KR101746037B1

KR101746037B1 - 탄산염 제조장치 및 그 운용방법

Info

Publication number: KR101746037B1
Application number: KR1020150180991A
Authority: KR
Inventors: 정우철; 박광석; 이현우; 박운경; 박성국
Original assignee: 재단법인 포항산업과학연구원
Priority date: 2015-12-17
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2017-06-13

Abstract

탄산화 대상 용액과 탄산화 가스의 반응이 일어나는 챔버, 상기 챔버의 일 측에 구비되고, 상기 챔버 내부로 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스를 분사하는 노즐부, 및 상기 노즐부와 이격되어 상기 노즐부의 외곽을 둘러싸도록 배치되며, 상기 노즐부를 통해 분사되는 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스의 분사 방향으로 연장 형성된 관체 구조물을 포함하고, 상기 관체 구조물 내부에는 상기 관체 구조물의 벽체 냉각을 위한 냉각수로가 형성된 것을 특징으로 하는 탄산염 제조장치와 이를 운용하는 방법이 개시된다.

Description

탄산염 제조장치 및 그 운용방법{DEVICE FOR PRODUCING CARBONATE AND METHOD FOR OPERATING SAME}

본 발명은 탄산염 제조장치 및 그 운용방법에 관한 것이다.

탄산 리튬(Li₂CO₃)의 제조 방법 중 하나인 분사식 탄산화 방법의 경우, 챔버 내 수산화 리튬(LiOH) 용액을 흘려주고, 탄산(CO₂) 가스를 이용하여 수산화 리튬 용액을 미스트(mist) 상태로 만드는 즉시 챔버 내 공간 상에서 탄산화 반응을 일으키는 방법이다. 이 방법에서는 제조된 탄산리튬이 수산화 리튬 용액과 함께 미스트 형태로 분사 및 낙하하게 되는데, 이 과정에서 챔버 내 벽체에 탄산리튬 입자들이 고착되는 현상이 나타난다. 도 1은 종래의 탄산염 제조장치에서 탄산염 벽체 고착이 발생한 경우를 모사한 모식도이다.

이러한 탄산리튬의 고착은 일시적으로는 큰 문제가 되지 않을 수 있으나, 지속적으로 방치하는 경우 챔버 내부 유효 면적의 감소와 더불어, 탄산리튬의 부착 시드로 작용하여 제조된 탄산리튬의 배출 과정에 문제를 야기하게 된다. 결과적으로 이러한 이유로 주기적인 챔버의 청소 및 유지 보수가 요구되게 된다.

이때 일반적으로는 염산(염산 수용액)을 이용하여 챔버 내부 벽체에 고착된 탄산리튬을 용해시켜 제거하게 되는데, 이 과정에서 대량의 폐액(산성폐수)이 발생하는 문제가 야기되는 것은 물론이고, 이로 인하여 pH 11 이상으로 유지되는 알칼리 공정인 챔버의 조건이 일시적으로 변동되는 문제가 야기된다.

이러한 고형물의 벽체 고착의 문제는 탄산리튬 제조 공정 이외에도 분사식 탄산화에 의한 고형물 제조 공정에서 공히 일어나는 문제로, 고형물의 벽체 부착은 공정의 연속성을 방해하는 주요한 요인이 된다.

본 발명의 여러 목적 중 하나는, 공정의 연속성이 우수한 탄산염 제조장치와 이를 운용하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스의 반응이 일어나는 챔버, 상기 챔버의 일 측에 구비되고, 상기 챔버 내부로 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스를 분사하는 노즐부, 및 상기 노즐부와 이격되어 상기 노즐부의 외곽을 둘러싸도록 배치되며, 상기 노즐부를 통해 분사되는 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스의 분사 방향으로 연장 형성된 관체 구조물을 포함하고, 상기 관체 구조물 내부에는 상기 관체 구조물의 벽체 냉각을 위한 냉각수로가 형성된 것을 특징으로 하는 탄산염 제조장치을 제공한다.

