KR20150057937A - 황산의 제조를 위한 방법, 장치 및 시스템 - Google Patents
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Abstract
고체 황을 제공하고, 황용융탱크 내에서 상기 고체 황을 용융시켜 액체 황으로 용융시키고, 상기 액체 황을 연소시켜 황 제품을 생성하고, 상기 황의 연소로부터 생성된 높은 수준의 열에너지를 재생하고, 그리고 상기 높은 수준의 열에너지를 증류탑에 제공하고, 상기 황의 연소로부터 생성된 낮은 수준의 열에너지를 재생하고, 그리고 상기 낮은 수준의 열에너지를 상기 황용융탱크에 제공하고, 과산화수소 또는 과산화수소를 포함하는 황산을 반응을 위한 흡수반응탑 내로 제공하여 황산 제품을 생성하고, 그리고 상기 황산 제품을 농축시키거나 정제시켜 그의 농도 또는 순도를 향상시키는 방법이 기술된다.
Description
본 발명은 황산의 제조를 위한 방법, 장치 및 시스템, 특히 충분히 열에너지를 재활용할 수 있는 방법, 장치 및 시스템에 관한 것이다.
황산은 매우 중요한 화합물이며 극히 포괄적인 산업용의 목적들을 갖는다. 이는 비료, 비-염기성 세제(non-alkaline detergent), 피부보호제, 페인트 첨가제를 제조하는 데 사용될 수 있을 뿐만 아니라, 폭발물을 제조하는 데에도 활용될 수 있다. 황산은 많은 산업들이 의존하는 필수적인 재료의 역할을 하고, 그리고 거대 시장 수요가 이미 막대한 수량을 반영하고 있다. 그 결과, 전 세계에서 많은 지역 사업가(local entrepreneurs)들이 황산의 생산에 매력을 느끼고 있다. 그러나, 비록 사업가들 각각이 원만하게 황산을 대량생산함에도 불구하고, 이들은 여전히 설비의 효율의 증가, 낮은 에너지 소비, 생산비의 감소 및 그에 따른 경제적 이득 및 기업의 경쟁력의 향상을 기대할 수 있도록 제품 개량을 유지하기 위한 노력을 기울일 필요가 있다고 느끼고 있다.
한편, 기술의 진보에 따라, 전통적인 산업들이 발전을 지속할 뿐만 아니라, 보다 더 혁신적인 산업들이 빠르게 성장한다. 이들 산업들의 생산 용량이 지속적으로 소비되는 경우, 생산 공정 동안에 소모산(spent acid) 또는 폐산(waste acid)이 발생될 것이다. 예를 들면, 반도체를 세정하는 동안 극히 고순도의 황산을 적용하는 것 및 반응 속도를 촉진시키고 그리고 세정 효과를 향상시키기 위하여 일정 비율로 과산화수소 용액을 첨가하는 것이 요구된다. 이러한 환경에서, 소모산은 황산 및 과산화수소를 포함한다. 생산 용량이 특정의 수준을 달성하는 경우, 생산된 폐황산 또는 폐산의 양은 상당히 막대할 것이다. 생산된 폐황산 또는 폐산은 생산비의 일부를 차지할 뿐만 아니라 또한 제한 규정들 및 환경 오염을 방지하기 위한 기업체들의 노력을 통한 적절한 재사용을 요구한다.
따라서, 산업용 목적들의 요구들을 만족하기 위한 그리고 재활용된 소모산 또는 폐산으로부터 경제적인 가치를 갖는 고농도 황산을 재생하기에 특히 적절한 고농도 황산을 생산할 뿐만 아니라, 에너지 소비를 낮추고 그리고 계속해서 총 생산비를 감소시키기 위하여 동시적으로 열에너지를 충분히 재사용하기 위한 황산의 제조를 위한 방법 및 장치를 개발하는 것은 매우 중요하다.
따라서, 본 발명의 하나의 목적은 적절한 재사용을 위하여 재생 열에너지를 충분히 활용하여 에너지 소비를 낮추고 그리고 에너지를 낭비하는 문제점을 해결하도록 하는 황산의 제조를 위한 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 공장에서 버려지는 소모산 또는 폐산으로부터 신생 황산 제품을 재생하기 위한 황산을 제조하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 에너지를 절약하고, 탄소 방출을 감소시키고, 환경친화적이고 그리고 지구의 부담(Earth's burden)을 완화하는 목표들을 달성하기 위한 황산을 제조하기 위한 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 황산 제품을 제조하기 위한 방법을 제공하며, 상기 방법은 하기의 단계들을 포함한다. 첫째, 고체 황(solid sulfur)이 제공된다. 계속해서, 황용융탱크 내에서 상기 고체 황이 액체 황(liquid sulfur)으로 용융된다. 다음으로, 상기 액체 황이 연소되어 황 제품을 생성한다. 상기 액체 황을 연소시키는 것으로 생성된 높은 수준의 열에너지가 재생된다. 상기 높은 수준의 열에너지는 제1 증류탑 및 제2 증류탑으로 제공된다. 상기 황을 연소시키는 것으로 생성되는 낮은 수준의 열에너지가 재생된다. 상기 낮은 수준의 열에너지는 상기 황용융탱크에 제공된다. 과산화수소 또는 과산화수소를 포함하는 황산이 흡수반응탑(absorption-reaction tower) 내로 제공되어 황산 제품을 생산한다. 상기 황산 제품은 농축되고 그리고 정제되어 그의 농도 및 순도가 향상되도록 한다.
