KR20090123628A - 결정화 반응 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 약액을 결정화하는 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 실시예에 따른 결정화 장치는 결정액이 내장되는 내부 공간을 구비하며 외부에 순환 배출구와 상기 순환 배출구의 하부에 순환 유입구가 형성된 반응조와, 상기 반응조 내에서 회전하도록 설치된 회전축과, 상기 회전축에 고정되어 상기 결정액을 교반시키는 임펠러와 상기 순환 배출구와 상기 순환 유입구를 연결하는 순환관을 포함할 수 있다.

약액, 결정화, 순환관, 챔버, 반응

Description

결정화 반응 장치{CRYSTALLIZATION REACTOR}

본 발명은 결정화 반응 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 순환관을 구비하는 약액의 결정화 반응 장치에 관한 것이다.

정석(결정화) 조작은 액상 및 기상에 의하여 결정을 석출하는 조작이고 핵화 및 성장으로부터 성립되어 누적 제품을 얻는 장치, 조작의 설계는 결정화(정석) 현상에 의한다. 대부분의 고체를 생성하는 재료 공정은 과포화의 생성법에 의해서 만들어진다. 즉, 기상 및 액상에 의서 결정화는 과포화 상태에서 일어난다.

과포화 생성법에서 온도에 의한 용해도 변화가 큰 경우에는 냉각식을 적용하고, 온도에 의한 용해도 변화가 작은 경우에는 증발식을 적용한다. 냉각식에는 고정 전열면을 통한 열교환 방식과 냉매 직접 접촉방식이 있다. 고정 전열면을 통한 열교환 방식에서 냉매의 온도가 낮으면 전열면 상에 스케일이 발생하기 쉽다. 따라서 양질의 결정을 안정하게 생성하기 위해서는 냉매의 온도를 너무 낮게 할 수 없으므로 전열 면적을 크게 해야 한다. 냉매 직접 접촉방식은 전열면 없이 효과적으로 냉각할 수 있지만 냉매를 공급하는 노즐 표면에 스케일이 발생하기 쉽다. 공업 조작에서는 냉각식 보다 증발식이 더 널리 이용된다.

반응에 의하여 직접적으로 과포화상태가 될 때를 반응 정석이라고 하며 반응에 의하여 생성되는 물질의 포화 농도가 작을 때는 과포화도(농도/포화농도)가 크게 되기 쉽고 그러한 크기에 충분한 배려를 하지 않으면 양질의 결정을 얻기 어렵다. 또 염석법과 추출법에서 얻어진 성분을 역추출 함으로써 결정시키는 조작도 결정 정석이라 할 수 있다.

과포화 상태는 용질이 포화용해도 이상의 과잉으로 용해된 용액의 상태이고, 용해된 물질의 자유에너지는 결정의 자유에너지보다 높다. 따라서 과포화용액 중에 결정이 존재하면 여분의 용질은 결정의 성장에 사용되고, 결국 용액은 평형용해도에 도달하게 된다. 그러나 결정이 존재하지 않으면, 결정화는 초기에 중지되고, 용액은 비교적 안정하게 유지된다. 다만, 이러한 안정성은 용액의 생성조건에 따라 크게 변화한다.

과포화용액의 안정성에 관해서는, Miers의 과용해도(supersolubility)의 개념이 있다. 도 1에 도시한 바와 같이, 미포화영역의 A 용액을 서서히 냉각시키면 D용해도 곡선(ℓ) 상의 포화점 B를 통과하여 과포화영역에 있게 된다. 그러나 포화점 B에서 직접 결정이 발생하지는 않고, 어느 정도 냉각이 진행되어 점 C에 도달하여 처음으로 결정이 생긴다. 점 C를 각각의 농도에 대하여 구하면, 소위 과용해도 곡선(m)가 실험적으로 결정된다.

이 과용해도 곡선(m)과 용해도 곡선(ℓ)으로 둘러싸인 영역은 준안정영역(metastable zone)이라 하고, 여기서는 핵발생은 일어나지 않는다고 본다.

실제의 과용해도 곡선(m)은 명확한 선으로 정해지지 않는다. 핵발생속도(혹 은 핵 발생확률)은 과포화도 또는 과냉각도의 증가와 함께 증대된다. 따라서, 용해도가 온도 상승에 수반되어 증가하는 계에서는, 서냉하면 핵발생에 이르게 된다.

