KR101746038B1 - 탄산염 제조장치 - Google Patents

Abstract

탄산화 대상 용액과 탄산화 가스의 반응이 일어나는 챔버, 상기 챔버의 일 측에 구비되고, 상기 챔버 내로 탄산화 가스를 분사하는 송풍형 노즐, 및 상기 송풍형 노즐과 인접하여 위치하고, 상기 챔버 내로 탄산화 대상 용액의 액적(droplet)을 분사하는 액적 분무형 노즐을 포함하고, 상기 송풍형 노즐은 탄산화 가스의 분사 방향으로 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는 탄산염 제조장치가 개시된다.

Description

탄산염 제조장치{DEVICE FOR PRODUCING CARBONATE}

본 발명은 탄산염 제조장치에 관한 것이다.

탄산 리튬(Li₂CO₃)은 수산화 리튬(LiOH)과 탄산(CO₂) 가스의 반응에 의해 제조되며, 일반적으로 탄산 리튬의 제조는 챔버 내 수산화 리튬 수용액을 채우고, 버블링(bubbling)에 의해 수산화 리튬 수용액 내에 탄산 공급하는 방식을 이용한다. 그런데, 이러한 방식을 이용하여 탄산 리튬을 제조할 경우, 탄산 가스를 버블링하기 위한 노즐 부근에서 반응이 매우 급속하게 일어나 반응물인 탄산 리튬에 의해 노즐이 빠르게 막혀버리는(nozzle clogging) 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술 중 하나로, 가압 탱크 내부에 수산화 리튬 수용액을 채우고, 가압 상태 하 탄산 가스를 주입한 후, 교반기를 이용하여 수산화 리튬 수용액을 강하게 탄산 가스와 섞어주어 탄산 리튬 반응이 일어나게 하는 기술이 있다. 그런데, 이 기술은 다량의 탄산 가스가 요구될 뿐만 아니라, 반응 시간이 지나치게 길어지는 문제점이 있다.

또한, 이러한 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술 중 다른 하나로, 가압 탱크 내부에 미리 고압의 탄산 가스를 주입한 후, 수산화 리튬 수용액을 액적(droplet) 상태로 분사하여 반응시키는 기술이 있다. 그런데, 이 기술은 액적의 분사 즉시 탱크 내부의 탄산 가스를 소모하여 순간적인 부압(negative pressure)을 유발하므로 매우 정밀한 압력 수단이 부가된 탄산가스 압력 유지용 설비를 요구한다.

또한, 분사된 수산화 리튬 수용액이 탄산 가스와 반응하는 과정이 가압 상태이므로 과잉의 탄산 가스가 용해된다. 결국, 탄산리튬 반응 이후 반응되지 않은 과잉의 탄산가스로 인하여 수산화 리튬 수용액의 pH가 최초 염기성 상태에서 중성 쪽으로 급격하게 pH가 떨어지게 된다. pH 저하 과정에서 과잉의 탄산기는 탄산염 반응을 일으키게 되고, 결과적으로 제조된 탄산리튬이 수산화리튬 수용액으로 재용해(re-dissolving)되는 문제를 유발한다.

물론, 탄산 리튬의 재용해 문제는 pH를 정밀하게 조절함으로써 막을 수 있다. 그러나, 이미 수산화 리튬 수용액으로 용해된 탄산 가스의 반응 제어가 용이하지 않고 만약 pH 조절을 위하여 추가 반응물을 투여하게 되면 그로 인한 원치 않는 반응 부산물이 발생하고 이 반응 부산물을 제거하기 위한 추가 공정이 필요하게 되므로, 재용해 반응을 효과적으로 조절하는 것은 매우 어려우며, 결국 탄산 리튬의 제조 수율을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

본 발명의 여러 목적 중 하나는, 높은 효율 및 낮은 비용으로 고순도 및 고농도의 탄산염을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 측면은, 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스의 반응이 일어나는 챔버, 상기 챔버의 일 측에 구비되고, 상기 챔버 내로 탄산화 가스를 분사하는 송풍형 노즐, 및 상기 송풍형 노즐과 인접하여 위치하고, 상기 챔버 내로 탄산화 대상 용액의 액적(droplet)을 분사하는 액적 분무형 노즐을 포함하고, 상기 송풍형 노즐은 탄산화 가스의 분사 방향으로 직경이 증가하는 것을 특징으로 하는 탄산염 제조장치를 제공한다.

