KR20170141626A - 중탄산암모늄 용액의 재생 방법 - Google Patents

중탄산암모늄 용액의 재생 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 정삼투에 의해 희석된 중탄산암모늄 용액을 각각 증류부의 상부, 암모니아 응축부의 상부 및 흡수부의 상부로 공급하는 단계; 상기 증류부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액을 증류하여 이산화탄소 및 암모니아를 포함하는 제1 혼합가스를 배출하고, 배출된 제1 혼합가스는 암모니아 응축부의 하부로 공급되는 단계; 암모니아 응축부의 하부로 공급된 제1 혼합가스는 암모니아 응축부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액과 접촉하여 제1 혼합용액과 제2 혼합가스로 분리되고, 상기 제1 혼합용액은 흡수부의 상부로 공급되고 상기 제2 혼합가스는 흡수부의 하부로 공급되는 단계; 및 흡수부의 하부로 공급된 제2 혼합가스는 흡수부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액 및 흡수부의 상부로 공급된 제1 혼합용액과 접촉하여 농축된 중탄산암모늄 용액을 회수하는 단계를 포함하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법을 제공한다.

Description

중탄산암모늄 용액의 재생 방법 {Method for regenerating ammonium bicarbonate solution}
본 발명은 중탄산암모늄 용액의 재생 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 증류부에서 유출되는 혼합 기체를 액상 및 기상으로 분리하는 암모니아 응축부를 이용한 중탄산암모늄 용액의 재생 방법에 관한 것이다.
생활용수나 공업용수로 직접 사용하기 힘든 해수, 폐수, 오염수로부터 염분 및 기타 불순물을 제거하여 생활용수나 공업용수 기준에 적합한 물을 회수하는 방법으로 역삼투법 및 정삼투법을 포함하는 막 분리법과 증발법이 가장 널리 이용되고 있다. 가열이 필요한 증발법과 가압이 필요한 역삼투법은 물을 회수함에 있어서 에너지 소비가 크다는 단점이 있으나, 정삼투법은 증발법이나 역삼투법에 비해 에너지 소비가 적다는 장점을 갖는다.
정삼투법은 해수로부터 삼투압을 이용해 물을 분리하는 것으로 막을 기준으로 해수의 반대편에 유도 용액 (draw solution)을 필요로 한다. 상기 유도 용액으로 환경 친화적인 중탄산암모늄 용액이 사용될 수 있다.
정삼투법에서 유도 용액으로 중탄산암모늄을 이용하는 경우, 정삼투압에 의해 중탄산암모늄 용액으로 이동한 물을 분리하고, 중탄산암모늄 용액을 재생하지 않는다면, 탄산암모늄 염을 지속적으로 공급하여 유도 용액을 생산해야 한다. 따라서, 상기 방법에 의하면, 중탄산암모늄 용액의 재생이 필요하다.
중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법으로 분리탑이 사용될 수 있다. 종래 분리탑에서는 하부의 열원에 의해 이산화탄소와 암모니아를 증발시켜 분리탑의 상부로 배출하게 되는데, 분리탑 상부로 분리되는 이산화탄소와 암모니아를 포집하기 위해서는 응축기가 필요하다. 그런데 상기 응축기에서는 이산화탄소와 암모니아가 반응하여 염을 생성하므로 염이 고화되지 않도록 온도를 올리거나 다량의 물로 씻어 주어야 한다. 또한, 공정 중에 희석된 중탄산암모늄 용액으로부터 물을 분리할 때, 수증기를 포함한 암모니아와 이산화탄소의 혼합기체는 일정온도 이하로 떨어질 경우, 반응을 하여 중탄산 암모늄이 생성되고 그 용해도가 낮아져 고체염이 생성되고, 이 때문에 배관이 막히는 문제가 있다. 즉, 발생기체는 담수를 위한 유도 용질 성분이므로, 다시 용액으로 회수해야 하는 바, 이 과정에서 온도를 낮추어 응축시키는 과정이 필수적이다. 따라서, 대용량의 담수시스템 구축시, 고체염의 제거 또는 배관의 온도 유지가 더욱 어렵게 되기 때문에 고체염의 생성은 심각한 문제로 부각되고 있다.
해당 기술 분야의 종래 기술로서, 미국 공개 특허 제2009-0308727호는 압축기를 이용한 이산화탄소 및 암모니아 회수 방법을 개시하고 있다. 여기서는 상당량의 탄산 암모늄염이 생성되어 지속적인 운전이 불가능하고 지속적인 운전을 위해서는 다량의 물로 희석해야 하므로 생성된 물의 소모가 많고, 압축기 운전을 위한 전기 소모가 크다는 문제점을 내재하고 있다.
미국 공개 특허 제2013-0112603호는 담수 및 가스를 분리하기 위한 제1 멤브레인 컨택터와 분리된 가스를 재농축하기 위한 제2 멤브레인 컨택터를 이용한 이산화탄소 및 암모니아 회수 방법을 개시하고 있다. 여기서는 제2 멤브레인 컨택터에서 물에 대한 용해도가 다른 이산화탄소 및 암모니아를 동시에 물 또는 희석 유도용액으로 흡수함으로써 고농도의 중탄산암모늄 용액을 생성하는데 한계가 있다.
