KR102640411B1 - 고순도 이산화탄소 제조설비 및 제조방법 - Google Patents

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Abstract

고순도 이산화탄소 제조설비 및 제조방법이 소개된다.
이 중에서 고순도 이산화탄소 제조설비는, 배기가스 내 이산화탄소를 물에 1차 용해시키는 제1 반응장치, 이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액과 배기가스를 제1 반응장치로부터 공급받고 공급받은 배기가스 내 이산화탄소를 1차 용해액에 2차 용해시키는 제2 반응장치, 및 이산화탄소가 상기 1차 용해액에 2차 용해된 2차 용해액을 제2 반응장치로부터 공급받고 공급받은 2차 용해액으로부터 이산화탄소를 생산하는 탈기장치를 포함할 수 있다.

Description

고순도 이산화탄소 제조설비 및 제조방법{FACILITY FOR MANUFACTURING HIGH PURITY CARBON DIOXIDE AND METHOD THEREFOR}
본 발명은 고순도 이산화탄소 제조설비 및 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로, 발전소 등에서 배출되는 배기가스(exhaust gas)에는 대량의 이산화탄소가 포함되어 있다. 이에 배기가스에 포함된 이산화탄소를 분리하는 기술이 제안되고 있다. 일 예로, 이산화탄소를 분리하는 기술로는 크게 흡수법, 흡착법, 심냉법, 막분리법 등이 있다.
그런데 종래 배기가스 내 이산화탄소를 분리하는 기술의 경우, 수용액(흡수액)에 대한 이산화탄소의 용해도가 낮아, 배기가스로부터 저순도 이산화탄소가 분리될 수 있다는 문제가 있다.
한편, 고순도 이산화탄소는 기상에서 이산화탄소가 포함된 혼합가스를 전 처리하고, 이를 압축한 후 물을 제거하며 기상의 이산화탄소를 다시 압축한 후 흡수식 냉동기를 이용하여 액화시켜 생산될 수 있다. 그러나 종래 고순도 이산화탄소를 생산하는 경우, 이산화탄소를 액화시켜 다시 저장 탱크로 보내는 공정이 복잡하고, 운전비와 투자비가 많이 소요되며, 공정 효율이 낮다는 문제가 있다.
이에 저순도 이산화탄소를 고순도 이산화탄소로 변환시킬 수 있는 기술이 요구되고 있다.
특허문헌: 국내 공개특허 10-2023-0070840 (2023. 04. 23. 공개)
본 발명의 실시예들은 배기가스 내 이산화탄소를 물에 흡수시켜 열교환 및 탈기하여 고순도 이산화탄소를 제조할 수 있는 고순도 이산화탄소 제조설비 및 제조방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 배기가스 내 이산화탄소를 물에 1차 용해시키는 제1 반응장치; 상기 이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액과 상기 배기가스를 상기 제1 반응장치로부터 공급받고, 공급받은 상기 배기가스 내 이산화탄소를 상기 1차 용해액에 2차 용해시키는 제2 반응장치; 및 이산화탄소가 상기 1차 용해액에 2차 용해된 2차 용해액을 상기 제2 반응장치로부터 공급받고, 공급받은 상기 2차 용해액으로부터 이산화탄소를 생산하는 탈기장치를 포함하는 고순도 이산화탄소 제조설비가 제공될 수 있다.
또한, 상기 제1 반응장치는 상기 배기가스 및 상기 물이 서로 역방향으로 이동되면서, 상기 물에 대한 이산화탄소의 용해가 이루어지는 제1 반응기; 상기 제1 반응기에서 배출되는 배기가스를 상기 제2 반응장치로 공급하기 위한 압력을 제공하는 제1 가스펌프; 물이 수용되는 제1 저장조; 및 상기 물을 상기 제1 반응기로 공급하기 위한 압력을 제공하는 제1 워터펌프를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 반응기는 하단부에 상기 배기가스가 유입되는 제1 가스주입구가 형성되고, 상단부에 상기 물이 유입되는 제1 워터주입구가 형성되고, 상기 물에 대한 이산화탄소의 용해가 이루어지는 제1 반응공간을 제공하는 제1 반응본체; 상기 물을 상기 제1 반응공간에 미세하게 분사하기 위한 제1 분사노즐; 상기 물이 충진되도록 상기 제1 반응공간 내에 배치되는 제1 발포폼; 및 상기 제1 반응공간 내 물의 수위를 측정하기 위한 수위센서를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 반응장치는 상기 제1 반응장치로부터 공급받은 상기 배기가스 및 상기 1차 용해액이 서로 역방향으로 이동되면서, 상기 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 2차 용해가 이루어지는 제2 반응기; 상기 제2 반응기에서 배출되는 상기 2차 용해액이 수용되는 제2 저장조; 및 상기 2차 용해액을 상기 탈기장치로 공급하기 위한 압력을 제공하는 제2 워터펌프를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 반응기는 하단부에 상기 배기가스가 유입되는 제2 가스주입구가 형성되고, 상단부에 상기 1차 용해액이 유입되는 제2 워터주입구가 형성되고, 상기 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 2차 용해가 이루어지는 제2 반응공간을 제공하는 제2 반응본체; 상기 1차 용해액을 상기 제2 반응공간에 미세하게 분사하기 위한 제2 분사노즐; 및 상기 1차 용해액이 충진되도록 상기 제2 반응공간 내에 배치되는 제2 발포폼을 포함할 수 있다.
