KR101690975B1 - 기액 흡수 반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기액 흡수 반응장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제트루프반응특성을 이용하는 동시에 부유성 고형물질의 침착, 유출 및 외부 재순환 없이 반응조 내의 사역을 최소화하면서, 기체 체류시간을 증가시켜 액체와 기체의 접촉효과를 극대화할 수 있는 기액 흡수 반응장치에 관한 것이다.

Description

기액 흡수 반응장치{Reactor for Absorbing Gas into Liquid}

본 발명은 기액 흡수 반응장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 제트루프반응기의 기액 흡수 반응성능을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기액 흡수 반응장치에 관한 것이다.

기액 흡수 반응에서 기체의 흡수효율은 반응조 내에서 가스의 체류시간과 흡수속도에 크게 기인된다. 이에 따라 선행 연구자들은 기액 반응에서 기체의 흡수율을 증진시키고자 흡수장치개발에 초점을 맞추어 왔다. 지금까지 개발되어 이용되고 있는 기액 흡수반응 장치로는 충진탑(Packed tower), 기포탑(Bubble column), 교반 반응기(Agitated vessel) 등 여러 종류의 흡수반응기가 있으며 다양한 분야에 적용되고 있다.

그러나 기포탑(Bubble column)은 장치가 간단하고 내식성 재료에 의한 제작도 용이하나, 타장치에 비해 물질전달 효율이 낮은 단점이 있고, 교반 반응기(Agitated vessel)은 임펠러의 교반에 의한 기액간의 높은 난류 강도, 넓은 접촉면적을 가짐으로써 물질 전달율이 향상되는 특징이 있으나, 임펠러의 작동을 위한 추가적인 동력장치가 요구된다. 충진탑(Packed tower)는 장치 내에 충진물을 채우고, 여기에 액을 분사함으로써 높은 기액 접촉 면적을 가지는 장점이 있지만 압력강하가 높은 단점이 있다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 제트루프반응기(Jet loop reactor)가 개발되었으며, 제트루프반응기는 설치면적도 상대적으로 적고 유도관을 통하여 액체와 기체가 일정한 궤도를 순화하면서 원활한 기액 혼합과 물질 전달율 증진 등의 효과가 있다고 알려져 있다(비특허문헌 1)

일반적인 제트루프반응기로는 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 기체주입관(110) 및 액체주입관(120)이 삽입된 이유체 노즐 및 방류관(130)이 설치된 반응조(140)와 이 반응조(140)에 내장된 원통형의 유도관(150)으로 구성되며, 도시되지는 않았지만 외부의 처리수 공급장치 및 기체 공급장치가 각각 액체주입관(120) 및 기체주입관(110)에 연결되어 반응조(140)에 지속적으로 액체 및 기체를 공급하게 된다(특허문헌 1 및 2).

또한, 잉여 기체 및 운전 중 생성되는 기체 등을 배출하기 위한 배기구나, 반응조(140)와 액체주입관(120) 사이를 재순환관 등으로 연결하여 1차 처리된 처리수를 순환시켜 재차 처리할 수 있도록 구성할 수 있다.

이러한 이유체 노즐을 통하여 반응조(140) 내로 분사된 액체 및 기체는 반응조(140) 내의 유도관(150)에 의하여 루프(loop), 즉 환상류(環狀流)를 형성하면서, 혼합 또는 용해된 후, 액체는 방류관(130)을 통하여 배출되게 된다.

그러나, 이러한 종래 제트루프반응기에서는 반응조(140) 내로 주입된 액체 및 기체의 환상류에 기액 반응을 전적으로 의존하게 되므로, 기액 흡수반응 효과에 한계가 있을 수밖에 없었고, 이유체 노즐로부터 떨어진 반응조 하단부에 이유체 흐름이 정체된 사역(dead zone)이 존재하므로, 이유체의 환상류 형성이 제대로 이루어지지 않아 향상된 기액 흡수효과를 얻을 수 없었다.