현재 해당 기술 분야에서는 정삼투법의 유도용액으로 사용되는 중탄산암모늄 용액을 효율적으로 회수하기 위한 연구가 지속적으로 진행되고 있다.
본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 정삼투압 방식 수처리 장치에서 중탄산암모늄염의 석출을 방지하면서도 기체로 배출될 수 있는 이산화탄소를 최대한 흡수하여 고농도의 중탄산암모늄 용액을 지속적으로 재생할 수 있는 중탄산암모늄 용액의 재생방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 측면에 따르면,
(A) 정삼투에 의해 희석된 중탄산암모늄 용액을 각각 증류부의 상부, 암모니아 응축부의 상부 및 흡수부의 상부로 공급하는 단계; (B) 상기 증류부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액을 증류하여 이산화탄소 및 암모니아를 포함하는 제1 혼합가스를 배출하고, 배출된 제1 혼합가스는 암모니아 응축부의 하부로 공급되는 단계; (C) 상기 (B) 단계에서 암모니아 응축부의 하부로 공급된 제1 혼합가스는 상기 (A) 단계에서 암모니아 응축부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액과 접촉하여 제1 혼합용액과 제2 혼합가스로 분리되고, 상기 제1 혼합용액은 흡수부의 상부로 공급되고 상기 제2 혼합가스는 흡수부의 하부로 공급되는 단계; 및 (D) 상기 (C) 단계에서 흡수부의 하부로 공급된 제2 혼합가스는 상기 (A) 단계에서 흡수부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액 및 상기 (C) 단계에서 흡수부의 상부로 공급된 제1 혼합용액과 접촉하여 농축된 중탄산암모늄 용액을 회수하는 단계를 포함하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법을 제공한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 몰 기준으로, 상기 제1 혼합용액은 이산화탄소보다 다량의 암모니아를 함유하고, 상기 제2 혼합가스는 암모니아보다 다량의 이산화탄소를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 제1 혼합용액에 함유된 암모니아의 양은 상기 제1 혼합용액에 함유된 이산화탄소의 양의 100 내지 400 중량%, 바람직하게는 150 내지 350 중량%, 보다 바람직하게는 200 내지 300 중량%이고, 상기 제2 혼합가스에 포함된 암모니아의 양은 상기 제2 혼합가스에 포함된 이산화탄소의 양의 5 내지 35 중량%, 바람직하게는 10 내지 35 중량%, 보다 바람직하게는 15 내지 35 중량%이다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 암모니아 응축부의 상부 온도는 60 내지 97℃, 바람직하게는 65 내지 95℃, 보다 바람직하게는 75 내지 92℃가 되도록 수행된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 증류부는 상압 또는 감압 하에 수행된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 증류부가 상압 하에 수행되는 경우, 상기 암모니아 응축부는 냉각 장치를 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 증류부가 감압 하에 수행되는 경우, 상기 증류부에서 생성된 제1 혼합가스는 상압으로 가압하여 암모니아 응축부로 공급된다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 증류부가 상압 하에 수행되는 경우, 상기 증류부, 암모니아 응축부 및 흡수부는 단일 장치 내에 존재한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 증류부가 감압 하에 수행되는 경우, 상기 증류부, 암모니아 응축부 및 흡수부는 각각 분리된 장치 내에 존재하거나, 상기 증류부는 암모니아 응축부 및 흡수부와 분리된 장치 내에 존재한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 방법은 (E) 상기 흡수부에서 농축된 중탄산암모늄 용액으로 회수되지 않는 배출가스를 세척수로 세척하여 배출하는 단계를 더 포함한다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 증류부로 공급되는 희석된 중탄산암모늄 용액의 양은 전체 희석된 중탄산암모늄 용액의 양의 30 내지 75 중량%, 바람직하게는 45 내지 70 중량%, 보다 바람직하게는 50 내지 65 중량%이다.
본 발명의 일 구체예에 따르면, 상기 암모니아 응축부로 공급되는 희석된 중탄산암모늄 용액은 전체 희석된 중탄산암모늄 용액의 양의 2 내지 40 중량%, 바람직하게는 4 내지 30 중량%, 보다 바람직하게는 5 내지 20 중량%이다.
상술한 바와 같이 본 발명의 중탄산암모늄 용액 재생방법은 증류부와 흡수부 사이에 암모니아 응축부를 배치하여 중탄산암모늄 용액을 재생시에 배출되는 이산화탄소의 양을 최소화하면서도, 희석된 중탄산암모늄 용액의 공급량 조절을 통해 중탄산암모늄염의 석출을 방지하여 고농도의 중탄산암모늄 용액을 지속적으로 재생할 수 있다는 장점을 갖는다.
도 1은 본 발명의 구체예에 따라 흡수부로 공급되기 전에 암모니아 응축부를 포함하는 중탄산암모늄 용액을 회수하는 방법에 대한 개략도이다.
도 2는 증류부가 상압 하에 수행되는 예시적인 중탄산암모늄 용액의 재생 방법를 나타낸 공정도이다.