또한, 상기 제2 저장조에는 상기 2차 용해액의 pH 농도를 측정하기 위한 pH센서가 배치되고, 상기 제2 워터펌프는 상기 pH센서에서 측정된 상기 2차 용해액의 pH 측정농도가 기 설정된 pH 기준농도 범위를 만족할 때, 상기 2차 용해액을 상기 탈기장치로 공급할 수 있다.
또한, 상기 탈기장치는 탈기챔버와, 상기 2차 용해액이 이동가능하도록 상기 탈기챔버 내 배치되는 필터파이프를 포함하는 탈기본체; 상기 탈기챔버의 온도가 조절되도록 폐열을 상기 탈기챔버 내에 선택적으로 공급하는 열교환기; 및 상기 탈기챔버의 온도를 측정하기 위한 온도센서를 포함하고, 상기 열교환기는 상기 온도센서에서 측정된 상기 탈기챔버의 측정 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 만족하도록 상기 폐열을 선택적으로 공급할 수 있다.
또한, 상기 탈기장치는 상기 탈기챔버의 압력을 측정하는 압력센서; 및 상기 탈기챔버의 압력을 낮추기 위한 진공펌프를 더 포함하고, 상기 진공펌프는 상기 압력센서에서 측정된 상기 탈기챔버의 측정 압력이 기 설정된 기준 압력 범위를 만족하도록 상기 탈기챔버의 압력을 조절할 수 있다.
또한, 상기 필터파이프는 상기 2차 용해액이 이동가능한 유로를 제공하는 파이프 형상의 중공사막필터일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 고순도 이산화탄소 제조설비를 이용하여 이산화탄소를 생산하는 고순도 이산화탄소 제조방법으로서, 배기가스 내 이산화탄소를 물에 1차 용해시키는 제1 반응단계; 이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액에 배기가스 내 이산화탄소를 2차 용해시키는 제2 반응단계; 및 이산화탄소가 1차 용해액에 2차 용해된 2차 용해액으로부터 이산화탄소를 생산하는 탈기단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 반응단계 및 상기 제2 반응단계에서는, 물 또는 1차 용해액이 배기가스와 서로 역방향으로 이동되면서, 물 또는 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 용해가 이루어질 수 있다.
또한, 상기 탈기단계는 탈기장치 내 탈기챔버의 측정 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 만족하도록 탈기장치 내 폐열을 선택적으로 공급할 수 있다.
또한, 상기 탈기단계는 탈기장치 내 탈기챔버의 측정 압력이 기 설정된 기준 압력 범위를 만족하도록 탈기챔버의 압력을 조절할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 발포폼(일 예로, 금속 발포폼)을 활용하여 물에 대한 이산화탄소 용해도를 증대시킬 수 있고, 온도를 올리거나 압력을 낮추면 역반응을 통해, 고순도 이산화탄소를 제조할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 고순도 이산화탄소 회수 및 기존의 낮은 에너지를 사용하므로, 환경적으로 매우 우수한 기술을 제공할 수 있다는 이점이 있다. 특히, 종래 분리막 또는 흡수방법의 경우, 이산화탄소 1톤 저감에 필요한 에너지가 4GJ 필요하여 경제성이 매우 낮지만, 본 발명의 경우 물에 흡수시켜 최소의 에너지를 통화여 고순도 이산화탄소 회수가 가능하다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 이산화탄소 제조설비의 주요 구성을 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 이산화탄소 제조설비를 도시한 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 이산화탄소 제조설비의 탈기장치를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈기장치의 필터파이프를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 이산화탄소 제조방법을 도시한 블록도이다.
