하나의 반응물을 주입하여 물로부터 인산염을 제거하기 위한 반응기에 관한 것이다. 접촉 공정은 시드(seed)를 구성하는 물질의 낟알의 유동화 베드에서 일어나고 반응물의 주입은 실질적으로 완전한 이질적인 결정핵 생성이 유동화된 베드의 낟알에서 일어나도록 실행된다. 이러한 낟알은 하소 처리되고 세척되어 여과된 모래의 낟알일 수 있다.

반응물은 알칼리성 용액을 포함하고 하나 또는 바람직하게는 여러 개의 이하의 이온들을 포함하여야 한다:

- 수산화 이온;

- 불화이온;

- 칼슘 이온.

반응은 매우 빠르고 몇 분 이내에 상당한 정도로 인산염의 제거가 실행되며 불용성 결정 화합물은 칼슘 및 모래 낟알에 퇴적된 인산염 사이에서 형성된다.

그러나, 프랑스 특허 FR 2 426 042 A에는 결정성 인산염으로 코팅된 모래 낟알에 의한 배출 파이프라인의 차단의 위험성에 관한 어떤 정보도 제공하지 않고, 공정을 실행하기 위한 조건은 탄산칼슘의 형성을 실질적으로 완전히 배제하기 위하여 선택될 수 있다는 것이 기술되어 있다(9 페이지, 17-19줄).

본 발명은 이러한 일반적 형태이지만 그 용도가 중탄산칼슘 용액을 포함하는 물의 촉매 탈탄산화이고 더 구체적으로 탄산칼슘으로 코팅된 모래와 같은 비활성 입자에 의해 배출 파이프가 막히는 것을 방지하거나 제한할 수 있는 반응기에 관한 것이다.

이 때문에, 본 발명의 대상은 중탄산칼슘을 용해 상태로 포함하는 물의 촉매 탈탄산화를 위한 장치에 관한 것으로, 하부에서 횡단하도록 배치된 내부 바닥, 그 바닥의 상부에 가압수 및 탈탄산 반응물을 공급하기 위한 수단, 그 바닥 위에 위치하여 가압수 및 반응물이 기부에서 상부로 통과하게 되는 모래와 같은 비활성 고체 입자의 베드, 상부에서 처리된 물의 배출을 위한 적어도 하나의 수단 및 탄산칼슘으로 코팅되어 미리 정해진 크기와 적어도 동일한 직경을 가져 물에 의해 배출되는 비활성 입자를 위한 배출 파이프라인을 포함하는 반응기를 포함하고, 이러한 파이프는 실질적으로 바닥의 높이에서 바닥과 동일한 높이의 오리피스 또는 측벽의 내부면을 통해서 그 반응기로부터 빠져 나와서 그 바닥의 위치보다 더 낮은 높이에 위치한 외부 배출 파이프에 연결되는 장치에 있어서, 코팅된 입자를 위한 배출 파이프라인은 경성(rigid) 파이프라인이고, 그 내부 직경은 40 내지 60 ㎜ 및 바람직하게는 45 내지 55 ㎜이며, 또한 이러한 파이프라인은 막히지 않고 입자의 규칙적인 배출을 보장하기 위하여, 선택적으로 그 파이프라인이 반응기에서 나오는 오리피스로부터 시작하는 수평부를 제외하고 외부 배출 파이프에 연결될 때까지 연속적인 하향 경사를 나타내는 것을 특징으로 한다.

적어도 1.2 ㎜의 유압 직경을 가진 탄산칼슘으로 코팅된 비활성 입자를 위해 경성 파이프라인은 바람직하게는 40 내지 60 ㎜ 및 더 바람직하게는 45 내지 55 ㎜의 직경을 가져야 하기 때문에, 상기 반응기의 배출 파이프라인의 결정적인 변수는 이러한 파이프라인의 내부 직경이다.

본 출원 회사에 의해 실행된 여러 실험에 의하면, 배출 파이프라인의 직경이 본 발명의 배출 파이프라인의 직경보다 더 작은 경우에 그 파이프라인은 자주 막히는 반면, 배출 파이프라인의 직경이 본 발명의 배출 파이프라인의 직경보다 더 큰 경우에 큰 입자들은 물 흐름에 의한 부적절한 세척 속도로 인하여 침강한다. 상기 세척 속도는 초당 1.8 내지 3 미터 및 바람직하게는 초당 2 내지 2.5 미터이어야 한다.

상기한 것처럼, 탄산칼슘으로 코팅된 입자를 위한 배출 파이프라인은 수평 흐름부를 가질 수 있지만 그 다음에는 이러한 파이프 라인이 연결되고 다기관(manifold)을 구성하는 외부 파이프까지 연속된 경사를 나타내어야 한다. 보충의 세척수는 입자의 이동을 더 수월하게 하기 위하여 이러한 다기관에 제공될 수 있다.

