KR101571250B1

KR101571250B1 - 중탄산나트륨 제조 장치 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR101571250B1
Application number: KR1020140091787A
Authority: KR
Inventors: 이지현; 이동욱; 심재구; 장경룡; 이인영; 곽노상; 장세규
Original assignee: 한국전력공사; 한국동서발전(주)
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2015-11-23

Abstract

본 발명은 중탄산나트륨 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
일례로, 수산화물 수용액을 상부로 공급받아 하부에서 일정한 액위로 체류시키고, 연소 배가스를 상기 하부로 공급받아 상기 하부에 체류되어 있는 수산화물 수용액과 1차 반응시켜 탄산나트륨을 생성하며, 상기 1차 반응되지 않은 수산화물 수용액을 상기 상부로 재공급하여 내부에서 연소 배가스와 2차 반응시키는 충진탑; 및 내부에 설치된 다단의 임펠러를 포함하고, 상기 탄산나트륨, 연소 배가스 및 물을 각각 공급받아 상기 임펠러를 통해 추가 반응시켜 중탄산나트륨을 생성하는 교반조를 포함하는 중탄산나트륨 제조 장치를 개시한다.

Description

중탄산나트륨 제조 장치 및 그 제조 방법{APPARATUS FOR MANUFACTURING FOR SODIUM BICARBONATE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 중탄산나트륨 제조 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 중탄산나트륨(sodium bicarbonate, NaHCO3)은 비누, 세제, 피혁 및 식품 첨가제 등 산업분야에서 다양하게 활용 가능한 물질로서 부가가치가 높을 뿐만 아니라, 상업적인 잠재력이 큰 화합물이라 할 수 있다.

최근에는 석탄화력 발전소 등에서 배출되는 연속 배가스를 활용하여 상기 중탄산나트륨 등과 같은 고부가 화합물을 제조하고, 이와 동시에 대표적인 온실가스인 이산화탄소를 저감할 수 있는 방안에 다양하게 제안되고 있다.

본 발명은, 간단한 공정 설비와 저비용으로 고순도의 중탄산나트륨을 생산할 수 있는 중탄산나트륨 제조 장치와 그 제조 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 중탄산나트륨의 제조 장치는, 수산화물 수용액을 상부로 공급받아 하부에서 일정한 액위로 체류시키고, 연소 배가스를 상기 하부로 공급받아 상기 하부에 체류되어 있는 수산화물 수용액과 1차 반응시켜 탄산나트륨을 생성하며, 상기 1차 반응되지 않은 수산화물 수용액을 상기 상부로 재공급하여 내부에서 연소 배가스와 2차 반응시키는 충진탑; 및 내부에 설치된 다단의 임펠러를 포함하고, 상기 탄산나트륨, 연소 배가스 및 물을 각각 공급받아 상기 임펠러를 통해 추가 반응시켜 중탄산나트륨을 생성하는 교반조를 포함한다.

또한, 연소 배가스를 상기 충진탑과 상기 교반조로 분기하여 각각 공급하는 연소 배가스 공급라인을 더 포함하고, 상기 연소 배가스 공급라인은, 연소 배가스를 상기 충진탑과 상기 교반조에 4:6 내지 6:4의 유량비로 각각 공급할 수 있다.

또한, 상기 충진탑은, 상기 연소 배가스의 공급라인과 연결되고 상기 충진탑의 하부에 체류되어 있는 수산화물 수용액 내에 연소 배가스를 분사하기 위한 다수의 미세홀이 형성된 제 1 스파저를 더 포함하고, 상기 미세 홀의 직경은 50 내지 100 ㎛일 수 있다.

또한, 수산화물 수용액을 저장하는 수산화물 저장조; 상기 수산화물 저장조에서 상기 충진탑으로 수산화물 수용액을 공급하는 수산화물 공급라인; 상기 수화물 공급라인과 연결되고, 상기 1차 반응되지 않은 수산화물 수용액을 상기 수산화물 저장조에 저장된 수산화물 수용액과 함께 상기 충진탑의 상부로 공급하는 수산화물 재순환라인; 및 상기 탄산나트륨을 상기 교반조로 공급하는 탄산나트륨 공급라인을 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 충진탑은, 상기 수산화물 재순환라인과 연결되고 수산화물 수용액을 상기 충진탑의 상부에서 분사하기 위한 다수의 미세 홀이 형성된 제 2 스파저를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 수산화물 저장조는 수산화물 수용액에서 수산화물의 농도를 10 내지 30 중량부로 유지할 수 있다.

또한, 상기 충진탑은 수산화물 수용액의 액위를 상기 충진탑의 직경의 1 내지 3배로 유지할 수 있다.

