KR20200098873A - 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치 - Google Patents

2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치에 있어서,
탄산나트륨 수용액과 이산화탄소 가스를 주입 받는 제1차 반응기(100);
1차 반응기(100)에서 유출되는 유체를 유입 받는 제2차 반응기(200); 및
이산화탄소 가스와 제2차 반응기(200)에서 유출되는 유체를 유입 받고, 유입 받은 유체에 미세기포를 생성하여 제2차 반응기(200)로 제공하는 이산화탄소 미세기포 발생장치(300);를 포함하며,
제1차 반응기(100)는, 이산화탄소 매크로기포를 생성하여 상기 탄산나트륨 수용액에게 분사하는 이산화탄소 매크로기포 생성유닛을 포함하며, 제1차 반응기(100)로 주입되는 이산화탄소 가스의 양이 제2차 반응기(200)로 유입되는 이산화탄소 가스의 양보다 많으며,
1차 반응기(100)에서 유출되는 유체는, 탄산나트륨 수용액을 포함하는 것인 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치가 개시된다.

Description

2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치{Apparatus for mineral carbonation with high density}
본 발명은 배출되는 가스 중에 함유되어 있는 이산화 탄소를 이용하여 탄산염 광물화를 제조하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치에 관한 것이다.
탄산염은 보통 주기율표의 1족에 속하는 알칼리 금속 중 나트륨(Na), 또는 칼륨(K)을 CO2 가스와 반응시켜 염을 형성시키고, 그러한 염을 침전시키거나 또는 필터링을 하는 방법을 통해서 제조될 수 있다.
이러한 제조되고 있는 광물 중 대표적인 것이 탄산나트륨(NaCO3)인데, 탄산나트륨의 제조 기술을 예로 들면, Na+ 가 용해된 용해수(이하, 'Na+ 용해수')에 CO2 가스를 주입하여 Na6
CO3를 결정화하고 침전시킴으로써 침강성 탄산나트륨(Precipitated Calcium Sodium)을 제조하는 기술이 있다..
탄산염 광물화는 매우 오래 전부터 잘 알려지고 쉬운 화학반응을 이용하고 있으면서, 최근 지구온난화의 주범으로 대표되는 CO2를 이용하는 기술이다. 한편, 탄산염 광물화 기술은, CO2를 포집 및 저장(Carbon Capture and Storage: CCS)하는 기술에서, CO2를 활용하는 기술(Carbon Capture and Utilization: CCU)로 인식이 전환되면서, 탄산가스를 이용한 탄산염 광물화에 대한 연구들이 활발하게 진행되고 있다.
탄산염 광물화 기술에 있어서 종래 기술들의 문제점은 다음과 같다.
첫째, CO2 기체와 알칼리 금속의 용해수와의 기체/액체(이하, '기/액') 반응의 효율저하이다. CO2 가스의 용해도는 1.45g/L로 매우 높은 용해도를 가지고 있다. 한편, 통상적으로 대규모의 반응기 내의 용액속에 CO2 가스를 산기관을 이용해서 주입한다. 그런데, 탄산광물화를 위하여 반응기 내의 용액속으로 산기관을 이용해서 주입되는 CO2 가스는, 일반적으로 탄산광물화를 위해 필요한 양(여기서, 필요한 양은 무게 기준으로 산정됨)보다 과다하게 공급되어야 한다. 공급되어야 할 CO2 가스의 무게를 부피로 환산하여 탄산광물화를 위한 반응액으로 공급하게 되면, 그러한 반응액 속으로 공급되어지는 CO2 기체의 크기가 매우 크게(조대화되어)되어 CO2 기체가 반응기 내에서 체류하는 시간이 단축되어 용해가 잘 되지 않고, 미 반응되어 반응기 외부로 배출되게 된다. 이러할 경우, 1)반응수율이 매우 낮게 되고, 2) 반응에 걸리는 시간이 오래 걸리고, 3) 이에 따라 반응기가 매우 커진다는 단점을 가지게 된다(특허문헌1).
둘째, 최근에는 위의 단점을 해결하기 위해 CO2 가스를 제트 기류화하여 CO2 가스의 용해효율을 향상시키는 기술이 접목되고 있으며, 이러한 기술이 산기관 방식으로 주입하는 방식에 비해 용해효율이 향상되어 CO2 가스 반응효율이 55%에서 80% 정도로 개선되기는 하지만 여전히 만족할 만한 수준은 아니라고 할 것이다(특허문헌2).
세째, 종래 산기관 또는 제트 기류를 이용한 대부분의 탄산광물화 반응기에서는 초기에 미반응 물질이 많을 경우 CO2 흡수율 및 반응율이 빠르면서 높기는 하지만, 반응율이 80% 이상이 되면 오랜 시간동안 반응이 일어나야 반응율이 높아지므로 99%까지 반응율을 높이기 위해서는 반응완료시간이 매우 길어지게 된다. 따라서, 생산성이 매우 낮아 제조단가가 높다는 단점을 가진다.
네째, 이러한 늦은 반응성 때문에 CO2 미세기포를 이용하여 반응시키는 기술들이 연구되어지고 있으나, 미세기포를 생성하는 조건을 맞추기 위하여 가압펌프가 과도하게 커지게 됨으로서 높은 전력에 의한 경제성이 저하된다는 단점이 있다. 따라서 이러한 단점을 해소할 수 있는 고효율 반응기술의 필요성이 제기 된다(특허문헌 3, 4).
