KR102070687B1 - 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법 - Google Patents

상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 발열반응 챔버(100)를 포함하는 수산화암모늄 제조공정 및 흡열반응 챔버(200)를 포함하는 요소수 제조공정이 동시에 수행되는 제조공정으로서, 내부에 작동유체가 수용되고, 발열반응 챔버(100) 및 흡열반응 챔버(200)와 열교환이 되도록 연결된 열전달 파이프(300)가 구비되며, 발열반응 챔버(100)와 열교환이 가능하도록 배치된 열 흡수부(310)가 구비되고, 흡열반응 챔버(200)와 열교환이 가능하도록 배치된 열 방출부(320)가 구비되어, 열전달 파이프(300)는 열 흡수부(310)와 열 방출부(320)와 열교환이 되도록 결합되는 것을 특징으로 한다.

Description

상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법{Co-production method of ammonium hydroxide and urea by Mutual heat exchange}
본 발명은 수산화암모늄 및 요소수의 동시제조방법에 관한 것이다. 구체적으로는 열에너지를 상호 교환하는 에너지 절약형(energy saving) 동시 제조방법에 관한 것이다.
요소수(尿素水, Urea)는 액상의 화학물질로서 우리가 흔히 알고 있는 요소비료의 원료인 요소(Urea)와 순수한 물(Water)을 혼합하여 만든 요소함량 32.5%의 화학물질이다.
질소산화물은 발전소나 내연기관 그리고 질산공장 등에서 주로 발생하며, 이의 종류로는 일산화질소, 이산화질소, 삼산화질소, 일산화이질소, 삼산화이질소, 사산화이질소, 오산화이질소의 7종이 존재하는 것으로 알려져 있다. 그러나, 대기중에 존재하는 것은 일산화이질소, 일산화질소, 이산화질소가 대부분이다.
일반적으로 질소산화물(NOx)이라 함은 일산화질소와 이산화질소를 말하며, 대부분의 발전소나 자동차 등에서 발생되는 질소산화물은 일산화질소의 형태이다. 이러한 질소산화물들은 기관지염 폐렴 등 각종 호흡기 질환을 일으키며, 광학 스모그와 산성비의 주요 원인이 되고 있으므로 이의 저감을 위한 기술개발이 필요하다.
요소수는 NOx(질소산화물)를 정화하는 기술에 사용되며, 대형 승용 디젤차의 배기 가스 정화 시스템 등에 이용되고 있다. 이 배기가스 정화 시스템은, 암모니아(NH3)가 질소산화물(NOx)과 화학 반응함으로써 질소(N2)와 물(H2O)로 환원되는 성질을 이용한 것이지만, 암모니아를 직접 차량에 싣는 것은 안전상의 이유에서 곤란하기 때문에, 일반적으로 요소수가 사용되고 있다.
한편, 기존 수산화암모늄의 공정은 암모니아와 물을 혼합하여 용해하는 것이 일반적인 공정으로 수산화암모늄 제조는 발열반응으로 별도의 냉각장치의 설치가 필수적이다. 이로 인해 냉각장치 등의 부대설비가 필수적이며, 이로 인한 에너지 비용이 소요되어 생산단가 절감에 방해가 되고 있다.
반면, 요소수의 제조 공정은 순수의 온도를 40℃ 이상으로 가온 후 요소를 투입하고 액체 순환식 펌프를 통해 용해시킨다. 요소는 물에 용해 시 흡열반응으로써 가온하는 것이 필수적이며, 저온에서는 용해성이 떨어지기 때문에 반드시 물을 가온하여 용해하여야 한다. 이를 위해 스팀에너지를 이용하는 등의 방식으로 물을 가열하여야 하므로 다량의 에너지를 소모되는 문제점이 있다.
또한, 수산화암모늄 및 요소수를 제조하기 위해서는 정수설비가 필수적이며 순도에 중요한 영향을 주는 요인이 물이기 때문에 고순도 혹은 초고순도의 수산화암모늄 및 요소수를 제조하기 위해서는 초순수 설비 혹은 초고순도 설비의 설치가 필수적이므로 이에 대한 설비비용이 매우 크다.
(문헌 1) 대한민국 등록특허공보 제10-1544503호 (2015.08.07)
본 발명에 따른 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법은 다음과 같은 해결과제를 가진다.
첫째, 수산화암모늄과 요소수를 동시에 제조하고자 한다.
둘째, 이를 통해 공정을 단축시키고자 한다.
셋째, 양 제조공정에서의 열을 상호교환하고자 한다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급한 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어질 수 있을 것이다.