또한, 상기 충진탑은, 상기 충진탑의 하부 내벽에 인접하게 설치되고 코일 형태의 냉각수 라인이 구비된 냉각기를 더 포함하고, 상기 냉각기는 냉각수의 온도를 20 내지 40 ℃로 유지할 수 있다.

또한, 상기 교반조의 반응기 길이(L) 및 상기 교반조의 직경(D)의 비(L/D)는 1.5 내지 2일 수 있다.

또한, 상기 임펠러의 직경(d) 및 상기 교반조의 직경(D)의 비(d/D)는 0.6 내지 0.7일 수 있다.

또한, 상기 임펠러의 회전속도는 200 내지 500 RPM일 수 있다.

또한, 상기 교반조는, 상기 교반조의 반응기 내에 상기 탄산나트륨, 연소 배가스 및 물이 체류되는 시간을 조절하고, 상기 체류되는 시간을 10 내지 30분간 유지할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조 방법은, 수산화물 수용액을 공급하여 일정한 액위로 체류시키고, 체류되어 있는 수산화물 수용액과 연소 배가스를 1차 반응시켜 탄산나트륨을 생성하는 탄산나트륨 1차 생성 단계; 상기 1차 반응되지 않은 수산화물 수용액을 상기 탄산나트륨 1차 생성 단계를 통해 공급되는 수산화물 수용액과 함께 재공급하여 연소 배가스와 2차 반응시키는 탄산나트륨 2차 생성 단계; 및 다단의 임펠러를 이용하여 상기 탄산나트륨을 연소 배가스 및 물과 추가 반응시켜 중탄산나트륨을 생성하는 중탄산나트륨 생성 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 탄산나트륨 1차 생성 단계와 상기 탄산나트륨 2차 생성 단계를 위한 연소 배가스와 상기 중탄산나트륨 생성 단계를 위한 연소 배가스는 4:6 내지 6:4의 유량비로 각각 공급할 수 있다.

또한, 상기 탄산나트륨 1차 생성 단계 및 상기 탄산나트륨 2차 생성 단계를 위해 공급하는 수산화물 수용액에서 수산화물의 농도는 10 내지 30 중량부로 유지할 수 있다.

또한, 상기 중탄산나트륨 생성 단계에서는, 상기 탄산나트륨, 연소 배가스 및 물의 체류시간을 조절하여 중탄산나트륨을 생성하고, 상기 체류시간을 10 내지 30분간 유지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 간단한 공정 설비와 저비용으로 고순도의 중탄산나트륨을 생산할 수 있는 중탄산나트륨 제조 장치와 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조 장치의 구성도이다.
도 2는 pH에 따른 탄산나트륨(Na₂CO₃) 및 중탄산나트륨(NaHCO₃)의 생성량 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 중탄산나트륨의 순도분석 결과를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조 방법을 설명하기 위해 나타낸 흐름도이다.

본 발명이 속하는 기술분야에 있어서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조 장치의 구성도이다. 도 2는 pH에 따른 탄산나트륨(Na₂CO₃) 및 중탄산나트륨(NaHCO₃)의 생성량 변화를 나타낸 그래프이다. 도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따라 생성된 중탄산나트륨의 순도분석 결과를 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조 장치(1000)는 수산화물 수용액을 상부로 공급받아 하부에서 일정한 액위로 체류시키고, 연소 배가스를 상기 하부로 공급받아 상기 하부에 체류되어 있는 수산화물 수용액과 1차 반응시켜 탄산나트륨을 생성하며, 상기 1차 반응되지 않은 수산화물 수용액을 상기 상부로 재공급하여 내부에서 연소 배가스와 2차 반응시키는 충진탑(100)과, 내부에 설치된 다단의 임펠러를 포함하고, 상기 탄산나트륨, 연소 배가스 및 물을 각각 공급받아 상기 임펠러를 통해 추가 반응시켜 중탄산나트륨을 생성하는 교반조(200)를 포함한다.

더불어, 본 발명의 일 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조 장치(1000)는 연소 배가스 공급라인(GL), 수산화물 공급라인(HL), 수산화물 재순환라인(RL1), 탄산나트륨 공급라인(RL2), 다수의 펌프(P1, P2, P3) 및 탈수기(300)를 더 포함할 수 있다. 또한, 상기 충진탑(100)은 제 1 스파저(110), 수산화물 저장조(120), 제 2 스파저(130), 냉각기(140), 액체 재분배판(150) 및 미스트 제거기(160)를 포함할 수 있으며, 상기 교반조(200)는 다단의 임펠러(210)를 포함할 수 있다.