본 발명의 여러 효과 중 하나로서, 연속적인 분사 및 반응이 가능하여 탄산염 제조 효율이 우수하며, 전체 반응 공정이 상온 및 상압에서 이뤄져 낮은 비용으로 탄산염 제조가 가능한 장점이 있다.

본 발명의 여러 효과 중 하나로서, 탄산염 반응 이외의 부반응은 발생하지 않아 고순도 및 고농도의 탄산염을 얻을 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 여러 효과 중 하나로서, 탄산화 가스 분사 노즐과 탄산화 대상 용액 분사 노즐이 각각 별도로 형성되어, 보다 안정적으로 스케일-업 할 수 있는 장점이 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 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치에 있어서, 송풍형 노즐 및 액적 분무형 노즐이 구비된 탄산염 제조장치의 일 측을 확대하여 나타낸 확대도이다.

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 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 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치를 개략적으로 나타낸 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치는, 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1)의 반응이 일어나는 챔버(10); 상기 챔버(10)의 일 측에 구비되고, 상기 챔버(10) 내로 탄산화 가스(1)를 분사하는 송풍형 노즐(20), 및 상기 송풍형 노즐(20)과 인접하여 구비되고, 상기 챔버(10) 내로 탄산화 대상 용액(2)의 액적(droplet)을 분사하는 액적 분무형 노즐(30);을 포함한다.

챔버(10)는 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1) 간 반응이 일어나는 공간으로써, 챔버(10)의 일 측에는, 챔버(10) 내로 탄산화 가스(1)를 분사하는 송풍형 노즐(20)과 챔버(10) 내로 탄산화 대상 용액(2)의 액적(droplet)을 분사하는 액적 분무형 노즐(30)이 각각 구비된다.

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 회수부가 구비될 수 있다.

일 예에 따르면, 회수부는 슬러리로부터 탄산염을 여과하는 여과부(41)와 여과된 탄산염을 건조하는 건조부를 포함할 수 있다.

일 예에 따르면, 탄산염 제조장치(100)는 탄산염이 회수된 슬러리로부터 탄산화 대상 용액을 회수하여 액적 분무형 노즐(30)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, 챔버(10)의 타 측에 구비되고, 송풍형 노즐(20)로부터 분사된 미 반응의 탄산화 가스(1)를 회수하여 송풍형 노즐(20)로 재순환시키는 탄산화 가스 회수부(60)를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 탄산화 가스 회수부(60)를 통해 탄산화 가스를 재사용함으로써, 탄산화 가스를 효율적으로 사용할 수 있는 장점이 있다.

일 예에 따르면, 탄산화 가스 회수부(60)는, 회수되는 미 반응의 탄산화 가스를 일시적으로 보관하는 보조 챔버(70);와 챔버(10)와 보조 챔버(70) 간 압력 저하분에 상응하는 탄산화 가스를 보조 챔버(70)에 공급하는 탄산화 가스 공급 탱크(80);를 포함할 수 있다. 이 경우, 챔버(10)와 보조 챔버(70)는 동일한 용적을 가질 수 있다. 이와 같이, 회수되는 미 반응의 탄산화 가스를 보조 챔버(70)에 일시적으로 보관하고, 챔버(10)와 보조 챔버(70) 간 압력 차이를 통해 탄산화로 소모된 탄산화 가스의 양을 검출하고, 이를 바탕으로 그 소모된 양만큼의 탄산화 가스를 보조 챔버(70)에 공급하여 탄산염 제조장치(100) 내 탄산화 가스의 유량 및 내부 압력을 일정하게 할 수 있다.

일 예에 따르면, 챔버(10) 내부의 탄산화 가스를 탄산화 가스 회수부(60)로 인출하는 제2 송풍 장치(92)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제2 송풍 장치(92)의 구체적인 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 터보 블로워(turbo blower)일 수 있다. 이 경우, 미 반응의 탄산화 가스의 손실을 최소화함으로써 제조 비용을 절감할 수 있는 장점이 있다.