본 발명은 발열반응 챔버를 포함하는 수산화암모늄 제조공정 및 흡열반응 챔버를 포함하는 요소수 제조공정이 동시에 수행되는 제조공정으로서, 내부에 작동유체가 수용되고, 발열반응 챔버 및 흡열반응 챔버와 열교환이 되도록 연결된 열전달 파이프가 구비되며, 발열반응 챔버와 열교환이 가능하도록 배치된 열 흡수부가 구비되고, 흡열반응 챔버와 열교환이 가능하도록 배치된 열 방출부가 구비되어, 열전달 파이프는 열 흡수부와 열 방출부와 열교환이 되도록 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 열 흡수부 및 열 방출부는 챔버 내부 및 챔버 외부 중 적어도 한 곳에 배치되는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 열전달 파이프는 적어도 하나의 히트 파이프(heat pipe)로 구비되는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 열전달 파이프는 탈착가능한 히트파이프(heat pipe) 모듈부와 연통 결합되는 것이 가능하다.
본 발명은 발열반응 챔버를 포함하는 수산화암모늄 제조공정 및 흡열반응 챔버를 포함하는 요소수 제조공정이 동시에 수행되는 제조공정으로서, 내부에 작동유체가 수용되고, 발열반응 챔버 및 흡열반응 챔버와 열교환이 되도록 연결된 열전달 파이프가 구비되며, 발열반응 챔버와 열교환이 가능하도록 배치된 열 흡수부가 구비되고, 흡열반응 챔버와 열교환이 가능하도록 배치된 열 방출부가 구비되어, 열전달 파이프는 열 흡수부 및 열 방출부와 열교환이 되도록 결합되며, 발열반응 챔버를 냉각시키는 추가 냉각부 및 흡열반응 챔버를 가열하는 추가 가열부가 각각 별도 구비되며, 발열반응 챔버 및 흡열반응 챔버의 내부 온도를 제어하는 제어부가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 있어서, 열 흡수부 및 열 방출부는 챔버 내부 및 챔버 외부 중 적어도 한 곳에 배치되는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 발열반응 챔버의 내부 온도가 기 설정된 반응온도에 도달되지 않을 때에는, 제어부가 추가 냉각부를 구동하며, 흡열반응 챔버의 내부온도가 기 설정된 반응온도에 도달되지 않을 때에는, 제어부가 추가 가열부를 구동하는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 열전달 파이프는 복수개로 구비되며, 제어부에 의해 각 열전달 파이프의 작동 여부가 제어되는 것이 가능하다.
본 발명에 있어서, 열전달 파이프는 탈착가능한 히트파이프(heat pipe) 모듈부와 연통 결합되는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 수산화암모늄과 요소수를 동시에 제조하는 효과가 있다.
둘째, 양 제조공정이 병합되면서, 실제 공정이 단축되는 효과가 있다.
셋째, 양 제조공정에서의 열에너지가 상호교환되면서, 에너지가 절약되는 효과가 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해되어 질 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 발열반응 챔버 및 흡열반응 챔버가 구비된 공정의 개념도이다.
도 2 및 도 4는 본 발명에 있어서 제어부가 미구비된 실시예를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 있어서 제어부가 구비된 실시예를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 설명한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 이해할 수 있는 바와 같이, 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.
본 명세서에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지는 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다.
본 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.
본 명세서에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 발명은 발열반응에서 발생되는 열에너지를, 열에너지를 필요로 하는 흡열반응에 전달하면서 열에너지를 효율적으로 사용하는 것에 관한 기술이다. 단순히 열에너지를 전달(교환)하는 것뿐만 아니라, 발열반응챔버에서의 발열반응과 흡열반응챔버에서의 흡열반응이 원활히 수행되도록 하는 기술적 구성을 추가로 구비하는 것이 본 발명의 기술적 특징이다.
본 발명은 발열반응 챔버(100)를 포함하는 수산화암모늄 제조공정 및 흡열반응 챔버(200)를 포함하는 요소수 제조공정이 동시에 수행되는 제조공정에 관한 것이다.
본 발명에 따른 실시예는 제어부가 구비되지 않은 실시예와 제어부(600)가 구비된 실시예로 구분될 수 있다. 제어부가 구비되지 않은 실시예에서는 열전달 파이프를 통해 계속적으로 열교환이 일어나게 된다. 제어부가 구비된 실시예에서는 각 반응챔버의 내부 온도 등을 고려하여, 제어부가 열교환의 정도를 제어하며, 필요시 추가적인 열공급 또는 열흡수를 수행하도록 제어하게 된다.
이하에서는 먼저 제어부가 구비되지 않은 실시예를 먼저 설명한다.