이하에서는 중탄산나트륨의 제조 과정과 연계하여 중탄산나트륨 제조 장치(1000)의 각 구성에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

화력발전소 등에서 화석연료의 연소에 의해 발생되는 연소 배가스는 별도의 냉각장치(미도시)에 의해 1차 냉각된 후 가스 블로어(미도시)와 상기 연소 배가스 공급라인(GL)을 통해 상기 충진탑(100)과 교반조(200)에 각각 투입된다. 여기서, 연소 배가스 공급라인(GL1)은 제 1 및 제 2 배가스 공급라인(GL1, GL2)으로 분기되어 상기 충진탑(100)과 교반조(200)에 각각 투입될 수 있다. 이때 연소 배가스에 포함된 이산화탄소의 농도는 사용되는 연료에 따라 달라지질 수 있다. 예를 들어, 통상 석탄을 연소 연료로 사용할 경우 연소 배가스 중에 약 11 내지 14 부피비를 차지할 수 있으며, 가스를 연소 연료로 사용할 경우 약 5 내지 10 부피비를 차지할 수 있다.

연소 배가스는 상기 제 1 및 제 2 연소 배가스 공급라인(GL1, GL2)를 통해 전체 공정의 4:6 내지 6:4의 유량비로 상기 충진탑(100)과 교반조(200)에 각각 투입될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, pH에 따른 탄산나트륨(Na₂CO₃) 및 중탄산나트륨(NaHCO₃) 생성량의 변화를 분석한 결과에 따르면, 상기와 같은 유량비로 연소 배가스를 각각의 반응기에 투입할 경우 염기를 갖는 수산화물, 예를 들어 가성소다(이하 수산화물은 가성소다인 것으로 함)와 산성의 이산화탄소 간의 중화 반응을 통해 탄산나트륨(Na₂CO₃) 및 중탄산나트륨(NaHCO₃)을 각각 최대로 생성할 수 있는 적정 pH가 유지될 수 있다. 이때, 상기 충진탑(100)의 pH는 12 내지 12.5로 유지하며, 상기 교반조(200)의 pH는 8.5 내지 9.0으로 유지하는 것이 적절하다.

상기 충진탑(100)의 하부로 투입되는 연소 배가스는 상기 충진탑(100)의 상부로 투입되어 하부에 체류되는 가성소다 수용액과 반응함으로써 탄산나트륨(NaHCO₃)을 생성하며 해당 반응식은 하기와 같다.

CO₂ (g) + 2NaOH (l) → NaCO₃ + H₂O (ΔH = -91.7 KJ/mole) 반응식 1

상기 충진탑(100)에 투입되는 가성소다 수용액에서 수산화물 농도는 10 내지 30 중량부를 유지하도록 한다. 예를 들어, 수산화물의 농도가 10 중량부보다 낮을 경우 이산화탄소의 반응효율이 떨어져서 반응기의 체적이 증대되어야 하므로 전체 공정에 대한 투자비가 증가할 수 있다. 또한, 수산화물의 농도가 30 중량부보다 클 경우 강염기인 수산화물의 특성에 따라 반응기의 부식도가 증가될 수 있기 때문에 고가의 재료가 적용될 수 있다.

상기 충진탑(100)은, 하부로 투입되는 연소 배가스와 상부로 투입되는 액상의 가성소다가 상기 충진탑(100)의 내부에서 기액 반응을 할 수 있도록 가성소다 수용액의 액위를 조정할 수 있으며, 연소 배가스 공급라인(GL1)의 끝단에는 가스와 액상의 반응 효율을 증대시키기 위해 제 1 스파저(110)가 설치될 수 있다. 가스 블로어(미도시)를 통해 이송되는 연소 배가스는 제 1 스파저(110)를 통해 분산된 후

상기 충진탑(100)의 하부에 체류된 가성소다 수용액과 1차 반응하며, 상기 1차 반응을 통해 생성된 탄산나트륨은 탄산나트륨 공급라인(RL2)을 통해 상기 교반조(200)의 상부로 공급되며, 1차 반응되지 않은 가성소다 수용액은, 수산화물 재순환라인(RL1)과 제 2 스파저(130)를 통해 상기 충진탑(100)의 상부로 재순환되며, 수산화물 저장조(120)로부터 공급되는 가성소다 수용액과 함께 투입되어 연소 배가스와 2차 반응할 수 있다.

연소 배가스와 가성소다 수용액 간의 반응을 위한 체류시간을 충분히 확보하기 위하여, 상기 충진탑(100)의 하부에 체류된 가성소다 수용액의 액위는 상기 충진탑(100) 직경의 1 내지 3배로 유지하는 것이 바람직하다. 가성소다 수용액의 액위가 상기 충진탑(100) 직경의 3배를 넘는 경우 연소 배가스의 투입을 위한 차압이 증가할 수 있으며, 상기 충진탑(100) 직경보다 작게 설계될 경우 연소 배가스와 가성소다 수용액 간의 1차 반응을 유도할 수 없다.