특허문헌1: 한국 등록특허 제10-1571251(2015년 11월 23일 공고) 특허문헌2: 한국 등록특허 제10-1709865(2017년 2월 23일 공고) 특허문헌3: 한국 등록특허 제10-1221037호 (2013년 1월 10일 공고) 특허문헌4: 한국 등록특허 제10-1590162호 (2016년 2월 1일 공고)
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄산나트륨 수용액에 CO2를 1차로 노즐을 이용하여 대용량으로 공급하여 기액 접촉이 효과적으로 이루어지도록 함으로써 70~80% 반응 수율을 짧은 시간에 달성하고, 2차로 CO2 미세기포를 이용하여 고농도로 생성된 중탄산이온(HCO3 -2) 을 1차 반응의 결과물에 급속 혼합 및 교반함으로써 중탄산나트륨을 제조하는, 2단 반응 방식을 이용한 고효율 중탄산나트륨 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치에 있어서,
탄산나트륨 수용액과 이산화탄소 가스를 주입 받는 제1차 반응기(100);
1차 반응기(100)에서 유출되는 유체를 유입 받는 제2차 반응기(200); 및
이산화탄소 가스와 제2차 반응기(200)에서 유출되는 유체를 유입 받고, 유입 받은 유체에 미세기포를 생성하여 제2차 반응기(200)로 제공하는 이산화탄소 미세기포 발생장치(300);를 포함하며,
제1차 반응기(100)는, 이산화탄소 매크로기포를 생성하여 상기 탄산나트륨 수용액에게 분사하는 이산화탄소 매크로기포 생성유닛을 포함하며, 제1차 반응기(100)로 주입되는 이산화탄소 가스의 양이 제2차 반응기(200)로 유입되는 이산화탄소 가스의 양보다 많으며,
1차 반응기(100)에서 유출되는 유체는, 탄산나트륨 수용액을 포함하는 것인 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치가 개시된다.
본 발명의 하나 이상의 실시예에 따르면, 1차 반응과 2차 반응이 순차적으로 수행되도록 함으로써 반응수율이 99.99%까지 향상될 수 있게 된다. 1차 반응은 저 농도 CO2 용해 조건에서 이루어지는 반응으로서 많은 양의 CO2 가스를 빨리 공급하여 반응수율을 70~80% 이상으로 빠르게 올리는 단계이고, 2차 반응은 1차 반응의 결과에 미세기포 발생장치를 이용하여 빠른 시간내에 반응수율을 99.99% 까지 올리는 단계이다. 여기서, 2차 반응에서의 CO2 가스 소모량이 1차 반응에서의 것보다 상대적으로 낮다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응액속의 중탄산이온의 농도 변화에 비례하는 반응수율 변화에 맞도록 최적화 반응 조건을 2 단계로 구분함으로써, 본 실시예에 따라 제조되는 광물화의 균일도는 매우 높으며 침강성 탄산염을 효과적으로 빠른 시간내에 제조할 수 있어 생산단가를 획기적으로 낮출 수 있는 경제적인 기술로서, 투자비용 및 설비 규모 대비 생산효율을 향상시키는 효과를 가진다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조장치를 설명하기 위한 도면이다
도2는 일 실시예에 따른 매크로기포 생성유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도3과 도4는 일 실시예에 따른 매크로기포 생성노즐을 설명하기 위한 도면이다.
도5는 일 실시예에 따른 이산화탄소 미세기포 발생장치를 설명하기 위한 도면이다.
도6은 일 실시예에 따른 선회기를 설명하기 위한 도면이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소의 “위”(또는 “아래”, “오른쪽”, 또는 “왼쪽”)에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소의 위(또는 아래, 오른쪽, 또는 왼쪽)에 직접 위치될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 길이, 폭, 두께 등의 수치는 기술 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서, 매크로기포는 평균 직경이 10mm 이상인 기포를 의미하며, 미세기포는 평균 직경이 100㎛ 이하인 것을 의미한다.
본 명세서에서, 용어 '유체'는, 중조 생성 반응에 필요한 반응물들, 중조 생성 반응의 중간 생성물들, 중조 생성 반응의 결과물(또는 생성물), 물, 및 가스(예를 들면, 이산화탄소 가스) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 지칭한다.
본 명세서에서, 용어 'A를 함유한 유체'는 중조 생성 반응에 필요한 반응물들, 중조 생성 반응의 중간 생성물들, 중조 생성 반응의 결과물(또는 생성물), 물, 및 가스(예를 들면, 이산화탄소 가스) 중 적어도 하나를 함유한 유체로서, A를 반드시 포함한 유체를 의미한다(여기서, A는 중조 생성 반응에 필요한 반응물들, 중조 생성 반응의 중간 생성물들, 중조 생성 반응의 결과물(또는 생성물), 물, 및 가스(예를 들면, 이산화탄소 가스) 중 어느 하나이거나 또는 다른 물질일 수도 있음).
본 명세서에서, 유체가 흐르는 경로 또는 배관에 구성요소 A가 구성요소 B의 상류에 위치한다고 함은, 경로 또는 배관에 흐르는 유체가 구성요소 A를 먼저 지나고 난 후에 구성요소 B를 지나도록 배치된 것을 의미하는 것으로 사용하기로 한다.