통상적으로 증발식 결정화 작업을 진행하면 초기단계에서 불포화 상태의 용액을 투입하고 가열, 증발에 의해서 용매는 증발하여 없어지고 용질이 남게 됨에 따라 과포화 방향으로 진행된다. 이러한 용매를 더욱 효과적으로 증발시키고, 결정을 균일하게 생성하기 위해서 임펠러(impeller)를 사용하여 교반을 동반하여 작업을 진행한다.

과포화 단계의 용액 내에서는 결정화를 유발하는 씨드(seed)에 의해서 본격적으로 결정화가 이루어지는데, 이물질이나 과포화상태에서의 자연 발생 결정이 씨드로서 역할을 한다. 씨드가 형성된 상태에서 냉각이 진행되면 용해도가 낮아지면서 급격한 결정화가 이루어진다.

초기 씨드(seed) 생성단계에서부터 본격적인 결정이 만들어지는 과정은 증발식 반응조 내부 온도가 매우 높은 상태에서 이루어지는데, 반응조 내부의 불균일 상태의 영향으로 씨드가 생성된다.

또한, 이때 생성된 결정의 비중은 용매에 비해 일반적으로 높은 물질로써 자연적으로 하부 바닥에 정체하게 된다.

임펠러에 의해서 대부분의 결정들은 용매와 함께 교반되지만 일부 결정들은 반응조 드레인 밸브(drain valve)와 연결된 홈에 머무르게 되고, 이 공간은 약액의 흐름이 없어서, 결정이 공간을 메우게 된다. 고온에서 냉각이 되면 급격하게 결정 이 생성되면서 공간이 막히는 문제가 발생한다.

결정화 작업이 완료되면 용매와 결정의 고액 분리를 위해서 드레인 밸브를 통해서 원심분리기 등의 장치로 약액을 이송한다. 그러나 결정으로 인하여 드레인 밸브의 입구가 막히면, 이송이 불가능해지는 문제가 있다. 드레인 밸브 입구에 적체된 결정들을 제거하기 위해서 고압의 에어를 분사하여 결정 제거 작업을 해야 하는데, 이러한 작업은 약액이 위험물이나 유독물인 경우 작업자에게 손상을 입힐 수 있을 뿐만 아니라, 유출된 약액이 환경을 오염시키는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 드레인 출구가 막히는 현상을 방지할 수 있는 결정화 반응 장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화 반응 장치는 결정액이 내장되는 내부 공간을 구비하며 외주에 순환 배출구와 상기 순환 배출구의 하부에 순환 유입구가 형성된 반응조와, 상기 반응조 내에서 회전하도록 설치된 회전축과, 상기 회전축에 고정되어 상기 결정액을 교반시키는 임펠러와 상기 순환 배출구와 상기 순환 유입구를 연결하는 순환관을 포함할 수 있다.

상기 순환 유입구는 상기 반응조 바닥에 형성될 수 있으며, 특히, 상기 순환 유입구는 상기 반응조 바닥 중앙에 형성될 수 있다. 또한, 상기 순환 배출구는 상기 반응조 바닥에서 반응조 높이의 1/3 내지 1/2 지점에 형성될 수 있으며, 상기 순환 유입구는 약액의 배출을 제어하는 드레인 밸브와 연통될 수 있다.

상기 결정화 반응 장치는 연결관의 결정 막힘을 방지하기 위해 양단이 개방된 관구조로 이루어지고 외주에 상기 순환 배출구와 연통된 측부 개구가 형성되며, 상기 반응조의 높이 방향으로 세워져 설치된 버퍼부재를 포함할 수 있다. 또한, 상기 버퍼부재는 반응조의 내벽과 닫는 면이 반응조의 내벽의 곡률과 동일한 곡률로 형성될 수 있다.

또한, 상기 결정화 반응 장치는 회전 속도를 60rpm 이상으로 유지시키는 회전축 제어부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 드레인 밸브와 인접한 부분에 결정이 적층되는 현상을 방지하여 안정적인 결정화를 수행할 수 있으며, 결정화가 이루어진 약액을 용이하게 인출할 수 있다.

또한, 버퍼부재를 구비하여 순환관이 막히는 현상을 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화 반응 장치를 도시한 절개 사시도 이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화 반응 장치를 도시한 단면도이다.

상기한 도면들을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 결정화 반응 장치는 약액이 내장되는 공간을 갖는 반응조(110)와 반응조(110)의 상부에 결합되는 덮개(130)를 포함한다.