상기 제 1 스파저(110)는 연소 배가스 공급라인(GL1)의 끝단에 미세한 홀 형태의 표면을 갖는 몸체로 구성될 수 있다. 상기 연소 배가스 공급라인(GL1)을 통해 투입되는 가스는 수 많은 홀을 통해 빠져나오면서 분산되기 때문에 기상의 반응 면적이 증대되어 기액 접촉 시 반응 효율을 증대시킬 수 있다. 상기 연소 배가스 공급라인(GL1)를 통해 투입되는 가스는 상기 홀의 크기가 작을수록 더 분산이 더욱 잘 이루어지기 때문에 가성소다 수용액과의 반응 효율은 증가되지만, 차압 역시 증가되어 가스 블로어(미도시)의 동력이 증가되는 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 상기 홀의 크기는 가스 유량에 맞게 설계되어야 한다. 상기 제 1 스파저(110)의 홀 직경은 50 내지 100 ㎛로 설계하는 것이 바람직하다. 홀의 직경이 100 ㎛보다 클 경우 차압이 증가할 수 있으며, 100 ㎛ 보다 클 경우 기액 반응의 효율이 떨어질 수 있다.

상기 충전탑(100)의 하부에는 냉각기(140)를 설치하여 가성소다 수용액과 이산화탄소 간의 반응으로 인한 발열을 제어할 수 있다. 상기 냉각기(140)는 상기 충진탑(110)의 하부 내벽에 인접하게 설치되어 상기 충진탑(110) 내부의 유동에 미치는 영향을 최소화시키고, 코일 형태의 냉각수 라인을 통해 냉각수가 흐르도록 하여 가성소다 수용액과의 열교환 면적이 최대화되도록 함으로써 발열성능이 극대화시킬 수 있다. 이때, 냉각기(140)는 냉각수 라인을 통해 투입되는 냉각수의 온도를 20 내지 40 ℃ 범위에서 유지시킬 수 있다. 다만, 이산화탄소와 가성소다 수용액 간의 반응속도향상 및 불순물 생성량 최소화를 위해 30 ℃ 이하로 유지하는 것이 바람직하다.

상기 충진탑(100)의 하부에서 연소 배가스의 이산화탄소는, 액상의 가성소다와 1차 반응한 후 정형(structured) 또는 비정형(random)의 충진물(A)이 설치된 부분으로 이동하여 통상의 충진탑 화학분리 메커니즘에 따라 액상의 가성소다와의 향류 반응(2차 반응)하여 가성소다와 화학적으로 결합된다.

상술한 바와 같이, 상기 충진탑(100)을 통해 이산화탄소가 제거된 연소 배가스는 상기 충진탑(100)의 상단에 설치된 미스트 제거기(160)를 거쳐 미스트(액적)가 제거된 후 배가스 배출라인(GL3)을 통해 배출될 수 있다. 또한, 상기 충진탑(100)에서의 1차 반응을 통해 생성된 탄산나트륨 슬러리는 탄산나트륨 공급라인(RL2)을 통해 상기 교반조(200)의 상부로 공급되며, 상기 1차 반응되지 않은 가성소다 수용액은 수산화물 재순환라인(RL1)을 통해 상기 충진탑(100)으로 재순환되어 이산화탄소와의 추가 반응(2차 반응)이 유도된다. 이때, 상기 1차 반응되지 않은 가성소다 수용액에는 상기 1차 반응을 통해 생성된 탄산나트륨 슬러리의 일부가 포함될 수 있다.

한편, 상기 배가스 배출라인(GL3)에는 이산화탄소 분석기(미도시)를 설치하여 상기 충진탑(100)의 내부 반응에 따른 이산화탄소 포집 효율을 측정할 수 있도록 할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 충진탑(100)의 반응 메커니즘에 따르면, 충진탑(100)의 하부에서 이산화탄소와 가성소다 수용액 간의 기액 반응에 의해 상당량의 이산화탄소가 1차 반응되므로, 기존의 공정과 비교하여 충진탑의 높이를 크게 줄일 수 있고, 동일 충진탑과 비교하면 이산화탄소 제거율(혹은 탄산나트륨의 전환률)을 향상시킬 수 있다.

상기 충진탑(100)에서 생성된 탄산나트륨 슬러리는 탄산나트륨 공급라인(R2)을 통해 상기 교반조(200)로 공급되며, 상기 교반조(200)의 반응기에서 물 및 연소 배가스의 이산화탄소와의 추가 반응을 통해 중탄산나트륨(NaHCO₃)을 생성하며, 해당 반응식은 하기와 같다.