본 명세서에서, 유체가 흐르는 경로 또는 배관에 구성요소 A가 설치되어 있다고 함은 구성요소 A가 그러한 유체의 흐름을 제어(예를 들면, 유체의 흐름을 차단하거나 허용하는 동작, 유체의 양을 조절하는 동작, 유체를 능동적으로 펌핑 하는 동작)할 수 있도록 상기 경로 또는 배관에 동작적으로 결합된 것을 의미한다.
본 명세서에서, 화학원소 또는 화합물에 붙는 숫자 또는 기호(아랫 첨자 또는 윗 첨자)의 크기는 설명의 편의를 위해서 종종 다른 글자들과 같은 크기로 기재될 수 있다. 예를 들면, CO2는 CO2로도 기재될 수 있다.
본 명세서에서 제1, 제2 등의 용어가 구성요소들을 기술하기 위해서 사용된 경우, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprise)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 1차 반응기에서 배기 가스내의 존재하는 이산화탄소 가스를 매크로기포를 생성할 수 있는 복수의 매크로기포 생성노즐들로 공급하여 반응용액인 탄산나트륨 수용액과 기액 접촉을 강제적으로 형성시켜 반응수율을 70~80% 정도로 빠르게 반응시키고, 이후 제2차 반응기에서 이산화탄소 미세기포 발생장치를 통하여 CO2 가스를 미세기포화하여 제2차반응기에 순환 주입하여 기/액 반응 비표면적을 높여 중탄산이온(HCO3 -2)을 생성시키고, 반응기들 내부에서 급속 혼합/교반 장치를 통해 광물화 반응을 진행시켜 단시간에 광물화 반응을 완료함으로써 탄산염 제조시간을 최소화하고 반응기의 크기를 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄산나트륨이 용해된 용해수에 이산화탄소 가스를 미세기포화하여 주입하고, 상기 이산화탄소 가스가 주입된 유체를 선회시킴으로써 중탄산이온수를 효율적으로 생성시키고, 그리고 중탄산이온수를 교반하여 탄산염 광물화 반응이 일어나도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 탄산나트륨이 용해된 용해수에 배출가스에 함유되어 있는 이산화탄소 가스를 매크로기포를 생성할 수 있는 매크로기포 생성노즐들로 공급하여 격렬한 혼합 및 반응을 시키고, CO2 가스를 미세기포화하여 상기 혼합 및 반응의 결과물에 주입하고 저 에너지로 교반하여 중탄산나트륨을 빠르게 생성시킬 수 있다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다. 아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는 데 있어 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
도1은 본 발명의 본 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조장치를 설명하기 위한 도면이다
도1을 참조하면, 본 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조장치는 제1차 반응기(100), 제2차 반응기(200), 이산화탄소 미세기포 발생장치(300), 탄산나트륨 수용액 공급부(400), 및 분말 추출장치(500)를 포함할 수 있다. 이들 구성요소들은 유체가 이동할 수 있는 공간을 제공하는 하나 이상의 배관에 의해 연결되어 있으며, 그러한 배관에는 펌프나 밸브와 같은 유체를 강제적으로 이동시키거나 유체의 흐름을 제어하는 기기들이 하나 이상 결합되어 있다. 한편, 도1에 도시된 배관, 펌프, 및 밸브는 예시적인 것으로서 당업자는 본원 발명의 목적이 달성가능한 한도에서 도1에 도시된 배관, 펌프, 및 밸브와 다르게 변형하여 구성할 수 있을 것이다.
제1차 반응기(100)는 탄산나트륨 수용액과 이산화탄소(CO2) 가스를 주입 또는 유입 받을 수 있다. 본 실시예에 따르면, 제1차 반응기(100)는 이산화탄소 매크로기포를 생성하여 탄산나트륨 수용액에게 분사하는 이산화탄소 매크로기포 생성유닛(110)을 포함한다. 이산화탄소 매크로기포 생성유닛(110)에 대하여는 도2 내지 도4를 참조하여 상세히 후술하기로 한다.
제1차 반응기(100)에 포함된 이산화탄소 매크로기포 생성유닛에는 이산화탄소 가스를 공급하는 배관(L3)이 연결되어 있다. 한편, 본 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조장치는, 이산화탄소 가스가 포함된 배출가스를 외부 또는 다른 시설로 배출하는 시설(예를 들면, 스택)과 연결되어 배출가스의 적어도 일부를 유입 받을 수 있는 가스 유입 배관(L1)을 더 포함하며, 배관(L1)는 2개의 배관(L3, L4)으로 분기된다. 외부 또는 다른 시설로 배출되는 배출가스를 이산화탄소 가스 유입 배관(L1)으로 능동적으로 유입시키기 위해서, 이산화탄소 가스 유입배관(L1)에 블로어(P2)와 같은 장치가 설치되어 있다. 본 실시예에 따르면, 블로어(P2)는 2개의 배관(L3, L4)이 분기되는 분기점의 상류에 위치된다.
이산화탄소 가스 유입 배관(L1)을 통해서 유입된 배출가스의 일부는 이산화탄소 가스 제1공급배관(L3)(이하, '제1공급배관(L3)')을 통해서 이산화탄소 매크로기포 생성유닛(110)에게 공급되고, 이산화탄소 가스 유입 배관(L1)을 통해서 유입된 배출가스의 나머지 일부는 이산화탄소 가스 제2공급배관(L4)(이하, '제2공급개관(L4)')을 통해서 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에게 공급된다.