도 3은 증류부가 상압 하에 수행되며, 도 2와 대비하여 암모니아 응축부에 추가적인 냉각 장치가 포함되는 예시적인 중탄산암모늄 용액의 재생 방법를 나타낸 공정도이다.
도 4는 증류부가 감압 하에 수행되는 예시적인 중탄산암모늄 용액의 재생 방법를 나타낸 공정도이다.
본 발명은 첨부된 도면을 참고로 하여 하기의 설명에 의하여 모두 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 구체 예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 정삼투 장치에 의해 희석된 중탄산암모늄 용액에서 물을 분리하여 유도 용액으로 이용가능한 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법에 관한 것이다. 하기 표 1은 1기압 하에서 온도에 따른 중탄산암모늄 용액의 용해도 (g/100g 물)를 나타내며, 본 발명에 따른 재생 방법은 중탄산암모늄이 염으로 석출되지 않는 조건하에서 수행된다.
30℃ 40℃ 50℃ 60℃ 70℃ 80℃
중탄산암모늄(g) 28.4 36.6 50 60 80 109
본 발명의 구체예에 따르면, 본 발명은 정삼투에 의해 희석된 중탄산암모늄 용액을 각각 증류부의 상부, 암모니아 응축부의 상부 및 흡수부의 상부로 공급하는 단계; 상기 증류부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액을 증류하여 이산화탄소 및 암모니아를 포함하는 제1 혼합가스를 배출하고, 배출된 제1 혼합가스는 암모니아 응축부의 하부로 공급되는 단계; 암모니아 응축부의 하부로 공급된 제1 혼합가스는 암모니아 응축부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액과 접촉하여 제1 혼합용액과 제2 혼합가스로 분리되고, 상기 제1 혼합용액은 흡수부의 상부로 공급되고 상기 제2 혼합가스는 흡수부의 하부로 공급되는 단계; 및 흡수부의 하부로 공급된 제2 혼합가스는 흡수부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액 및 흡수부의 상부로 공급된 제1 혼합용액과 접촉하여 농축된 중탄산암모늄 용액을 회수하는 단계를 포함하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법을 제공한다. 본 명세서에서 중탄산암모늄 용액에 대해서 필요에 따라 정삼투 장치에서 물이 유입되어 농도가 낮아진 용액을 희석된 중탄산암모늄 용액으로 표시하고, 본원발명의 중탄산암모늄 용액의 재생 방법을 거친 상대적으로 농도가 높은 용액을 농축된 중탄산암모늄 용액으로 표시한다. 상기 농축된 중탄산암모늄 용액은 정삼투 장치에서 유도 용액으로 사용에 적합한 농도를 갖는다.
상기 방법의 암모니아 응축부 및 흡수부의 흐름을 파악하기 위해 참조로서 도 1을 제공한다.
정삼투부
정삼투부는 본 발명에 따른 중탄산암모늄 용액의 재생 방법에 선행하여 폐수, 오염수 또는 해수를 처리하는 부분으로서, 정삼투부에서 정삼투법에 의해 폐수, 오염수 또는 해수로부터 물을 분리하고, 물이 분리된 처리수를 배출한다. 분리된 물은 실질적으로 삼투액 (유도 용액)과 혼합되어 희석된 삼투액 형태로 존재하며, 이러한 희석된 삼투액을 물과 농축된 삼투액으로 분리하여 농축된 삼투액을 정삼투부로 재순환한다. 본 발명은 상기 희석된 삼투액을 농축된 삼투액으로 재생하는 것에 관한 기술이며, 구체적으로 상기 삼투액으로서 중탄산암모늄 용액을 사용하지만 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 2 내지 4는 정삼투부 (100)을 포함한 예시적인 중탄산암모늄 용액의 재생에 대한 공정도를 도시한다. 상기 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 정삼투부 (100)은 삼투막 (100c)를 중심으로 처리수 구역 (100a)와 삼투액 구역 (100b)로 분리되어 구성된다. 해수는 처리수 구역에 유입되어 정삼투압에 의해 물이 분리된 후 배출되며, 삼투액으로서 중탄산암모늄 용액은 삼투액 구역에 유입되어 정삼투압에 의해 물을 흡수한 후 배출된다. 본 발명의 구체예에 따르면, 삼투액 구역으로 공급되는 중탄산암모늄의 농도는 5 내지 20 중량%가 바람직할 수 있다. 중탄산암모늄의 농도는 처리수 구역에 공급되는 처리 대상 용액에 따라 다를 수 있지만, 5 중량% 미만이면 반투막을 통해 삼투액 구역으로 이동하는 물의 양이 적어서 효율적이지 못하다. 20 중량% 초과이면 처리 조건에 따라 중탄산암모늄염이 석출되거나 용해도를 높이기 위해 고온으로 유지해야 하는데, 고온 운전을 위해 전체 공정의 압력을 높여 운전해야 하므로 정삼투장치에서 물이 처리수 구역에서 삼투액 구역으로 이동하는 것을 방해하게 된다. 또한, 고온 운전을 하면 중탄산암모늄이 기화되어 유실되기 쉽고 삼투막이 손상되기 쉽기 때문에 적합하지 않다. 정삼투 장치에 의해 희석된 중탄산암모늄 용액은 처리 대상 용액의 농도 및 삼투액의 농도에 따라 다를 수 있지만, 본 발명의 구체예에 따르면 3 내지 15 중량%로 조절하는 것이 바람직할 수 있다. 희석된 중탄산암모늄 용액의 농도가 3 중량% 미만이면 재생된 중탄산암모늄 용액의 농도가 낮아 정삼투부에서 삼투액으로서의 효과가 떨어져 삼투막의 면적이 과다해 질 수 있으며, 15 중량% 초과이면 공정 중에서 중탄산암모늄염이 석출되기 쉽고 순환 삼투액의 양이 과다해져 전기 소모량이 증가될 수 있다. 중탄산암모늄 용액의 온도는 중탄산암모늄 농도에 대비하여 중탄산암모늄염이 석출되지 않을 수 있는 정도가 바람직하며, 본 발명의 구체예에 따르면 삼투액 구역에 공급되는 중탄산암모늄 용액의 온도는 20 내지 30℃이고, 삼투액 구역에서 배출되는 중탄산암모늄 용액의 온도는 5 내지 30℃일 수 있다.
