KR102265495B1 - 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기는 압력챔버와, 상기 압력챔버 하단에 결합되어 탄산화 반응을 개시하는 반응챔버와, 상기 반응챔버 하단에 결합되어 생산물이 주입되는 홀딩챔버로 이루어지고, 상기 압력챔버에는 원료가 주입되는 인렛배관의 하단에 배치되며, 내측에 복수의 관통홀이 형성된 디스트리뷰터를 포함한다.

Description

수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기{CARBONATION REACTOR FOR IMPROVING MEMBRANE STABILITY}
본 발명은 탄산화 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 스케일(scale)을 저감할 수 있도록 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기에 관한 것이다.
수산화리튬(LiOH)에서 탄산리튬(Li2CO3) 형태로 리튬(Li)을 추출하기 위해 주로 사용되는 방법은 탄산나트륨(Na2CO3)을 투입하여 탄산리튬(Li2CO3)으로 회수하거나, 이산화탄소(CO2)를 버블링(Bubbling) 또는 상부에서 주입하여 탄산리튬(Li2CO3)으로 생산하는 방법이 있다.
이 중 이산화탄소(CO2)를 주입하여 탄산리튬(Li2CO3)을 생산하게 될 경우 탄산나트륨(Na2CO3)에 비해 생산단가를 상대적으로 많이 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 이산화탄소(CO2) 이외의 불순물을 주입하지 않기 때문에 생산되는 탄산리튬(Li2CO3) 순도에도 영향을 미치지 않는 장점이 있다.
하지만 이산화탄소(CO2)를 주입하는 방법은 종래에 단순 회분식 반응기 또는 단순 블로잉(Blwoing)식 반응기를 사용해왔다.
그러나 탄산나트륨(Na2CO3)을 사용하는 방법에 비해 반응속도가 느리고, 탄산리튬(Li2CO3)이 벽면에 부착물처럼 성장하여 주기적으로 이를 제거해 줘야 한다는 단점이 있다.
즉, 버블링을 이용하여 탄산을 공급할 경우 버블링 라인(Bubbling line)에 부착물이 발생하여 가스 배관라인이 막히게 된다. 이때 발생하는 부착물들의 성분은 탄산리튬(Li2CO3)과 동일하나, 부착물이 반응기 벽면과 강한 점착성을 가지며 부착물의 밀도가 높아 외부 노출 표면적은 부피대비 굉장히 작다는 특성을 가지고 있다.
이러한 특징 때문에 발생한 부착물들을 제거하는데 기계, 화학적 방법을 사용하여도 상당한 시간이 소요되고, 이로 인해 반응기의 생산 중단으로 인한 가동률이 낮아지게 되고 결과적으로 생산 원가를 높이고 생산성이 떨어지는 원인이 된다.
따라서, 전술한 문제를 해결하기 위하여 수막 형성으로 인한 벽면 부착물 발생을 최소화하고 연속 반응기 도입을 통해 생산성을 향상시키는 반응기에 대한 연구가 필요하게 되었다.
국제공개번호 WO2015-102273 A1, 배플을 구비한 회분식 반응기(2014년12월18일 출원)
본 발명의 목적은 농축된 수산화리튬에 이산화탄소로 압력을 가하여 수산화리튬 수용액 내 이산화탄소를 용해시키고 반응하여 순환하는 연속 탄산화 반응기이며, 수막 안정성을 향상시켜 스케일을 저감하기 위해 복수의 관통홀이 형성된 디스트리뷰터(distributor)를 구비한 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기는, 압력챔버(pressure chamber)와, 상기 압력챔버 하단에 결합되어 탄산화 반응을 개시하는 반응챔버(reaction chamber)와, 상기 반응챔버 하단에 결합되어 생산물이 주입되는 홀딩챔버(holding chamber)로 이루어지고, 상기 압력챔버에는 원료가 주입되는 인렛(inlet)배관의 하단에 배치되며, 내측에 복수의 관통홀이 형성된 디스트리뷰터를 포함한다.
상기에 있어서, 디스트리뷰터는 원반 형상에 가운데가 하방으로 볼록한 형태로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 복수의 관통홀은 상호 대칭되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 복수의 관통홀은 방사형으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 반응챔버는 종방향으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 반응챔버는 하방으로 5~15도의 경사각을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 탄산화 반응기는 농축된 수산화리튬에 이산화탄소로 압력을 가하여 수산화리튬 수용액 내 이산화탄소를 용해시키고 반응하여 순환하는 연속 탄산화 반응기를 이용하여 생산성을 향상시키면서, 복수의 관통홀을 형성한 디스트리뷰터를 구비함으로써, 수막 안정성을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 높은 수막 안정성에 의해 수막 들뜸 현상 또는 수막 편류(수막 깨짐) 현상을 최소화함으로써, 벽면 부착물 또는 스케일(물 때)을 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기를 전체적으로 보인 도면이다.