또한, 본 발명은 황산 제품을 제조하기 위한 장치를 제공하고, 그리고 상기 장치는 황용융탱크, 연소로, 회분수집기(ash collector), 제1 열교환기, 제2 열교환기, 흡수반응탑, 제1 증류탑, 제2 증류탑 및 박리탑(stripping tower)을 포함한다. 상기 황용융탱크는 고체 황을 액체 황으로 용융시키는 데 사용된다. 상기 연소로는 상기 액체 황을 연소시키고 그리고 적어도 하나의 황 제품을 상기 제1 열교환기로 수입하는 데 사용된다. 상기 제1 열교환기는 상기 액체 황을 연소시키는 것으로 생성되는 높은 수준의 열에너지를 재생하고 그리고 상기 높은 수준의 열에너지를 제1 파이프라인(first pipeline)을 통하여 상기 제1 증류탑 및 상기 제2 증류탑에로 전달하는 데 사용된다. 상기 제2 열교환기는 상기 액체 황을 연소시키는 것으로 생성되는 낮은 수준의 열에너지를 재생하고 그리고 상기 낮은 수준의 열에너지를 제2 파이프라인을 통하여 상기 황용융탱크에로 전달하는 데 사용된다. 상기 황 제품은 상기 흡수반응탑 내에서 과산화수소와 반응하여 상기 황산 제품을 생성한다. 상기 제1 증류탑 및 상기 제2 증류탑은 상기 황산 제품을 농축시키고 그리고 정제하여 상기 황산 제품의 농도 및 순도를 향상시키는 데 사용된다. 상기 박리탑은 상기 황산 제품 내의 이산화황을 제거하는 데 사용된다.
또한, 본 발명은 황산 제품을 제조하기 위한 시스템을 제공하고, 그리고 상기 시스템은 황용융탱크, 연소로, 적어도 하나의 열교환기, 흡수반응탑, 적어도 하나의 증류탑 및 박리탑을 포함한다. 상기 황용융탱크는 고체 황을 액체 황으로 용융시키는 데 사용된다. 상기 연소로는 상기 액체 황을 연소시키고 그리고 적어도 하나의 황 제품을 상기 열교환기 내로 수입하는 데 사용된다. 상기 열교환기는 상기 액체 황을 연소시키는 것으로 생성되는 열에너지를 재생하는 데 사용된다. 상기 황 제품은 상기 흡수반응탑 내에서 과산화수소와 반응하여 상기 황산 제품을 생성한다. 상기 적어도 하나의 증류탑은 상기 황산 제품을 농축시키거나 또는 정제시켜 상기 황산 제품의 농도 및 순도를 향상시키는 데 사용된다. 상기 박리탑은 상기 황산 제품 내의 이산화황을 제거하는 데 사용된다. 여기에서, 상기 황용융탱크 및 상기 적어도 하나의 증류탑을 작동시키는 데 요구되는 에너지의 일부가 재생된 열에너지로 공급될 수 있다.
선행기술들과 비교하여, 본 발명에서의 황산을 제조하기 위한 상기 방법, 장치 및 시스템은 과산화수소 및 이산화황을 사용하여 황산을 제조한다. 따라서, 산화제로 사용된 상기 과산화수소가 상기 반응을 통하여 제거되고 이는 추후에서의 폐기물들의 처리의 불편함을 피하도록 할 뿐만 아니라, 상기 흡수반응탑 내에서의 상기 황산의 농도가 반응 시간이 증가함에 따라 간단히 더욱 더 높아지고, 그리고 종국적으로는 상기 과산화수소가 고갈되는 경우, 더 이상 증가하지 않으며 이는 물의 생성으로 인하여 생성물들이 점점 더 희석되는 통상의 환원-산화 반응(reduction-oxidation reactions)과는 대조적이다. 더욱이, 본 발명에서의 황산을 제조하기 위한 상기 방법 및 장치는 상기 황을 연소시키는 것으로 생성된 대량의 열에너지를 충분히 재생한 후에 상기 높은 수준의 열에너지와 상기 낮은 수준의 열에너지를 각각 상기 증류탑들 및 상기 황용융탑에 공급한다. 상기 높은 수준의 열에너지 및 상기 낮은 수준의 열에너지는 상기 황산 제품을 농축시키고 그리고 정제시키기 위하여 그리고 상기 황을 용융시키기 위하여 제공된다. 상기 높은 수준의 열에너지 및 상기 낮은 수준의 열에너지로부터 과량의 에너지가 잔류하는 경우에도, 상기 과량의 열에너지는 또한 전력을 생산하거나 또는 다른 목적들을 위하여 활용될 수 있다. 따라서, 본 발명에서의 황산을 제조하기 위한 상기 장치는 자족 시스템(self-contained system)을 형성한다. 이러한 자족 시스템에 있어서, 상기 황용융탱크 및 상기 증류탑들을 가동하는 데 요구되는 에너지는 외부적으로 공급되는 에너지의 양이 크게 감소되도록 열에너지를 재생하는 것에 의하여 제공될 수 있다. 즉, 상기 자족 시스템은 완전히 전력 절약 모드(power saving mode)로 가동된다. 본 발명에서의 황산을 제조하기 위한 상기 방법, 장치 및 시스템은 공장들에서 폐기되는 소모산 또는 폐산으로부터 신생 황산 제품들을 재생하기에 대단히 적절하다. 상기 기술된 방법, 장치 및 시스템은 안정적으로 상기 황산의 농도 및 순도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 폐산 중의 상기 과산화수소를 효율적으로 제거하고 그리고 안정화시킬 수 있다. 상기 생산된 신생 황산 제품들은 많은 산업 공정들에서 광범위하게 활용되어 전력을 절약하고, 탄소 방출을 감소시키고, 환경 친화적이고 그리고 지구의 부담을 완화시키는 목적들을 달성할 수 있다. 또한, 사업 단위들에서 폐산을 취급하는 데 소비되는 부가의 비용이 또한 감소될 수 있다. 신생 제품들의 소비를 대체하는 데 더하여, 상기 생성된 신생 제품들은 부가적으로 제조비용을 감소시킬 수 있다.
앞서의 종합적인 기술 및 후속하는 상세한 설명들 둘 다는 예시적이고, 그리고 특허청구된 바와 같은 본 발명의 추가의 설명을 제공하는 것으로 의도되는 것으로 이해되어야 한다.
첨부된 도면들은 본 발명의 부가의 이해를 제공하기 위하여 포함되고, 그리고 본 상세한 설명의 일부에 포함되고 그리고 그 일부를 구성한다. 상기 도면들은 본 발명의 구체예들을 설명하고 그리고 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리들을 설명하도록 기능한다.