또한, 본 발명의 다른 일 측면은, 상술한 탄산염 제조장치의 운용 방법에 있어서, 상기 관체 구조물의 벽체의 온도를 상기 탄산화 대상 용액의 응결점 이하로 냉각하는 단계, 상기 관체 구조물의 벽체의 온도를 상기 탄산화 대상 용액의 응결점 이하로 유지한 채, 상기 노즐부를 통해 상기 탄산화 대상 용액과 불활성 가스를 분사하여, 상기 관체 구조물의 내벽에 상기 탄산화 대상 용액의 결빙층을 형성하는 단계, 및 상기 관체 구조물의 벽체의 온도를 상기 탄산화 대상 용액의 응결점 이하로 유지한 채, 상기 노즐부를 통해 상기 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스를 분사하여 탄산염을 제조하는 단계를 포함하는 탄산염 제조장치의 운용 방법을 제공한다.

본 발명의 여러 효과 중 하나로써, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치를 이용하여 탄산염을 제조할 경우, 탄산염의 벽체 고착의 문제를 해결 가능하며, 이에 따라, 공정의 연속성이 유지되고, 유지 및 보수 비용이 절감되는 기술적 효과가 있다.

다만, 본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 탄산염 제조장치에서 탄산염 벽체 고착이 발생한 경우를 모사한 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치의 관체 구조물의 냉각수로가 나타나도록 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치에서 탄산염의 벽체 고착이 발생한 경우를 모사한 모식도이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다.

여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다.

보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 측면인 탄산염 제조장치를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치(100)는, 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1)의 반응이 일어나는 챔버(10); 상기 챔버(10)의 일 측에 구비되고, 상기 챔버(10) 내부로 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1)를 분사하는 노즐부(20); 및 상기 노즐부(20)와 이격되어 상기 노즐부(20)의 외곽을 둘러싸도록 배치되며, 상기 노즐부(20)를 통해 분사되는 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1)의 분사 방향으로 연장 형성된 관체 구조물(30);을 포함한다.

챔버(10)는 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1) 간 반응이 일어나는 공간으로써, 챔버(10)의 일 측에는, 노즐부(20)와 관체 구조물(30)이 구비된다.

본 발명에서는 노즐부(20)의 구체적인 구조 및 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 일 예에 따르면, 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(10)를 하나의 노즐을 통해 동시에 분사하는 2액형 분사 노즐일 수 있다.

일 예에 따르면, 챔버(10)의 타 측에는, 챔버(10) 내에 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1) 간 접촉에 의해 형성된 슬러리로부터 탄산염(3)을 회수하는 회수부(40)가 구비될 수 있다.

일 예에 따르면, 회수부(40)는 슬러리로부터 탄산염을 여과하는 여과부(41, 42)와 여과된 탄산염을 건조하는 건조부(43)를 포함할 수 있다.

일 예에 따르면, 여과부(41, 42)는 복수개 일 수 있으며, 도 1에서는 편의상 2개의 여과부(41, 42)를 도시하였으나, 필요에 따라 그 이상으로 구성할 수 있다. 복수의 여과부(41, 42)가 구성되는 경우, 복수의 여과부를 연결하는 인출부 및 상기 인출부와 각각의 여과부를 연결하는 유로에 밸브(43)가 설치될 수 있다.

각각의 유로에 설치된 복수의 밸브(43)는 밸브와 연결된 제어부(컨트롤러, 44)에 의해 제어되어, 복수의 여과부(41, 42)의 처리량을 제어할 수 있다. 이 경우, 제어부(44)는 복수의 여과부(41, 42)를 통해 슬러리가 교대로 여과될 수 있도록 복수의 밸브(43)의 열림 및 잠금을 제어할 수 있다. 예컨대, 하나의 여과부(41)에서 일정 이상의 탄산염이 여과될 경우, 여과 효율이 떨어질 수 있다. 이 경우, 제어부(44)를 통해 하나의 여과부(41)와 연결된 유로에 설치된 밸브(43)를 잠그고, 다른 하나의 여과부(42)와 연결된 유로에 설치된 밸브(43)를 열어 슬러리가 다른 하나의 여과부(42)로 흘러가도록 제어함으로써, 각각의 여과부(41, 42)의 처리량을 제어할 수 있다.

탄산염을 포함하는 슬러리가 다른 하나의 여과부(42)에 의해 여과되는 동안 하나의 여과부(41)의 여과 필터를 교체하는 방식으로 하나의 여과부(41) 및 다른 하나의 여과부(42)를 반복적으로 교대 운전하면서 여과 공정이 연속적으로 일어나도록 할 수 있다.