이하에서는 본 발명의 사상을 구현하기 위한 구체적인 실시예에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.
아울러 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결', '지지', '접속', '공급', '전달', '접촉'된다고 언급된 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 지지, 접속, 공급, 전달, 접촉될 수도 있지만 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로 본 발명을 한정하려는 의도로 사용된 것은 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다.
또한, 본 명세서에서 상측, 하측, 측면 등의 표현은 도면에 도시를 기준으로 설명한 것이며 해당 대상의 방향이 변경되면 다르게 표현될 수 있음을 미리 밝혀둔다. 마찬가지의 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 이와 같은 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 이 용어들은 하나의 구성요소들을 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
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.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 이산화탄소 제조설비 및 제조방법의 구체적인 구성에 대하여 설명한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 이산화탄소 제조설비(10)는, 가스공급장치(100), 제1 반응장치(200), 제2 반응장치(300), 및 탈기장치(400)를 포함할 수 있다.
가스공급장치(100)는 배기가스를 제1 반응장치(200)에 공급할 수 있는 공급장치일 수 있다. 배기가스에는 이산화탄소가 포함될 수 있다. 본 실시예에서, 배기가스는 가스공급장치(100)를 통해 제1 반응장치(200)로 공급되지만, 이에 한정되지는 아니하며, 배기가스는 별도의 공급장치를 거치지 않고, 배기가스가 발생되는 배기가스 발생처로부터 제1 반응장치(200)로 직접 공급될 수도 있을 것이다.
제1 반응장치(200)는 배기가스 내 이산화탄소를 물에 1차 용해시키기 위한 반응기기일 수 있다. 제1 반응장치(200)는 가스공급장치(100)로부터 배기가스를 공급받을 수 있다. 제1 반응장치(200)는 제1 반응기(210), 제1 가스펌프(220), 제1 저장조(230), 및 제1 워터펌프(240)를 포함할 수 있다.
제1 반응기(210)는 가스공급장치(100)로부터 배기가스를 공급받을 수 있고, 제1 저장조(230)로부터 물을 제공받을 수 있다. 제1 반응기(210)에서는 배기가스 및 물이 서로 역방향으로 이동될 수 있다. 배기가스 및 물이 서로 역방향으로 이동될 때, 물에 대한 이산화탄소의 용해가 효과적으로 이루어질 수 있다. 제1 반응기(210)는 제1 반응본체(211), 제1 분사노즐(212), 제1 발포폼(213), 및 수위센서(214)를 포함할 수 있다.
제1 반응본체(211)는 배기가스 내 이산화탄소를 물에 1차 용해시키는 제1 반응공간을 제공할 수 있다. 제1 반응본체(211)의 하단부에는 배기가스가 유입되는 제1 가스주입구(211-1)가 형성될 수 있고, 제1 반응본체(211)의 상단부에는 물이 유입되는 제1 워터주입구(211-2)가 형성될 수 있다.
제1 분사노즐(212)은 제1 반응본체(211)의 상부에 배치될 수 있다. 제1 분사노즐(212)은 제1 워터주입구(211-2)를 통해 공급된 물을 제1 반응공간에 미세하게 분사할 수 있다. 제1 분사노즐(212)을 통해 미세하게 분사된 물은, 배기가스와의 접촉 면적이 증가되므로, 물에 대한 이산화탄소의 용해도가 높아질 수 있다.
제1 발포폼(213)은 물과 배기가스 간 접촉 면적을 증가시키기 위한 발포폼 형태로 제공될 수 있다. 일 예로, 제1 발포폼(213)은 금속 소재의 기공을 제공하는 금속 발포폼일 수 있다. 제1 발포폼(213)은 물이 충진되도록 제1 반응공간 내에 배치될 수 있다. 물과 배기가스는 제1 발포폼(213)을 통과하면서 접촉 면적이 증가됨으로써, 물에 대한 이산화탄소의 용해도가 향상될 수 있다.
수위센서(214)는 제1 반응공간 내 물의 수위를 측정할 수 있는 센서류를 포함할 수 있다. 제1 반응공간 내 물의 수위에 대한 정보는 제1 워터펌프(240)를 제어하는 컨트롤러에 인가될 수 있다.