또한, 도 2와 같은 제트루프반응기의 경우에는 상향류의 이유체 중 재순환되지 않는 이유체 중 기체와 액체를 각각 분리하여 배출시키기 위해 반응조 상부가 다단으로 확장된 기액분리조(160)를 구비하였으나, 기액분리조 바닥부분에 부유성 고형물질이 침적되거나, 유출 또는 외부로 재순환됨에 따라 부유성 고형물질을 별도로 처리하기 위한 스크래퍼(scraper) 등의 장치가 구비되어야 하는 등의 문제점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-0484256호 대한민국 등록특허공보 제10-1403532호

Ger. Chem. Eng., 7, 39-44, 1984, Wachsmann, U. et al., The compact reactor-A newly developed loop reactor with a high mass transfer performance

본 발명의 주된 목적은 제트루프반응특성을 이용하는 동시에 부유성 고형물질의 침착, 유출 또는 외부 재순환 없이 반응조 내의 사역을 최소화하면서, 기체 체류시간을 증가시켜 액체와 기체의 접촉효과를 극대화할 수 있는 기액 흡수 반응장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, 이유체 노즐부; 상기 이유체 노즐부에 주입된 이유체가 분사되는 반응조; 상기 반응조 내에 구비되고, 양단이 개방된 유도관; 및 상기 유도관 하부 말단과 소정간격으로 이격되어 반응기 하부에 구비되는 충돌판을 포함하고, 상기 반응조는 수직방향에 대하여 하향 내측으로 상부 또는 전체가 테이퍼진 것을 특징으로 하는 기액 흡수 반응장치를 제공한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 충돌판은 하나의 산과 두 개의 골로 이루어진 형태인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 충돌판은 산의 꼭지점이 이유체 흐름 방향의 유도관 중심축으로부터 수직 연장선에 위치하고, 골의 꼭지점은 이유체 흐름 방향의 유도관 좌측벽과 우측벽으로부터 수직 연장선에 각각 위치하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 산은 직선 또는 곡선 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 산의 각도(θ″)는 40 ~ 120°로 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 골은 직선 또는 곡선 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 골의 각도(θ′)는 60 ~ 140°로 형성되어 있는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 유도관은 하부 직경보다 상부 직경이 좁은 원통형인 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 기액 흡수 반응장치는 상향 외측으로 확장된 반응조를 구비함으로써, 환상공간(annular space)를 통해 상향류로 올라온 기체의 유속이 느려져 반응조 내 체류시간이 증가함에 따라 기체 이용률이 증대될 뿐만 아니라, 액체와의 접촉시간이 증가되어 기액 흡수반응을 극대화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 기액 흡수 반응장치는 불가피하게 유입되거나, 또는 반응 과정 중에 생성된 불용 고형물질들이 하향으로 테이퍼진 반응조 벽면을 따라 자연스럽게 하부로 침강됨에 따라 별도의 장비 없이 외부로 배출시킬 있으며, 확장된 반응조 상부 영역에서 상향류 이유체 중 재순환되지 않는 액체 및 기체를 용이하게 분리하여 배출시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 기액 흡수 반응장치는 하나의 산과 두 개의 골로 이루어진 충돌판을 반응조 하부에 구비함으로써, 노즐부에서 분사된 액체제트 등에 의해 하향하던 이유체가 충돌판의 산 구조에 부딪혀 더욱 미세한 기포로 쪼개지고, 충돌판의 골 구조로 인해 환상공간으로 상향될 수 있도록 이유체 흐름을 유도할 수 있어 사역 문제없이 미세하게 쪼개진 기포를 이용하여 기액 흡수반응을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 종래의 제트루프반응장치의 부분절단 사시도이다.
도 2는 종래의 제트루프반응장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기액 흡수 반응장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이유체 선회노즐의 단면도(a) 및 구성도(b) 이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌판 측면도이다.

