KR830001019B1 - 암모니아와 이산화탄소 및 물의 혼합물로부터 암모니아와 이산화탄소를 분리하는 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

암모니아와 이산화탄소 및 물의 혼합물로부터 암모니아와 이산화탄소를 분리하는 방법

제1도는 일정압력하에서의 암모니아/이산화탄소/물 시스템을 나타낸 도식.

제2도는 암모니아와 이산화탄소 분리대가 거의 같은 압력하에서 작동하는 희석공정과 연결하여서 상기 발명을 사용하였을 때 이루어지는 공정의 도식.

제3도는 서로 다른 압력하에서 분리가 일어나지만 제2도와 유사한 공정을 나타내는 도식이다.

암모니아, 이산화탄소, 물을 함유하는 혼합물로부터 사실상 순수한 암모니아와 이산화탄소를 분리해내는 공정에서, 암모니아는 암모니아 분리대에서 정류되며 나머지 액상 물질은 이산화탄소 분리대로 공급되져서 그곳에서 이산화탄소 기체가 정류되어 진다.

그리고 그 결과 생성되는 액상물질은 이 지대의 하부로부터 추출대로 공급되어져서는 상기 액상물질에 아직 남아있는 모든 암모니아와 이산화탄소를 기체혼합물로서 분리해 낸다.

어떤 화합과정에서는 암모니아와 이산화탄소를 함유하는 혼합물과 때때로 물을 함유하는 혼합물이 부산물로서 얻어진다. 예를들어 요소로부터 멜라민(melamine)을 합성하는 과정에서는, 멜라민외에도 멜라민 1톤(ton)당 적어도 1.7톤에 달하는 암모니아와 이산화탄소를 함유하는 기체혼합물이 얻어진다.

그러한 혼합물은 암모니아와 이산화탄소로부터 요소를 합성하는 과정에서도 얻어지는데, 그것은 부산물인 카르바민산 암모늄이 분해된 결과 생성되며, 이를 주산물인 요소로부터 분리시켜서 얻을 수 있다.

멜라민 또는 요소로부터 분리시킨 암모니아와 이산화탄소를 요소합성과정에 다시 재사용하는 식으로 효과적으로 활용하려면 보통 그 기체의 압력을 더 높여줘야 한다.

그러나 그러한 혼합물을 압축시키려면, 그 결과 일어나는 암모니아와 이산화탄소의 액화와 고체 카르바민산 암모늄의 침전을 막기 위해서, 특별한 방법이 필요하다.

이런 이유로 해서 그와 같은 기체혼합물은 보통 물 또는 수용액속에 흡수시켜서, 요소합성반응기에 퍼넣을 수 있는 카르바민산암모늄 용액을 형성시키거나, 때로는 승압하에서 추출과 흡착을 반복시켜서 농축시키기도 한다.

그러나 이 과정의 단점은 물이 암모니아와 이산화탄소와 함께 요소반응기에 재사용된다면 요소(Urea)합성 반응에 나쁜 영향을 미친다는 것이다.

카르바민산 암모늄의 형성과 침전을 피하기 위해서는 부산물들로부터 암모니아와 이산화탄소를 분리해서 제거하여서 다시 분리해서 재사용하는 방법이 제안되었다.

그러나 암모니아와 이산화탄소 두 성분으로 된 시스템에서는 암모니아, 이산화탄소의 분자비가 약 2:1이 될때, 비등점곡선에서의 최대점에 해당하는 조성비를 갖는 용액, 즉 최대비등점-아제오트로프(azeotrope)를 형성하므로 단순종류에 의해서는 분리할 수 없다. (註 : 아제오트로프인 경우 아무리 끓여도 조성비가 변하지 않는다.)

이 현상은 또한 암모니아, 이산화탄소, 물의 세성분으로 된 시스템에서도 일어나며, 여기서 쓰인 "아제오트로프"란 용어는 삼원시스템에서도 이 현상이 포함된다.

또한 이원 또는 삼원 혼합물에 대해 여기서 쓰인 바와 같이, 암모니아에 관해 "풍부"하다라고 쓰인 용어는 암모니아가 "풍부한"혼합물에 열을 가하면 남아있는 혼합물이 경계선(조금 뒤에서 정의됨)과 같은 조성을 가질때까지 순수 암모니아 가스가 날아간다는 것을 의미한다.

반면에, 암모니아에 대해 "빈약"하다란 용어는 혼합물에 암모니아가 풍부하지 않다는 것을 의미한다.

역으로 말하면, 이산화탄소에 대해 "풍부"하다는 용어는 이산화탄소가 "풍부"한 혼합물에 열을 가하면 순수한 이산화탄소 가스가 날라감을 의미한다.

이산화탄소에 대해 "빈약"하다는 용어는 혼합물에 이산화탄소가 풍부하지 못하다는 의미이다.

제1도는 일정압력하에서의 암모니아-이산화탄소-물의 삼원시스템을 삼각형도식으로 나타내었다.

이 시스템은 여기서 "경계선"이라고 명명된 선 Ⅲ에 의해 두 부분으로 나뉜다.

그리고 이 선은 정압하에서 수분농도 변화에 따라 "아제오트로프"조성을 나타낸다.

이 경계선은 보통 증류 또는 정류방법에 의해서는 넘어설 수 없다. 이와같이 암모니아에 관하여 "풍부"한 액체혼합물, 즉, 제1도에서 부분 Ⅰ내에 속하는 혼합물이 정류되면 액체 조성이 경계선이 도달할때까지 암모니아 가스가 나타난다.

이산화탄소에 대해 "풍부"한 혼합물, 즉, 제1도에서 부분 Ⅱ에 속하는 혼합물이 정류되면 액체의 조성이 경계선에 도달할때까지 이산화탄소 가스가 날라간다.

