KR102433174B1 - 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치 및 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 연소후 발생하는 배가스에 포함된 이산화탄소를 탄산나트륨과 반응시켜 고순도의 중탄산나트륨을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치는, 반응조(10); 상기 반응조(10)의 상부에 외부로부터 탄산나트륨 수용액이 유입되는 용액유입구(11); 상기 반응조(10)의 하부에 연소배가스가 배출되는 배기라인으로부터 이산화탄소가 포함된 가스가 유입되는 가스유입구(12); 및 상기 반응조(10) 내에 배치된 확산판(15); 를 포함하고, 상기 반응조(10)에서 상기 탄산나트륨 수용액은 상부로부터 하부를 향하여 유동하고, 상기 가스는 하부로부터 상부로 유동하면서 상기 탄산나트륨과 상기 이산화탄소의 반응물인 중탄산나트륨이 형성하되, 상기 확산판(15)은 하부로 갈수록 폭이 넓어져, 상기 확산판(15)에 의해 확산된 상기 탄산나트륨 수용액과 상기 이산화탄소의 반응을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

Description

배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치 및 제조방법{METHOD AND APPARATUS OF HIGH PURITY SODIUM BICARBONATE PRODUCTION USING FLUE GAS}
본 발명은 연소후 발생하는 배가스에 포함된 이산화탄소를 탄산나트륨과 반응시켜 고순도의 중탄산나트륨을 제조하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
화력발전에서는 화석연료의 연소후 배가스가 발생한다.
이러한 배가스는 유해 물질 또는 지구 온난화를 유발하는 온실 가스가 포함되어 있어, 상기 배가스는 정화가 요구된다.
상기 배가스에 포함된 온실 가스, 즉 이산화탄소를 처리하는 기술의 하나로서, 상기 이산화탄소를 포집하여 저장하는 이산화탄소 포집 저장 기술(CCS, Carbon Capture and Storage) 기술이 적용되고 있다.
그러나, 상기 이산화탄소 포집 저장 기술은 상기 이산화탄소를 포집하고 저장하기 위해 많은 비용이 소요되고, 포집 및 저장된 이산화탄소는 재활용되지 못하였다.
KR 10-2002479 B1 (2019.07.16, 명칭 : 고순도　중탄산나트륨　제조 시스템)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 화석연료를 사용하는 화력발전후 발생하는 배가스에 포함된 이산화탄소를 탄산나트륨과 반응시켜 고순도의 중탄산나트륨을 제조할 수 있도록 한 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치 및 제조방법을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치는, 반응조; 상기 반응조의 상부에 외부로부터 탄산나트륨 수용액이 유입되는 용액유입구; 상기 반응조의 하부에 연소배가스가 배출되는 배기라인으로부터 이산화탄소가 포함된 가스가 유입되는 가스유입구; 및 상기 반응조 내에 배치된 확산판;를 포함하고, 상기 반응조에서 상기 탄산나트륨 수용액은 상부로부터 하부를 향하여 유동하고, 상기 가스는 하부로부터 상부로 유동하면서 상기 탄산나트륨과 상기 이산화탄소의 반응물인 중탄산나트륨이 형성하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응조의 높이는, 상기 반응조의 폭 또는 직경의 10배 내지 20배로 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 반응조에서 상기 용액유입구 보다 높게 상기 이산화탄소가 제거된 가스가 배출되는 가스배출구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 반응조의 하단에 상기 중탄산나트륨을 포함한 슬러리가 배출되는 슬러리배출구가 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 용액유입구로 유입되는 탄산나트륨 수용액의 농도는 30% 내지 40%인 것을 특징으로 한다.
상기 배기라인과 상기 가스유입구 사이에, 상기 가스를 냉각시키는 냉각기와, 상기 냉각기를 통과한 상기 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기가 순서대로 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 확산판은, 상기 가스가 상승되는 속도를 조절하고, 석출된 중탄산나트륨 슬러지를 분산시키기 위해, 상부는 폐쇄되고 하부로 갈수록 폭이 넓어지도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 확산판은 상기 반응조의 길이방향과 수직한 방향을 따라 복수의 확산판이 서로 평행하게 배열되는 것을 특징으로 한다.
상기 확산판은 상기 반응조의 길이방향을 따라 복수의 단으로 적층되게 배열되는 것을 특징으로 한다.
상하로 인접하는 상기 확산판은 서로 수직하게 교차하도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
일측에는 상기 반응조의 내부에 채워진 용액의 일부를 순환시키는 순환라인이 형성되고, 상기 순환라인에 상기 순환라인을 순환하는 용액을 가열시키는 열교환기가 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 열교환기는 상기 용액을 40℃ 내지 45℃로 가열시키는 것을 특징으로 한다.