증류부
정삼투부 (100)의 삼투액 구역 (100b)에서 배출된 희석된 중탄산암모늄 용액의 일부 (3b)는 증류부 (110)로 공급되며, 그 나머지 (3a)는 암모니아 응축부 (120)와 흡수부 (140)로 공급된다. 중탄산암모늄 용액은 삼투액 구역으로 공급될 때보다 중탄산암모늄 농도가 낮게 희석되어 재생장치 공급되므로 희석된 중탄산암모늄 용액을 증류부에서 생산되는 암모니아 및 이산화탄소 기체의 흡수 용매로 사용하는 경우, 외부로부터 흡수 용매의 공급 없이 농축에 의해 정삼투부에서 사용에 적합한 중탄산암모늄 용액을 재생할 수 있고, 기존에 녹아 있는 중탄산암모늄을 활용할 수 있다는 장점이 있다. 증류부, 암모니아 응축부 및 흡수부로 공급되는 용액의 양은 정삼투부에서 흡수되는 물의 양, 삼투액의 목표 농도, 증류부의 기체 생성량 및 이에 따른 흡수부의 흡수 효율 등을 고려해서 결정될 수 있으며, 본 발명의 구체예에 따르면 증류부로 공급되는 용액의 양은 정삼투 장치에서 배출되는 전체 희석된 중탄산암모늄 용액의 양의 30 내지 75 중량%, 바람직하게는 45 내지 70 중량%, 보다 바람직하게는 50 내지 65 중량%일 수 있다. 상기 용액의 양이 30 중량% 미만이면 동일한 양의 물을 생산하기 위해 삼투부로 공급하는 중탄산암모늄 용액의 양을 늘여야 하므로 장치의 크기가 커지고 전기 소모량이 증가할 수 있다. 또한, 상기 용액의 양이 75 중량% 초과이면 암모니아 응축부 및 흡수부로 공급할 희석된 중탄산암모늄 용액의 양이 상대적으로 적어지므로, 이산화탄소와 암모니아의 손실이 커질 수 있다.
증류부에 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액은 상압 또는 감압 하에 가열기 (재비기)(170)에서 공급하는 에너지에 의해 기화될 수 있다. 증류부가 상압 하에 수행되는 경우, 상기 증류부에 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액을 기화하기 위해서 공급하는 에너지의 양이 많고 가열기 (재비기)에 공급하는 에너지의 온도가 높아야 하는 단점이 있지만, 상압에서 운전되는 암모니아 응축부 및 흡수부와 동일한 탑 내에서 구성할 수 있기 때문에 건설비가 저렴해 지는 장점이 있다. 또한, 증류부가 감압 하에 수행되는 경우, 압력 차이에 의하여 증류부가 암모니아 응축부 또는 흡수부와 분리하여 구성되어야 하지만, 상기 상압 조건과 달리 더 적은 양의 열 에너지가 사용되고 낮은 온도의 에너지를 사용할 수 있기 때문에 에너지 효율 측면에서는 장점이 있다.
증류부가 상압 하에 수행되는 경우, 희석된 중탄산암모늄 용액에서 증류부 하부를 통해 물이 회수되고, 증류부 상부를 통해 이산화탄소 및 암모니아를 포함하는 제1 혼합가스가 배출될 수 있도록 증류부는 적절한 온도로 가열된다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 증류부 하부의 온도가 물의 끓는 온도인 약 100℃가 되도록 가열될 수 있다. 상기 온도가 100℃ 미만이면 이산화탄소와 암모니아가 물에 혼합되어 증류부의 하부로 배출되기 때문에 그 상태로 물을 활용할 수 없다. 상기 온도가 100℃보다 약간 높을 수 있는데 이것은 탑 내에 설치된 팩킹이나 트레이 등 물질 전달 구간에서의 압력 손실에 의한 것이다. 본 발명의 구체예에 따르면, 증류부가 상압 하에 수행되는 경우 증류부, 암모니아 응축부 및 흡수부는 단일 장치 내에 존재한다.