일 예에 따르면, 탄산염 제조장치(100)는 탄산염이 회수된 슬러리로부터 탄산화 대상 용액(2)을 회수하여 노즐부(20)로 재순환시키는 탄산화 대상 용액 회수부(50)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 탄산화 대상 용액 회수부(50)를 통해 탄산화 대상 용액을 재사용함으로써, 탄산화 대상 용액을 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

일 예에 따르면, 탄산염 제조장치(100)는 노즐부(20)로부터 분사된 미 반응의 탄산화 가스(1)를 회수하여 노즐부(20)로 재순환시키는 탄산화 가스 회수부(60)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 탄산화 가스 회수부(60)를 통해 재순환되는 탄산화 가스는 건조 필터를 통해 건조될 수 있다. 이와 같이, 탄산화 가스 회수부(60)를 통해 탄산화 가스를 재사용함으로써, 탄산화 가스를 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 관체 구조물(30)에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치(100)의 관체 구조물(30)의 냉각수로(35)가 나타나도록 도시한 단면도이다.

도 3을 참조할 때, 관체 구조물(30)의 내부에는 관체 구조물(30)의 벽체 냉각을 위한 냉각수로(35)가 구비되며, 탄산염 제조가 진행되는 동안 냉각수로(35)에는 냉각기(미도시)로부터 냉매가 지속적으로 공급되어, 관체 구조물(30)의 벽체를 탄산화 대상 용액(2)의 결빙점 이하의 온도로 유지되도록 할 수 있다. 이 과정에서 사용되는 냉매는 실제로 소량이 필요하며, 단순히 관체 구조물 내부의 냉각수로를 채우는 용도이고, 미스트 상태의 최초 결빙만을 수행하면 되므로 소량의 냉매만을 사용하여 장치의 운용 코스트가 낮은 장점을 가진다.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치에서 탄산염의 벽체 고착이 발생한 경우를 모사한 모식도이다.

후술할 탄산염 제조장치의 운용방법에 대한 설명 부분에서 보다 상세히 설명하겠지만, 본 발명에서는 탄산염 제조에 앞서서 탄산화 대상 용액(2)을 분사함으로써 관체 구조물(30)의 내부 벽체에 탄산화 대상 용액의 결빙층(F)을 형성하며, 그 후 탄산염 제조를 수행하게 된다.

이 경우, 탄산염 입자가 관체 구조물(30)의 내부 벽체 자체에 고착되는 것이 아닌, 관체 구조물의 내부 벽체에 형성된 결빙층(F)의 표면에 고착되게 된다. 이후, 공정을 지속하여도 지속적으로 결빙층(F)의 표면에만 고착이 이뤄지게 된다.

탄산염 제조가 완료된 후, 관체 구조물(30)의 냉각수로(35)에 냉매의 주입을 차단하면 챔버(10) 내부의 잠열로 인하여 결빙층(F)이 제거되고, 그 위에 고착된 탄산염의 고착물(C) 역시 제거되게 된다. 이 과정에서 관체 구조물(30)의 벽체를 추가로 가열할 필요는 없다. 이는 탄산염 제조 반응, 즉 탄산화 반응 자체가 발열반응이기에, 관체 구조물(30)의 벽체 온도에 비해 챔버(10) 내부의 온도가 현저히 높아, 냉매 공급을 차단하게 되면 자연스럽게 결빙층(F)이 제거되게 된다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치를 이용하여 탄산염을 제조할 경우, 탄산염의 벽체 고착의 문제를 해결 가능하며, 이에 따라, 공정의 연속성이 유지되고, 유지 및 보수 비용이 절감되는 기술적 효과가 있다.

이하, 본 발명의 다른 일 측면인 탄산염 제조장치의 운용방법을 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

먼저, 관체 구조물(30)의 벽체의 온도를 탄산화 대상 용액(2)의 응결점 이하로 냉각한다. 이때, 관체 구조물(30) 내부에 구비된 냉각수로(35)에 외부 냉각기(미도시)로부터 냉매를 공급함으로써, 관체 구조물(30)의 벽체의 온도를 탄산화 대상 용액(2)의 응결점 이하로 냉각할 수 있다.

다음으로, 상기 관체 구조물(30)의 벽체의 온도를 상기 탄산화 대상 용액(2)의 응결점 이하로 유지한 채, 노즐부(20)를 통해 탄산화 대상 용액(2)과 불활성 가스를 분사하여, 관체 구조물(30)의 내벽에 상기 탄산화 대상 용액의 결빙층(F)을 형성한다.