바람직하게는, 이러한 배출 파이프라인은 바닥과 동일한 높이의 오리피스를 통해서 반응기에서 나오고, 그 오리피스 지점 통하여 큰 입자들이 제거된다.

이러한 파이프 라인의 만곡부는 바람직하게는 적어도 그 직경의 세 배에 달하는 큰 곡률 반경을 가진다.

빨리 결합할 수 있는 분기관(branch pipe)은 파이프라인이 불시에 막힌 경우에 그 파이프라인의 불순물을 제거하기 위하여 각 파이프라인에 제공될 수 있고 심지어 역류 방향으로 세척하기 위해서도 제공될 수 있다.

선택적으로, 미리 정해진 값과 적어도 동일한 직경을 가진 탄산칼슘으로 코팅된 비활성 입자의 배출을 조절하기 위한 자동 시스템이 제공될 수 있으며, 이러한 시스템은 반응기에서 처리된 물의 실제 잔류 시간을 나타낸다.

본 발명에 따르면, 사용되는 탈탄산 반응물은 석회 Ca(OH)₂ 또는 소다 NaOH 일 수 있다.

이러한 여러 가지 특징으로 인하여 반응기로부터 제거되는 물의 부피를 약 20% 정도 최소화하면서 탄산칼슘으로 코팅된 가장 큰 입자의 제거를 최적화하는 것이 가능하고 또한 각각의 제거 동안 배출되는 물질의 전체 몸체보다 더 큰 입자를 제거하는 것이 가능하다. 이는 본 발명에 따른 장치에 의하면 제거되는 입자의 70 내지 85%가 "큰 비드"인데 비하여, 공지된 기술에 의하면 그 백분율은 35 내지 45%를 초과하지 않기 때문이다.

도 1은 선행 기술에 따른 장치의 개략적인 수직 단면도; 및

도 2는 본 발명에 따른 장치의 개략적인 수직 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

우선 도 1에 의하면, 중탄산칼슘을 용액 상태로 포함하는 처리될 가압수는 라인(2)을 통하여 하부에서 수직 실린더형 반응기(1)에 공급된다. 상기 라인(2)은 수평으로 위치한 바닥(3) 아래에서 반응기(1)로부터 빠져 나오고 그 가압수는 노즐(4)을 통해서 압력으로 반응기에 살포되며 바닥(3)의 상부에 일정하게 살포된다.

라인(9)은 탈탄산 반응물(석회 또는 소다)을 반응기로 주입할 수 있다.

처리될 가압수는 바닥(3)의 상부에 위치한 모래 베드(5)를 통해서 바닥에서 상부로 통과하고 반면, 처리된 물(5)은 하나 이상의 외부 홈통(6)으로 넘쳐 흘러 반응기의 상부에서 배출된다.

탈탄산 반응물과 접촉하자마자, 처리될 물에 존재하는 중탄산칼슘은 반응하여 탄산칼슘(CaCO₃)으로 전환되고, 이는 모래 낟알에 퇴적되며, 그래서 많은 결정화 시드(seed)를 구성하지만, 이러한 반응은 중탄산칼슘 및 탈탄산 반응물이 풍부한 물이 존재하는 베드(5)의 하부에서 일어난다.

그 결과는 모래 베드(5)의 기저에 퇴적된 모래 낟알은 베드의 상부에 퇴적된 모래 낟알보다 탄산칼슘으로 코팅된 더 큰 입자를 형성하는 경향을 가지고 따라서 미리 정해진 값, 즉 일반적으로 1.2 ㎜ 이상의 유압 직경에 달하거나 초과하는 이러한 입자의 모래 낟알을 주기적으로 또는 연속적으로 제거할 필요가 있다.

이를 위하여, 종래 기술에 따르면, 이러한 큰 입자를 제거하기 위한 유연한 파이프(7)가 제공되고, 그 파이프는 바닥의 상부면과 동일한 높이의 오리피스를 통해서 바닥의 상부면에서 빠져 나와서 바닥(1)보다 더 아래에 위치한 다기관(8)에 연결되며, 큰 입자들은 반응기에서 시작되는 물의 흐름에 의해 끌려 내려간다.

그러나, 이러한 유연한 파이프(7)는 바닥에 대하여 고정된 위치를 차지하지 못하므로 사용하는 동안 위치가 변하거나 비틀어지는 경향이 있다. 또한, 그 파이프는 다기관(8)의 방향으로 연속적으로 기울어지는 경사를 가지지 않으므로 반응기로부터 제거되는 큰 입자에 의해 이러한 파이프(7)가 막힐 위험성이 크다. 이러한 위험성은 도 2에 도시한 본 발명에 따른 반응기로 최소화된다.