또한, 증류부가 감압 하에 수행되는 경우, 열 에너지 소비 및 희석된 중탄산암모늄 용액의 기화 정도를 고려하여 증류부는 적절한 압력으로 감압된다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 증류부는 증류부의 상부의 압력이 0.3 내지 0.5 kgf/㎠ (절대압)로 감압되어 수행된다. 상기 감압에 의하여, 증류부 상부를 통해 이산화탄소 및 암모니아를 포함하는 제1 혼합가스가 효율적으로 배출될 수 있도록 증류부의 하부 온도는 70℃ 내지 83℃로 조절된다. 본 발명의 구체예에 따르면, 증류부가 감압 하에 수행되는 경우 증류부, 암모니아 응축부 및 흡수부는 각각 분리된 장치 내에 존재한다. 단, 실제 공정 구성에서 암모니아 응축부와 흡수부는 장치비를 절감하고 암모니아 응축부 상부 배관의 막힘 우려를 해소하기 위해 단일 장치 내에 구성할 수 있다.
암모니아 응축부
증류부 (110)에서 기화된 제1 혼합가스는 암모니아 응축부 (120)의 하부으로 공급된다. 상기 암모니아 응축부의 하부으로 공급된 제1 혼합가스로부터 암모니아를 흡수하여 암모니아 응축 용액을 생성하기 위해, 희석된 중탄산암모늄 용액은 암모니아 응축부의 상부로 공급된다. 제1 혼합가스는 암모니아 응축부에서 흡수부의 상부로 공급되기 위한 액상과 흡수부의 하부로 공급되기 위한 기상으로 분리되기 때문에, 본 명세서에서 암모니아 응축부는 기액 분리부로도 표현될 수 있다. 희석된 중탄산암모늄 용액은 흡수부로 공급되는 희석된 중탄산암모늄 용액의 흐름 (3a)으로부터 분리된 흐름 (3a')을 통해 암모니아 응축부의 상부로 공급된다. 본 발명의 구체예에 따르면, 암모니아 응축부의 상부로 공급되는 희석된 중탄산암모늄 용액의 양은 정삼투 장치에서 배출되는 전체 희석된 중탄산암모늄 용액의 양의 2 내지 40 중량%, 바람직하게는 4 내지 30 중량%, 보다 바람직하게는 5 내지 20 중량% 일 수 있다. 상기 희석된 중탄산암모늄 용액의 양이 2 중량% 미만이면 이산화탄소 및 암모니아를 포함하는 제1 혼합가스로부터 암모니아 기체를 충분히 흡수할 수 없으며, 희석된 중탄산암모늄 용액의 양이 40 중량% 초과이면 이산화탄소 기체의 흡수량도 증가하여 기액 분리에 따른 효과가 감소된다. 희석된 중탄산암모늄 용액의 공급을 통해서만 암모니아 응축 용액을 생산하는 경우, 암모니아 응축부 상부의 온도는 60 내지 97℃, 바람직하게는 65 내지 95℃, 보다 바람직하게는 75 내지 92℃일 수 있다. 온도가 너무 낮아지면, 다량의 이산화탄소까지 응축될 가능성이 있고, 기체 성분 내에 존재하는 물이 다량 응축되어 기상에서 이산화탄소와 암모니아에 의해 염이 생성되어 막힘 현상이 발생할 수 있으며, 온도가 너무 높으면 암모니아의 응축이 적게 된다. 기액 분리를 통한 암모니아 응축은 증류부에서 암모니아 응축부로 공급되는 제1 혼합가스를 냉각 또는 압축하여 추가로 진행될 수 있으며, 경우에 따라서는 희석된 중탄산암모늄 용액의 공급을 통한 암모니아 응축은 생략될 수 있다.
상기 암모니아 응축부에서 제1 혼합가스는 제1 혼합용액과 제2 혼합가스로 분리된다. 몰 기준으로, 상기 제1 혼합용액은 이산화탄소보다 다량의 암모니아를 용해하여 함유하고, 또한 상기 제2 혼합가스는 암모니아보다 다량의 이산화탄소를 포함한다. 본 발명의 구체예에 따르면, 상기 제1 혼합용액에 용해되어 함유된 암모니아의 양은 이산화탄소의 양의 100 내지 400 중량%, 바람직하게는 150 내지 350 중량%, 보다 바람직하게는 200 내지 300 중량%일 수 있고, 상기 제2 혼합가스에 포함된 암모니아의 양은 이산화탄소의 양의 5 내지 35 중량%, 바람직하게는 10 내지 35 중량%, 보다 바람직하게는 15 내지 35 중량%일 수 있다.