반응조(110)는 대략 원통형상의 상부가 개방된 용기로 이루어지며, 바닥(110a)은 아래를 향하여 볼록하게 돌출된다. 덮개(130)는 반응조(110)의 개방된 상부에 결합되며, 덮개(130) 위에는 전동기(135)와 회전축 제어부(131)가 설치된다.

전동기(135)는 반응조 내부로 삽입되는 회전축(125)과 연결되어 회전축(125)에 회전력을 인가하는 역할을 한다. 회전축 제어부(131)는 복수개의 기어들이 맞물린 구조로 이루어지며, 전동기(135)의 회전속도를 조절하여 회전축(125)이 적절한 속도로 회전하도록 제어한다.

회전축(125)은 반응조(110)의 상부에서 바닥에 인접한 지점까지 이어져 설치되며, 반응조(110)의 폭방향 중앙에 위치한다. 회전축(125)에는 약액을 교반하는 임펠러들(impellers)(126, 127)이 설치되는데, 제1 임펠러(126)와 제2 임펠러(127)가 회전축(125)의 길이방향으로 소정간격 이격 설치된다. 임펠러(126, 127)는 회전축(125)에서 멀어질수록 위쪽으로 굽어진 대략 호형의 종단면을 갖도록 형성된다.

한편, 덮개(130)에는 약액이 유입되는 제1유입구(112)와 제2유입구(114)가 형성되며, 이 유입구들(112, 114)은 각각 제1 유입관(132)과 제2 유입관(134)과 연 통된다.

반응조(110)의 바닥(110a)에는 순환 유입구(117)가 형성되는데, 순환 유입구(117)는 회전축(125)의 아래인 반응조(110)의 바닥(110a) 중앙에 형성된다. 임펠러(126, 127)에 의하여 교반이 일어날 때, 반응조(110)의 중앙은 임펠러(126, 127)에 의한 영향을 거의 받지 않으므로 낮은 압력이 작용한다.

반응조(110)의 외주에는 순환 배출구(115)가 형성되는데, 순환 배출구(115)와 순환 유입구(117)는 순환관(140)을 통해서 서로 연통되어 순환 배출구(115)로 나온 약액이 순환 유입구(117)로 유입된다. 순환관(140)에는 결정화된 약액의 배출을 위한 배출관(142)이 순환관(140)과 일자로 연결 설치되는데, 배출관(142)에는 약액의 배출을 제어하는 드레인 밸브(147)가 설치된다. 이에 따라, 순환관(140)에 작용하는 유동압력이 순환관(140)과 연결된 배출관(142)의 입구에도 작용하여 배출관(142)의 입구에 약액이 적체되는 것을 방지할 수 있다.

또한, 배출관(142)은 중력방향에 수직인 방향으로 순환관(140)과 일자로 연결되는데, 이에 따라 중력에 의하여 배출관(142)에 약액이 적체되는 것을 방지할 수 있다.

반응조(110)의 내벽에는 순환 배출구와 연통된 버퍼부재(128)가 설치된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 버퍼부재(128)는 원통형 관 형상으로 이루어지며, 상단에는 반응조(110)의 덮개(130)를 향하여 개방된 상부 개구(128a)가 형성되고, 하단에는 반응조(110)의 바닥을 향하여 개방된 하부 개구(128b)가 형성된다. 이에 따라 버퍼부재(128)는 양단이 개방된 관 구조로 이루어진다. 버퍼부재(128)의 외주 에는 순환 배출구(115)와 연통된 측부 개구(128c)가 형성되는데, 측부 개구(128c)와 순환 배출구(115) 사이에는 이들의 연통을 위한 별도의 연결관(미도시)이 설치될 수 있다. 버퍼부재(128)는 반응조(110)의 높이 방향으로 세워져 설치되며 임펠러와 간섭하지 않도록 임펠러(126, 127) 보다 외측에 설치된다.

버퍼 부재(128)는 결정이 포함되지 않는 약액을 순환관(140)으로 공급하여 순환관(140)이 막히는 것을 방지하는 역할을 하며, 상부 개구(128a)와 하부 개구(128b)로 유입된 약액은 측부 개구(128c)를 통해서 순환관(140)으로 유입되어 순환한다.