본 발명은 발열반응 챔버(100)를 포함하는 수산화암모늄 제조공정 및 흡열반응 챔버(200)를 포함하는 요소수 제조공정이 동시에 수행되는 제조공정에 관한 것으로서, 내부에 작동유체가 수용되고, 상기 발열반응 챔버(100) 및 상기 흡열반응 챔버(200)와 열교환이 되도록 연결된 열전달 파이프(300)가 구비되며, 상기 발열반응 챔버(100)와 열교환이 가능하도록 배치된 열 흡수부(310)가 구비되고, 상기 흡열반응 챔버(200)와 열교환이 가능하도록 배치된 열 방출부(320)가 구비되어, 상기 열전달 파이프(300)는 상기 열 흡수부(310)와 상기 열 방출부(320)와 열교환이 되도록 결합되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 열 흡수부(310) 및 열 방출부(320)는 챔버 내부 및 챔버 외부 중 적어도 한 곳에 배치되는 것이 가능하다. 도 2에 예시된 코일형태의 열흡수부(310) 및 열 방출부(320)는 반응챔버 내부에 배치되는 것을 나타낸 것이다. 반응챔버 외부에 배치되는 경우, 반응챔버 외벽에 밀착되는 재킷 형태 등으로 구현될 수도 있다.
본 발명에 따른 열전달 파이프(300)는 내부에 작동유체가 장입되어, 열에너지를 흡수한 작동유체가 이동한 후, 열에너지를 방출하는 방식으로 순환되는 구조이다. 이 실시예는 일반적인 열전달 파이프(300)의 실시예에 해당된다. 작동유체는 공지의 다양한 작동유체가 적용될 수 있다.
본 발명에 따른 히트파이프는 적어도 하나의 히트 파이프(heat pipe)로 구비되는 것도 가능하다(도 3 참조).
히트 파이프는 밀폐된 용기내에 작동 유체를 주입한 후 진공 배기한 것인데 한쪽 끝을 가열하면 내부의 작동유체가 기화되어 압력차에 의해 다른 쪽으로 이동하고, 주변으로 열을 방출한 후 다시 응축의 과정을 거쳐 가열부로 귀환하는 구조로 되어 있다.
히트파이프 작동의 핵심 부품인 윅(wick)은 응축부에서 증발부로 액체 상태의 작동 유체를 되돌려 보내는 내부의 모세관(capillary tube) 구조물로서, 보통 메쉬(mesh) 또는 그루브(groove)의 형상을 가지는데, 이것은 액체의 표면 장력에 의한 모세관 현상을 일으킨다. 액체의 귀환에는 모세관 외에도 전자기력, 원심력, 삼투압, 혹은 중력 등을 이용할 수 있다.
본 발명에 따른 열전달 파이프(300)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 탈착가능한 히트파이프(heat pipe) 모듈부(300a)와 연통 결합되는 것이 가능하다. 본 실시예는 일반적인 열전달파이프(300)가 히트파이프 모듈부(300a)와 탈부착 가능하게 결합되는 실시예이다.
다음으로, 제어부가 구비된 실시예를 설명한다. 제어부가 미구비된 실시예와 동일한 기술구성보다 차별성있는 기술구성을 위주로 설명하고자 한다.
본 발명은 발열반응 챔버(100)를 포함하는 수산화암모늄 제조공정 및 흡열반응 챔버(200)를 포함하는 요소수 제조공정이 동시에 수행되는 제조공정으로서, 내부에 작동유체가 수용된다.
발열반응 챔버(100) 및 흡열반응 챔버(200)와 열교환이 되도록 연결된 열전달 파이프(300)가 구비되며, 발열반응 챔버(100)와 열교환이 가능하도록 배치된 열 흡수부(310)가 구비되고, 흡열반응 챔버(200)와 열교환이 가능하도록 배치된 열 방출부(320)가 구비되어, 열전달 파이프(300)는 상기 열 흡수부(310) 및 열 방출부(320)와 열교환이 되도록 결합된다.
또한, 발열반응 챔버(100)를 냉각시키는 추가 냉각부(400) 및 흡열반응 챔버(200)를 가열하는 추가 가열부(500)가 각각 별도 구비되며, 발열반응 챔버(100) 및 흡열반응 챔버(200)의 내부 온도를 제어하는 제어부(600)가 구비되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 열 흡수부(310) 및 열 방출부(320)는 챔버 내부 및 챔버 외부 중 적어도 한 곳에 배치되는 것이 가능하다.
본 실시예에 따른 발열반응 챔버(100)와 흡열반응 챔버(200)는 그 내부온도가 반응온도에 도달하였는지를 측정하는 공지의 온도센서를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 제어부(600)는 유선 또는 무선으로 여러 구성요소로부터 다양한 값을 전달받아 분석하며, 나아가 여러 구성요소의 동작을 제어하는 기능을 한다. 예를 들어, 제어부(600)는 각 반응챔버로부터 내부온도 값을 전달받아 기 설정된 반응온도와 대비를 할 수 있다. 대비 결과에 따라 반응이 이루어지도록 다른 구성요소의 작동을 유무선을 통해 제어할 수 있는 것이다.