도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따라 황산을 제조하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따라 황산을 제조하기 위한 장치를 설명하는 모식도이다.
도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따라 황산을 제조하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따라 황산을 제조하기 위한 장치를 설명하는 모식도이다.
도 1을 참조하시오; 도 1은 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따라 황산을 제조하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서의 황산을 제조하기 위한 상기 방법은 먼저 고체 황을 제공한다(단계 S101).
계속해서, 상기 고체 황을 분쇄기로 처리하며(단계 S101a), 여기에서 상기 고체 황이 황용융탱크 내로 위치되기 이전에 상기 고체 황의 입자 크기가 조정된다. 그 후, 상기 황용융탱크 내로 위치된 상기 고체 황이 액체 황으로 용융되어 상기 고체 황의 용융을 용이하도록 한다. 대체로, 용융된 황의 온도가 약 149℃로 낮아지도록 상기 황용융탱크의 온도가 조절되어 높은 점도를 갖는 액체 황이 형성되는 것을 피하도록 하고 그리고 상기 장치가 높은 점도를 갖는 액체 황에 의하여 손상되는 것을 방지하도록 한다.
상기 단계(S102)에 후속하여, 상기 액체 황이 사전여과(prefiltered)된다(단계 S103). 대개, 상기 액체 황을 사전여과하는 데 바스켓스트레이너(basket strainer)가 사용되며, 이는 깨끗한 액체는 통과하나 그러나 고체 불순물은 상기 스트레이너 내에서 차단되도록 한다. 계속해서, 분무 공정(nebulization)이 수행되어 상기 사전여과된 액체 황을 분무시킨다(단계 S104). 여기에서, 분무는 상기 액체 황의 분자들의 훨씬 더 작은 크기들을 갖는 분자들로의 변환을 의미하며, 이는 황의 보다 완전하고 균일한 연소에 도움이 된다.
계속해서 연소 공정이 수행되고(단계 S105), 그리고 상기 분무된 황이 연소로 내에서 연소된다. 상기 단계 S105에서, 양호한 결과를 원하는 경우 상대적으로 온도 제어가 중요하다. 냉온로(cold furnace)의 사용이 의도되기는 하나, 상기 로의 온도는 상기 로에 액체 황이 공급되기 이전에 상승되어야 한다. 상기 연소가 산소가 참여하는 극심한 산화 반응이기 때문에, 상기 연소는 대량의 빛과 열을 방출하여 이 단계에서 상기 연소의 온도가 약 1093℃가 되도록 한다. 상기 반응에서 산소가 참여하기 때문에, 상기 황은 산소와 반응하여 후속의 단계에서 과산화수소(H2O2)와의 추가 반응을 통하여 황산을 재생하기 위한 이산화황(SO2)을 형성한다. 뿐만 아니라, 특정의 반응의 자유에너지가 0보다 작은 경우(G < 0), 상기 반응은 자발적 반응이어야 한다. 상기 자유에너지는 다음과 같이 계산된다:
G = H - TS
여기에서, H는 반응열이고, T는 절대온도이고, 그리고 G는 엔트로피 변화이다. 앞서 기술한 바와 같이, 상기 황의 연소로부터 대량의 열이 방출되고, 따라서 상기 반응은 발열반응, 즉 H < 0이다. 엔트로피는 무질서(chaos)의 척도(indicator)이나, 그러나, 상기 연소는 무질서를 증가시키며, 즉 S > 0이다. 계속해서, H < 0 및 H > 0을 상기 식으로 치환하여 G가 확실히 0보다 작고 그리고 상기 반응이 확실히 자발적 반응이라는 결과를 얻는다.
이산화황의 형성을 위한 상기 황의 연소 반응에서 유일하게 필요한 것은 천연가스를 점화하는 것이라는 것은 이해될 수 있는 것이다. 천연가스의 점화는 연소가능한 재료가 그들의 발화점에 도달하고 그리고 계속해서 어떠한 부가의 에너지를 공급함이 없이 자동적으로 그 자체가 연소되는 것을 보조할 수 있다. 또한, 상기 발화점에의 도달 후, 상기 반응은 대량의 열에너지를 방출할 것이다.
후속하여, 도 1에 나타낸 바와 같이, 사이클론 분리기(cyclone separator) 및/또는 여과시스템(filter system)을 사용하는 것에 의하여 상기 황의 연소로부터 생성된 황 제품 중의 회분(ash)이 제거된다(단계 S106). 상기 황 제품 중의 상기 회분이 수집되고, 그리고 계속해서 상기 회분-제거된 황 제품, 즉 상기 이산화황이 제1 폐열 보일러(first waste heat boiler) 내로 수입된다.
다음으로, 높은 수준의 열에너지가 재생된다(단계 S107). 상기 언급된 연소로부터 생성되는 열에너지의 일부를 재생하는 데 제1 폐열 보일러가 사용된다. 이 단계에 있어서, 목적은 높은 수준의 열에너지를 재생하는 것이며, 따라서, 실제 상황에 따라 열에너지를 전달하기 위한 열매체유(thermal medium oil) 또는 물 등과 같은 매질(medium)이 선택될 수 있다. 상기 매질은 생성된 가스의 온도가 약 260℃까지 낮아질 때까지 앞서 언급한 연소로부터 생성된 대량의 열에너지를 흡수한다. 상기 재생된 높은 수준의 열에너지는 계속해서 후속하는 농축 또는 정제 목적을 위하여 제1 증류탑 및 제2 증류탑으로 전달된다(단계 108).