본 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조장치에서, 제1차 반응기(100)로 주입되는 이산화탄소 가스의 양이 제2차 반응기(200)로 유입되는 이산화탄소 가스의 양보다 많다. 예를 들면, 제1차 반응기(100)로 주입되는 이산화탄소 가스의 양이 제2차 반응기(200)로 유입되는 이산화탄소 가스의 양보다 4배 이상 많을 수 있다.
제1차 반응기(100)로 주입되는 이산화탄소 가스의 양이 제2차 반응기(200)로 유입되는 이산화탄소 가스의 양보다 많도록 하기 위한 일 방안으로, 제2공급배관(L4)에 유입되는 이산화탄소 가스에 걸리는 압력부하가 제1공급배관(L3)에 유입되는 이산화탄소 가스에 걸리는 압력부하보다 작게 설계될 수 있다. 예를 들면, 당업자들은, 배관들(L3, L4)의 직경이나 배관들(L3, L4)의 하류에 연결된 장치들(예를 들면, 반응기들(100, 200), 미세기포 발생장치(300), 이산화탄소 매크로기포 생성유닛(110))의 사양(Specification)을 위 압력부하 설계 조건이 충족되도록 설계할 수 있다.
한편, 본 명세서에서, 배출가스에 이산화탄소가 포함되어 있으므로, 용어 '배출가스'와 '이산화탄소 가스'를 구별할 실익이 없는 한 같은 의미로 사용하기로 한다. 즉, 제1차 반응기(100)(또는 제2차 반응기(200))가 각각 배출가스를 유입 받는다는 것과 이산화탄소 가스를 유입 받는다는 것은 기술적으로 서로 같은 의미로 사용되며, 본 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조장치에 포함된 배관들을 통해서 배출가스가 이동(또는 유입, 배출, 공급)한다는 것과 이산화탄소가 이동(또는 유입, 배출, 공급)하는 것은 기술적으로 같은 의미로 사용된다.
본 실시예에서, 제1공급배관(L3)은 다시 2개의 배관들(L16, L17)로 각각 분기되어 매크로기포 생성유닛(110)으로 연결된다. 본 실시예처럼 매크로기포 생성 유닛(110)이 다층(예를 들면, 2층)으로 적층되도록 구성된 경우에는, 제1공급배관(L3)은 2개의 배관들(L16, L17)로 분기된 후 매크로기포 생성유닛(110)의 각 층으로 이산화탄소 가스를 제공하도록 구성될 수 있다. 한편, 매크로기포 생성 유닛이 다층이 아닌 1개 층으로만 구성될 경우에는, 제1공급배관(L3)은 분기되지 않고 직접 매크로기포 생성유닛으로 이산화탄소 가스를 제공하도록 구성될 수 있다.
제1차 반응기(100)는, 또한, 탄산나트륨 수용액 공급부(400)로부터 탄산나트륨 수용액을 공급받는다.
제1차 반응기(100)는 탄산나트륨 수용액을 수용할 수 있는 반응용기(101)와 이산화탄소 매크로기포 생성유닛(110)을 포함할 수 있고, 제1차 반응기(100)는 배관(L11)을 통해서 탄산나트륨 수용액 공급부(400)로부터 탄산나트륨 수용액을 제공받을 수 있고, 제공받은 탄산나트륨 수용액은 반응용기(101)에 저장된다. 반응용기(101)에 저장된 탄산나트륨 수용액은 이산화탄소 매크로기포 생성유닛(110)에 의해 생성된 이산화탄소 매크로기포와 혼합되어, 다음과 같은 반응(이하, '중조 생성 반응')에 사용된다.
Na2CO3 + CO2 + H2O →2NaHCO3
도면에 도시하지는 않았지만, 제1차 반응기(100)는 상기 중조 생성 반응이 일어날 수 있는 조건으로 구성된다. 예를 들면, 중조 생성 반응은 적정 온도 범위내에서 수행될 수 있으므로, 제1차 반응기(100)에는 중조 생성 반응을 위한 온도를 유지하기 위한 히터(미 도시)와 같은 장치들이 부착되어 있을 수 있다.
제2차 반응기(200)는 반응용기(201) 및 반응용기(201)의 내부에 설치되는 교반 장치(210)를 포함할 수 있다. 여기서, 교반 장치(210)는, 수직으로 배치되고 구동모터(211)에 의해 회전하는 회전축(212) 및 회전축(212)에 부착된 임펠러(213)를 포함한다.
반응용기(201)는 제1차 반응기(100)에서 유출되는 유체를 유입 받을 수 있는 유입구(미 도시)와 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에 의해 생성된 이산화탄소 미세기포가 포함된 유체를 유입 받을 수 있는 유입구(미 도시)와, 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에게 반응용기(201)에 저장된 유체를 유출할 수 있는 유출구(미 도시), 및 반응용기(201) 내에 생성된 가스를 외부로 유출할 수 있는 유출구(미 도시)를 구비하고, 1차 반응기(100)로부터 유입 받은 유체와 이산화탄소 미세기포가 혼합되어 반응할 수 있는 공간을 제공하는 통 형상을 가진다.
한편, 제1차 반응기(100)에서 생성된 가스와, 제2차 반응기(200)에서 생성된 가스는 외부로 배출되는 배출 가스와 합류하도록 배출될수 있다. 이를 위해서, 제1차 반응기(100)에는 배관들(L10, L12)이 연결되어 있을 수 있다.