흡수부
암모니아 응축부 (120)에서 분리된 제1 혼합용액은 흡수부 (140)의 상부로 공급되고, 분리된 제2 혼합가스는 흡수부의 하부로 공급된다. 또한, 정삼투 장치의 삼투액 구역으로부터 희석된 중탄산암모늄 용액이 흡수부의 상부로 공급된다. 상기 흡수부의 상부로 공급되는 희석된 중탄산암모늄 용액은 삼투액 구역으로부터 배출된 총 양으로부터 증류부 및 암모니아 응축부에 공급되는 양을 제외한 양이 공급되며, 상술한 바에 따라 증류부, 암모니아 응축부 및 흡수부에 공급되는 희석된 중탄산암모늄 용액의 양이 결정될 수 있다. 상기 흡수부에 공급된 제2 혼합가스는 이산화탄소를 다량 함유하고 있고, 반면에 제1 혼합용액은 암모니아를 다량 함유하고 있고 암모니아를 다량 함유한 용액이 흡수부 하부에서 상승하는 기체와 접촉하기 때문에, 상기 흡수부에서 이산화탄소를 보다 효율적으로 흡수할 수 있다. 제1 혼합 용액이 흡수탑으로 유입되는 지점은 가급적 흡수부의 상부가 적절한데, 흡수부의 최상단이 아니더라도 제2 혼합가스가 흡수탑으로 유입되는 지점보다 높은 지점에 위치하면 된다.
흡수부에서 암모니아 및 이산화탄소를 흡수한 중탄산암모늄 용액은 농축부 (130)에 의해 농축된 후 정삼투 장치의 삼투액 구역으로 재순환될 수 있다. 농축부는 순환된 용액이 암모니아 응축부로부터 공급되는 제2 혼합가스와 접촉할 수 있도록 흡수부와 암모니아 응축부 사이에 위치할 수 있다. 또한, 흡수부에서 흡수되지 않고 배출되는 기체는 세척부에서 세척수에 의해 처리된 후 배출될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위해 바람직한 실시예를 제시하지만, 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
실시예
실시예 1
도 2에 따른 실시예에 의하면, 흐름 (6)을 통해 물 100 ton/hr을 생산하기 위해, 정삼투 장치 (100)로 공급하는 중탄산암모늄 용액 (10a)은 10 중량%의 중탄산암모늄을 포함하고, 유량은 100 ton/hr이다. 정삼투 장치 (100)의 처리수 구역 (100a)에서 삼투액 구역 (100b)으로 삼투막 (100c)을 통해 삼투압에 의해 이동한 물의 양은 100 ton/hr이며, 삼투액 구역 (100b)에서 흐름 (3)을 통해 배출되는 희석된 중탄산암모늄 용액의 총 양은 200 ton/hr 이다. 증류부 (110), 암모니아 응축부 (120) 및 흡수부 (140)을 포함하는 재생장치의 최 상단부는 1 kgf/㎠(절대압) 즉, 상압으로 운전하며, 흐름 (5)를 통해 증류부 하부로 배출되는 물의 온도는 탑내의 압력 손실 때문에 1.042 kgf/㎠(절대압)이고, 온도는 이 압력에서 물이 끓는 온도인 101.2℃이다. 증류부에서 100 ton/hr의 물을 생산하기 위해 증류부로 공급하는 희석된 중탄산암모늄 용액의 양은 총 희석된 중탄산암모늄 용액의 약 58 중량%인 116 ton/hr이다. 흐름 (3)을 통해 정삼투부에서 배출되는 희석된 중탄산암모늄 용액은 30℃인데 에너지 효율을 최대화 하기 위해 열교환기 (160)에서 흐름 (5)를 통해 배출되는 물과 열교환하여 약 65℃로 가열된 후 증류부 (110)로 공급된다. 상기 조건에 맞게 가열기 (170)로 공급하는 에너지가 스팀인 경우 스팀의 온도는 약 110℃이며, 물 100 ton/hr를 생산하기 위해 사용된 스팀의 양은 약 17.5 ton/hr이다. 즉, 물 1 ton 생산하는데 사용한 스팀의 양은 0.175 ton인 것이다.
증류부 상부로 배출되는 증기의 온도는 약 93℃이고, 이 중 이산화탄소와 암모니아의 중량비는, 증류부 하부로 배출되는 물 중에 녹아있던 중탄산암모늄이 모두 제거되어 배출되는 것이므로 중탄산암모늄 중 이산화탄소와 암모니아의 중량비와 같고, 상기 중량비는 약 2.59:1 이다.
흐름 (3a')를 통해 정삼투 장치에서 배출된 5 중량%의 중탄산암모늄을 포함하는 희석된 중탄산암모늄 용액 33.5 ton/hr를 암모니아 응축부의 상부로 유입하면, 암모니아 응축부 상부로 배출된 제2 혼합가스는 약 87℃로 냉각되며, 암모니아 응축부 (120) 상부로 배출되는 제2 혼합가스 중 이산화탄소와 암모니아의 중량비는 4.2:1로 증가하고, 암모니아 응축부 하부로 배출되는 제1 혼합용액 중 이산화탄소와 암모니아의 중량비는 0.5:1로 감소하게 된다. 따라서, 이 용액을 흡수부 (140) 상부로 유입하면 암모니아에 의해 흡수할 수 있는 이산화탄소의 양이 증가하게 된다.