그 후, 낮은 수준의 열에너지가 재생된다(단계 S109). 상기 언급된 연소로부터 생성된 열에너지의 지속적으로 재생하는 데 제2 폐열 보일러가 사용된다. 단계 S107에서 상기 높은 수준의 열에너지가 재생되었기 때문에, 상기 단계 S109의 목적은 상기 낮은 수준의 열에너지를 재생하는 것이다. 다시, 열에너지를 전달하기 위한 열매체유 또는 물 등과 같은 상기 매질이 실제 상황에 따라 선택될 수 있다. 상기 매질은 상기 생성된 가스가 약 165℃까지 낮아질 때까지 상기 제1 폐열 보일러에 의해 흡수되지 않은 열에너지의 일부를 흡수하는 것을 지속한다. 계속해서 상기 재생된 낮은 수준의 열에너지가 상기 단계 S102에서 상기 고체 황을 용융시키기 위한 상기 황용융탱크에로 전달된다(단계 S110). 황의 연소열은 그의 융합열(heat of fusion) 보다 훨씬 더 크고, 따라서 상기 황용융탱크에 요구되는 에너지는 단순히 상기 낮은 수준의 열에너지를 재생하는 것에 의하여 충족될 수 있다. 특히, 상기 재생된 낮은 수준의 열에너지는 상기 고체 황 전부를 상기 액체 황으로 변형시키기에 충분하다.
계속해서, 황산이 흡수반응탑 내에서 형성된다(단계 S111). 이 단계에 있어서, 과산화수 또는 과산화수소 포함 황산이 상기 흡수반응탑 내로 제공되고, 그리고 상기 이산화황이 상기 과산화수소와 반응한 후에 황산이 형성된다:
SO2(g) + H2O2(l) → H2SO4(l)
상기 반응에 있어서, 상기 흡수반응탑 내로 공급된 상기 과산화수소는 과산화수소 용액을 포함하는 폐황산 또는 반도체 세정 공정 동안에 폐기되는 폐과산화수소 용액 등과 같이 공장들에서 폐기된 폐산으로부터 온 것일 수 있다. 상기 반응 이후, 신생 황산 제품이 생산될 수 있다. 상기 소모산 및 폐산들은 저장을 위하여 특별히 관리되고 그리고 수집된다. 재생 및 관리 규정들에 따라, 상기 소모산 및 폐산은 행정절차를 통한 승인을 위해 출원되고 그리고 재가공된 후에 공업용의 원료재료로서 재사용될 수 있다. 다른 관점에 있어서, 만족스러운 결과들을 얻기 위하여 실제 상황들에 따라 공정 조건들이 조정될 수 있다. 그러나, 상기 흡수반응탑 내로 제공되는 상기 과산화수소의 공급원들은 소모산 및 폐산으로 한정되지는 않는다.
더욱이, 과산화수소 용액을 포함하는 상기 폐황산이 상기 흡수반응탑의 바닥에서 바닥순환탱크(bottom circulation tank)에로 주입된다. 상기 소모산은 상기 바닥순환탱크 내에서 상부로 상기 소모산을 연속적으로 펌핑(pumping)하는 것을 통하여 상기 탑의 상부로부터 분무된다. 기상 이산화황(vapor-phase sulfur dioxide)이 상기 바닥으로부터 상승한다. 상기 기상 이산화황 및 상기 액상 과산화수소 용액은 접촉 및 서로에 대한 반응을 지속한다. 따라서, 상기 황산의 농도를 향상시키는 효과가 얻어진다. 상기 탑 내에서의 상기 기상 이산화황과 상기 액상 과산화수소 용액 간의 상기 반응이 발열반응에 속하기 때문에, 상기 바닥순환탱크 내에서의 상기 소모산을 냉각시켜 상기 소모산이 상기 탑의 상부 상으로 펌핑되기 이전에 상기 바닥의 온도를 약 65℃로 유지하도록 하는 데 열교환기(예를 들면, 수냉각기(water cooler))가 사용된다. 상기 황산의 끓는점이 더 높기 때문에, 상기 황산은 상기 바닥순환탱크 내로 강하된다. 상기 바닥순환탱크 내에서 시료(specimen)가 샘플링되고(sampled) 그리고 상기 시료 중의 상기 과산화수소 용액의 함량이 0으로 검출되는 경우, 상기 바닥순환탱크 내의 상기 황산은 저농도에서 공업급(industrial grade)의 황산으로서의 자격을 갖추거나 또는 다음 단계로 진입할 수 있다. 특히 주목하여야 하는 한 가지 사실은 상기 반응 시간이 증가함에 따라 상기 흡수반응탑 내의 상기 황산의 농도가 증가하고 그리고 종국적으로는 상기 과산화수소가 고갈되는 경우, 더 이상 증가하지 않게 된다는 것이다. 상기 농도는 약 72.1중량%가 될 때까지 증가한다. 이는 두 가지의 잇점들을 제공한다. 첫 번째로, 상기 이산화황이 상기 소모산 또는 폐산 중의 상기 과산화수소와 반응하고, 이는 상기 소모산 또는 폐산 중의 상기 과산화수소를 제거한다. 따라서, 추후에 부가적으로 과산화수소를 취급하는 것에 의해 야기되는 불편점이 없다. 두 번째로, 상기 반응 시간이 증가함에 따라 상기 황산의 농도가 특정의 수준까지 증가하고, 이는 중간농도 및 고농도의 황산에 대한 산업적 요건들에 부합한다.
저농도의 상기 공업급의 황산이 생성된 후, 농축 공정이 수행된다(단계 S112). 상기 단계에서, 상기 제1 증류탑 내에서 상기 재생된 높은 수준의 열에너지가 물 및 그의 끓는점들이 둘 다 상기 황산의 끓는점 보다 낮은 다른 낮은 끓는점 혼합물들을 증발시키는 데 활용되어 상기 농도가 96중량% 보다 더 높거나 또는 동등하게 될 때까지 상기 황산 제품의 농도를 향상시킨다. 상기 제1 증류탑을 통하여 증류된 상기 황산은 계속해서 고농도에서 공업급의 황산으로 자격을 갖추거나 또는 부가의 증류 처리를 위하여 제2 증류탑 내로 더 수입될 수 있다.