상기 확산판은 하부로 갈수록 폭이 넓어져, 상기 확산판에 의해 확산된 상기 탄산나트륨 수용액과 상기 이산화탄소의 반응을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법은, 하부로 갈수록 폭이 넓어지도록 형성된 확산판이 내부에 배치된 반응조의 상부를 통하여 상기 반응조의 내부로 탄산나트륨 수용액을 유입시키는 탄산나트륨 수용액 유입 단계 및 상기 반응조의 하부를 통하여 상기 반응조의 내부로 연소배가스가 배출되는 배기라인을 통하여 배출되는 이산화탄소가 포함된 가스를 유입시키는 가스 유입 단계를 포함하고, 상기 반응조의 내부에서 상기 탄산나트륨 수용액과 상기 이산화탄소를 서로 반대방향으로 유동시켜 상기 탄산나트륨과 상기 이산화탄소의 반응물인 중탄산나트륨을 제조하되, 상기 확산판에 의해 확산된 상기 탄산나트륨 수용액과 상기 이산화탄소의 반응을 증가시키는 것을 특징으로 한다.
상기 탄산나트륨 수용액 유입 단계 이후, 상기 반응조의 내부로 유입되는 가스를 냉각시키는 가스 냉각 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 가스 냉각 단계 이후, 상기 냉각된 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분 제거 단계를 를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄산나트륨 수용액 유입 단계에서 유입되는 탄산나트륨 수용액의 농도는 30% 내지 40%인 것을 특징으로 한다.
상기 가스 유입 단계 이후에, 상기 반응조 내부의 반응물을 순환라인을 통하여 상기 반응물을 순환시키면서, 상기 순환라인에 설치된 열교환기로 상기 반응물을 가열시키는 반응물 가열 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응물 가열 단계는 상기 반응조을 40℃내지 45℃로 가열하는 것을 특징으로 한다.
상기 반응조의 내부에 생성된 상기 탄산나트륨이 포함된 슬러리를 세척하는 슬러리 세척 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 슬러리 세척 단계는 중탄산나트륨 수용액으로 세척하는 것을 특징으로 한다.
상기 중탄산나트륨 수용액은 전체 수용액의 중량대비 중탄산나트륨의 중량비가 7.7%인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치 및 제조방법에 따르면, 화석발전후 배출되는 배가스와 탄산나트륨 수용액을 반응시킴으로써, 배가스에 포함된 이산화탄소와 탄산나트륨이 반응하여 중탄산나트륨이 생성된다.
또한, 냉각과 수분이 제거된 상태로 배가스가 반응조로 유입되므로, 중탄산나트륨의 석출을 용이하게 한다.
아울러, 반응조의 내부에서 반응물을 가열하여, 반응속도를 높일 수 있다.
아울러, 중탄산나트륨 수용액으로 세척함으로써, 최종 생성물의 순도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치를 도시한 개략도.
도 2는 탄산나트륨과 중탄산나트륨의 용해도를 도시한 그래프.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치를 도시한 개략도.
도 4는 도3의 중탄산나트륨 제조 장치에서 확산판이 배열된 상태를 도시한 사시도.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치를 도시한 개략도.
도 6는 본 발명의 제4 실시예에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치를 도시한 개략도.
도 7은 본 발명에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법을 도시한 순서도.
이하 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치 및 제조방법에 대하여 자세히 설명하기로 한다.
본 발명은 탄산화반응 공정을 이용한다. 탄산화반응 공정은 이산화탄소(CO2)가 탄산나트륨(Na2CO3)및 물(H2O)과 반응하여 중탄산나트륨(NaHCO3)이 생성되는 반응이다.
상기 탄산화 반응의 화학식은 다음과 같다.
Na2CO3(aq)+CO2(g)+H2O(l)→2NaHCO3(aq)
상기 탄산화반응의 반응열(ΔH), 엔트로피(ΔS), 자유에너지(ΔG)는 다음과 같다.
ΔH(kJ/mol) ΔS(kJ/mol K) ΔG(298 K)
-129.09 -0.334 -29.56
[표 1] 탄산화반응 공정의 각 반응별 반응열(ΔH), 엔트로피(ΔS), 자유에너지(ΔG)
위의 표에서 확인 할 수 있는 바와 같이 탄산나트륨과 이산화탄소의 반응은 발열반응이고 자유에너지가 음의 값이기 때문에 상온에서 자발적으로 진행된다. 그러나 자유에너지의 절대값이 작은 편이기 때문에 반응속도가 느리고 발열량 또한 크지 않다. 따라서 본 공정의 경제성을 높이기 위해서는 상기 탄산화반응의 효율을 높이는 것이 가장 중요하다.
따라서, 본 발명의 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치는 상기 탄산화반응에서 경제성을 높이도록 구성된다.
도 1에는 본 발명의 제1 실시예에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치(1)가 도시되어 있다.
반응조(10)는 상하방향으로 길게 형성된 통형(筒形)으로 형성되어, 상기 반응조(10)의 내부에서 상기 탄산나트륨이 상기 이산화탄소와 반응하여 중탄산나트륨이 슬러리 형태로 석출되도록 한다.
상기 반응조(10)는 통형(筒形)로 형성된다. 상기 반응조(10)는 기본적으로 내부로 유입된 가스가 유출되지 않도록 상단이 폐쇄되고, 탄산나트륨 수용액이 반응하는 동안 저장하기 위하여 하단도 폐쇄된 형태를 갖는다.