Na₂CO₃ + CO₂ (g) + H₂O → 2NaHCO₃ (l) (ΔH = -84.1 KJ/mole) 반응식 2

상기 교반조(200)의 반응기 내부에는 기액 반응을 유도하기 위한 충진물 대신 다단의 임펠러(210)를 설치하여 액상의 탄산나트륨과 기상의 연소 배가스의 교반을 통해 추가 반응을 유도할 수 있다. 다단의 충진탑이 구성된 종래의 교반조와 비교하면, 공정 대비 구성이 단순하고 장치의 크기를 크게 줄일 수 있으며, 운영비가 저렴하기 때문에 종래의 교반조보다 경제적이다. 또한, 상기 교반조(200)의 체류시간 조절을 통해 중탄산나트륨의 전환율을 용이하게 조절할 수 있다.

상기 교반조(200)의 반응기 길이(L)와 직경(D)의 비율(L/D)은 1.5 내지 2의 범위로 구성하는 것이 바람직하다. 상기 비율(L/D)이 1.5보다 작을 경우 즉 반응기의 직경(D)을 큰 형태(혹은 폭이 넓은)로 구성할 경우, 반응기 내에서 탄산나트륨 슬러리의 체류시간 분포가 상대적으로 넓어지기 때문에, 최종적으로 제조하고자 하는 중탄산나트륨의 순도가 낮아질 가능성이 있다. 또한, 상기 비율(L/D)이 2보다 클 경우 즉 반응기를 기다란 형태로 구성할 경우 체류시간 분포는 좁아질 수 있으나 반응기 내부에 임펠러(210)를 3단 이상으로 구비해야 하므로 부가적인 동력비와 운전비가 필요하다.

상기 임펠러(210)는 45° 피치드 블레이드 터빈(45° Pitched-blade turbine)를 적용하여 상하 교반을 원활하게 하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 임펠러(210)의 직경(d)과 상기 교반조(200)의 직경(D) 간의 비율(d/D)은 0.6 내지 0.7의 범위로 구성하는 것이 바람직하다. 제 2 연소 배가스 공급라인(GL2)를 통해 분기된 연소 배가스가 투입되는 위치는 상기 교반조(200)의 최하단 임펠러와 동일한 위치에 있도록 구성하여 연소 배가스가 투입되자 마자 바로 임펠러의 교반에 의해 분산되도록 한다.

상기 임펠러(210)의 회전속도는 200 내지 500 RPM의 범위로 설정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 상기 회전속도가 200 RPM 보다 낮을 경우 반응기 내로 투입되는 연소 배가스의 분산성이 크게 저하되어 교반이 전체적으로 잘 진행되지 않기 때문에 중탄산나트륨의 반응 효율이 크게 떨어질 수 있다. 또한, 상기 회전속도가 500 RPM 보다 높을 경우 고속의 회전에 의해 최종적으로 생산되는 중탄산나트륨 슬러리가 매우 작은 입자로 형성되어, 후속의 탈수 및 건조공정 시 수율 저하 및 탈수기(300)의 막힘 현상 등이 발생할 수 있으며, 과도한 교반에 따른 상부 소용돌이(Vortex) 등의 현상이 발생하여 교반 성능이 급격히 저하될 수 있다.

상기 교반조(200)는 10 내지 30 분간의 체류시간을 유지하여 탄산나트륨과 이산화탄소의 추가 반응을 통해 중탄산나트륨을 생성할 수 있다. 상기 교반조(200) 내의 체류시간이 10분보다 짧을 경우 중탄산나트륨을 생성하기 위한 반응시간이 충분이 확보되지 않으므로 최종 생산물에서 중탄산나트륨의 함량이 낮아질 수 있다. 또한, 상기 체류시간이 30분보다 길 경우 체류시간 증대를 위한 반응기의 크기를 증대시켜야 하며 과도한 반응에 따른 부 반응물(원치 않은 반응물질)이 생성될 가능성이 있다.

상기 교반조(200)의 반응을 위한 추가의 열원이나 냉각을 위한 별도의 전원은 공급되지 않으며, 운전온도는 약 50℃ 미만에서 이루어질 수 있다. 상술한 바와 같이, 상기 교반조(200)의 반응에서 pH는 8.5 내지 9로 유지하는데, 이러한 경우 도 2에 도시된 바와 같이 중탄산나트륨의 생성량이 최대가 될 수 다.