제1 가스펌프(220)는 배기가스를 이동시키기 위한 압력을 제공할 수 있는 가스펌프일 수 있다. 제1 가스펌프(220)는 제1 반응기(210)에서 배출되는 배기가스를 제2 반응장치(300)로 공급하기 위한 압력을 제공할 수 있다. 제1 가스펌프(220)는 제1 반응기(210)에서 배기가스가 배출되는 가스배출관에 연결될 수 있다.
제1 저장조(230)는 물이 수용될 수 있는 수조일 수 있다. 제1 저장조(230)에는 물을 교반하기 위한 제1 교반기(231)가 배치될 수 있다. 제1 저장조(230)는 외부에서 물을 공급받거나, 제1 반응기(210)에서 배출되는 물을 공급받거나, 또는 제2 반응기(310)에서 배출되는 물을 공급받을 수 있다. 제1 저장조(230)에 수용된 물은 제1 워터펌프(240)에 의해 제1 반응기(210)로 이동될 수 있다,
제1 워터펌프(240)는 물을 제1 반응기(210)로 공급하기 위한 압력을 제공할 수 있다. 제1 워터펌프(240)의 작동은 컨트롤러에 의해 조절될 수 있다. 컨트롤러는 제1 반응공간 내 물의 수위에 대한 정보를 기초로 하여, 제1 워터펌프(240)의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 수위센서(214)를 통해 측정된 제1 반응공간 내 물의 수위가 기 설정된 수위 범위를 만족하도록, 제1 워터펌프(240)의 작동을 조절할 수 있다.
제2 반응장치(300)는 이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액과 배기가스를 제1 반응장치(200)로부터 공급받을 수 있다. 제2 반응장치(300)는 배기가스 내 이산화탄소를 이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액에 2차 용해시킬 수 있다. 제2 반응장치(300)는 제2 반응기(310), 제2 저장조(320), 및 제2 워터펌프(330)를 포함할 수 있다.
제2 반응기(310)는 제1 반응장치(200)로부터 배기가스 및 1차 용해액을 공급받을 수 있다. 제2 반응기(310)에서는 배기가스 및 1차 용해액이 서로 역방향으로 이동될 수 있다. 배기가스 및 1차 용해액이 서로 역방향으로 이동될 때, 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 용해가 효과적으로 이루어질 수 있다. 제2 반응기(310)는 제2 반응본체(311), 제2 분사노즐(312) 및 제2 발포폼(313)을 포함할 수 있다.
제2 반응본체(311)는 배기가스 내 이산화탄소를 1차 용해액에 2차 용해시키는 제2 반응공간을 제공할 수 있다. 제2 반응본체(311)의 하단부에는 배기가스가 유입되는 제2 가스주입구(311-1)가 형성될 수 있고, 제2 반응본체(311)의 상단부에는 1차 용해액이 유입되는 제2 워터주입구(311-2)가 형성될 수 있다.
제2 분사노즐(312)은 제2 반응본체(311)의 상부에 배치될 수 있다. 제2 분사노즐(312)은 제2 워터주입구(311-2)를 통해 공급된 1차 용해액을 제2 반응공간에 미세하게 분사할 수 있다. 제2 분사노즐(312)을 통해 미세하게 분사된 1차 용해액은, 배기가스와의 접촉 면적이 증가되므로, 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 용해도가 높아질 수 있다.
제2 발포폼(313)은 1차 용해액과 배기가스 간 접촉 면적을 증가시키기 위한 발포폼 형태로 제공될 수 있다. 일 예로, 제2 발포폼(313)은 금속 소재의 기공을 제공하는 금속 발포폼일 수 있다. 제2 발포폼(313)은 1차 용해액이 충진되도록 제2 반응공간 내에 배치될 수 있다. 1차 용해액과 배기가스는 제2 발포폼(313)을 통과하면서 접촉 면적이 증가될 수 있고, 이를 통해, 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 용해도가 증가될 수 있다.