상기 반응조(10)에는 상기 탄산화 반응의 원료가 되는 탄산나트륨 수용액과 이산화탄소가 유입되기 위한 용액유입구(11)와 가스유입구(12)가 형성된다.
상기 반응조(10)의 높이는 상기 반응조(10)의 폭 또는 직경의 10배 내지 20배로 형성된다. 이와 같이, 상기 반응조(10)가 상하방향으로 길게 형성되도록 함으로써, 탄산나트륨과 이산화탄소의 반응시간을 늘여, 생성물인 중탄산나트륨의 석출을 증대시킨다.
용액유입구(11)는 상기 반응조(10)의 일측, 바람직하게는 상기 반응조(10)의 상부에 형성된다. 상기 용액유입구(11)를 통하여, 탄산나트륨 수용액이 상기 반응조(10)의 내부로 유입되도록 한다. 상기 용액유입구(11)가 상부에 형성되어 있어서, 상기 반응조(10)로 유입된 탄산나트륨 수용액은 상기 반응조(10)의 하부를 향하여 이동한다. 상기 용액유입구(11)로 유입되는 탄산나트륨 수용액의 농도는 30% 내지 40%가 될 수 있다.
가스유입구(12)는 상기 반응조(10)에서 상기 용액유입구(11)와 이격되어, 상기 반응조(10)의 하부에 형성된다. 상기 가스유입구(12)는 상기 반응조(10)의 내부로 이산화탄소를 포함한 가스를 유입시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 상기 가스유입구(12)가 화력발전소의 상기 배기라인에 연결되어 상기 화력발전소에서 연소에 의해 발생하는 배가스(exhaust gas)가 상기 반응조(10)의 내부로 유입되도록 한다.
상기 가스유입구(12)는 하부에 형성되어 있어서, 이산화탄소를 포함한 배가스가 상기 반응조(10)의 내부에서 하부로부터 상방으로 유동하면서, 상기 탄산나트륨와 탄산화 반응한다. 상기 배가스는 상방으로 이동하고, 상기 탄산나트륨 수용액은 하방으로 이동하여, 서로 대향되게 이동하면서 탄산화 반응이 진행된다. 이때 중탄산나트륨의 용해도가 탄산나트륨의 용해도보다 훨씬 낮으므로(도 2 참조), 반응이 진행되면 중탄산나트륨은 슬러리 형태로 석출된다
상기 반응조(10)에는 상기 반응조(10)에서 반응을 마쳐 이산화탄소가 제거된 배가스가 외부로 배출되는 가스배출구(13)가 형성된다. 상기 가스배출구(13)는 상기 용액유입구(11)보다 높게 위치하고, 바람직하게는 상기 반응조(10)의 상단에 형성된다.
또한, 상기 반응조(10)의 하단에 상기 중탄산나트륨(NaHCO3)을 포함한 슬러리가 배출되는 슬러리배출구(14)가 형성된다.
상기 용액유입구(11), 상기 가스유입구(12), 상기 가스배출구(13) 및 상기 슬러리배출구(14)에 물질의 출입을 단속할 수 있는 밸브가 각각 설치될 수 있고, 상기 밸브는 원격으로 제어될 수 있다.
한편, 상기 반응조(10)에서 상기 탄산화반응시, 최종적으로 생성되는 중탄산나트륨의 순도를 높이기 위하여, 미반응 원료인 탄산나트륨을 제거해야 한다.
본 발명에서는 중탄산나트륨 슬러리를 두 물질의 용해도 차이를 이용하여 세척하여 고순도 중탄산나트륨을 생산하고 탄산나트륨이 포함된 세척 용액은 다시 반응조(10)의 내부로 유입되도록 한다. 이때, 순수(純水) 보다는 중탄산나트륨 용액을 사용하여 중탄산나트륨의 용출은 최소화하고, 탄산나트륨 등 불순문만 세척되도록 한다. 예를 들어 25℃ 물에서 중탄산나트륨과 탄산나트륨 혼합물은 각각 중량비 7.7%, 5.6%까지 용해될 수 있으므로, 세척액으로 전체 중탄산나트륨의 중량대비 중탄산나트륨 중량비가 7.7%인 수용액을 사용하여, 중탄산나트륨의 용해 손실은 최소화하고 탄산나트륨 불순물만 용해시켜서 제거할 수 있다. 이렇게 활용된 세척용액은 원료인 탄산나트륨을 추가로 용해시켜서 다시 반응조(10)로 주입하면 불순물로 제거되었던 탄산나트륨까지 다시 반응에 참여시킬 수 있기 때문에 세척으로 인한 수율의 손실없이, 고순도 고품위 중탄산나트륨을 생산 할 수 있게 된다.
도 3에는 본 발명의 제2 실시예에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치가 도시되어 있다.
본 실시예에서는 기본적으로 상기 제1 실시예의 중탄산나트륨 제조장치(1)와 같은 구조를 가지되, 추가적으로 내부에 확산판(15)이 형성되도록 한다.