일 예에 따르면, 챔버(10)는 지면에 대해 일정 각도 기울어져 형성되어 있을 수 있으며, 이 경우, 탄산화 가스 회수부(60)는 챔버(10)의 타 측의 상단에, 회수부 및 탄산화 대상 용액 회수부(60)는 챔버(10)의 타 측의 하단에 각각 형성함으로써, 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1) 간 접촉에 의해 형성된 슬러리와 미 반응의 탄산화 가스가 자연스럽게 분리 회수되도록 할 수 있다.

이하에서는, 도 2를 참조하여 송풍형 노즐(20) 및 액적 분무형 노즐(30)에 대해 더욱 구체적으로 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄산염 제조장치에 있어서, 송풍형 노즐 및 액적 분무형 노즐이 구비된 탄산염 제조장치의 일 측을 확대하여 나타낸 확대도이다.

도 2를 참조하면, 송풍형 노즐(20)은 탄산화 가스(1)의 분사 방향으로 직경이 증가하는 것을 특징으로 한다.

도 2에 도시된 바와 같이 송풍형 노즐(20)의 직경이 탄산화 가스(1)의 분사 방향으로 증가할 경우, 송풍형 노즐(20)을 통해 흘러가는 동안 탄산화 가스(1)의 유량이 증가하면서 유속이 감소되게 되며, 결과적으로 송풍형 노즐(20)의 선단에 극단적인 저압부(P)를 형성하게 된다.

이 경우, 액적 분무형 노즐(30)을 통해 배출되는 탄산화 용액(2)의 액적은 송풍형 노즐(20)의 선단에 형성된 저압부(P)로 인입되어 미스트(mist)화 될 수 있으며, 이러한 미스트(mist) 내에서 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1)가 반응하여 탄산염(3)이 형성될 수 있다.

본 발명의 효과를 보다 극대화하기 위해서는 송풍형 노즐(20)을 통해 분사되는 탄산화 가스(1)가 고속으로 가속된 기체 흐름을 가지도록 함이 바람직하며, 이를 위해, 송풍형 노즐(20)에 탄산화 가스(1)를 공급하는 제1 송풍 장치(91)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 송풍 장치(91)의 구체적인 종류에 대해서는 특별히 한정하지 않으나, 예를 들면, 터보 블로워(turbo blower)일 수 있다.

일 예에 따르면, 액적 분무형 노즐(30)은 복수개일 수 있으며, 이 경우, 복수개의 액적 분무형 노즐(30)은 송풍형 노즐(20)의 원주를 따라 일정 간격 이격하여 배치될 수 있다.

한편, 탄산화 대상 용액(2)이 수산화리튬 수용액이고, 탄산화 가스(1)가 탄산 가스라고 할 때, 탄산염(3) 형성 반응은 아래 식 1 내지 3과 같은 반응 메커니즘을 통해 일어날 수 있다.

(식 1) 2Li⁺+2OH^-+CO_2(aq)+H₂O→2Li⁺+2OH^-+H₂CO_{3 (aq)}

(식 2) 2Li⁺+2OH^-+H⁺+HCO₃ ^-→2Li⁺+OH^-+HCO₃ ^-+H2O

(식 3) 2Li⁺+CO₃ ^{2 -}+2H₂O→Li₂CO_{3 (s)}+2H₂O

상기 식 1 내지 3을 통해 알 수 있듯이, 본 발명의 탄산염 제조장치 내 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1)의 반응에서는 탄산염(3) 외에는 물(H₂O)만 생성되게 되며, 탄산염 반응 이외의 부반응은 발생하지 않는다.