제2 저장조(320)는 1차 용해액에 이산화탄소가 용해된 2차 용해액이 수용될 수 있다. 제2 저장조(320)에는 2차 용해액의 pH 농도를 측정하기 위한 pH센서(321)와, 물을 교반하기 위한 제2 교반기(322)가 배치될 수 있다. pH센서(321)에서 측정된 2차 용해액의 pH 농도에 대한 정보는, 제2 워터펌프(330)를 제어하는 컨트롤러에 인가될 수 있다. 제2 저장조(320)에 수용된 2차 용해액은 제2 워터펌프(330)에 의해 탈기장치(400)로 이동될 수 있다,
제2 워터펌프(330)는 물을 탈기장치(400)로 공급하기 위한 압력을 제공할 수 있다. 제2 워터펌프(330)의 작동은 컨트롤러에 의해 조절될 수 있다. 컨트롤러는 pH센서(321)에서 측정된 2차 용해액의 pH 농도에 대한 정보를 기초로 하여, 제2 워터펌프(330)의 작동을 제어할 수 있다. 예를 들어, 컨트롤러는 2차 용해액의 pH 측정 농도가 기 설정된 pH 농도 범위를 만족하도록, 제2 워터펌프(330)의 작동을 조절할 수 있다.
탈기장치(400)는 제2 반응장치(300)로부터 2차 용해액을 공급받아 이산화탄소를 생산할 수 있다. 탈기장치(400)는 헨리의 법칙 및 르샤틀리에 법칙에 의해 평행상태에서 온도를 올리거나 압력을 낮춤으로써, 2차 용해액에 대한 역반응을 진행시킬 수 있다. 탈기장치(400)는 탈기본체(410), 열교환기(420), 온도센서(430), 압력센서(440), 및 진공펌프(450)를 포함할 수 있다.
탈기본체(410)는 2차 용해액에 대한 역반응이 이루어지는 탈기챔버(411)를 제공할 수 있다. 탈기챔버(411)에서 온도가 높아지거나 압력이 낮아지면, 탈기본체(410)의 탈기챔버(411)에서는 아래의 [반응식]에 따른 반응이 발생될 수 있다. 본 실시예에서, 2차 용해액에 대한 역반응을 위한 최적의 온도는 30~50℃일 수 있고, 최적의 압력은 진공 500~800mmH2O 일 수 있다.
[반응식]
CO3 -2 + 2H+ -> CO2 + H2O
탈기본체(410)에는 2차 용해액이 이동가능하도록 탈기챔버(411) 내 배치되는 필터파이프(412)가 배치될 수 있다. 필터파이프(412)는 2차 용해액이 이동가능한 유로를 제공하는 중공사막필터일 수 있다. 중공사막필터는 탈기본체(410)에 복수 개의 파이프 형상으로 제공될 수 있다. 복수 개의 중공사막필터는 탈기본체(410)의 외경방향으로 이격되어 배치될 수 있고, 각각의 중공사막필터는 탈기본체(410)의 길이방향으로 연장형성될 수 있다. 2차 용해액 중에 미반응 탄산이온(CO3 -2)은, 중공사막필터의 내부로 투입된 상태에서, 중공사막필터 내 압력이 낮춰지면 탄산이온은 외부로 나오면서 이산화탄소로 전환될 수 있다. 중공사막필터의 내부 압력제어는 압력센서(440) 및 진공펌프(450)와 연계되어 조절될 수 있다.
온도센서(430)는 탈기챔버(411)의 온도를 측정할 수 있는 센서류를 포함할 수 있다. 온도센서(430)는 탈기본체(410)에 설치될 수 있다. 탈기챔버(411)의 온도에 대한 정보는 열교환기(420)를 제어하는 컨트롤러에 인가될 수 있다.
열교환기(420)는 폐열을 탈기챔버(411) 내에 선택적으로 공급함으로써, 탈기챔버(411)의 온도를 조절할 수 있다. 열교환기(420)는 온도센서(430)에서 측정된 탈기챔버(411)의 측정 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 만족하도록 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤러는 탈기챔버(411)의 측정 온도를 기초로 하여, 열교환기(420)의 작동을 제어할 수 있다. 열교환기(420)는 컨트롤러의 제어에 의해, 탈기챔버(411)의 측정 온도가 기준 온도 범위보다 낮으면 폐열(일 예로 스팀)을 탈기본체(410)에 공급하고, 탈기챔버(411)의 측정 온도가 기준 온도 범위보다 높으면 폐열의 공급을 줄일 수 있다. 본 실시예에서, 컨트롤러는 탈기챔버(411)의 온도는 30~50℃을 유지하도록 열교환기(420)의 작동을 제어할 수 있다.