상기 확산판(15)은 이산화탄소를 포함한 상기 가스가 상기 확산판(15)을 우회하여 상승하도록 함으로써 상승되는 속도를 조절한다. 상기 확산판(15)은 반응단면적과 반응공간을 증가하기 위하여, 하부는 개방되어 있고 상부로 갈수록 폭이 좁아지면서 상단은 폐쇄되는 형태로 형성된다. 상기 확산판(15)은 복수로 형성되어 상기 탄산나르륨 수용액과 이산화탄소의 접촉면적과 접촉시간을 늘인다.
일반적인 반응기에서는 반응 효율을 높이기 위해 내부에 충전물(Packed bed reactor)을 설치하지만, 본 반응에서는 슬러리가 충전물에 쌓이게 되고 이는 반응효율의 저하를 불러오며 심각한 경우 슬러리에 의해서 반응기가 막혀서 공정을 멈추게 하는 원인이 된다. 이를 피하기 위해 내부 충전물이 없는 기포탑 반응기(bubble column reactor)를 도입하게 되면 슬러리 막힘은 피할 수 있지만 반응 효율이 저하된다는 단점이 있다.
따라서 이러한 문제를 해결하기 위하여 상기 확산판(15)이 적용된다.
도 4를 참조하여, 상기 확산판(15)의 형태와 배열에 대하여 상세히 살펴보면 다음과 같다.
상기 확산판(15)은 하부는 개방되어 있고 상단은 폐쇄되고 하부로 갈수록 폭이 넓어지도록 형성된다. 예컨대, 상기 확산판(15)은 하부와 내부가 빈 원뿔형태로 형성될 수 있다. 바람직하게는 판재를 절곡하여 중간부분이 높아지도록 형성될 수 있다.
상기 확산판(15)은 도 3에 도시된 바와 같이, 단면이 아래는 넓고 위로 갈수록 좁아지도록 V자를 뒤집은 형태, 즉 '∧'와 같은 형태로 형성될 수 있다. 판재를 절곡하여 중간부분이 높아지도록 하여, 상기 확산판(15)을 상기 확산판(15)의 양측단이 낮아지도록 역 V자(∧) 형태로 형성되도록 한다. 상기 확산판(15)의 길이방향의 양단은 상기 반응조(10)의 내측면에 인접하도록 형성된다.
이러한 확산판(15)을 상기 반응조(10)의 길이방향과 수직한 방향을 따라 복수로 배열되도록 한다. 이는 상기 확산판(15)이 실질적으로 동일한 높이에서는 수평한 방향으로 배열됨을 의미한다. 이때, 상기 확산판(15)은 서로 평행하게 배열된다.
또한, 상기 확산판(15)은 상기 반응조(10)의 길이방향(상하방향)을 따라 복수의 단으로 적층되도록 배열된다. 특히, 상기 확산판(15)이 상기 반응조(10)의 길이방향을 따라 배열되는 경우에는 상기 확산판(15)이 상하로 인접한 다른 확산판(15)과 배치되는 방향이 다르게 배치되도록 한다. 예컨대, 상하방향으로 인접한 확산판(15)끼리는 서로 수직한 방향으로 교차되도록 배치되는 것이 바람직하다(도 4 참조).
상기 확산판(15)의 배열시, 인접한 다른 확산판(15)과는 간격을 형성하여, 상기 간격을 통하여 가스나 물질이 이동할 수 있도록 한다.
이와 같이, 상기 확산판(15)이 수평방향과 수직방향으로 복수로 형성됨으로써, 상기 이산화탄소가 포함된 배가스는 상기 확산판(15)의 하부에서 잠시 머무르다가 상기 확산판(15)을 우회하여 상기 확산판(15)의 주변을 통과한 후 상승하는 과정을 반복하면서 상기 확산판(15)을 통과하여 반응효율이 높아지도록 한다. 즉, 탄산나트륨과 상기 이산화탄소와 접촉하는 면적과 기체 체류량(gas holdup)을 극대화하여 반응효율이 향상되도록 한다.
또한, 상기 반응조(10)의 중간에서 생성물은 쌓이지 않고 아래로 이동한다.
도 5에는 본 발명의 제3 실시예에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치(1)가 도시되어 있다.
본 실시예에서도 기본적으로는 상기 제1 실시예의 중탄산나트륨 제조장치(1)와 같은 구조를 갖되, 상기 반응조(10) 내부의 용액을 가열하는 가열수단이 추가적으로 구비되도록 한다.
탄산화반응을 통한 중탄산나트륨 생산 공정에서는 석출된 슬러리에 의해 막힘현상이 발생할 수 있다. 막힘이 발생하면 공정을 멈추고 고온의 세척수를 뿌려 세척해야 하므로, 공정 중단과 슬러리 세척으로 인한 경제적 손실이 발생하게된다.
이러한 현상을 방지하고자 상기 반응조(10)의 일측에 가열수단이 적용되도록 한다.