본 실시예에 따른 중탄산나트륨 제조장치는, 제1차 반응기(100)에서 유출되는 유체를 제2차 반응기(200)로 유입되도록 하는 경로를 제공하는 배관(L5)을 더 포함하며, 배관(L5)에는 제1차 반응기(100)에서 유출되는 유체를 제2 반응기(200)로 펌핑하기 위한 펌프(P1)가 설치되어 있을 수 있다.
반응용기(201)에서도, 제1차 반응기(100)로부터 제공받은 탄산나트륨 수용액이 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에 의해 생성된 이산화탄소 미세기포와 혼합되어, 상기와 같은 '중조 생성 반응'이 수행된다
이산화탄소 미세기포 발생장치(300)는 제2차 반응기(200)로부터 제2차 반응기(200)에 저장되어 있던 유체 - 중조 생성 반응을 위한 반응물들, 중조 생성 반응의 중간 생성물들, 중조 생성 반응의 생성물들, 물, 및 가스 중 적어도 하나를 포함함-의 적어도 일부를 유입 받아서, 그 유체에 이산화탄소가 함유된 미세기포를 생성시켜서, 제2차 반응기(200)에게 제공한다. 설명의 목적을 위해서, 이산화탄소가 함유된 미세기포가 포함된 유체를 '이산화탄소 함유 유체'라고 종종 부르기로 한다.
이산화탄소 미세기포 발생장치(300)와 제2차 반응기(200)는 제2차 반응기(200)에 저장되어 있던 유체의 적어도 일부가 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)로 이동될 수 있는 경로를 제공하는 배관(L9)으로 연결되어 있고, 또한 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)와 제2차 반응기(200)는 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에서 생성된 이산화탄소 함유 유체가 제2차 반응기(200)로 이동될 수 있는 경로를 제공하는 배관(L6, L7)으로 연결되어 있다.
본 실시예에서, 배관(L6)은 2개의 배관들(L7, L8)로 분기되며, 이들 중에서 배관(L7)은 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에서 생성된 이산화탄소 함유 유체가 제2차 반응기(200)로 이동될 수 있는 경로를 제공하고, 배관(L8)은 분말을 추출하기 위한 분말추출장치(500)와 연결된다. 배관(L8)에는 배관(L8)을 통해서 이동하는 유체의 흐름을 제어할 수 있는 밸브(V1)와 블로어(P2)가 설치되어 있다.
본 실시예에 따르면, 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에서 제2차 반응기(200)로 제공하는 이산화탄소 함유 유체에 충분한 중조(즉, 중산탄나트륨)가 생성된 경우, 밸브(V1)를 개방하여 배관(L6)을 통해서 이동하는 유체의 적어도 일부를 분말 추출장치(500)에게 제공되도록 한다. 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에서 제2차 반응기(200)로 제공하는 이산화탄소 함유 유체에 충분한 중조(즉, 중산탄나트륨)가 생성되기 전까지는 밸브(V1)은 유체가 배관(L8)를 통해서 흐르지 못하도록 폐쇄되어 있다. 한편, 배관(L7)에서 유체의 흐름을 제어할 수 있는 밸브(V2)가 설치되어 있을 수 있고, 밸브(V1)이 개방된 경우에는 밸브(V2)가 폐쇄되고, 밸브(V1)이 폐쇄된 경우에는 밸브(V2)가 개방되도록 구성될 수 있다.
분말 추출장치(500)는 수용액 상태의 중조로부터 분말 형태의 중조를 추출하기 위한 것으로, 예를 들면, 수용액을 회전시키는 원심분리기와 원심분리기로부터 분말농도가 높은 수용액을 유입 받아서 기화시키는 히터와 같은 장치를 이용하여 중조 분말을 추출할 수 있다.
한편, 본 실시예는, 분말 추출장치(500)에서 유출되는 수용액이 다시 제1차 반응기(100)나 제2차 반응기(200) 또는 미세기포 발생장치(300)로 피드백 되도록 구성될 수 있다.
탄산나트륨 수용액 공급부(400)는 탄산나트륨과 물을 공급받아서 탄산나트륨 수용액을 생성하는 장치이다. 탄산나트륨 수용액 공급부(400)는 탄산나트륨 수용액의 원활한 생성을 위해서 교반장치(도면 번호 미 할당)와 탄산나트륨 수용액을 저장하는 용기(401)를 포함할 수 있다. 탄산나트륨 수용액을 저장하는 용기(401)와 제1차 반응기(100)는 배관(L11)을 통해서 연결되어 있고, 배관(L11)을 통해서 용기(401)에 저장된 탄산나트륨 수용액이 제1차 반응기(100)에게 제공된다.
도2는 일 실시예에 따른 매크로기포 생성유닛을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 매크로기포 생성유닛(110)은 복수의 매크로기포 생성노즐들( N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7)과 복수의 매크로기포 생성노즐들(N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7)에 이산화탄소 가스를 공급하는 경로를 제공하는 이산화탄소 가스 공급라인(L20)을 포함할 수 있다.
이산화탄소 가스 공급라인(L20)에는 복수의 매크로기포 생성노즐들(N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7)이 서로 이격되어 결합되어 있되, 이산화탄소 가스 공급라인(L20)에 의해 공급되는 이산화탄소 가스가 복수의 매크로기포 생성노즐들(N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7)을 통해서 분사되도록 결합되어 있다.