다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법 은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 '포함' 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, '환상공간(annular space)'은 유도관 외측과 반응조 내측 사이의 공간을 의미한다.

본 발명은 이유체 노즐부; 상기 이유체 노즐부에 주입된 이유체가 분사되는 반응조; 상기 반응조 내에 내장되고, 양단이 개방된 유도관; 및 상기 유도관 하부 말단과 소정간격으로 이격되어 반응기 하부에 구비되는 충돌판을 포함하고, 상기 반응조는 수직방향에 대하여 하향 내측으로 상부 또는 전체가 테이퍼진 것을 특징으로 하는 기액 흡수 반응장치에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명에 따른 기액 흡수 반응장치의 개략도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 이유체 선회노즐의 단면도(a) 및 구성도(b)이며, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌판 측면도이다.

본 발명에 따른 기액 흡수 반응장치(1)는 이유체 노즐부(10), 반응조(20), 유도관(30) 및 충돌판(40)을 포함한다.

본 발명에 있어서, 이유체 노즐부(10)는 기체주입부(1) 및 액체주입부(2)가 포함된 이유체 노즐로, 후술되는 반응조(20) 상부에 수직으로 설치된다. 상기 노즐부가 반응조(20) 상부에 설치됨으로써, 노즐의 기체주입관(3) 말단부에서 매우 낮은 정압을 가져 반응조 상부의 잉여 기체 또는 대기 중의 공기가 자연적으로 흡입되기 때문에 송풍기 없이 운전이 가능하며, 반응조 내에 기포(B)는 더 긴 체류시간을 가질 수 있고, 유도관(30)을 따라 최소한 한번은 순환될 수 있는 장점이 있다.

상기 이유체 노즐로는 통상적으로 사용되는 이유체 노즐이면 제한 없이 사용 가능하나, 바람직하게는 이유체 노즐은 가스와 액체가 노즐 팁부에서 분사될 때 유도관 내부와 외부에서 선회류(swirling flow)가 형성될 수 있는 이유체 선회노즐(5)을 구비함으로써, 기포크기를 더욱 미세하게 형성시킬 수 있고, 기포와 액체가 유도관(30) 외측과 반응조(20) 내측 사이의 환상공간(annular space) 통과할 때 난류강도를 증가시켜 기액간 물질전달속도를 더욱 증진시킬 수 있다.

상기 이유체 선회노즐(5)은 액체주입관(4) 내부에 기체주입관(3)이 동심원을 이루며 설치되고, 액체주입관(4) 내측과 기체주입관(3) 외측에 선회류 유도스크류(6)가 삽입되며, 액체 주입관(4)은 하부로 갈수록 내부 직경이 점차 작아진 콘(corn) 형태로 제작되어 액체가 액체주입관에 구비된 선회류 유도스크류에 의해 노즐 팁부에서 선회류가 형성되어 배출되고, 가스의 경우에는 액체주입관 내부에 설치되어 있는 기체주입관을 통하여 수직 방향으로 배출되어 액체제트에 휩쓸려 미세한 기포를 형성할 수 있다.

본 발명에 있어서, 반응조(20)는 상기 이유체 노즐부(10)에 주입된 이유체가 분사되고, 유도관(30) 및 충돌판(40)이 내부에 구비되며, 수직방향에 대하여 하향 내측으로 상부 또는 전체가 테이퍼진 원기둥, 다각기둥 등의 형태일 수 있으나, 바람직하게는 수직방향에 대하여 하향 내측으로 전체가 테이퍼진 원기둥 형태일 수 있다.

이때, 상기 반응조의 테이퍼진 각도(θ)는 수평면에 대하여, 40 ~ 80°일 수 있으며, 더욱 바람직하게는 50 ~ 70°일 수 있다. 만일 반응조의 테이퍼진 각도(θ)가 40°미만일 경우에는 처리용량 대비 반응장치 면적이 넓어져 비효율적이고, 80°를 초과한 경우에는 액체 및 기체의 환상류에 기액 반응을 전적으로 의존하게 되므로 기액 흡수반응 효과에 한계가 있다.