임펠러(126, 127)에 의하여 가압되어 외측으로 밀려난 약액에는 결정이 혼합되어 있는데, 이러한 결정이 순환관(140)으로 유입되면 순환관(140) 내에 정체된 결정이 순환관(140)을 막는 문제가 발생할 수 있다. 그러나 버퍼부재(128)를 설치하면, 외측으로 밀려난 결정은 유동성이 낮아서 버퍼부재(128)의 상하부 개구(128a, 128c)로 잘 유입되지 못하는 반면, 유동성이 우수한 용액은 버퍼부재(128) 내부로 용이하게 유입된다. 따라서 버퍼부재(128)가 결정의 유입을 차단하여 순환관(140)의 막힘 현상을 방지할 수 있다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 버퍼부재(168)는 반원형의 횡단면을 갖는 제1측벽(164)과 제1측벽(164)보다 큰 반경의 호형 횡단면을 갖는 제2측벽(162)으로 이루어질 수 있다. 이때, 제2측벽(162)은 반응조(110)의 안쪽 벽면에 밀착될 수 있도록 반응조(110) 내면의 곡률과 동일한 곡률로 이루어진다. 또한, 버퍼부재(168)는 관 형상으로 이루어지며 상부 개구(168a)와 하부 개구(168b) 및 순환 배 출구(115)와 연통되는 측부 개구(168c)를 갖는다.

반응조(110)의 곡률과 동일한 곡률로 이루어진 제2측벽(162)이 반응조(110)의 내벽에 밀착되면 버퍼부재(168)와 순환 배출구(115) 사이에 별도의 연결관을 개재하지 아니하고, 버퍼부재(168)와 순환 배출구(115)를 직접 연결시킬 수 있다.

도 6은 반응조 내부의 압력 분포를 나타내는 선도이다. 일반적으로 결정화 반응 장치(100)는 약액의 교반에 시에 정체되는 영역이 존재하지 않도록 제작되며 임펠러(126, 127) 역시 결정 생성 조건에 따라 패들 형태(paddle type)에서 앵커 형태(anchor type)까지 다양하게 구성된다.

도 6에 나타난 바와 같이 회전축(125)에서 멀어져서 x축 값이 커질수록 원심력이 증가하여 큰 압력이 작용하며, 반응조(110)의 높이방향 즉, y축 방향의 변화에 대해서는 큰 영향을 받지 않는다.

이러한 반응조(110)에서 원심력이 가장 작은 부분은 Ⅰ지역이며, 원심력이 가장 큰 지역은 Ⅱ지역과 Ⅱ'지역이다. 따라서 Ⅰ지역에 순환 유입구(117)를 형성하고, Ⅱ지역 또는 Ⅱ'지역에 순환 배출구(115)를 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 약액의 흐름에 의해서 결정이 정체되는 문제를 해결하기 위해서는 순환되는 약액의 성분 중 용액이 많고 결정은 적게 포함되어야 한다. 도 5는 반응조(110)의 높이 방향을 따라 일정 간격으로 관이 설치된 상태를 나타내는 개략적인 도면이다.

도 7에서 제1관(201)은 바닥(110a)에서 반응조(110) 높이의 1/4 이상 지점에서 반응조(110)와 연결되며 제2관(203)은 바닥(110a)에서 반응조(110) 높이의 1/2 인 지점, 제3관(205)은 바닥(110a)에서 반응조(110) 높이의 3/4 이하 지점에서 각각 반응조(110)와 연결된다.

제1관(201)을 통해서 배출되는 약액은 60%의 용액과 40%의 결정을 포함하고 있으며, 제2관(203)을 통해서 배출되는 약액은 82%의 용액과 18%의 결정을 포함하고 있다. 또한, 제3관(205)을 통해서 배출되는 약액은 98%의 용액과 2%의 결정을 포함하고 있다.

상기한 바와 같이 결정의 정체 문제를 해결하기 위해서는 용액의 양이 많아야 하나, 결정화 공정의 특성상 농축 공정이라는 점을 고려할 때, 용액의 양이 지나치게 많으면 결정화가 제대로 이루어지지 못하는 문제가 있다.