도 2는 도 1의 압력챔버의 세부 구성을 보인 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스트리뷰터의 관통홀을 보인 개략적인 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기의 사용상태도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기를 전체적으로 보인 도면이며, 도 2는 도 1의 압력챔버의 세부 구성을 보인 도면이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스트리뷰터의 관통홀을 보인 개략적인 평면도이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기의 사용상태도이다.
본 발명의 탄산화 반응기(1)는 고농도의 리튬이 농축된 수산화리튬 수용액에 이산화탄소를 주입하여 용해시키고 반응하여 탄산리튬을 생산하며, 순환함으로써, 연속적인 생산이 가능한 연속 탄산화 반응기이다.
본 발명의 탄산화 반응기(1)는 압력챔버(20)와, 상기 압력챔버(20) 하단에 결합되어 탄산화 반응을 개시하는 반응챔버(30)와, 상기 반응챔버(30) 하단에 결합되어 생산물인 탄산리튬이 주입되는 홀딩챔버(40)를 포함한다.
압력챔버(20)는 탄산화 반응의 원료인 수산화리튬 수용액이 주입되는 인렛배관(12)이 상부 중앙에 배치되고, 인렛배관(12) 좌측에는 이산화탄소 주입을 위한 기체주입배관(13)이 배치된다.
또한, 압력챔버(20)는 이산화탄소 역류 방지를 위해 반응챔버(30)보다 대략 0.01 ~ 0.5 바(bar) 정도 높게 유지하여 운전이 이루어진다.
또한 압력챔버(20) 상부에는 에어 벤트 밸브(Air vent V/V, 미도시)를 설치하여 초기 가동시 불필요한 에어를 제거하도록 한다.
또한 탄산화 반응기(1) 가동시 압력챔버(20)는 항상 액상 레벨이 꽉 찬 상태로 유지하고 반응챔버(30)와 일정한 압력 차이를 가지고 가동하도록 한다.
또한 인렛배관(12)의 하단에는 내측에 복수의 관통홀(11)이 형성되는 디스트리뷰터(10)를 포함한다.
디스트리뷰터(10)는 원반 형상 또는 접시 형상에 가운데가 하방으로 볼록한 배플(Baffle) 형태로 이루어진다.
배플 형태의 디스트리뷰터(10)는 유체(수산화리튬 수용액)의 동압(動壓)을 분산시키는 역할을 한다.
인렛배관(12)에 설치되는 디스트리뷰터(10)는 인렛배관(12)과 일정 간격을 유지하도록 복수의 스틸(steel) 재질의 봉으로 접합되어 설치될 수 있다.
또한 디스트리뷰터(10)의 복수의 관통홀(11)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상호 대칭되도록 형성되고, 방사형으로 배치된다.
또한 관통홀(11)의 크기는 10~50 mm 사이로 제작하고, 개수는 10~30개 범위에서 제작하는 것이 바람직하다. 특히 디스트리뷰터(10) 크기 대비 관통홀(11)의 1개의 면적은 1% 이하로 하는 것이 바람직하며, 디스트리뷰터(10) 내 전체 관통홀(11)의 면적 비율은 전체 디스트리뷰터(10)의 5~10% 사이로 하는 것이 바람직하다.
또한 관통홀(11)은 도 3에 도시된 바와 같이, 중심부를 시작으로 동심원을 따라 겹겹히 배치하며, 한 원 안에 배치하는 관통홀(11)은 20개 이하로 한다. 또한 디스트리뷰터(10)의 중심부를 따라 배치하는 동심원 겹은 1~7겹 사이로 하고, 동심원간 간격은 관통홀(11) 크기의 0.5 ~ 3배 사이로 한다.
반응챔버(30)는 종방향으로 경사지게 형성되어 대략 콘(cone) 형상을 이루게 됨에 따라 수막이 흔들리거나 깨지지 않고 직진성을 유지하도록 하며, 이를 위해 도 1에 도시된 바와 같이 하방으로 좁아지도록 5~15도의 경사각을 갖는 것이 바람직하다.