상기 반응조(20)는 수직방향에 대하여 하향 내측으로 상부 또는 전체가 테이퍼져 있기 때문에 환상공간을 통해 상향류로 올라온 기체(기포)의 유속이 느려져 반응조 내 체류시간이 길어짐에 따라 반응에 이용되는 기체 이용률이 증대되고, 액체와의 접촉시간이 길어져 기액 흡수반응을 극대화시킬 수 있다. 또한, 불가피하게 유입되거나 또는 반응과정에서 생성된 부유성 불용 고형물질은 하향으로 테이퍼진 반응조(20) 벽면을 따라 자연스럽게 하부로 침강되어 반응조 하부에 구비된 드레인부(80)를 통해 배출됨에 따라 별도의 배출 장비 없이 외부로 용이하게 배출시킬 수 있다.

본 발명에 있어서, 유도관(30)은 상기 반응조(20) 내에 구비되고, 이유체 노즐부(10) 팁부가 삽입될 수 있는 양단부가 개방된 원기둥, 다각기둥 등의 형태로, 이유체 노즐부(10)에서 분사된 이유체(two-phase flow)의 환상류를 형성하는 역할을 한다.

이때, 상기 유도관(30)은 이류체 노즐부의 팁(tip) 부분이 삽입되는 상부의 직경이 하부의 직경보다 좁은 형태로 구성되어 있다. 이는 유도관 상부의 좁은 직경으로 인해 유도관 상부와 이류체 노즐부의 팁 사이에 낮은 압력이 형성됨에 따라 유도관 외측에 근접한 상향류 이류체를 다시 유도관 내부로 빨려들어갈 수 있도록 함으로써, 반응조 상부에서의 감소된 이유체 유속을 상호 보완할 수 있다.

본 발명에 있어서, 충돌판(40)은 미세한 기포형성과 이유체의 상향류 유도를 위해 하나의 산(peak)과 두 개의 골로 이루어진 형태로, 유도관(30) 하부 말단과 소정간격으로 이격되어 반응조(20) 하부에 구비된다. 이때, 상기 충돌판의 산 및 골은 직선 또는 곡선 형태일 수 있으나, 미세한 기포형성과 이유체의 상향류 유도를 위해 수직단면이 'W'형상 인 것이 바람직하다.

상기 충돌판(40) 산의 꼭지점(41)은 이유체 흐름 방향의 유도관 중심축으로부터 수직 연장선에 위치시켜 유도관 내부를 통해 하향류로 흐르던 이유체를 충돌판의 산 구조에 부딪혀 더욱 미세한 기포로 쪼개지도록 하고, 충돌판 골의 꼭지점(42)은 이유체 흐름 방향의 유도관 좌측벽과 우측벽으로부터 수직 연장선에 각각 위치시켜 충돌판의 산 구조에 부딪혀 미세한 기포로 쪼개진 이유체를 환상공간으로 상향될 수 있도록 이유체 흐름를 유도시킬 수 있어 이유체 흐름이 정체되는 구간 즉, 사역(dead zone) 없이 기액 흡수반응을 수행할 수 있다.

또한, 상기 충돌판의 산의 각도(θ″) 및 골의 각도(θ′)는 각각 40 ~ 120° 및 60 ~ 140°로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 60 ~ 90°및 80 ~ 100°로 형성될 수 있고, 상기 각도 범위를 벗어날 경우에는 기포의 미세화와 이유체의 환상류 형성을 기대하기 어렵다.