상기 교반조(200)에서 생성된 중탄산나트륨 슬러리는 상기 교반조(200)의 후단에 설치된 펌프(P2)를 통해 탈수기(300)로 이송되며, 상기 탈수기(300)는 이송된 슬러리 중 수분의 상당량을 제거하고 다시 건조기(미도시)로 보내어 원하는 수준으로 건조시킨 후 최종적으로 고상의 중탄산나트륨을 생성할 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조 방법을 설명하기 위해 나타낸 흐름도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조 방법(S400)은, 수산화물 수용액을 공급하여 일정한 액위로 체류시키고, 체류되어 있는 수산화물 수용액과 연소 배가스를 1차 반응시켜 탄산나트륨을 생성하는 탄산나트륨 1차 생성 단계(S410), 상기 1차 반응되지 않은 수산화물 수용액을 상기 탄산나트륨 1차 생성 단계를 통해 공급되는 수산화물 수용액과 함께 재공급하여 연소 배가스와 2차 반응시키는 탄산나트륨 2차 생성 단계(S420) 및 다단의 임펠러를 이용하여 상기 탄산나트륨을 연소 배가스 및 물과 추가 반응시켜 중탄산나트륨을 생성하는 중탄산나트륨 생성 단계(S430)를 포함할 수 있다.

상기 탄산나트륨 1차 생성 단계(S410)와 상기 탄산나트륨 2차 생성 단계(S420)를 위한 연소 배가스와 상기 중탄산나트륨 생성 단계(S430)를 위한 연소 배가스는 4:6 내지 6:4의 유량비로 각각 공급할 수 있다.

상기 탄산나트륨 1차 생성 단계(S410)와 상기 탄산나트륨 2차 생성 단계(S420)를 위해 공급하는 수산화물 수용액에서 수산화물의 농도는 10 내지 30 중량부로 유지할 수 있다.

상기 중탄산나트륨 생성 단계(S430)에서는, 상기 탄산나트륨, 연소 배가스 및 물의 체류시간을 조절하여 중탄산나트륨을 생성하고, 상기 체류시간을 10 내지 30분간 유지할 수 있다.

이하에는 본 발명의 실험예에 대하여 설명한다.

탑 내부가 비정형 충진물(Random Packing)로 구성된 충진탑 형태의 1차 반응기 하부에 연소 배가스를 2 m3/hr 유량으로 투입하고, 상부에는 가성소다 수용액(20 중량부)을 0.1 l/hr 속도로 투입한다. 1차 반응기 가스 투입 및 배출라인에는 이산화탄소 분석기를 설치하여 반응에 따른 이산화탄소 포집 효율(혹은 이산화탄소 전환율)의 측정이 가능하도록 하였다. 반응이 끝난 반응물은 이후 슬러리 이송 펌프를 통해 1차 충진탑과 동일한 비정형 충진물로 구성된 충진탑 형태의 2차 반응기로 투입이 된다. 반응이 끝난 반응물은 XRD(X-ray diffraction) 분석을 통해서 최종 중탄산나트륨의 순도를 분석하였으며 분석결과는 표 1에 나타내었다.

<실험예 1>

탑 내부가 비정형 충진물로 구성된 1차 충진탑 하단의 가스 투입라인을 통해 연소 배가스를 2m3 /hr 유량으로 투입하고, 상부에는 가성소다 수용액(20 중량부)을 0.1 l/hr 속도로 투입한다. 충진탑 가스 투입 및 배출라인에는 이산화탄소 분석기를 설치하여 반응에 따른 이산화탄소 포집 효율(혹은 이산화탄소 전환율) 측정이 가능하도록 하였다. 반응이 끝난 반응물은 이후 슬러리 이송 펌프를 통해 교반조 반응기 상부로 이송한다. 교반조 반응기의 체류시간은 20분으로 하고 교반기 회전속도(RPM)는 300으로 하여 과도한 교반에 따른 반응기 상부 소용돌이를 억제하였으며 해당 교반조의 L/D(반응기 길이/직경)는 1.5로 하였다. 교반조 반응기에서 반응이 끝난 반응물은 XRD 분석을 통해서 최종 중탄산나트륨의 순도를 분석하였으며 결과는 표 1과 같다.

<실험예 2>

상기 실험예 1에서, 1차 충진탑 상부에 투입되는 가성소다 수용액의 농도가 10%인 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 실시한 이산화탄소 포집효율 및 중탄산나트륨 순도 분석 결과는 표 1과 같다.

<실험예 3>

상기 실험예 1에서, 충진탑 하단에 체류하고 있는 액상의 가성소다와 연소 배가스가 반응할 수 있도록 하기 위하여 충진탑 하단의 액위는 충진탑 최하단과 충진물 간의 간격을 1로 하였을 때 바닥에서 1/2 위치에 오도록 조절한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 실시한 이산화탄소 포집효율 및 중탄산나트륨 순도 분석 결과는 표 1과 같다.