흡수부 (140)은 상기 암모니아 응축부 하부로 배출되는 용액과 나머지 희석된 중탄산암모늄 용액 (즉, 총 희석된 중탄산암모늄 용액에서 증류뷰 및 암모니아 응축부에 공급되는 양을 제외한 양)을 흐름 (8) 및 (3a)를 통해 유입하여 이산화탄소와 암모니아를 포집한다.
이렇게 하여 재생탑의 상부로 배출되어 유실되는 이산화탄소의 양은 약 875 kg/hr 이다.
비교예 1A
실시예 1과 달리 암모니아 응축부 없이 상압 운전을 하면, 실시예 1의 2 배에 해당하는 1800 kg/hr의 이산화탄소가 유실된다.
비교예 1B
실시예 1과 달리 암모니아 응축부 없이 상압 운전을 하면서 이산화탄소 유실을 줄이기 위해 증류부 측면에서 암모니아 농도가 상대적으로 높은 구간에서 용액을 배출하여 흡수부로 유입하는 경우, 증류부 측면으로 배출하는 용액에 의해 에너지가 유실되어, 물 1 ton을 생산하는데 사용되는 스팀의 양은 약 0.2 ton 이상으로 실시예 1에 비해 1.1 배 이상이 된다.
실시예 2
도 4에 따른 실시예에 의하면, 흐름 (6)을 통해 물 100 ton/hr를 생산하기 위해, 정삼투 장치(100)로 공급하는 중탄산암모늄 용액(10a)은 10 중량%의 중탄산암모늄을 포함하고, 유량은 100 ton/hr이다. 정삼투 장치(100)의 처리수 구역(100a)에서 삼투액 구역(100b)으로 삼투막(100c)를 통해 삼투압에 의해 이동한 물의 양은 100 ton/hr 이며, 삼투액 구역(100b)에서 흐름 (3)을 통해 배출되는 희석된 중탄산암모늄 용액의 총 양은 200 ton/hr이다. 증류부 (110), 암모니아 응축부 (120), 흡수부 (140)을 포함하는 재생장치의 최 상단부는 0.4 kgf/㎠ (절대압)로 운전하며, 흐름 (5)를 통해 증류부 하부로 배출되는 물의 온도는 탑내의 압력 손실 때문에 0.41 kgf/㎠ (절대압)이고, 온도는 이 압력에서 물이 끓는 온도인 약 78℃이다. 증류부에서 100 ton/hr의 물을 생산하기 위해 증류부로 공급하는 희석된 중탄산암모늄 용액의 양은 총 희석된 중탄산암모늄 용액의 약 56.5 중량%인 113 ton/hr이다. 흐름 (3)을 통해 정삼투부에서 배출되는 희석된 중탄산암모늄 용액은 30℃인데 에너지 효율을 최대화 하기 위해 열교환기 (160)에서 흐름 (5)를 통해 배출되는 물과 열교환하여 약 52℃로 가열된 후 증류부 (110)로 공급된다. 상기 조건에 맞게 가열기(170)로 공급하는 에너지가 스팀인 경우 스팀의 온도는 약 90℃이며, 물 100 ton/hr를 생산하기 위해 사용된 스팀의 양은 약 12 ton/hr 이다. 즉, 물 1 ton 생산하는데 사용한 스팀의 양은 0.12 ton 인 것이다.
증류부 상부로 배출되는 증기의 온도는 약 70℃이고, 이 중 이산화탄소와 암모니아의 중량비는, 증류부 하부로 배출되는 물 중에 녹아있던 중탄산암모늄이 모두 제거 되어 배출되는 것이므로 중탄산암모늄 중 이산화탄소와 암모니아의 중량비와 같고, 상기 중량비는 약 2.59:1 이다.
증류부 상부에는 감압을 유지하기 위한 감압장치 (210)가 있으며 증류부 상부로 배출된 증기는 이 감압장치로 0.41 kgf/㎠(절대압)의 압력으로 흡입되어 상압으로 압축된다. 감압 장치로부터 배출되는 증기의 온도는 감압장치에 별도의 냉각장치가 없을 경우 압축 에너지에 의해 약 150℃로 상승된다.
흐름 (3a')를 통해 정삼투 장치에서 배출된 5 중량%의 중탄산암모늄을 포함하는 희석된 중탄산암모늄 용액 13 ton/hr를 암모니아 응축부의 상부로 유입하면, 암모니아 응축부 상부로 배출된 제2 혼합가스는 약 90 ℃로 냉각되며, 암모니아 응축부 (120) 상부로 배출되는 제2 혼합가스 중 이산화탄소와 암모니아의 중량비는 3.3:1로 증가하고, 암모니아 응축부 하부로 배출되는 제1 혼합용액 중 이산화탄소와 암모니아의 중량비는 0.4:1로 감소하게 된다. 따라서, 이 용액을 흡수부(140) 상부로 유입하면 암모니아에 의해 흡수할 수 있는 이산화탄소의 양이 증가하게 된다.
흡수부(140)은 상기 암모니아 응축부 하부로 배출되는 용액과 나머지 희석된 중탄산암모늄 용액 (즉, 총 희석된 중탄산암모늄 용액에서 증류뷰 및 암모니아 응축부에 공급되는 양을 제외한 양)을 흐름 (8) 및 (3a)를 통해 유입하여 이산화탄소와 암모니아를 포집한다.