결국, 탄산화 대상 용액(2)과 탄산화 가스(1)가 반응한 전/후의 탄산화 대상 용액(2)의 pH는 거의 일정하게 유지되므로, 제조된 탄산염(3)이 반응이 끝난 탄산화 대상 용액으로 재용해가 일어나지 않게 된다. 이는 실제 공정에서 기술적 이점으로 작용하는 것으로서, 시간의 흐름에 관계 없이 제조된 탄산염(3)의 품질을 유지할 수 있어 공정 관리가 매우 쉽고 단순해지게 된다. 또한, 여과액 중에 잔존하는 미반응 양이온을 재반응 시키더라도 pH의 변동이 없으므로 수차례에 걸쳐 원하는 수준의 회수율을 얻을 때까지 재반응 시킬 수 있는 장점을 지닌다. 또한, 전체 반응 공정이 상온, 상압에서 이루어져 챔버(10)가 단순하게 구성될 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명의 탄산염 제조장치(100)는, 탄산화 가스와 탄산화 대상 용액을 하나의 노즐을 통해 동시에 분사하는 2액형 분사 노즐을 채용한 종래의 탄산염 제조장치와 달리, 탄산화 가스(1)를 분사하는 송풍형 노즐(20)과 탄산화 대상 용액을 분사하는 액적 분무형 노즐(30)이 각각 별도로 형성되어 용액의 압력 조절 및 분사량 조절이 단일 용액의 설계치를 반영하기 때문에, 보다 안정적으로 스케일-업 할 수 있는 장점을 가진다.

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: 챔버
20: 송풍형 노즐 30: 액적 분무형 노즐
41: 여과부 50: 탄산화 대상 용액 회수부
60: 탄산화 가스 회수부 70: 보조 챔버
80: 탄산화 가스 공급 탱크 91: 제1 송풍 장치
92: 제2 송풍 장치 100: 탄산염 제조 장치
P: 저압부

Claims (11)

1. 탄산화 대상 용액과 탄산화 가스의 반응이 일어나는 챔버; 상기 챔버의 일 측에 구비되고, 상기 챔버 내로 탄산화 가스를 분사하는 송풍형 노즐; 및 상기 송풍형 노즐과 인접하여 위치하고, 상기 챔버 내로 탄산화 대상 용액의 액적(droplet)을 분사하는 액적 분무형 노즐;을 포함하고,
   상기 송풍형 노즐은 탄산화 가스의 분사 방향으로 직경이 증가하며, 상기 액적 분무형 노즐을 통해 분사되는 탄산화 대상 용액의 액적은 상기 송풍형 노즐의 선단에 형성된 저압부로 인입되어 미스트(mist)화 되는 것을 특징으로 하는 탄산염 제조장치.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 송풍형 노즐에 상기 탄산화 가스를 공급하는 제1 송풍 장치를 더 포함하는 탄산염 제조장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 액적 분무형 노즐은 복수개이고, 상기 복수개의 액적 분무형 노즐은 상기 송풍형 노즐의 원주를 따라 일정 간격 이격하여 배치되는 탄산염 제조장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 챔버의 타 측에 구비되고, 상기 챔버 내에서 형성된 슬러리로부터 탄산염을 회수하는 회수부를 더 포함하는 탄산염 제조장치.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 회수부는 상기 슬러리로부터 탄산염을 여과하는 여과부를 포함하는 탄산염 제조장치.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 회수부는 상기 여과된 탄산염을 건조하는 건조부를 포함하는 탄산염 제조장치.
   
8. 제5항에 있어서,
   상기 탄산염이 회수된 슬러리로부터 탄산화 대상 용액을 회수하여 상기 액적 분무형 노즐로 재순환시키는 탄산화 대상 용액 회수부를 더 포함하는 탄산염 제조장치.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 챔버의 타 측에 위치하고, 상기 송풍형 노즐로부터 분사된 탄산화 가스를 회수하여 상기 송풍형 노즐로 재순환시키는 탄산화 가스 회수부를 더 포함하는 탄산염 제조장치.
   
10. 제9항에 있어서,
    상기 탄산화 가스 회수부는, 상기 회수되는 탄산화 가스를 일시적으로 보관하는 보조 챔버; 및 상기 챔버와 상기 보조 챔버 간 압력 저하분에 상응하는 탄산화 가스를 상기 보조 챔버에 공급하는 탄산화 가스 공급 탱크;를 포함하는 탄산염 제조장치.
    
11. 제9항에 있어서,
    상기 탄산화 가스 회수부는, 상기 챔버 내부의 탄산화 가스를 상기 탄산화 가스 회수부로 인출하는 제2 송풍 장치를 더 포함하는 탄산염 제조장치.

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