마지막으로, 단계 S113에 나타낸 바와 같이, 상기 제1 증류탑을 통하여 증류된 상기 황산은 상기 제2 증류탑 내로 도입된다. 상기 재생된 높은 수준의 열에너지가 상기 제2 증류탑 내에서 높은 끓는점의 혼합물 또는 높은 금속 함량을 갖는 황산을 더 제거하는 데 활용된다. 계속해서 소정의 황산이 상기 제2 증류탑의 상부로부터 증류되고, 그리고 금속 함량은 0.1 내지 10ppb가 된다. 따라서, 높은 품질을 갖는 전자급(electronic grade)의 황산이 생산된다. 만일 상기 전자급 황산 내의 상기 이산화황 함량이 너무 높은 경우, 상기 황산을 박리탑에 도입시키는 것에 의하여 상기 이산화황이 제거될 수 있다.
상기 공정들을 통하여 저농도로 생산된 상기 공업급 황산 제품, 고농도의 상기 공업급 황산 제품 또는 고품질의 전자급 황산 제품들은 직접 저장되거나 또는 병입되어(bottled) 선적을 준비할 수 있다(단계 S114)는 것을 주의하여야 한다.
상기 구체예에서의 황산을 제조하기 위한 상기 방법을 실행하기 위하여, 도 2는 본 발명의 하나의 바람직한 구체예에 따라 황산을 제조하기 위한 장치를 설명하는 모식도를 나타내고 있다. 도 2를 참조하면, 도 2에 나타낸 바와 같이, 본 구체예에서 황산을 제조하기 위한 상기 장치(200)는 황용융탱크(201), 연소로(202), 회분수집기(205), 제1 열교환기(203), 제2 열교환기(204), 흡수반응탑(206), 제1 증류탑(222), 제2 증류탑(224) 및 박리탑(207)을 포함한다.
상기 황용융탱크(201)는 상기 고체 황을 상기 액체 황으로 용융시키는 데 사용된다. 용융 공정 동안에, 상기 황의 완전한 상전이를 위한 상기 고체 황의 융합열을 극복하는 데 제1 파이프라인(208)을 통하여 전달되는 상기 낮은 수준의 열에너지가 사용된다. 한편, 상기 황용융탱크(201)의 온도는 그 온도가 약 149℃에 속하도록 제어된다. 더욱이, 본 구체예에서 황산을 제조하기 위한 상기 장치(200)는 상기 고체 황의 입자 크기를 이상적인 크기로 조정하고 그리고 계속해서 상기 황을 상기 황용융탱크(201) 내로 수입하는 데 사용되는 분쇄기(209)를 더 포함한다.
상기 연소로 내에서의 상기 황의 연소를 보다 더 깨끗하고, 보다 더 균일하고 그리고 보다 더 완전하게 하기 위하여, 본 구체예에서 황산을 제조하기 위한 상기 장치(200)는 스트레이너(210) 및 분무장치(211)를 더 포함한다. 대개, 상기 스트레이너(210)는 상기 액체 황을 사전여과하고, 깨끗한 액체가 통과하고 그리고 고체 불순물들이 상기 스트레이너 내에서 차단되도록 하는 데 사용되는 바스켓스트레이너이다. 상기 분무장치(211)는 상기 사전여과된 액체 황을 분무하고, 상기 액체 황의 분자를 훨씬 더 작은 크기를 갖는 분자들로 변환시키고 그리고 계속해서 상기 분무된 황을 상기 연소로(202) 내로 수입하는 데 사용된다.
상기 연소로(202)는 상기 분무된 황을 연소시키는 데 사용된다. 양호한 결과들이 소망되는 경우, 상기 연소로(202)의 온도 제어는 상대적으로 중요하다. 냉온로의 사용이 의도되기는 하나, 상기 로의 온도는 상기 로에 액체 황이 공급되기 이전에 상승되어야 한다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 황의 연소가 자발적인 반응이고, 상기 연소 반응의 개시에 요구되는 것은 상기 천연가스를 점화시키는 것이고, 계속해서 이는 어떠한 부가의 에너지를 공급함이 없이 자동적으로 그 자체가 연소되는 것을 보조할 수 있다. 또한, 상기 발화점이 도달한 후에, 상기 반응은 대량의 빛과 열에너지를 방출하여 상기 연소의 온도가 약 1093℃가 되도록 한다. 상기 반응에서 산소가 참여하기 때문에, 상기 황은 산소와 반응하여 후속의 단계에서 과산화수소(H2O2)와의 추가 반응을 위한 이산화황(SO2)을 형성한다.
상기 회분수집기(205)는 대개는 상기 황 제품 중의 회분을 제거하고 그리고 수집하는 데 사용되는 사이클론 분리기 및/또는 여과시스템이다. 상기 회분수집기(205)는 더욱 상기 회분-제거된 황 제품, 즉 상기 이산화황을 상기 제1 열교환기(203) 내로 수입한다.
상기 제1 열교환기(203)는 상기 높은 수준의 열에너지를 재생하는 데 사용된다. 열에너지를 전달하기 위한 열매체유 또는 물 등과 같은 상기 매질은 실제 상황에 따라 선택될 수 있다. 상기 제1 열교환기(203)에서의 상기 매질은 상기 생산된 가스의 온도가 약 260℃로 낮아질 때까지 앞서 언급된 연소로부터 생성된 열에너지의 일부를 재생한다. 계속해서 상기 흡수된 높은 수준의 열에너지는 상기 제1 파이프라인(212)을 통하여 농도 및 순도를 향상시키기 위한 목적으로 상기 제1 증류탑(222) 및 상기 제2 증류탑(224)에로 전달된다. 본 구체예에 있어서, 상기 제1 열교환기(203)는 제1 폐열 보일러이다.
상기 제2 열교환기(204)는 상기 낮은 수준의 열에너지를 재생하는 데 사용된다. 열에너지를 전달하기 위한 열매체유 또는 물 등과 같은 상기 매질은 실제 상황에 따라 선택될 수 있다. 상기 제2 열교환기(204)에서의 상기 매질은 상기 생산된 가스의 온도가 약 165℃로 낮아질 때까지 열에너지를 흡수하는 것을 지속한다. 계속해서, 상기 재생된 낮은 수준의 열에너지는 상기 제2 파이프라인(208)을 통하여 상기 황용융탱크(201)에로 전달된다. 황의 연소열은 그의 융합열 보다 훨씬 더 크고, 따라서 상기 황용융탱크에 요구되는 에너지는 단순히 상기 낮은 수준의 열에너지를 재생하는 것에 의해 충족될 수 있다. 상기 재생된 낮은 수준의 열에너지는 또한 상기 고체 황 전부를 상기 액체 황으로 변형시키기에 충분하다. 본 구체예에 있어서, 상기 제2 열교환기(204)는 제2 폐열 보일러이다.