상기 반응조(10) 내부의 반응물의 일부는 순환시키면, 순환에 의해 막힘이 방지되는 효과를 기대할 수 있다.
또한, 순환시 상기 반응물이 가열됨으로써, 반응속도가 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
이를 위하여, 상기 반응조(10)의 일측에는 상기 반응조(10) 내부의 반응물을 외부로 순환하도록 하는 순환라인(16)이 형성된다. 상기 순환라인(16)은 상기 반응조(10)의 하부일 측으로부터 상기 반응조(10) 내부의 반응물을 배출시켜 상기 반응조(10)로 귀환되도록 한다.
또한, 상기 순환라인(16)에 상기 반응물을 가열시키는 열교환기(23)가 구비된다. 상기 열교환기(23)는 상기 순환라인(16)을 따라 유동하는 반응물의 온도를 높인다.
상기 열교환기(23)를 통하여 상기 반응물의 온도를 40℃ 내지 45℃가 되도록 한다. 반응기 하단부, 즉 상기 반응물의 온도가 40℃ 이하일 경우, 상기 순환라인(16)에서 슬러리가 석출될 수 있다. 또한, 45℃ 이상이면 에너지가 과하게 소모될 수 있다.
특히 바람직하게는 상기 반응물의 온도가 42℃가 되도록 한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 42℃는 중탄산나트륨과 탄산나트륨의 용해도 차이가 최대가 되는 지점이다.
또한, 상기 반응조(10)의 일측에 수분을 제거하기 위하여, 상기 화력발전소의 배기라인과 상기 반응조(10)의 가스유입구(12)가 연결되는 부위에 냉각기(21)와 수분제거기(22)를 순차적으로 구비하여, 상기 반응조(10)로 유입되는 배가스를 냉각시키고 수분을 제거하도록 한다.
일반적인 연소 배가스는 대략 20% 내지 40%의 증기를 포함하고 있다. 본 반응에서 이산화탄소 1몰이 반응할 때 물(H2O)도 1몰이 반응하여 물이 제거되지만, 배가스 내의 수분 함량이 이산화탄소보다 많으면, 상기 반응조(10) 내의 물의 양이 많아져 반응물의 농도가 묽어진다. 상기 반응물의 농도가 묽어지면, 생성물인 중탄산나트륨의 석출량이 감소하고, 후공정으로 탈수공정이 추가되어야 하므로 공정비용이 상승하며, 상기 탈수공정에 의해 원료 물질인 탄산나트륨의 손실이 발생한다. 따라서, 이산화탄소를 포함한 상기 배가스가 상기 반응조(10)의 내부로 유입되기 전에 상기 냉각기(21)를 통하여 냉각되도록 하고, 상기 냉각기(21)에 의해 냉각된 배가스를 상기 수분제거기(22)를 거치도록 함으로써, 상기 반응조(10)로 유입되는 배가스에 포함된 수분이 제거한다. 이와 같이, 상기 반응조(10)로 유입되는 배가스에 포함된 수분을 상기 배가스에 포함된 이산화탄소보다 낮게 유지함으로써, 후공적으로 탈수공정이 불필요해지고, 중탄산나트륨의 석출을 용이하게 할 수 있다.
도 6에는 본 발명의 제4 실시예에 따른 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치(1)가 도시되어 있다.
본 실시예에서는 상기 제2 실시예의 확산판(15)과 상기 제3 실시예의 열교환기(23), 냉각기(21) 및 수분제거기(22)를 모두 취하도록 구성되도록 한다.
도 7에는 본 발명에 따른 배 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법이 도시되어 있다.
탄산나트륨 수용액 유입 단계(S110)는 반응조(10)의 상부를 통하여 상기 반응조(10)의 내부로 탄산나트륨 수용액을 유입시킨다. 상기 반응조(10)의 내부로 유입된 탄산나트륨 수용액은 상기 반응조(10)의 상부로부터 하부를 향하여 이동한다.
가스 냉각 단계(S120)는 이산화탄소가 포함된 가스를 냉각시킨다. 상기 화력발전소의 배기라인과상기 가스유입구(12) 사이에 상기 냉각기(21)가 설치되어 있는 바, 가스를 냉각시킨다.
수분 제거 단계(S130)는 상기 냉각된 가스에 포함된 수분을 제거한다. 상기 배기라인과 상기 가스유입구(12) 사이에 상기 냉각기(21)와 상기 수분제거기(22)가 설치되어 있는 바, 상기 냉각기(21)를 통과한 가스는 상기 수분제거기(22)에서 수분이 제거된다.
가스 유입 단계(S140)는 상기 반응조(10)의 하부를 통하여 상기 반응조(10)의 내부로 이산화탄소가 포함된 가스를 유입시킨다. 상기 가스 유입 단계(S140)에서 유입되는 가스는 화력발전소에서 연소 후 발생하는 배가스가 되는데, 상기 배가스는 상기 배기라인을 통하여 공급된 후, 상기 냉각기(21)와 상기 수분제거기(22)를 통과하여, 냉각되고 수분이 제거된 상태로 상기 반응조(10)의 내부로 유입된다. 상기 반응조(10) 내부로 가스가 유입되면, 상기 가스는 상기 반응조(10)의 하부로부터 상방향으로 이동한다.