* CSTR: Continuous Stirred-Tank Reactor

<실험예 4>

상기 실험예 1에서, 충진탑 하단에 설치된 냉각라인에 투입되는 냉각수의 온도를 30도로 유지하는 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 실시한 이산화탄소 포집 효율 및 중탄산나트륨 순도를 분석하였으며 이때 제조된 샘플의 형상 및 XRD 분석 자료는 도 3과 같다. 또한 기타 분석결과는 표 1에 같이 나타내었다.

본 발명에 따른 다양한 성능 실험 결과 비교예(다단 충진탑 형태의 반응기 구성) 대비 실험예(충진탑-교반조 형태)는 모든 경우에서 이산화탄소 포집효율 및 중탄산나트륨 함량이 매우 우수하였다. 특히 동일한 양의 이산화탄소를 처리하는데 있어서 본 실험예의 충진탑-교반조 형태가 기존의 다단 충진탑 형태의 반응기 구성 대비 반응기 크기를 크게 줄일 수가 있음을 확인하였다.

실험예 간 성능 비교를 분석해 보면 가성소다 수용액의 농도를 20%에서 10%로 낮춘 실험예 2의 경우에는 충진탑에서의 이산화탄소 포집효율이 실험예 1 대비 약 10% 저하되었다(87→78%). 실험예 3 및 4는 충진탑 하단의 액위를 조정하여 가성소다와 연소 배가스 간 일차 반응을 유도하는 것인데 실험예 1 및 2에 비해 이산화탄소 포집효율이 크게 증가됨을 확인하였다. 특히 실험예 4의 최종 생성된 중탄산나트륨의 순도는 XRD 분석결과 97.3%였는데 이는 액위 조정과 함께 소디움 카보네이션 반응의 발열제어를 통해서 Trona 등의 불순물 발생을 제어하였기 때문으로 사료된다.

<실험예 5>

상기 실험예 1에서, 2차 교반조의 L/D를 1.0으로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 실시한 이산화탄소 포집효율 및 중탄산나트륨 순도 분석 결과는 표 2와 같다.

<실험예 6>

상기 실험예 1에서, 2차 교반조의 L/D를 2.5로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 실시한 이산화탄소 포집효율 및 중탄산나트륨 순도 분석 결과는 표 2와 같다.

<실험예 7>

상기 실험예 1에서, 2차 교반조의 체류시간을 5분으로 한 것을 제외하고는 실험예 1과 동일한 방법으로 실시한 이산화탄소 포집효율 및 중탄산나트륨 순도 분석 결과는 표 2와 같다.

실험예 5의 경우 반응기 L/D(반응기 길이/직경)를 실험예 1의 1.5에서 1.0으로 조정하였는데 실험예 1에 비해 이산화탄소 포집효율 및 중탄산나트륨 함량이 다소 저하됨을 확인하였다. 이는 L/D가 낮아짐에 따라 반응기 내부에서의 유동변화에 따라 체류시간의 편차가 증가하기 때문인 것으로 판단된다.

실험예 6은 실험예 5와는 달리 반응기 L/D(반응기 길이/직경)를 2.5로 조정한 것이다. 실험결과 본 특허에서 제시하는 1.5 대비 효율 향상은 크지 않았으며 오히려 L/D 증가에 따른 임펠러 구성 추가(기존 3단 → 4단)로 비용이 증가하기 때문에 바람직하지가 않은 것으로 판단된다.

실험예 7은 실험예 1과는 달리 체류시간을 5분으로 조정한 것인데 실험예 1 대비 이산화탄소 포집효율 및 중탄산나트륨 함량이 다소 떨어지는 것으로 확인되었다. 이는 2차 반응기에서 중탄산나트륨 생성 반응을 위한 체류시간이 충분치 않기 때문인 것으로 판단된다.

이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 중탄산나트륨 제조 장치 및 그 제조 방법을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.

1000: 중탄산나트륨 제조 장치
100: 충진탑
110: 제 1 스파저
120: 수산화물 저장조
130: 제 2 스파저
140: 냉각기
150: 액체 재분배판
160: 미스트 제거기
200: 교반조
210: 임펠러
300: 탈수기
GL, GL1, GL2: 연소 배가스 공급라인
GL3, GL4: 연소 배가스 배출라인
RL1: 수산화물 재순환라인
RL2: 탄산나트륨 공급라인
HL: 수산화물 공급라인
P1, P2, P3: 펌프