상기 흡수반응탑(206)에서, 상기 이산화황이 과산화수소와 반응한 후 황산이 생성된다. 상기 흡수반응탑(206)의 바닥에는 바닥순환탱크(206a)가 포함되며, 여기에는 과산화수소를 포함하는 황산 또는 과산화수소 용액이 주입된다. 상기 바닥순환탱크(206a) 내의 상기 소모산의 상부 상으로의 연속적 펌핑을 통하여 상기 소모산이 상기 탑(206)의 상부로부터 분무된다. 상기 바닥순환탱크(206a) 내의 상기 소모산을 냉각시키기 위하여 열교환기(예를 들면, 수냉각기)가 사용되어 상기 소모산이 상기 흡수반응탑(206)의 상부로 펌핑되기 이전에 상기 바닥순환탱크(206a)의 온도를 약 65℃로 유지하도록 한다. 상기 황산의 끓는점이 훨씬 더 높기 때문에, 상기 황산은 상기 바닥순환탱크(206a) 내로 낙하할 수 있다. 상기 바닥순환탱크(206a) 내에서 시료가 샘플링되고 그리고 상기 시료 중의 상기 과산화수소 용액의 함량이 0으로 검출되는 경우, 상기 바닥순환탱크(206a) 내의 상기 황산은 저농도에서 공업급의 황산으로서의 자격을 갖추거나 또는 추가의 증류 처리를 위하여 상기 제2 증류탑(224) 내로 들어갈 수 있다.
상기 제1 증류탑(222)은 상기 재생된 높은 수준의 열에너지를 활용하여 물 및 황산의 끓는점 보다 낮은 끓는점을 갖는 다른 비등 혼합물(boiling mixtures)을 증발시켜 상기 농도가 96중량% 보다 더 높거나 또는 등등하게 될 때까지 상기 황산 제품의 농도를 개량하도록 한다. 계속해서 상기 제1 증류탑(222)을 통하여 증류된 상기 황산은 고농도에서 공업급의 황산으로 자격을 갖추거나 또는 부가의 증류 처리를 위하여 제2 증류탑(224) 내로 더 수입될 수 있다.
상기 제2 증류탑(224)은 상기 재생된 높은 수준의 열에너지를 활용하여 높은 끓는점의 혼합물들 또는 높은 금속 함량을 갖는 황산을 더 제거한다. 높은 끓는 점의 혼합물들 또는 높은 금속 함량을 갖는 황산은 상기 제2 증류탑(224)의 바닥으로부터 배출된다. 계속해서 소정의 황산이 상기 제2 증류탑(224)의 상부로부터 증류되고, 그리고 높은 품질을 갖는 전자급의 황산이 그에 따라 생산된다. 만일 상기 전자급 황산 내의 상기 이산화황 함량이 너무 높은 경우, 상기 황산을 상기 박리탑(207)에 도입시키는 것에 의하여 상기 이산화황이 제거될 수 있다.
선적을 준비하기 위하여, 본 발명의 황산을 제조하기 위한 상기 장치(200)는 저농도의 상기 공업급 황산 제품, 고농도의 상기 공업급 황산 제품 또는 고품질의 전자급 황산 제품들을 선택적으로 저장 및 병입하기 위한 저장/병입 장치(214)를 포함한다.
본 발명의 황산을 제조하기 위한 상기 방법 및 장치는 주로 상기 황의 연소로부터 생성된 대량의 열에너지를 재생한다. 계속해서 상기 방법 및 장치는 상기 높은 수준의 열에너지 및 상기 낮은 수준의 열에너지를 개별적으로 상기 증류탑들 및 상기 황용융탱크에 전달하여 농도 또는 순도를 향상시키고 그리고 상기 고체 황을 용융시킨다. 실제로, 본 발명은 상기 황을 연소시키는 것으로부터 생성된 재생된 열에너지의 상기 구체예들에로의 적용에 한정되는 것은 아니며, 본 발명은 실제 상황에 따라 변경될 수 있다. 예를 들면, 상기 문맥에서 기술된 바와 같이, 황의 연소열은 그의 융합열보다 훨씬 더 크고, 따라서 상기 황용융탱크에 요구되는 에너지는 단순히 상기 낮은 수준의 열에너지를 재생하는 것에 의해 충족될 수 있다. 더욱이, 과량의 열에너지가 존재하는 동안, 상기 과량의 열에너지는 여전히 다른 목적들을 위하여 활용될 수 있다. 예를 들면, 상기 과량의 열에너지는 전력생산영역(power generating zone) 내의 펌프에 공급되어 전력을 생산한다. 유사한 방법으로, 상기 높은 수준의 열에너지를 농축을 향상시키기 위하여 공급한 후, 과량의 열에너지가 존재하는 동안, 상기 과량의 열에너지는 마찬가지로 전력을 생산하는 데 활용될 수 있다.