이와 같이, 상기 반응조(10)의 내부로 탄산나트륨 수용액과 이산화탄소를 포함한 배기가스를 서로 반대방향으로 유동시키면, 탄산화반응을 통하여, 생성물인 중탄산나트륨(NaHCO3)이 생성된다.
상기 반응조(10)의 내부에서는 앞서 살펴본 바와 같이, 확산판(15)에 의해 탄산나트륨 수용액과 이산화탄소를 포함한 배가스의 접속면적과 기체 체류량을 늘여 효율이 향상된다.
한편, 상기 탄산화반응을 통하여 생성된 중탄산나트륨은 상기 반응조(10)의 하단으로 이동하여 외부로 배출되고, 탄산화반응에 의해 이산화탄소가 제거된 배가스는 상기 반응조(10)의 상단을 통하여 외부로 배출된다.
또한, 상기 가스 냉각 단계(S120)와 상기 수분 제거 단계(S130)를 통하여, 상기 반응조(10)의 내부로 가스가 유입되는 바, 상기 반응조(10)로 유입된 가스에 포함된 수분의 양을 이산화탄소보다 낮게 유지한다. 이에 따라, 상기 반응조(10)의 내부에 반응이 지속되더라도 반응물의 농도가 묽어지는 현상을 방지하여, 중탄산나트륨의 석출을 용이하게 한다.
반응물 가열 단계(S150)는 상기 반응조(10) 내부의 반응물을 가열시킨다. 상기 반응조(10)의 내부에 저장된 반응물을 미리 정해진 온도가 가열시켜, 상기 탄산화반응의 효율이 향상되도록 한다. 상기 반응조(10)의 하부 일측에 형성된 순환라인을 통하여 반응물을 순환시키면서, 상기 반응물이 열교환기(23)를 통하도록 하여 상기 반응물이 적정온도가 되도록 가열한다.
상기 반응물 가열 단계(S150)에서 상기 반응물은 40℃ 내지 45℃로 가열되는 것이 바람직하다. 더 바람직하게는 상기 반응물의 온도가 중탄산나트륨과 탄산나트륨의 용해도 차이가 최대가 되는 42℃가 되도록 한다.
한편, 상기 중탄산나트륨의 순도를 높이기 위하여, 슬러리 세척 단계(S160)가 수행될 수 있다.
상기 슬러리 세척 단계(S160)는 중간생성물인 탄산나트륨이 반응속도가 낮아 상기 반응조(10)의 내부에 남아 있기 때문에, 이를 제거하여 중탄산나트륨의 순도가 높아지도록 한다.
상기 슬러리 세척 단계(S160)는 액체를 분사하게 되는 데, 순수(純水)를 사용하거나, 중탄산나트륨 용액을 분사하여, 상기 탄산나트륨을 제거할 수 있다. 상기 중탄산나트륨 용액을 분사하는 경우, 상기 중탄산나트륨 수용액은 전체 수용액의 중량대비 중탄산나트륨의 중량비가 7.7%인 것이 바람직하다.
상기 반응물 가열 단계(S150)와 상기 슬러리 세척 단계(S160)는 어느 하나만 선택적으로 수행될 수 있다. 또한, 상기 반응물 가열 단계(S150)가 수행된 후 상기 슬러리 세척 단계(S160)가 수행되거나, 상기 슬러리 세척 단계(S160)가 수행된 후 상기 반응물 가열 단계(S150)가 수행될 수 있다.
하기의 표2에는 앞서 살펴본 각 실시예 별로, 이산화탄소 제거율, 생성되는 중탄산나트륨의 순도와 수율을 비교한 예가 기재되어 있다.
구 분 이산화탄소 제거율 중탄산나트륨 순도 중탄산나트륨 수율
비교예 1 95% 97% 78%
비교예 2 99% 97% 80%
비교예 3 99% 99% 75%
비교예 4 98% 99% 85%
비교예 5 99% 98% 84%
비교예 6 97% 98% 89%
[표 2] 각 비교예별 이산화탄소 제거율, 중탄산나트륨 순도 및 중탄산나트륨 수율
비교예 1은 상기 반응조(10)의 내부에 확산판(15)이 설치되지 않고, 상기 반응조(10)의 상부로 탄산나트륨 수용액을 공급하고, 하부로 가스를 공급하여 실험한 결과이다.
상기 반응조(10)는 높이 1,200mm로 제작한다.
상기 반응조(10)의 내부로 공급되는 탄산나트륨 수용액은 탄산나트륨 30wt%의 농도로 하여, 45 mL/min의 유량으로 공급되도록 한다.
상기 반응조(10)의 내부로 공급되는 가스는 이산화탄소를 포함한 혼합가스로, 상기 혼합가스내 상기 이산화탄소의 농도는 약 14 부피비를 유지하도록 한다. 여기서, 상기 이산화탄소의 부피비를 약 14 부피비로 유지하는 이유는 상기 부피비가 실제 화력발전소의 배가수에 포함된 이산화탄소의 부피비에 해당하기 때문이다.