상기 충돌판은 상면에 산을 중심으로 나선상으로 구비되는 복수개의 유체 선회용 가이드 베인(미도시)이 형성되어 있어 충돌판에 부딪힌 이유체의 선회력을 증가시킴에 따라 반응조 하부에 이유체가 정체되지 않는 동시에 난류 강도를 더욱 증가할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 기액 흡수 반응장치는 잉여 기체 및 운전 중 생성되는 기체 등을 배출하기 위한 배기부(60), 처리된 최종 처리물을 배출하기 위한 배출부(130), 불용 고형물을 배출하기 위한 드레인부(80), 반응조와 액체주입부 사이를 외부 재순환부(미도시)로 연결하여 처리된 처리물을 재순환시켜 재차 처리할 수 있도록 선택적으로 구성할 수 있다.

본 발명에 따른 기액 흡수 반응장치는 전술된 바와 같이 반응조(20) 상부에 구비된 이유체 노즐부(10)에 의해 높은 속도로 이유체가 주입되면, 이유체 노즐부에서 기체와 액체가 분사될 때 생성되는 액체제트에 의해 미세한 기포가 형성되고, 이렇게 생성된 기포 함유 이유체는 노즐부에서 분사된 액체제트에 의해 유도관(30) 내부를 따라 하향류로 흘려 충돌판(40) 산에 높은 속도로 충돌시켜 더욱 미세한 기포로 쪼개진 다음, 충돌판의 골을 따라 환상공간의 반응조 상부로 이동하면서 기포 함유 이유체 일부가 유도관 내부로 재순환된다. 이때, 본 발명에 따른 기액 흡수 반응장치는 반응조 상부가 확장됨과 동시에 높은 난류강도로 이유체의 환상류를 원활하게 형성시킴으로써, 기포의 긴 체류시간과 기체와 액체 간의 넓은 접촉면적을 가져 기액 흡수 반응의 효율을 극대화시킬 수 있다.

본 명세서에 기재된 본 발명의 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 실시 예에 불과할 뿐이고 발명의 기술적 사상을 모두 포괄하는 것은 아니므로, 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

따라서, 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 권리범위 내에 있게 된다.

1: 기체주입부 2: 액체주입부
3: 기체주입관 4: 액체주입관
5: 이유체 선회노즐 6: 선회류 유도스크류
10: 이유체 노즐부 20: 반응조
30: 유도관 40: 충돌판
41: 산의 꼭지점 42: 골의 꼭지점
60: 배기부 80: 드레인부
130: 배출부 B: 기포

Claims (8)

1. 수직방향에 대하여 하향 내측으로 전체가 수평면에 대하여 40 ~ 80 °로 테이퍼진 형태의 반응조;
   상기 반응조 상부에 수직으로 설치된 이유체 노즐부;
   상기 반응조 내에 구비되고, 하부 직경보다 상부 직경이 좁은 원통형으로서 양단부가 개방된 유도관; 및
   하나의 산과 두 개의 골로 이루어진 형태로, 상기 두 개의 골 각도(θ′)가 60 ~ 140°의 직선 형태로 형성되어 있으며, 상기 유도관 하부 말단과 소정간격으로 이격되어 반응기 하부에 구비되는 충돌판;을 포함하되,
   상기 이유체 노즐부에서 주입된 이유체는 상부에서 하부로 유도관 내부를 따라 하향류로 흘러 충돌판에 충돌되고, 충돌판의 골을 따라 유도관 외측과 반응조 내측 사이의 환상공간을 통과하여 반응조 상부로 이동하도록 구성된 것을 특징으로 하는 기액 흡수 반응장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 충돌판은 산의 꼭지점이 이유체 흐름 방향의 유도관 중심축으로부터 수직 연장선에 위치하고, 골의 꼭지점은 이유체 흐름 방향의 유도관 좌측벽과 우측벽으로부터 수직 연장선에 각각 위치하는 것을 특징으로 하는 기액 흡수 반응장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 산은 직선 또는 곡선 형태로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기액 흡수 반응장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 산의 각도(θ″)는 40 ~ 120°로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 기액 흡수 반응장치.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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