따라서 순환 배출구(115)는 바닥에서 반응조(110) 높이의 1/3 내지 1/2 지점에 형성되는 것이 바람직하다. 순환 배출구(115)가 바닥(110a)에서 반응조(110) 높이의 1/3 보다 낮은 부분에 위치할 경우 농축 공정에서는 결정화가 진행되지 않는 고온의 과포화 상태이므로 문제 발생 소지가 적지만 히팅 스탑(heating stop)에 의하여 열의 공급이 멈춘 쿨링 단계에서부터는 점진적으로 결정이 생성되고 성장하면서 유속의 감소를 야기하는 문제가 발생한다. 또한, 순환 배출구(115)가 바닥(110a)에서 반응조(110) 높이의 1/2 지점보다 높은 부분에 위치할 경우에는 상대적으로 농축할 수 있는 양이 적게 되고 이로 인한 저농축에 의해서 과포화도가 낮아 회수할 수 있는 수율에 부정적인 영향을 주는 문제가 있다.

이와 같이 순환 배출구(115)가 바닥(110a)에서 반응조(110) 높이의 1/3 내지 1/2 위치에 형성된 상태에서 회전축(125)의 회전속도에 따른 배관 유량을 관찰하여 표 1에 나타내었다.

[표 1]

회전속도(rpm)	배관 직경	임펠러 유형	배관 내 흐름 유량
30	40mm	패들 형태	8 ℓ/min
60	40mm	패들 형태	23 ℓ/min
90	40mm	패들 형태	36 ℓ/min
120	40mm	패들 형태	56 ℓ/min

드레인 밸브(147)와 인접한 부분에 정체된 결정들을 안정적으로 제거하기 위해서는 순환관(140)을 통해서 20ℓ/min 이상의 약액이 유통되어야 하는데, 표 1에 나타난 바와 같이 회전축(125)의 회전 속도가 60(rpm) 이상인 경우에 순환관(140)을 통해서 적정한 양의 약액이 유통하는 것을 알 수 있다. 이와 같이 회전축은 60(rpm) 이상의 속도로 회전되도록 제어되어야 하는데, 회전축(125)의 제어는 전동기(135)와 연결된 회전축 제어부(131)에 의하여 이루어진다.

이상을 통해 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

도 1은 과용해도 곡선과 용해도 곡선을 이용하여 입자의 결정화 과정을 설명하기 위한 그래프이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화 반응 장치를 도시한 절개 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화 반응 장치를 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 버퍼 부재를 도시한 사시도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 버퍼 부재를 도시한 사시도이다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화 반응 장치 내의 압력을 나타낸 선도이다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 결정화 반응 장치의 높이에 따른 약액의 성분을 설명하기 위한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 결정화 반응 장치 110: 반응조

115: 순환 배출구 117: 순환 유입구

125: 회전축 126, 127: 임펠러

128: 버퍼 부재 131: 회전축 제어부

135: 전동기 140: 순환관

147: 드레인 밸브

Claims (10)

1. 결정액이 내장되는 내부 공간을 구비하며 외주에 순환 배출구가 형성되고 상기 순환 배출구의 하부에 순환 유입구가 형성된 반응조;

   상기 반응조 내에서 회전하도록 설치된 회전축;

   상기 회전축에 고정되어 상기 결정액을 교반시키는 임펠러(impeller);

   상기 순환 배출구와 상기 순환 유입구를 연결하는 순환관;

   을 포함하는 결정화 반응 장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 순환 유입구는 상기 반응조 바닥에 형성된 결정화 반응 장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 순환 유입구는 상기 반응조 바닥 중앙에 형성된 결정화 반응 장치.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 순환 유입구는 약액의 배출을 제어하는 드레인 밸브와 연통된 결정화 반응 장치.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 드레인 밸브는 상기 순환관과 일자로 연결된 배출관에 설치된 결정화 반응 장치.
6. 제 5항에 있어서,

   상기 배출관은 중력방향에 수직인 방향으로 이어져 형성된 결정화 반응 장치.
7. 제 1항에 있어서,

   상기 순환 배출구는 상기 반응조 바닥에서 반응조 높이의 1/3 내지 1/2 지점에 형성된 결정화 반응 장치.
8. 제 1항에 있어서,

   양단이 개방된 관구조로 이루어지고 외주에 상기 순환 배출구와 연통된 측부 개구가 형성되며, 상기 반응조의 높이 방향으로 세워져 상기 반응조의 내측 벽면에 설치된 버퍼부재를 더 포함하는 결정화 반응 장치.
9. 제 8항에 있어서,

   상기 버퍼부재는 반응조의 내벽과 닫는 면이 반응조의 내벽의 곡률과 동일한 곡률을 갖는 결정화 반응 장치.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 회전축의 회전 속도를 60rpm 이상으로 유지시키는 회전축 제어부를 더 포함하는 결정화 반응 장치.

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