배관(L16)을 통해서 제공되는 이산화탄소 가스는 이산화탄소 가스 공급라인(L20)으로 유입된 후, 이산화탄소 가스 공급라인(L2)을 통해서 흐르다가 복수의 매크로기포 생성노즐들(N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7)을 통해서 매크로기포 형태로 분사된다.
복수의 매크로기포 생성노즐들(N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7)은 서로 동일 또는 유사한 구조를 가질 수 있으며, 이하에서는, 도3과 도 4를 참조하여 매크로기포 생성노즐(N1)을 예로 들어서 상세히 설명하기로 한다.
이상 설명한 매크로기포 생성유닛에 의해서 생성되는 매크로기포는 평균 직경이 1mm 내지 2mm (1mm 이상 2mm 이하)인 기포이다.
도3과 도4는 일 실시예에 따른 매크로기포 생성노즐을 설명하기 위한 도면이다.
이들 도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 매크로기포 생성노즐(N-1)은, 제1차 반응기(100)에 저장된 탄산나트륨 수용액에 담기는 형태로 설치되는 구성을 가진다(도 1을 참조).
일 실시예에 따른 매크로기포 생성노즐(N-1)은 이산화탄소 가스를 배관(L16)을 통해서 유입 받고, 또한 자신(N-1)의 주위에 있는 탄산나트륨 수용액을 별도의 동력 장치 없이 흡입하여, 이산화탄소 가스가 포함된 매크로기포를 생성하여 상기 흡입한 탄산나트륨 수용액과 함께 반응용기(101)에 저장된 탄산나트륨 수용액으로 분사한다.
일 실시예에 따른 매크로기포 생성노즐(N-1)은 이산화탄소 가스를 유입 받아 회전류를 생성하는 회전류 생성부(N-10), 회전류 생성부(N-10)에 의해 회전류로 생성된 이산화탄소 가스와 탄산나트륨 수용액의 일부를 유입 받아서 이산화탄소 매크로기포를 탄산나트륨 수용액에 발생시키는 매크로기포 분사부(N1-30), 및 회전류 생성부(N-10)와 매크로기포 분사부(N1-30)를 이격적으로 연결시키는 연결부(N1-20)를 포함할 수 있다. 여기서, 매크로기포 분사부(N1-30)로 유입되는 탄산나트륨 수용액은 별도의 동력장치 없이 자연스럽게 유입되도록, 회전류 생성부(N-10), 매크로기포 분사부(N1-30), 및 연결부(N1-20)가 서로 유기적으로 연결 및 구성되어 있다.
후술하겠지만, 매크로기포 생성노즐(N-1)은 회전류 생성부(N-10)와 매크로기포 분사부(N1-30)가 이격된 공간을 통해서, 반응용기(101)에 저장되어 있던 탄산나트륨 수용액의 일부가 매크로기포 분사부(N1-30)로 자연스럽고도 강력하게 유입되도록 구성되어 있다.
회전류 생성부(N-10)는 2개의 단부(N1-12, N-13)를 가진 관(N1-11) 형상으로 구성되며, 2개의 단부(N1-12, N-13) 중 일 단부(N1-12)(이하, '입구')는 배관(L-20)에 흐르는 이산화탄소가 입구(N1-12)로 유입되도록 배관(L-20)과 결합되어 있고, 나머지 단부(N-13)(이하, '출구')는 자유단으로서 연결부(N1-20)에 의해 매크로기포 분사부(N1-30)에 이격되어 결합된다. 관(N1-11)의 내부는 이산화탄소 가스가 이동할 수 있는 공간(N1-S1)을 가지며, 그러한 공간(N1-S1)에는 입구(N1-12)로 유입된 이산화탄소 가스가 선회하도록 하는 구조체(S)가 형성되어 있다. 유체를 선회시키기 위한 구조체(W)는 예를 들면 한국공개특허 2012-0008106 (2012.01.30)(이하, 106')호에 기재된 베인과 같은 구성을 가질 수 있다. 한국공개특허 106'호에 기재된 내용은 본원 명세서의 일부로서 결합된다. 한편, 106'호에 기재된 베인은 예시적인 것으로서 이와 다른 구조체라도 유체를 선회시킬 수 있는 기능을 가진다면 본 실시예에서의 구조체(W)로 사용될 수 있다.
회전류 생성부(N-10)의 내부 공간은, 구조체(W)가 설치된 위치에서 출구(N1-13)로 가까워질 수록 그 직경(즉, 내부 공간의 직경)이 점점 작아진다. 구조체(W)에 의해 회전되는 이산화탄소 가스는 출구(N1-13)를 통해서 강력하게 유출되고, 유출된 이산화탄소 가스는 이격 공간(N1-S2)을 거쳐서 바로 매크로기포 분사부(N1-30)로 유입된다.
매크로기포 분사부(N1-30)와 회전류 생성부(N1-10)는 공간(N1-S2)을 두고 이격되어 있고, 이격 공간(N1-S2)은 매우 짧아서 회전류 생성부(N1-10)의 출구(N1-12)를 통해서 유출된 대부분의 이산화탄소 가스가 회전을 유지하면서 매크로기포 분사부(N1-30)로 강력하게 유입된다.
한편, 매크로기포 분사부(N1-30)로 강력하게 유입되는 이산화탄소 가스의 흐름에 의해, 매크로기포 생성노즐(N-1)의 주위에 있는 탄산나트륨 수용액은 이격 공간(N1-S2)을 경유하여, 매크로기포 분사부(N1-30)로 이산화탄소 가스와 함께 유입된다.