상기 도 2에서는 이미 도 1에서 참조 번호가 부여되거나 유사한 기능을 가진 구성 요소에 대하여 부호 '이 부가된 동일한 참조 번호를 사용하였다.

본 발명에 따른 실시예에서, 바닥(3')에 대하여 고정된 위치를 차지하고 파이프라인의 막힘을 방지하거나 줄이기 위하여 다기관(8') 방향으로 연속된 경사에 따라 연속적으로 기울어진 유연하지 않은 파이프라인(7a')은 선행기술의 유연한 배출 파이프(7)를 대신한다.

본 발명의 범위 내에서, 유연하지 않은 배출 파이프라인은 또한 반응기의 측벽의 기부에서 반응기로부터 빠져 나올 수 있고 수평 흐름부를 포함할 수 있으며, 그 흐름부의 축은 실질적으로 바닥의 표면 정도의 높이에 위치하고 반응기 쪽으로 접힌다(도 2에서 참조 번호 7'b로 점선으로 표기된 파이프라인).

배출 파이프라인은 특정 직경, 예를 들어 50 ㎜의 직경을 가지고 그 만곡부는 바람직하게는 적어도 파이프 직경의 세 배에 달하는 곡률 반경, 즉 50 ㎜의 직경에 대하여 15 ㎝의 곡률 반경을 가진다.

이러한 조건하에서, 이러한 파이프라인에서 반응기로부터 제거되는 수반하는 물에 의한 입자의 적절한 세척 속도, 즉 초당 1.8 내지 3 미터, 바람직하게는 초당 2 내지 2.5 미터로 인해, 파이프 라인(7')이 막힐 위험성은 상당히 줄어들고 필요한 물의 양은 최소화될 뿐만 아니라 선행 기술에 비해 탄산칼슘으로 코팅된 큰 모래 낟알의 제거 가능성이 상당히 더 높다.

Claims (7)

1. 하부에, 바닥(3'), 가압수를 공급하기 위한 적어도 하나의 수단(2',4') 및 상기 바닥의 상부면에서 탈탄산 반응물을 공급하기 위한 적어도 하나의 수단(9'), 상기 바닥(3') 위에 위치하여 가압수 및 탈탄산 반응물이 기부에서 상부로 통과하게 되는 모래와 같은 비활성 고체 입자의 베드(5'), 상부에서 처리된 물의 배출을 위한 적어도 하나의 수단(6'), 및 탄산칼슘으로 코팅되어 미리 정해진 크기와 적어도 동일한 직경을 가지고 물에 의해 배출되는 비활성 입자를 위한 배출 파이프라인(7'a,7'b)을 포함하는 반응기(1')를 포함하고, 상기 파이프라인(7'a,7'b)은 바닥(3') 높이에서 바닥과 동일한 높이의 오리피스 또는 측벽의 내부면을 통해서 상기 반응기로부터 빠져 나와서 상기 바닥의 위치보다 낮은 높이에 위치한 외부 배출 파이프(8')에 연결되는, 중탄산칼슘을 용액 상태로 포함하는 물의 촉매 탈탄산 장치에 있어서,

   상기 코팅된 입자를 위한 배출 파이프라인(7'a,7'b)은 경성(rigid) 파이프라인이고, 그 내부 직경은 40 내지 60 ㎜이며, 상기 파이프라인은 막히지 않고 입자의 규칙적인 배출을 보장하기 위하여, 선택적으로 파이프라인이 오리피스를 통하여 반응기(1')에서 나오는 수평부를 제외하고는, 외부 배출 파이프(8')에 연결될 때까지 연속적인 하향 경사를 나타내는 것을 특징으로 하는 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 내부 직경은 45 내지 55 ㎜인 것을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 파이프라인(7'a,7'b)의 만곡부는 적어도 상기 파이프라인의 직경의 세 배의 곡률 반경을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 장치를, 적어도 1.2 ㎜의 유압 직경(hydraulic diameter)을 가진 탄산칼슘으로 코팅된 비활성 입자를 반응기(1')로부터 방출하는데 사용하는 방법.
5. 제4항에 있어서,

   상기 파이프라인(7'a,7'b)에서 수반하는 물의 흐름에 의한 탄산칼슘으로 코팅된 입자의 세척 속도는 초당 1.8 내지 3 미터인 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서,

   상기 세척 속도는 초당 2 내지 2.5 미터인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제4항에 있어서,

   탈탄산 반응물은 석회 또는 소다를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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