압력센서(440)는 탈기챔버(411)의 압력을 측정할 수 있는 센서류를 포함할 수 있다. 압력센서(440)는 탈기본체(410)에 설치될 수 있다. 탈기챔버(411)의 압력에 대한 정보는 진공펌프(450)를 제어하는 컨트롤러에 인가될 수 있다.
진공펌프(450)는 탈기챔버(411)의 압력을 선택적으로 낮출 수 있다. 진공펌프(450)는 압력센서(440)에서 측정된 탈기챔버(411)의 측정 압력이 기 설정된 기준 압력 범위를 만족하도록 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 컨트롤러는 탈기챔버(411)의 측정 압력을 기초로 하여, 진공펌프(450)의 작동을 제어할 수 있다. 진공펌프(450)는 컨트롤러의 제어에 의해, 탈기챔버(411)의 측정 압력이 기준 압력 범위보다 낮으면 탈기본체(410)에 진공 압력을 제공하고, 탈기챔버(411)의 측정 압력이 기준 압력 범위보다 높으면 진공 압력의 공급을 줄일 수 있다. 본 실시예에서, 컨트롤러는 탈기챔버(411)의 압력이 진공 500~800mmH2O을 유지하도록 진공펌프(450)의 작동을 제어할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 이산화탄소 제조방법(20)은, 제1 반응단계(S100), 제2 반응단계(S200) 및 탈기단계(S300)를 포함할 수 있다.
상기 제1 반응단계(S100)에서는 배기가스 내 이산화탄소가 제1 반응장치에서 물에 1차 용해될 수 있다. 물은 제1 반응장치의 제1 저장조에서 제1 반응기로 공급될 수 있고, 배기가스는 가스공급장치에서 제1 반응장치의 제1 반응기로 공급될 수 있다. 물에 대한 이산화탄소의 용해가 이루어질 때, 물과 배기가스는 제1 반응기에서 서로 역방향으로 이동될 수 있다. 이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액은 제2 반응장치로 이동될 수 있다.
상기 제1 반응단계(S100)에서는 제1 분사노즐을 통해 물이 배기가스를 향해 미세하게 분사됨으로써, 물과 배기가스 간 접촉 면적이 증가되어, 물에 대한 이산화탄소의 용해도가 높아질 수 있다. 또한, 물과 배기가스는 제1 반응기 내 제1 발포폼을 통과하면서 접촉 면적이 증가되므로, 물에 대한 이산화탄소의 용해도가 향상될 수 있다.
상기 제2 반응단계(S200)에서는 배기가스 내 이산화탄소가 제2 반응장치에서 2차 용해될 수 있다. 1차 용해액 및 배기가스는 제1 반응장치로부터 제2 반응장치로 공급될 수 있다. 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 용해가 이루어질 때, 1차 용해액과 배기가스는 제2 반응기에서 서로 역방향으로 이동될 수 있다. 이산화탄소가 2차 용해된 2차 용해액은 탈기장치로 이동될 수 있다.
상기 제2 반응단계(S200)에서는 제2 분사노즐을 통해 1차 용해액이 배기가스를 향해 미세하게 분사됨으로써, 1차 용해액과 배기가스 간 접촉 면적이 증가되어, 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 용해도가 높아질 수 있다. 또한, 1차 용해액과 배기가스는 제2 반응기 내 제2 발포폼을 통과하면서 접촉 면적이 증가되므로, 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 용해도가 향상될 수 있다.
상기 탈기단계(S300)에서는 2차 용해된 2차 용해액이 탈기장치에서 이산화탄소로 전환될 수 있다. 상기 탈기단계(S300)에서는 헨리의 법칙 및 르샤틀리에 법칙에 의해 평행상태에서 온도를 올리거나 압력을 낮춤으로써, 2차 용해액에 대한 역반응이 진행될 수 있다. 본 실시예에서, 2차 용해액에 대한 역반응을 위한 최적의 온도는 30~50℃일 수 있고, 최적의 압력은 진공 500~800mmH2O 일 수 있다.