한편, 상기 혼합가스는 25 litter/min 유량으로 공급되는데, 이는 10kg/day, 일일 이산화탄소처리량이 10kg에 해당하는 양이다.
또한, 상기 열교환기(23)를 통하여 상기 반응물을 약 50℃로 가열시킨 후 순환시킨다.
상기 반응조(10) 내부의 온도, 압력, pH등을 실시간으로 측정할 수 있도록 측정 장치를 설치하여 연속운전 중 발생되는 변수들에 대한 반응기 내부 변화를 측정할 수 있도록 한다.
이와 같은 조건에서, 상기 반응조(10)의 내부로 상기 탄산나트륨 수용액과 상기 가스를 공급하면서,
공급되는 가스의 유량과 배출되는 가스의 유량 및 이산화탄소 농도 측정을 통하여 이산화탄소 제거량을 측정한다. 운전시 상기 순환라인(16)은 반응기 하단부 온도가 40℃ 이하에서 가동하고 45℃ 이상에서 멈추어준다. 탄산화 공정을 통해 생성된 중탄산나트륨은 탈수 및 건조 공정을 통해 파우더 형태로 얻어진다. 약 5시간 연속운전을 실시하였으며 이산화탄소 제거율, 중탄산나트륨 순도 등의 운전결과는 상기의 표 2와 같다.
비교예 2는 비교예 1과 동일한 조건에서, 상기 확산판(15)이 상기 반응조(10)의 내부에 설치된 상태에서의 결과이다. 상기 확산판(15)의 설치로 인하여, 중탄산나트륨의 수율이 향상되고, 특히 이산화탄소제거율이 특히 상승하였다.
상기 비교예 2에서는 상기 확산판(15)에 의해, 상기 가스의 기포가 분산되어, 반응 효율이 상승되었다. 즉, 상기 확산판(15) 설치이전에는 기포의 직경이 1cm 내지 2cm였으나, 상기 확산판(15)의 적용 이후, 기포의 직경이 0.3mm 내지 0.7mm로 감소하였다.
이때 기포의 상승 속도는 직경의 제곱에 반비례 하기 때문에 상승속도가 약 1/10로 감소하고, 이에 따라 기포의 반응기내 체류시간은 10배 정도 증가한다. 상기 확산판(15)이 기포를 미세화하여 표면적을 증대시킬 뿐만 아니라 체류시간 증가 효과도 확인할 수 있다. 이에 따라, 이산화탄소 제거율이 4%가량 상승하였다.
비교예 3은 상기 비교예 2에 순수(純水)를 세척액으로 하여 세척하는 과정을 추가적으로 실시한 예이다.
상기 비교예 3은 생산된 중탄산나트륨 슬러리를 세척하여 건조시킨 경우로 세척하지 않고 건조시킨 비교예 1에 비해서 순도가 2% 포인트 증가함을 알 수 있다. 다만, 세척시 중탄산나트륨과 원료물질인 탄산나트륨이 일부 용해되어 나가기 때문에 최종적인 생산 수율은 일부 감소하였다.
비교예 4는 상기 반응조(10)로 공급되는 탄산나트륨 수용액의 공급속도는 35 mL/min으로 낮추고, 상기 비교예 3의 세척액에 30wt%의 농도가 되도록 탄산나트륨을 추가로 용해하여 35 mL/min로 추가 공급한 예이다.
상기 비교예 4에서는 세척액에 원료물질 탄산나트륨을 추가로 용해시켜 반응에 활용한 경우로 상기 비교예 3에 비해서 중탄산나트륨 수율이 증가하였다.
비교예 5는 상기 비교예 2에서 생성된 중탄산나트륨을 탈수한 슬러지로 중탄산나트륨 7.7wt%의 수용액을 만들어, 이를 세척한 예이다.
상기 비교예 5는 상기 비교예 3과 동일하지만 세척액으로 중탄산나트륨 용액을 사용하여서 생산물이 용해되어나가는 것을 방지할 수 있다. 그 결과 중탄산나트륨 순도가 98%로 비교예1에 비해서 증가하기지만 비교예 3과 같이 순수로 세척한 경우보다는 다소 순도가 1% 정도 떨어짐을 알 수 있다.
비교예 6은 상기 비교예 2에서 상기 35wt% 농도의 탄산나트륨 수용액을 공급하되, 유량은 35 mL/min낮추고 상기 비교예 5에서 사용된 세척용액에 탄산나트륨을 추가로 용해하여 중탄산나트륨 7.7wt%, 탄산나트륨 5.6wt%의 용액으로 세척액을 제조하여 10mL/min의 유속으로 추가 공급한 결과이다.
상기 비교예 6은 상기 비교예 5에서 사용된 세척용액을 탄산나트륨과 중탄산나트륨 포화용액으로 만들어서 다시 반응기로 주입하였다. 비교예 5와 비교해서 비교예 6에서는 중탄산나트륨 생산 수율이 5% 증가하였음을 확인 할 수 있다.