매크로기포 분사부(N1-30)는 2개의 단부(N1-33, N1-32)를 가진 관(N1-31) 형상으로 구성되며, 2개의 단부(N1-33, N1-32) 중 일 단부(N1-33)(이하, '입구')는 회전류 생성부(N1-10)의 출구(N1-12)를 통해서 유출된 대부분의 이산화탄소 가스를 유입받도록 구성되어 있다. 한편, 2개의 단부(N1-33, N1-32) 중 나머지 단부(N1-32)(이하, '출구')는 이산화탄소 가스와 탄산나트륨 수용액을 분사하도록 구성되어 있고, 이렇게 분사동작에 의해 이산화탄소 가스가 함유된 매크로기포가 형성된다.
매크로기포 분사부(N1-30)의 내부 공간은, 관(N1-31) 형상으로 구성되어 있고, 관(N1-31)의 내부 공간에 회전상태로 유입된 이산화탄소 가스와 탄산나트륨 수용액이 서로 혼합, 충돌, 및 용해된 유체가 회전되면서 출구(N1-32)로 분사된다.
한편, 상술한 매크로기포 생성노즐(N1)의 구성은 다른 매크로기포 생성노즐들(N2, N3, N3, N4, N5, N6, N7) 중 어느 하나 이상과 동일할 수 있다.
도5는 일 실시예에 따른 이산화탄소 미세기포 발생장치를 설명하기 위한 도면이다.
도5를 참조하면, 일 실시예에 따른 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)는 적어도 한개의 선회기와 적어도 1개의 반응기를 포함하도록 구성될 수 있다. 본 실시예에서는, 3개의 선회기들(311, 312, 313)과 3개의 반응기들(321, 322, 323)로 구성된 미세기포 발생장치(300)를 설명하기로 한다. 한편, 본원 발명은 선회기와 반응기가 각각 2개 이상인 것이 바람직하기는 하지만, 본원 발명의 권리범위가 그러한 선회기들과 반응기들의 개수에 한정되는 것이 아님을 당업자는 용이하게 이해할 수 있을 것이다.
이산화탄소 미세기포 발생장치(300)는 선회기(311)(이하, '제1선회기'), 선회기(312)(이하, '제2선회기'), 선회기(313)(이하, '제3선회기'), 용해탱크(321)(이하, '제1용해탱크'), 용해탱크(322)(이하, '제2용해탱크'), 및 용해탱크(323)(이하, '제3용해탱크')를 포함한다. 이들 선회기들과 용해탱크는 동일 또는 유사한 구조를 가질 수 있으며, 선회기에 대한 구성은 도 6을 참조하여 후술하기로 한다. 용해탱크는 유체를 저장할 수 있는 밀폐된 공간을 가지는 구성을 가지며, 이러한 용해탱크에는 외부로부터 유체를 유입 받을 수 있는 유입구와, 저장하는 유체를 외부로 유출할 수 있는 유출구가 구비되어 있다.
배관(L4)은 3개의 배관(L41, L42, L43)으로 분기되고, 배관(L41, L42, L43)을 통해서 공급되는 이산화탄소 가스는 제1선회기(311), 제2선회기(312), 및 제3선회기(313)로 각각 분할 및 순차적으로 공급된다.
제2차반응기(200)로부터 유출되는 유체 - 중조 생성 반응을 위한 반응물들, 중조 생성 반응의 중간 생성물들, 중조 생성 반응의 생성물들, 물, 및 가스 중 적어도 하나를 포함함 -는 배관(L41)을 통해서 공급되는 이산화탄소 가스와 합류된 후, 제1선회기(311)로 유입된다. 제1선회기(311)로 유입된 유체는 서로 혼합 및 회전된 후에 제1용해탱크(321)로 유입된다. 제1용해탱크(321)는 내부가 비어 있는 통 형상을 가지며, 제1용해탱크(321)에 유입된 유체와 이산화탄소 가스에 의해 중소 생성 반응이 진행될 수 있다.
제1용해탱크(321)에 저장되어 있는 유체는 유출되어 배관(L42)을 통해서 공급되는 이산화탄소 가스와 합류된 후 제2선회기(312)로 공급된다. 제2선회기(312)로 유입된 유체는 서로 혼합 및 회전된 후에 제2용해탱크(322)로 유입된다. 제2용해탱크(322)는 내부가 비어 있는 통 형상을 가지며, 제2용해탱크(322)에 유입된 유체와 이산화탄소 가스에 의해 중소 생성 반응이 진행될 수 있다.
제2용해탱크(321)에 저장되어 있는 유체는 유출되어 배관(L43)을 통해서 공급되는 이산화탄소 가스와 합류된 후 제3선회기(313)로 공급된다. 제3선회기(313)로 유입된 유체는 서로 혼합 및 회전된 후에 제3용해탱크(323)로 유입된다. 제3용해탱크(323)는 내부가 비어 있는 통 형상을 가지며, 제3용해탱크(323)에 유입된 유체와 이산화탄소 가스에 의해 중소 생성 반응이 진행될 수 있다.
한편, 제3용해탱크(323)에 저장된 유체와 중조 생성 반응에 사용되지 않은 잔존 이산화탄소 가스는 배관(L6)를 경유하여, 배출가스와 합류되거나 분말 추출 장치(500)로 이동된다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따른 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에서는 복수의 용해탱크를 구비하고, 이러한 용해탱크에 순차적으로 이산화탄소 가스를 제공함으로써 중조 생성 반응에 이산화탄소 가스가 효율적으로 사용될 수 있도록 한다.