여기서, 탄산화 대상 용액(2)과 함께 분사되는 불활성 가스는 탄산화 대상 용액(2)과 반응하지 않으며, 탄산화 대상 용액(2)을 미스트화 시키는 역할만을 수행한다. 본 발명에서는 불활성 가스의 구체적인 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 질소(N2) 가스 및 아르곤(Ar) 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다.

다음으로, 상기 관체 구조물(30)의 벽체의 온도를 상기 탄산화 대상 용액(2)의 응결점 이하로 유지한 채, 노즐부(20)를 통해 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1)를 분사하여 탄산염(3)을 제조한다.

본 발명은 상술한 실시 형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니며, 첨부된 청구범위에 의해 한정하고자 한다. 따라서, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이며, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다고 할 것이다.

1: 탄산화 가스 2: 탄산화 대상 용액
3: 탄산염 10: 반응 챔버
20: 노즐부 30: 관체 구조물
35: 냉각수로 40: 회수부
41, 42: 여과부 43: 밸브
44: 제어부 50: 탄산화 대상 용액 회수부
60: 탄산화 가스 회수부 100: 탄산염 제조장치

Claims

탄산화 대상 용액과 탄산화 가스의 반응이 일어나는 챔버;
상기 챔버의 일 측에 구비되고, 상기 챔버 내부로 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스를 분사하는 노즐부; 및
상기 노즐부와 이격되어 상기 노즐부의 외곽을 둘러싸도록 배치되며, 상기 노즐부를 통해 분사되는 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스의 분사 방향으로 연장 형성된 관체 구조물;을 포함하고,
상기 관체 구조물 내부에는 상기 관체 구조물의 벽체 냉각을 위한 냉각수로가 형성된 것을 특징으로 하는 탄산염 제조장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 냉각수로에 냉매를 공급하는 냉각기를 더 포함하는 탄산염 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 챔버의 타 측에 구비되고, 상기 챔버 내에서 형성된 슬러리로부터 탄산염을 회수하는 회수부를 더 포함하는 탄산염 제조장치.
제4항에 있어서,
상기 회수부는 상기 슬러리로부터 탄산염을 여과하는 여과부를 포함하는 탄산염 제조장치.
제5항에 있어서,
상기 회수부는 상기 여과된 탄산염을 건조하는 건조부를 포함하는 탄산염 제조장치.
제4항에 있어서,
상기 회수부는 상기 슬러리로부터 탄산염을 여과하는 복수의 여과부를 포함하고,
상기 회수부는 상기 챔버와 상기 복수의 여과부를 연결하는 인출부 및 상기 인출부와 각각의 여과부를 연결하는 유로에 형성된 밸브를 포함하는 탄산염 제조장치.
제7항에 있어서,
상기 회수부는 상기 밸브와 연결된 제어부를 포함하고,
상기 제어부는 상기 밸브를 제어하여 복수의 여과부의 처리량을 제어하는 탄산염 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 노즐부로부터 분사된 탄산화 가스를 회수하여, 상기 노즐부로 재순환시키는 탄산화 가수 회수부를 더 포함하는 탄산염 제조장치.
제1항에 있어서,
상기 탄산염이 여과된 슬러리로부터 탄산화 대상 용액을 회수하여, 상기 노즐부로 재순환시키는 탄산화 대상 용액 회수부를 더 포함하는 탄산염 제조장치.
제1항, 제3항 내지 제10항 중 어느 한 항의 탄산염 제조장치의 운용 방법에 있어서,
상기 관체 구조물의 벽체의 온도를 상기 탄산화 대상 용액의 응결점 이하로 냉각하는 단계;
상기 관체 구조물의 벽체의 온도를 상기 탄산화 대상 용액의 응결점 이하로 유지한 채, 상기 노즐부를 통해 상기 탄산화 대상 용액과 불활성 가스를 분사하여, 상기 관체 구조물의 내벽에 상기 탄산화 대상 용액의 결빙층을 형성하는 단계; 및
상기 관체 구조물의 벽체의 온도를 상기 탄산화 대상 용액의 응결점 이하로 유지한 채, 상기 노즐부를 통해 상기 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스를 분사하여 탄산염을 제조하는 단계;
를 포함하는 탄산염 제조장치의 운용 방법.
제11항에 있어서,
상기 불활성 가스는 질소(N2) 가스 및 아르곤(Ar) 가스로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 탄산염 제조장치의 운용 방법.