본 발명의 황산을 제조하기 위한 상기 방법 및 장치는 과산화수소를 사용하여 이산화황과 반응하여 황산을 생산한다. 그 결과, 상기 흡수반응탑 내의 상기 황산의 농도는 반응 시간이 증가함에 따라 간단히 더욱 더 높아지고, 그리고 종국적으로는 상기 과산화수소가 고갈되는 경우, 더 이상 증가하지 않으며 이는 물의 생성으로 인하여 생성물들이 점점 더 희석되는 통상의 환원-산화 반응과는 대조적이다. 더욱이, 본 발명의 황산을 제조하기 위한 상기 방법 및 장치는 상기 황을 연소시키는 것으로부터 생성된 대량의 열에너지를 충분히 재생한 후, 상기 높은 수준의 열에너지 및 상기 낮은 수준의 열에너지를 개별적으로 상기 증류탑들 및 상기 황용융탱크에 전달하여 상기 황산의 농도 및 순도를 향상시키고 그리고 상기 고체 황을 용융시킨다. 심지어 상기 높은 수준의 열에너지 및 상기 낮은 수준의 열에너지로부터 과량의 열에너지가 잔류하는 경우, 상기 과량의 열에너지는 전력을 생산하거나 또는 다른 목적들을 위하여 여전히 활용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 황산을 제조하기 위한 상기 장치는 자족 시스템을 형성한다. 이러한 자족 시스템에 있어서, 상기 생산된 에너지는 상기 시스템 내에서 재사용을 위하여 재생되어 외부적으로 공급되는 에너지의 양을 크게 감소시킬 수 있다. 즉, 상기 자족 시스템은 완전히 에너지 절약 모드로 가동된다. 본 발명의 황산을 제조하기 위한 상기 방법, 장치 및 시스템은 공장에서 폐기되는 소모산 또는 폐산으로부터 신생의 황산 제품을 재생하기에 대단히 적절하다. 상기 기술된 방법, 장치 및 시스템은 안정적으로 상기 황산의 농도 및 순도를 향상시킬 뿐만 아니라 상기 폐산 중의 상기 과산화수소를 효율적으로 제거하고 그리고 안정화시킨다. 상기 생성된 신생의 황산 제품들은 많은 산업 공정들에서 광범위하게 활용되어 전력을 절약하고, 탄소 방출을 감소시키고, 환경 친화적이고 그리고 지구의 부담을 완화시키는 목적들을 달성할 수 있다. 또한, 사업 단위들에서 폐산을 취급하는 데 소비되는 부가의 비용이 또한 감소될 수 있다. 신생 제품들의 소비를 대체하는 데 더하여, 상기 생성된 신생 제품들은 부가적으로 제조비용을 감소시킬 수 있다.
본 발명의 황산을 제조하기 위한 상기 방법 및 장치는 중등 및 고농도의 황산 제품들을 생산할 수 있다. 이러한 생산된 황산 제품들은 산업적 요건들에 부합한다. 상기 제품들 중의 물이 극히 적은 부분만을 점유하기 때문에, 상기 제품들을 운반하는 것이 보다 용이하고 또한 비용-효과적(cost-effective)이다. 별도로, 상기 시스템에 의해 생산된 열에너지가 재생되어 상기 시스템 내에서 재사용될 수 있고, 따라서 외부적으로 공급되는 에너지의 양이 크게 감소된다. 따라서, 본 발명의 상기 방법, 장치 및 시스템 모두는 매우 큰 비용의 잇점을 갖는다.
당해 기술분야에서 숙련된 자에게는 본 발명의 관점 또는 정신으로부터 벗어남이 없이 본 발명의 구조에 대하여 다양한 변형 및 변경들을 수행할 수 있을 것이다. 앞서의 관점에 있어서, 이러한 변형 및 변경들이 하기의 특허청구범위들 및 그들의 등가물들의 관점 내에 속하는 한, 본 발명은 본 발명의 이러한 변형 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다.
Claims (29)
- a. 고체 황을 제공하는 단계;
b. 황용융탱크 내에서 상기 고체 황을 용융시켜 액체 황을 형성시키는 단계;
c. 상기 액체 황을 연소시켜 적어도 하나의 황 제품을 생성하는 단계;
d. 상기 액체 황의 연소로부터 생성된 높은 수준의 열에너지를 재생하는 단계;
e. 상기 높은 수준의 열에너지를 제1 증류탑 또는 제2 증류탑에 제공하는 단계;
f. 상기 액체 황의 연소로부터 생성된 낮은 수준의 열에너지를 재생하는 단계;
g. 상기 낮은 수준의 열에너지를 상기 황용융탱크에 제공하는 단계;
h. 과산화수소 또는 과산화수소를 포함하는 황산을 흡수반응탑 내로 제공하여 상기 황 제품과 반응시켜 황산 제품을 생성하는 단계;
i. 상기 황산 제품을 농축시켜 상기 황산 제품의 농도를 향상시키는 단계;
j. 상기 황산 제품을 정제시켜 상기 황산 제품의 순도를 향상시키는 단계;
k. 상기 황산 제품 중의 이산화황 함량이 너무 높은 경우, 박리탑에 의하여 상기 황산 제품 중의 이산화황을 제거하는 단계; 및
l. 각 등급의 황산 제품을 병입하고 그리고 저장하는 단계
들을 포함하는 황산 제품을 생산하기에 적절한 황산의 제조를 위한 방법. - 제 1 항에 있어서,
분쇄기에 의하여 상기 고체 황을 처리하여 상기 고체 황의 입자 크기를 조정하는 단계를 더 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
단계 b 후에
상기 액체 황을 사전여과하는 단계; 및
상기 사전여과된 액체 황을 분무하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 황 제품이 이산화황을 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 낮은 수준의 열에너지가 상기 황용융탱크에 제공되어 상기 고체 황을 상기 액체 황으로 용융시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
단계 d 후에
상기 황 제품 중의 회분을 제거하는 단계; 및
상기 회분-제거된 황 제품을 상기 흡수반응탑 내로 수입하는 단계