이렇게 하여 재생탑의 상부로 배출되어 유실되는 이산화탄소의 양은 약 875 kg/hr 이다.
비교예 2A
실시예 2와 달리 암모니아 응축부 없이 저온의 스팀을 사용하기 위해 재생탑 전체를 감압운전하면, 스팀 사용량과 사용 스팀 온도는 실시예 2와 동일하지만, 실시예 2의 2.47 배에 해당하는 2160 kg/hr의 이산화탄소가 유실된다.
비교예 2B
실시예 2와 달리 암모니아 응축부 없이 증류부를 감압 운전을 하면서 이산화탄소 유실을 줄이기 위해 증류수 측면에서 암모니아 농도가 상대적으로 높은 구간에서 용액을 배출하여 흡수부로 유입하는 경우, 증류부 측면으로 배출하는 용액에 의해 에너지가 유실되어, 물 1 ton을 생산하는데 사용되는 스팀의 양은 약 0.14 ton 이상으로 실시예 2에 비해 1.1 배 이상이 된다.
본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속하는 것이며, 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
1: 폐수, 오염수 또는 해수의 흐름
2: 처리수의 흐름
3: 희석된 중탄산암모늄 용액의 흐름 (3a, 3a' 및 3b는 흐름 (3)의 부분 흐름)
4: 가열된 중탄산암모늄 용액의 흐름
5: 증류부로부터 분리된 물 흐름
6: 냉각된 물 흐름
7: 제1 혼합용액 흐름
8: 냉각된 제1 혼합용액 흐름
9: 농축된 중탄산암모늄 용액 흐름
10: 냉각된 중탄산암모늄 용액 흐름 (10a 및 10b는 흐름 (10)의 부분 흐름)
11: 배출 가스 흐름
12: 세척수 흐름
13: 세척수 배출 흐름
100: 정삼투 장치 (100a는 처리수 구역, 100b는 삼투액 구역, 100c는 삼투막)
110: 증류부
120: 암모니아 응축부
130: 농축부
140: 흡수부
150: 세척부
160: 열교환기
170: 가열기 (재비기)
180, 190, 200: 냉각기
210: 감압장치

Claims (10)

  1. (A) 정삼투에 의해 희석된 중탄산암모늄 용액을 각각 증류부의 상부, 암모니아 응축부의 상부 및 흡수부의 상부로 공급하는 단계;
    (B) 상기 증류부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액을 증류하여 이산화탄소 및 암모니아를 포함하는 제1 혼합가스를 배출하고, 배출된 제1 혼합가스는 암모니아 응축부의 하부로 공급되는 단계;
    (C) 상기 (B) 단계에서 암모니아 응축부의 하부로 공급된 제1 혼합가스는 상기 (A) 단계에서 암모니아 응축부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액과 접촉하여 제1 혼합용액과 제2 혼합가스로 분리되고, 상기 제1 혼합용액은 흡수부의 상부로 공급되고 상기 제2 혼합가스는 흡수부의 하부로 공급되는 단계; 및
    (D) 상기 (C) 단계에서 흡수부의 하부로 공급된 제2 혼합가스는 상기 (A) 단계에서 흡수부의 상부로 공급된 희석된 중탄산암모늄 용액 및 상기 (C) 단계에서 흡수부의 상부로 공급된 제1 혼합용액과 접촉하여 농축된 중탄산암모늄 용액을 회수하는 단계를 포함하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    몰 기준으로, 상기 제1 혼합용액은 이산화탄소보다 다량의 암모니아를 함유하고, 상기 제2 혼합가스는 암모니아보다 다량의 이산화탄소를 포함하는 것을 특징으로 하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 혼합용액에 함유된 암모니아의 양은 상기 제1 혼합용액에 함유된 이산화탄소의 양의 100 내지 400 중량%이고, 상기 제2 혼합가스에 포함된 암모니아의 양은 상기 제2 혼합가스에 포함된 이산화탄소의 양의 5 내지 35 중량%인 것을 특징으로 하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 암모니아 응축부의 상부 온도는 60 내지 97℃가 되도록 수행되는 것을 특징으로 하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 증류부는 상압 또는 감압 하에 수행되는 것을 특징으로 하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 증류부가 상압 하에 수행되는 경우, 상기 암모니아 응축부는 냉각 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 증류부, 암모니아 응축부 및 흡수부는 단일 장치 내에 존재하는 것을 특징으로 하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    (E) 상기 흡수부에서 농축된 중탄산암모늄 용액으로 회수되지 않는 배출가스를 세척수로 세척하여 배출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 증류부로 공급되는 희석된 중탄산암모늄 용액의 양은 전체 희석된 중탄산암모늄 용액의 양의 30 내지 75 중량%인 것을 특징으로 하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
  10. 청구항 5에 있어서,
    상기 암모니아 응축부로 공급되는 희석된 중탄산암모늄 용액은 전체 희석된 중탄산암모늄 용액의 양의 2 내지 40 중량%인 것을 특징으로 하는 중탄산암모늄 용액을 재생하는 방법.
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