1 : 중탄산나트륨 제조 장치
10 : 반응조
11 : 용액 유입구
12 : 가스 유입구
13 : 가스 배출구
14 : 슬러리 배출구
15 : 확산판
16 : 순환라인
21 : 냉각기
22 : 수분제거기
23 : 열교환기
S110 : 탄산나트륨 수용액 유입 단계
S120 : 가스 냉각 단계
S130 : 수분 제거 단계
S140 : 가스 유입 단계
S150 : 반응물 가열 단계
S160 : 슬러리 세척 단계

Claims (22)

  1. 반응조;
    상기 반응조의 상부에 외부로부터 탄산나트륨 수용액이 유입되는 용액유입구;
    상기 반응조의 하부에 연소배가스가 배출되는 배기라인으로부터 이산화탄소가 포함된 가스가 유입되는 가스유입구; 및
    상기 반응조 내에 배치된 확산판;를 포함하고,
    상기 반응조에서 상기 탄산나트륨 수용액은 상부로부터 하부를 향하여 유동하고, 상기 가스는 하부로부터 상부로 유동하면서 상기 탄산나트륨과 상기 이산화탄소의 반응물인 중탄산나트륨을 형성하되,
    상기 확산판은, 상기 가스가 상승되도록 속도를 조절하고 석출된 중탄산나트륨 슬러지를 분산시키기 위해, 상부는 폐쇄되고 하부로 갈수록 폭이 넓어지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응조의 높이는
    상기 반응조의 폭 또는 직경의 10배 내지 20배로 형성되는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응조에서 상기 용액유입구 보다 높게 상기 이산화탄소가 제거된 가스가 배출되는 가스배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응조의 하단에 상기 중탄산나트륨을 포함한 슬러리가 배출되는 슬러리배출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용액유입구로 유입되는 탄산나트륨 수용액의 농도는 30% 내지 40%인 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배기라인과 상기 가스유입구 사이에,
    상기 가스를 냉각시키는 냉각기와, 상기 냉각기를 통과한 상기 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분제거기가 순서대로 구비되는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 확산판은 상기 반응조의 길이방향과 수직한 방향을 따라 복수의 확산판이 서로 평행하게 배열되는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 확산판은 상기 반응조의 길이방향을 따라 복수의 단으로 적층되게 배열되는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상하로 인접하는 상기 확산판은 서로 수직하게 교차하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 반응조의 일측에는 상기 반응조의 내부에 채워진 용액의 일부를 순환시키는 순환라인이 형성되고,
    상기 순환라인에 상기 순환라인을 순환하는 용액을 가열시키는 열교환기가 설치되는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열교환기는 상기 용액을 40℃ 내지 45℃로 가열시키는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 확산판은 하부로 갈수록 폭이 넓어져, 상기 확산판에 의해 확산된 상기 탄산나트륨 수용액과 상기 이산화탄소의 반응을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조장치.
  14. 하부로 갈수록 폭이 넓어지도록 형성된 확산판이 내부에 배치된 반응조의 상부를 통하여 상기 반응조의 내부로 탄산나트륨 수용액을 유입시키는 탄산나트륨 수용액 유입 단계 및
    상기 반응조의 하부를 통하여 상기 반응조의 내부로 연소배가스가 배출되는 배기라인을 통하여 배출되는 이산화탄소가 포함된 가스를 유입시키는 가스 유입 단계를 포함하고,
    상기 반응조의 내부에서 상기 탄산나트륨 수용액과 상기 이산화탄소를 서로 반대방향으로 유동시켜 상기 탄산나트륨과 상기 이산화탄소의 반응물인 중탄산나트륨을 제조하되,
    상기 확산판에 의해 확산된 상기 탄산나트륨 수용액과 상기 이산화탄소의 반응을 증가시키는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 탄산나트륨 수용액 유입 단계 이후,
    상기 반응조의 내부로 유입되는 가스를 냉각시키는 가스 냉각 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 가스 냉각 단계 이후,
    상기 냉각된 가스에 포함된 수분을 제거하는 수분 제거 단계를 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 탄산나트륨 수용액 유입 단계에서 유입되는 탄산나트륨 수용액의 농도는 30% 내지 40%인 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 가스 유입 단계 이후에,
    상기 반응조 내부의 반응물을 순환라인을 통하여 상기 반응물을 순환시키면서, 상기 순환라인에 설치된 열교환기로 상기 반응물을 가열시키는 반응물 가열 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 반응물 가열 단계는 상기 반응조을 40℃ 내지 45℃로 가열하는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 반응조의 내부에 생성된 상기 탄산나트륨이 포함된 슬러리를 세척하는 슬러리 세척 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 슬러리 세척 단계는 중탄산나트륨 수용액으로 세척하는 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 중탄산나트륨 수용액은 전체 수용액의 중량대비 중탄산나트륨의 중량비가 7.7%인 것을 특징으로 하는 배가스를 이용한 고순도 중탄산나트륨 제조방법.

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