를 더 포함하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 과산화수소가 공장에서 폐기되는 폐산 또는 신생 과산화수소로부터 유래하는 것인 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 단계 i가 상기 황산 제품을 증류를 위한 상기 제1 증류탑 내로 수입하여 상기 황산 제품의 농도를 향상시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 단계 j가 상기 황산 제품을 증류를 위한 상기 제2 증류탑 내로 수입하여 상기 황산 제품의 순도를 향상시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 단계 k가 상기 황산 제품을 상기 박리탑 내로 수입하여 상기 황산 제품 중의 이산화황 함량을 제거하는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 단계 e 후에 상기 높은 수준의 열에너지를 상기 제1 증류탑 또는 상기 제2 증류탑에 제공하고, 그리고 여기에서 상기 단계 i 및 단계 j가 상기 황산 제품을 순차적으로 증류 및 높은 끓는점의 혼합물들 및 금속들의 함량을 낮추기 위한 상기 제1 증류탑 및 제2 증류탑 내로 수입하여 상기 황산 제품의 농도 및 순도를 향상시키는 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 단계 a 내지 단계 g가 직접적으로 외부공급된 이산화황 및 외부 에너지를 사용할 수 있는 것인 방법. - 고체 황을 액체 황으로 용융시키는 데 사용되는 황용융탱크;
상기 액체 황을 연소시키고 그리고 적어도 하나의 황 제품을 흡수반응탑 내로 수입하는 데 사용되는 연소로;
상기 액체 황의 연소로 생성된 높은 수준의 열에너지를 재생하고 그리고 상기 높은 수준의 열에너지를 제1 파이프라인을 통하여 제1 증류탑 및 제2 증류탑에로 전달하는 데 사용되는 제1 열교환기;
상기 액체 황의 연소로 생성된 낮은 수준의 열에너지를 재생하고 그리고 상기 낮은 수준의 열에너지를 제2 파이프라인을 통하여 상기 황용융탱크에로 전달하는 데 사용되는 제2 열교환기;
그 안에서 상기 황 제품을 과산화수소와 반응시켜 황산 제품을 생성하기 위한 흡수반응탑;
상기 황산 제품을 농축시켜 상기 황산 제품의 농도를 향상시키는 데 사용되는 제1 증류탑;
상기 황산 제품을 정제하여 높은 끓는점의 혼합물들 및 금속들의 함량을 감소시켜 상기 황산 제품의 순도 및 품질을 향상시키는 데 사용되는 제2 증류탑; 및
상기 황산 제품 중의 이산화황을 제거하여 상기 황산 제품 중의 이산화황 함량을 감소시키는 공정을 수행하는 데 사용되는 박리탑
을 포함하는 황산 제품을 제조하기에 적절한 황산의 제조를 위한 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 고체 황의 입자 크기를 조정하는 데 사용되는 분쇄기를 더 포함하는 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 액체 황을 사전여과하는 데 사용되는 스트레이너를 더 포함하는 장치. - 제 15 항에 있어서,
상기 사전여과된 액체 황을 분무하고 그리고 계속해서 상기 분무된 황을 상기 연소로 내로 수입하는 데 사용되는 분무장치를 더 포함하는 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 황 제품 중의 회분을 제거하고 그리고 계속해서 상기 회분-제거된 황 제품을 상기 제1 열교환기 내로 수입하는 데 사용되는 회분수집기를 더 포함하는 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 낮은 수준의 열에너지가 상기 황용융탱크에로 전달되어 상기 고체 황을 상기 액체 황으로 융용시키는 장치. - 제 13 항에 있어서,
상기 과산화수소 또는 과산화수소를 포함하는 황산이 신생 과산화수소 또는 공장에서 폐기되는 폐산에서 유래하는 것인 장치. - 제 13 항에 있어서,상기 높은 수준의 열에너지가 상기 황산 제품을 농축시키고 그리고 높은 끓는점의 혼합물 및 금속들의 함량을 감소시키기 위한 상기 제1 증류탑 및/또는 상기 제2 증류탑에러 전달되어 상기 황산 제품의 농도 및 순도를 향상시키는 장치.
- 고체 황을 액체 황으로 용융시키는 데 사용되는 황용융탱크;
상기 액체 황을 연소시키고 그리고 적어도 하나의 황 제품을 흡수반응탑 내로 수입하는 데 사용되는 연소로;
상기 액체 황의 연소로 생성된 열에너지를 재생하는 데 사용되는 적어도 하나의 열교환기;
그 안에서 상기 황 제품을 과산화수소와 반응시켜 황산 제품을 생성하기 위한 흡수반응탑; 및
상기 황산 제품을 농축시키거나 정제하여 상기 황산 제품의 농도 및 순도를 향상시키는 데 사용되는 적어도 하나의 증류탑
을 포함하고,
여기에서, 상기 황용융탱크 및 상기 적어도 하나의 증류탑을 가동시키는 데 요구되는 에너지의 일부가 재생된 열에너지로 공급될 수 있는 황산의 제조를 위한 시스템. - 제 21 항에 있어서,
상기 고체 황의 입자 크기를 조정하는 데 사용되는 분쇄기를 더 포함하는 시스템. - 제 21 항에 있어서,
상기 액체 황을 사전여과하는 데 사용되는 스트레이너를 더 포함하는 시스템. - 제 23 항에 있어서,
상기 사전여과된 액체 황을 분무하고 그리고 계속해서 상기 분무된 황을 상기 연소로 내로 수입하는 데 사용되는 분무장치를 더 포함하는 시스템. - 제 21 항에 있어서,
상기 황 제품 중의 회분을 제거하고 그리고 계속해서 상기 회분-제거된 황 제품을 적어도 하나의 열교환기 내로 수입하는 데 사용되는 회분수집기를 더 포함하는 시스템. - 제 21 항에 있어서,
상기 재생된 열에너지가 높은 수준의 열에너지 및 낮은 수준의 열에너지를 포함하는 시스템. - 제 26 항에 있어서,
상기 높은 수준의 열에너지가 상기 적어도 하나의 증류탑에로 전달되어 상기 황산 제품의 농도 또는 순도를 향상시키고, 상기 황산 제품의 농도 또는 순도를 향상시키고 잔류하는 상기 높은 수준의 열에너지의 잔여부가 전력을 생산하거나 또는 다른 재생 목적들을 위하여 사용되고, 그리고 상기 낮은 수준의 열에너지가 상기 황용융탱크에로 전달되어 상기 고체 황을 상기 액체 황으로 용융시키는 장치. - 제 21 항에 있어서,
상기 과산화수소 또는 과산화수소를 포함하는 황산이 신생 과산화수소 또는 공장에서 폐기되는 폐산에서 유래하는 것인 시스템. - 제 21 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 증류탑으로부터 수입된 상기 황산 제품 중의 이산화황을 제거하는 데 사용되는 박리탑을 더 포함하는 시스템.
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