5도 미만인 경우 반응챔버(30)가 수직 형태에 가까워 수막 형성이 잘 이루어지지 않을 수 있으며, 15도를 초과하는 경우 유체가 내려오는 높이가 낮아지며, 반응 표면적이 줄어들기 때문에 결과적으로 반응속도가 느려지고, 반응이 제때 이루어지지 못하는 문제가 발생할 수 있기 때문에, 경사각은 5~15도 사이가 바람직한 것이다.
반응챔버(30)와 압력챔버(20) 사이에는 링노즐 플레이트(ring nozzle plate, 25)가 마련되며, 링노즐 플레이트(25)는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 다이아몬드 형태로 제작된다.
링노즐 플레이트(25)와 외부 케이스(미도시) 간에는 가이드(미도시)가 설치되어 안정적으로 수막이 형성되도록 보조할 수 있으며, 링노즐 플레이트(25) 중심부에는 노즐을 뚫어 유입되는 유체가 반응챔버(30) 가운데로 분사되도록 할 수 있다.
나아가 반응챔버(30) 내부에는 발생되는 내부가스를 일정량 외부로 배출시키기 위해 컨트롤 밸브(control valve, 미도시)가 설치될 수 있다.
홀딩챔버(40)는 생산물인 탄산리튬이 주입되는 공간을 제공하며, 주입되는 탄산리튬의 볼륨(volume)을 고려하여 설계되며, 서큘레이션(circulation)할 수 있는 라인이 설치된다.
또한 홀딩챔버(40)에는 일부 발생되는 벽면 부착물이나 스케일을 제거하기 위한 분사 노즐을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 탄산화 반응기(1)는 디스트리뷰터(10)의 복수의 관통홀(11)을 통해 링노즐 플레이트(25)의 링노즐에서 일종의 편류를 형성하게 되는데, 이는 수막을 두껍게 하고, 반응챔버(30)의 경사면을 따라 흐르는 수막의 직진성을 강화하게 되어 결과적으로 안정적으로 수막이 유지되게 한다.
본 발명의 탄산화 반응기(1)를 통해 생성되는 수막의 두께를 도 4에 도시하고 있으며, 수막이 안정적으로 직진성을 유지하는 것을 알 수 있다.
또한, 본 발명과 종래의 반응기의 수막 두께 변화를 비교한 예를 표 1에 도시하고 있다.
구분 a 구간 b 구간 c 구간 d 구간 e 구간
실시예 3.49 3.89 4.00 4.08 4.27
비교예 3.49 3.82 4.17 4.67 5.04
표 1에서 실시예는 본 발명의 탄산화 반응기(1)에서 도 4의 a구간부터 e구간까지 수막 두께 변화를 수치화한 것이고, 비교예는 종래의 관통홀이 없는 형태로 반응챔버(30)를 갖는 반응기(1)에 대한 수막 두께 변화를 수치화한 것이다.
비교예는 하부로 갈수록 두께 변화가 커져 직진성이 떨어지고 스플레쉬(splash) 현상이 발생할 수 있으나, 본 발명의 실시예는 하부로 가더라도 도 4에 도시된 바와 같이, 두께 변화가 적어 직진성을 유지하고 스플레쉬되는 유체가 거의 없기 때문에 결과적으로 수막을 안정적으로 형성할 수 있음으로 보여준다.
1 : 탄산화 반응기
10 : 디스트리뷰터
11 : 관통홀
12 : 인렛배관
13 : 기체주입배관
20 : 압력챔버
25 : 링노즐 플레이트
30 : 반응챔버
40 : 홀딩챔버

Claims (6)

  1. 압력챔버와, 상기 압력챔버 하단에 결합되어 탄산화 반응을 개시하는 반응챔버와, 상기 반응챔버 하단에 결합되어 생산물이 주입되는 홀딩챔버로 이루어지고,
    상기 압력챔버에는
    원료가 주입되는 인렛배관의 하단에 배치되며, 내측에 복수의 관통홀이 형성된 디스트리뷰터를 포함하되,
    상기 디스트리뷰터는
    원반 형상에 가운데가 하방으로 볼록한 배플 형태로 이루어지며,
    상기 관통홀은
    중심부를 시작으로 동심원을 따라 배치하되, 디스트리뷰터 내 전체 관통홀의 면적 비율은 전체 디스트리뷰터 면적의 5~10% 사이로 하며,
    상기 반응챔버는
    종방향으로 경사지게 형성되되, 하방으로 5~15도의 경사각을 갖는 것을 특징으로 하는 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 관통홀은
    상호 대칭되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 관통홀은
    방사형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 수막 안정성 향상을 위한 탄산화 반응기.
  5. 삭제
  6. 삭제
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