Claims

수산화물 수용액을 상부로 공급받아 하부에서 일정한 액위로 체류시키고, 연소 배가스를 상기 하부로 공급받아 상기 하부에 체류되어 있는 수산화물 수용액과 1차 반응시켜 탄산나트륨을 생성하며, 상기 1차 반응되지 않은 수산화물 수용액을 상기 상부로 재공급하여 내부에서 연소 배가스와 2차 반응시키는 충진탑;
내부에 설치된 다단의 임펠러를 포함하고, 상기 탄산나트륨, 연소 배가스 및 물을 각각 공급받아 상기 임펠러를 통해 추가 반응시켜 중탄산나트륨을 생성하는 교반조; 및
연소 배가스를 상기 충진탑과 상기 교반조로 분기하여 각각 공급하는 연소 배가스 공급라인을 포함하고,
상기 연소 배가스 공급라인은, 연소 배가스를 상기 충진탑과 상기 교반조에 4:6 내지 6:4의 유량비로 각각 공급하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
삭제
제 1 항에 있어서,
상기 충진탑은, 상기 연소 배가스의 공급라인과 연결되고 상기 충진탑의 하부에 체류되어 있는 수산화물 수용액 내에 연소 배가스를 분사하기 위한 다수의 미세홀이 형성된 제 1 스파저를 더 포함하고,
상기 미세 홀의 직경은 50 내지 100 ㎛ 인 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
제 1 항에 있어서,
수산화물 수용액을 저장하는 수산화물 저장조;
상기 수산화물 저장조에서 상기 충진탑으로 수산화물 수용액을 공급하는 수산화물 공급라인;
상기 수산화물 공급라인과 연결되고, 상기 1차 반응되지 않은 수산화물 수용액을 상기 수산화물 저장조에 저장된 수산화물 수용액과 함께 상기 충진탑의 상부로 공급하는 수산화물 재순환라인; 및
상기 탄산나트륨을 상기 교반조로 공급하는 탄산나트륨 공급라인을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 충진탑은, 상기 수산화물 재순환라인과 연결되고 수산화물 수용액을 상기 충진탑의 상부에서 분사하기 위한 다수의 미세 홀이 형성된 제 2 스파저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
제 4 항에 있어서,
상기 수산화물 저장조는 수산화물 수용액에서 수산화물의 농도를 10 내지 30 중량부로 유지하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 충진탑은 수산화물 수용액의 액위를 상기 충진탑의 직경의 1 내지 3배로 유지하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 충진탑은, 상기 충진탑의 하부 내벽에 인접하게 설치되고 코일 형태의 냉각수 라인이 구비된 냉각기를 더 포함하고,
상기 냉각기는 냉각수의 온도를 20 내지 40 ℃로 유지하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 교반조의 반응기 길이(L) 및 상기 교반조의 직경(D)의 비(L/D)는 1.5 내지 2인 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 임펠러의 직경(d) 및 상기 교반조의 직경(D)의 비(d/D)는 0.6 내지 0.7인 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 임펠러의 회전속도는 200 내지 500 RPM인 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 교반조는, 상기 교반조의 반응기 내에 상기 탄산나트륨, 연소 배가스 및 물이 체류되는 시간을 조절하고, 상기 체류되는 시간을 10 내지 30분간 유지하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 장치.
수산화물 수용액을 공급하여 일정한 액위로 체류시키고, 체류되어 있는 수산화물 수용액과 연소 배가스를 1차 반응시켜 탄산나트륨을 생성하는 탄산나트륨 1차 생성 단계;
상기 1차 반응되지 않은 수산화물 수용액을 상기 탄산나트륨 1차 생성 단계를 통해 공급되는 수산화물 수용액과 함께 재공급하여 연소 배가스와 2차 반응시키는 탄산나트륨 2차 생성 단계; 및
다단의 임펠러를 이용하여 상기 탄산나트륨을 연소 배가스 및 물과 추가 반응시켜 중탄산나트륨을 생성하는 중탄산나트륨 생성 단계를 포함하고,
상기 탄산나트륨 1차 생성 단계와 상기 탄산나트륨 2차 생성 단계를 위한 연소 배가스와 상기 중탄산나트륨 생성 단계를 위한 연소 배가스는 4:6 내지 6:4의 유량비로 각각 공급하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 방법.
삭제
제 13 항에 있어서,
상기 탄산나트륨 1차 생성 단계 및 상기 탄산나트륨 2차 생성 단계를 위해 공급하는 수산화물 수용액에서 수산화물의 농도는 10 내지 30 중량부로 유지하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 중탄산나트륨 생성 단계에서는, 상기 탄산나트륨, 연소 배가스 및 물의 체류시간을 조절하여 중탄산나트륨을 생성하고, 상기 체류시간을 10 내지 30분간 유지하는 것을 특징으로 하는 중탄산나트륨 제조 방법.