상기 탈기단계(S300)에서, 탈기장치 내 탈기챔버의 온도 조절시, 탈기장치 내 탈기챔버의 측정 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 만족하도록 탈기장치 내 폐열이 선택적으로 공급될 수 있다. 또한, 탈기장치 내 탈기챔버의 압력 조절시, 탈기장치 내 탈기챔버의 측정 압력이 기 설정된 기준 압력 범위를 만족하도록 탈기챔버의 압력이 조절할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 발포폼을 활용하여 물에 대한 이산화탄소 용해도를 증대시킬 수 있고, 온도를 올리거나 압력을 낮추면 역반응을 통해, 고순도 이산화탄소를 제조할 수 있고, 고순도 이산화탄소 회수 및 기존의 낮은 에너지를 사용하므로, 환경적으로 매우 우수한 기술을 제공할 수 있다는 등의 우수한 장점을 갖는다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어 당업자는 각 구성요소의 재질, 크기 등을 적용 분야에 따라 변경하거나, 실시형태들을 조합 또는 치환하여 본 발명의 실시예에 명확하게 개시되지 않은 형태로 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모든 면에서 예시적인 것으로 한정적인 것으로 이해해서는 안 되며, 이러한 변형된 실시예는 본 발명의 특허청구범위에 기재된 기술사상에 포함된다고 하여야 할 것이다.
10 :고순도 이산화탄소 제조설비
20 :고순도 이산화탄소 제조방법
100 :가스공급장치
200 :제1 반응장치 210 :제1 반응기
211 :제1 반응본체 212 :제1 분사노즐
213 :제1 발포폼 214 :수위센서
220 :제1 가스펌프 230 :제1 저장조
240 :제1 워터펌프
300 :제2 반응장치 310 :제2 반응기
320 :제2 저장조 330 :제2 워터펌프
300 :제2 반응장치 310 :제2 반응기
311 :제2 반응본체 312 :제2 분사노즐
313 :제2 발포폼 320 :제1 저장조
330 :제1 워터펌프
400 :탈기장치 410 :탈기본체
420 :열교환기 430 :온도센서
440 :압력센서 450 :진공펌프

Claims (13)

  1. 배기가스 내 이산화탄소를 물에 1차 용해시키는 제1 반응장치;
    상기 이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액과 상기 배기가스를 상기 제1 반응장치로부터 공급받고, 공급받은 상기 배기가스 내 이산화탄소를 상기 1차 용해액에 2차 용해시키는 제2 반응장치; 및
    이산화탄소가 상기 1차 용해액에 2차 용해된 2차 용해액을 상기 제2 반응장치로부터 공급받고, 공급받은 상기 2차 용해액으로부터 이산화탄소를 생산하는 탈기장치를 포함하고,
    상기 제1 반응장치는
    상기 배기가스 및 상기 물이 서로 역방향으로 이동되면서, 상기 물에 대한 이산화탄소의 용해가 이루어지는 제1 반응기;
    상기 제1 반응기에서 배출되는 배기가스를 상기 제2 반응장치로 공급하기 위한 압력을 제공하는 제1 가스펌프;
    물이 수용되는 제1 저장조; 및
    상기 물을 상기 제1 반응기로 공급하기 위한 압력을 제공하는 제1 워터펌프를 포함하는,
    고순도 이산화탄소 제조설비.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 반응기는
    하단부에 상기 배기가스가 유입되는 제1 가스주입구가 형성되고, 상단부에 상기 물이 유입되는 제1 워터주입구가 형성되고, 상기 물에 대한 이산화탄소의 용해가 이루어지는 제1 반응공간을 제공하는 제1 반응본체;
    상기 물을 상기 제1 반응공간에 미세하게 분사하기 위한 제1 분사노즐;
    상기 물이 충진되도록 상기 제1 반응공간 내에 배치되는 제1 발포폼; 및
    상기 제1 반응공간 내 물의 수위를 측정하기 위한 수위센서를 포함하는,
    고순도 이산화탄소 제조설비.