이상 상술한 바와 같이, 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에 의해서 생성되는 미세기포는 평균 직경이 50㎛ 이하인 기포이다.
도6은 일 실시예에 따른 선회기를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 선회기(311)는 내부에 유체가 회전하도록 이동할 수 있는 격벽들(P1, P2)이 형성된 통형상의 구성을 가지며, 이러한 선회기(311)는 내부에 유입되는 유체를 선회시키도록 격벽들(P1, P2)과 같은 물리적인 구성요소들로 구성되어 있다.
선회기(311)에는 유체를 유입받을수 있는 유입구(H1)와, 외부로 유체를 배출할 수 있는 배출구(H2)가 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 유입구(H1)로는 배관(L9)을 통해서 제공되는 유체와 배관(L41)을 통해서 제공되는 이산화탄소 가스가 합쳐진 것이 유입된다. 한국특허등록 1284266 (2013.07.01)호(이하, 266') 특허에는 선회기의 예시적이 구성 및 작용이 상세히 설명되어 있다. 266'호 특허에 기재된 선회기(선회유닛)의 기술적인 내용은 본원 명세서의 일부로서 결합된다.
한편, 선회기들(312, 313)은 상술한 선회기(311)과 동일 또는 유사한 구성을 가질 수 있다.
상기와 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상술한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 제1차 반응기
200: 제2차 반응기
300: 이산화탄소 미세기포 발생장치
400: 탄산나트륨 수용액 공급부
500: 분말 추출 장치

Claims (6)

  1. 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치에 있어서,
    탄산나트륨 수용액과 이산화탄소 가스를 주입 받는 제1차 반응기(100);
    1차 반응기(100)에서 유출되는 유체를 유입 받는 제2차 반응기(200); 및
    이산화탄소 가스와 제2차 반응기(200)에서 유출되는 유체를 유입 받고, 유입 받은 유체에 미세기포를 생성하여 제2차 반응기(200)로 제공하는 이산화탄소 미세기포 발생장치(300);를 포함하며,
    제1차 반응기(100)는, 이산화탄소 매크로기포를 생성하여 상기 탄산나트륨 수용액에게 분사하는 이산화탄소 매크로기포 생성유닛을 포함하며,
    제1차 반응기(100)로 주입되는 이산화탄소 가스의 양이 제2차 반응기(200)로 유입되는 이산화탄소 가스의 양보다 많은 것인, 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1차 반응기(100)로 주입되는 이산화탄소 가스의 양이 제2차 반응기(200)로 유입되는 이산화탄소 가스의 양보다 4배 이상 많은 것인, 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이산화탄소 매크로기포의 평균 직경은 1 mm 내지 2 mm이고,
    상기 이산화탄소 미세기포의 평균 직경은 50㎛ 이하인 것인, 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 매크로기포 생성유닛은
    복수의 매크로기포 생성노즐들;
    상기 복수의 매크로기포 생성노즐들에 이산화탄소 가스를 공급하는 경로를 제공하는 이산화탄소 가스 공급라인(L20);을 포함하며,
    이산화탄소 가스 공급라인(L20)에는 상기 복수의 매크로기포 생성노즐들이 서로 이격되어 결합되어 있되, 이산화탄소 가스 공급라인(L20)을 따라 흐르는 이산화탄소 가스가 상기 복수의 매크로기포 생성노즐을 통해서 분사되도록 결합된 것인, 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 매크로기포 생성노즐들 중 적어도 하나의 매크로기포 생성노즐(N1)은, 이산화탄소 가스를 유입 받아 회전류를 생성하는 회전류 생성부(N-10), 회전류 생성부(N-10)에 의해 회전류로 생성된 이산화탄소 가스와 제1차 반응기(100)가 유입 받은 상기 탄산나트륨 수용액의 일부를 유입 받아서 이산화탄소 매크로기포를 상기 탄산나트륨 수용액에 발생시키는 메크로기포 분사부(N1-30), 회전류 생성부(N-10)와 메크로기포 분사부(N1-30)를 이격적으로 연결시키는 연결부(N1-20)를 포함하며, 회전류 생성부(N-10)와 메크로기포 분사부(N1-30)가 이격된 공간을 통해서 상기 탄산나트륨 수용액의 일부가 메크로기포 분사부(N1-30)로 유입되는 것인, 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    제2차 반응기(200)는 반응용기(201) 및 반응용기(201)의 내부에 설치되는 교반 장치(210)를 포함하고, 교반 장치(210)는, 수직으로 배치되고 구동모터(211)에 의해 회전하는 회전축(212) 및 회전축(212)에 부착된 임펠러(213)을 포함하며,
    반응용기(201)는 1차 반응기(100)에서 유출되는 유체를 유입 받을 수 있는 유입구와 이산화탄소 미세기포 발생장치(300)에 의해 생성된 이산화탄소 미세기포를 유입 받을 수 있는 유입구와, 가스를 외부로 유출할 수 있는 유출구를 구비하고, 1차 반응기(100)로부터 유입 받은 유체와 상기 이산화탄소 미세기포가 혼합되고 외부로 유출되지 않도록 하는 공간을 가지고 있는 것인, 2단 반응 방식을 이용한 중탄산나트륨 제조 장치.
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