한편, 제어부(600)에 의해 제어되는 추가 냉각부(400)와 추가 가열부(500)를 별도로 구비할 수 있다.
본 발명에 있어서, 발열반응 챔버(100)의 내부 온도가 기 설정된 반응온도에 도달되지 않을 때에는, 제어부(600)가 추가 냉각부(400)를 구동하는 것이 가능하다. 또한, 흡열반응 챔버(200)의 내부온도가 기 설정된 반응온도에 도달되지 않을 때에는, 제어부(600)가 추가 가열부(500)를 구동하는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 열전달 파이프(300)는 복수 개로 구비되며, 제어부(600)에 의해 각 열전달 파이프(300)의 작동 여부가 제어되는 것이 가능하다.
본 발명에 따른 열전달 파이프(300)는 탈착가능한 히트파이프(heat pipe) 모듈부(300a)와 연통 결합되는 것이 가능하다.
본 명세서에서 설명되는 실시예와 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 예시적으로 설명하는 것에 불과하다. 따라서, 본 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아님은 자명하다. 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시 예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 발열반응 챔버 200 : 흡열반응 챔버
300 : 열전달 파이프 310 : 열 흡수부
320 : 열 방출부 300a : 히트파이프 모듈부
400 : 추가 냉각부 500 : 추가 가열부
600 : 제어부

Claims (9)

  1. 발열반응 챔버를 포함하는 수산화암모늄 제조공정 및 흡열반응 챔버를 포함하는 요소수 제조공정이 동시에 수행되는 제조공정으로서,
    내부에 작동유체가 수용되고, 상기 발열반응 챔버 및 상기 흡열반응 챔버와 열교환이 되도록 연결된 열전달 파이프가 구비되며,
    상기 발열반응 챔버와 열교환이 가능하도록 배치된 열 흡수부가 구비되고, 상기 흡열반응 챔버와 열교환이 가능하도록 배치된 열 방출부가 구비되어,
    상기 열전달 파이프는 상기 열 흡수부와 상기 열 방출부와 열교환이 되도록 결합되며, 상기 열전달 파이프는 적어도 하나의 히트 파이프로 구비되는 것을 특징으로 하는 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열 흡수부 및 상기 열 방출부는 챔버 내부 및 챔버 외부 중 적어도 한 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 열전달 파이프는 탈착가능한 히트파이프 모듈부와 연통 결합되는 것을 특징으로 하는 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법.
  5. 발열반응 챔버를 포함하는 수산화암모늄 제조공정 및 흡열반응 챔버를 포함하는 요소수 제조공정이 동시에 수행되는 제조공정으로서,
    내부에 작동유체가 수용되고, 상기 발열반응 챔버 및 상기 흡열반응 챔버와 열교환이 되도록 연결된 열전달 파이프가 구비되며,
    상기 발열반응 챔버와 열교환이 가능하도록 배치된 열 흡수부가 구비되고, 상기 흡열반응 챔버와 열교환이 가능하도록 배치된 열 방출부가 구비되어, 상기 열전달 파이프는 상기 열 흡수부 및 상기 열 방출부와 열교환이 되도록 결합되며,
    상기 발열반응 챔버를 냉각시키는 추가 냉각부 및 상기 흡열반응 챔버를 가열하는 추가 가열부가 각각 별도 구비되며,
    상기 발열반응 챔버 및 상기 흡열반응 챔버의 내부 온도를 제어하는 제어부가 구비되는 것을 특징으로 하는 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열 흡수부 및 상기 열 방출부는 챔버 내부 및 챔버 외부 중 적어도 한 곳에 배치되는 것을 특징으로 하는 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 발열반응 챔버의 내부 온도가 기 설정된 반응온도에 도달되지 않을 때에는, 상기 제어부가 상기 추가 냉각부를 구동하며,
    상기 흡열반응 챔버의 내부온도가 기 설정된 반응온도에 도달되지 않을 때에는, 상기 제어부가 상기 추가 가열부를 구동하는 것을 특징으로 하는 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 열전달 파이프는 복수개로 구비되며,
    상기 제어부에 의해 각 열전달 파이프의 작동 여부가 제어되는 것을 특징으로 하는 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 열전달 파이프는 탈착가능한 히트파이프 모듈부와 연통 결합되는 것을 특징으로 하는 상호 열교환에 의한 수산화암모늄 및 요소수의 동시 제조방법.
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