  4. 배기가스 내 이산화탄소를 물에 1차 용해시키는 제1 반응장치;
    상기 이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액과 상기 배기가스를 상기 제1 반응장치로부터 공급받고, 공급받은 상기 배기가스 내 이산화탄소를 상기 1차 용해액에 2차 용해시키는 제2 반응장치; 및
    이산화탄소가 상기 1차 용해액에 2차 용해된 2차 용해액을 상기 제2 반응장치로부터 공급받고, 공급받은 상기 2차 용해액으로부터 이산화탄소를 생산하는 탈기장치를 포함하고,
    상기 제2 반응장치는
    상기 제1 반응장치로부터 공급받은 상기 배기가스 및 상기 1차 용해액이 서로 역방향으로 이동되면서, 상기 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 2차 용해가 이루어지는 제2 반응기;
    상기 제2 반응기에서 배출되는 상기 2차 용해액이 수용되는 제2 저장조; 및
    상기 2차 용해액을 상기 탈기장치로 공급하기 위한 압력을 제공하는 제2 워터펌프를 포함하는,
    고순도 이산화탄소 제조설비.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 반응기는
    하단부에 상기 배기가스가 유입되는 제2 가스주입구가 형성되고, 상단부에 상기 1차 용해액이 유입되는 제2 워터주입구가 형성되고, 상기 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 2차 용해가 이루어지는 제2 반응공간을 제공하는 제2 반응본체;
    상기 1차 용해액을 상기 제2 반응공간에 미세하게 분사하기 위한 제2 분사노즐; 및
    상기 1차 용해액이 충진되도록 상기 제2 반응공간 내에 배치되는 제2 발포폼을 포함하는,
    고순도 이산화탄소 제조설비.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제2 저장조에는
    상기 2차 용해액의 pH 농도를 측정하기 위한 pH센서가 배치되고,
    상기 제2 워터펌프는
    상기 pH센서에서 측정된 상기 2차 용해액의 pH 측정농도가 기 설정된 pH 기준농도 범위를 만족할 때, 상기 2차 용해액을 상기 탈기장치로 공급하는,
    고순도 이산화탄소 제조설비.
  7. 배기가스 내 이산화탄소를 물에 1차 용해시키는 제1 반응장치;
    상기 이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액과 상기 배기가스를 상기 제1 반응장치로부터 공급받고, 공급받은 상기 배기가스 내 이산화탄소를 상기 1차 용해액에 2차 용해시키는 제2 반응장치; 및
    이산화탄소가 상기 1차 용해액에 2차 용해된 2차 용해액을 상기 제2 반응장치로부터 공급받고, 공급받은 상기 2차 용해액으로부터 이산화탄소를 생산하는 탈기장치를 포함하고,
    상기 탈기장치는
    탈기챔버와, 상기 2차 용해액이 이동가능하도록 상기 탈기챔버 내 배치되는 필터파이프를 포함하는 탈기본체;
    상기 탈기챔버의 온도가 조절되도록 폐열을 상기 탈기챔버 내에 선택적으로 공급하는 열교환기; 및
    상기 탈기챔버의 온도를 측정하기 위한 온도센서를 포함하고,
    상기 열교환기는
    상기 온도센서에서 측정된 상기 탈기챔버의 측정 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 만족하도록 상기 폐열을 선택적으로 공급하는,
    고순도 이산화탄소 제조설비.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 탈기장치는
    상기 탈기챔버의 압력을 측정하는 압력센서; 및
    상기 탈기챔버의 압력을 낮추기 위한 진공펌프를 더 포함하고,
    상기 진공펌프는
    상기 압력센서에서 측정된 상기 탈기챔버의 측정 압력이 기 설정된 기준 압력 범위를 만족하도록 상기 탈기챔버의 압력을 조절하는,
    고순도 이산화탄소 제조설비.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 필터파이프는
    상기 2차 용해액이 이동가능한 유로를 제공하는 파이프 형상의 중공사막필터인,
    고순도 이산화탄소 제조설비.
  10. 청구항 1에 따른 고순도 이산화탄소 제조설비를 이용하여 이산화탄소를 생산하는 고순도 이산화탄소 제조방법으로서,
    배기가스 내 이산화탄소를 물에 1차 용해시키는 제1 반응단계;
    이산화탄소가 1차 용해된 1차 용해액에 배기가스 내 이산화탄소를 2차 용해시키는 제2 반응단계; 및
    이산화탄소가 1차 용해액에 2차 용해된 2차 용해액으로부터 이산화탄소를 생산하는 탈기단계를 포함하는,
    고순도 이산화탄소 제조방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제1 반응단계 및 상기 제2 반응단계에서는,
    물 또는 1차 용해액이 배기가스와 서로 역방향으로 이동되면서, 물 또는 1차 용해액에 대한 이산화탄소의 용해가 이루어지는,
    고순도 이산화탄소 제조방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 탈기단계는
    탈기장치 내 탈기챔버의 측정 온도가 기 설정된 기준 온도 범위를 만족하도록 탈기장치 내 폐열을 선택적으로 공급하는,
    고순도 이산화탄소 제조방법.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 탈기단계는
    탈기장치 내 탈기챔버의 측정 압력이 기 설정된 기준 압력 범위를 만족하도록 탈기챔버의 압력을 조절하는,
    고순도 이산화탄소 제조방법.
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