일단 액체혼합물의 조성이 경계선에 달하면 정압하에서 더욱 정류 또는 증류시키는 것은 모든 성분의 기체혼합물을 생성해 내기는 하지만 나머지 액체혼합물의 조성은 결코 변경되지 않는다.

또한, P.J.C. Kaasenbrood, Chemical Reaction Engineering, Proceeding of the Fourth European Symposium, Sept. 9-11, 1968, Published by Pergamon Press(1971), Page 317-328을 참조하십시오.

이러한 "아제오트로프"의 형성을 피하기 위해 여러가지 방법이 제의되었으며, 그 모든 방법에서 암모니아-이산화탄소 혼합물을 그들의 각 구성요소로서 분리해 내었다.

이때 암모니아의 분리재생이 가장 중요하며, 암모니아가 가장 가치있는 성분이다.

이러한 공정중 몇가지는 암모니아나 이산화탄소중 어느 하나를 액체에 선택적으로 흡수시키는데 기초를 두고 있다. 예를들어 네덜란드 특허출원 제143,063호에서는 승압하에서 질산암모늄과 같은 강산의 암모늄염 수용액에 암모니아가 흡수되는 과정을 보여준다.

독일 특허 명세서 제669,314호에서는, 모노에타놀아민(monoethanolamine)과 같은 알카놀아민(alkanolamine)수용액으로 기체혼합물을 씻음으로서 이산화탄소를 선택적으로 흡수시키는 과정이 나와 있다. 그러나 이 모든 공정의 단점은 흡수된 성분이 그 후 흡착제로부터 제거되어서 정제되야 한다는데 있다.

또한 첫단계에서는 대부분의 암모니아를 증류해내고, 더 높은 시스템 압력하에서 이루어지는 다음 단계에서 이산화탄소를 증류함으로써, 암모니아, 이산화탄소, 물의 혼합물로부터 암모니아와 이산화탄소를 분리해내는 방법이 제안되었다. 여기서 사용된 "시스템압력"이라는 용어는 암모니아, 이산화탄소 그리고 물의 분압의 합을 의미한다.

이러한 종류의 공정은 미국특허 제3,112,177호와 제4,060,591호 및 영국특허 제916,945호와 제1,129,939호에 잘 기재되어 있다. 미국특허 제3,112,177호에서는 1~5기압사이의 시스템압력하에서 이루어지는 첫 단계에서 이산화탄소 가스가 암모니아에 관해 "빈약"한 혼합물인 암모니아, 이산화탄소, 물의 혼합물로부터 분리되는 과정을 묘사하고 있다.

그 다음에 1기압하에서 나머지 액체를 메탄과 같은 용매로 씻어준다. 그 결과 시스템압력이 낮아지고 암모니아와 소량의 이산화탄소가 날라가서, 결국 전체압력이 1기압인 메탄, 암모니아, 이산화탄소의 혼합체를 얻는다. 기체혼합체에 남아 있는 소량의 이산화탄소를 제거하기 위해서는 혼합체의 일부를 액화시켜서, 결국 액체암모니아에 이산화탄소를 흡수시킨다.

미국특허 제4,060,591호는 이산화탄소와 암모니아를 포함한 액체혼합물로부터 암모니아를 재생하는 공정을 설명해주는데, 여기서는 승압하에서 이산화탄소를 제거함으로써 우선 혼합체를 비산성화시킨다.

그 다음에 나머지 액체로부터 모든 암모니아, 이산화탄소, 그리고 물을 제거하고 난 뒤, 감압하에서 나머지 가스혼합체를 제거하여서 순수 암모니아의 기류를 얻는다. 유사한 공정이 영국 특허 제916,945호에 나타나 있는데, 여기서는 승압하에서 암모니아성 액체가 관내에서 비산성화되는데, 이 관내에서 상승기류를 찬물로 씻어서 암모니아를 제거함으로써 이산화탄소 가스를 얻는다.

나머지 액체는 제거기로 스며들어서 모든 암모니아와 이산화탄소가 제거된다. 비산성화 되기전의 암모니아성 액체물질로 나머지 가스혼합체를 씻어내려서, 순수한 암모니아를 생성한다.

영국특허 제1,129,939호에서는 암모니아와 이산화탄소로 구성되 있으면서 암모니아에 대해 "풍부"한 기체혼합물을 물 또는 수용액에 흡수시켰다.

이렇게해서 생성된 수용액으로부터 대기압하에서 암모니아를 증류해낸다. 그 후 그 용액의 잔여물에 5~20 기압정도의 압력하에서 열을 가하여 분류시킴으로써 이산화탄소를 제거한다. 이러한 후반과정은 암모니아, 이산화탄소, 물 시스템의 압력을 변화시키면 낮은 압력에서는 암모니아를 분리해낼 수 있고, 더 높은 압력하에서는 이산화탄소를 분리해낼수 있다는 원리에 근거하고 있다. 이와같은 "차압(差壓)"공정에서는 이산화탄소 분리대의 시스템압력은 암모니아 분리대의 적어도 두배는 되어야 한다. 또한 분류가 순조롭게 이루어지려면 암모니아 분리대와 이산화탄소 분리대에서의 시스템압력의 비가 약 1:5~1: 20 사이가 되는 것이 바람직하다. 그러나 "차압"공정의 단점은 암모니아와 이산화탄소의 혼합물이 1기압이상의 압력에서 사용될 수 있어도 우선은 1기압으로 팽창시켜야만 하는데 있다. 그래서 암모니아기체는 최대로는 1기압이며, 만일 다른 기체의 양이 많다면 더 낮은 암력을 갖고 방출된다. 만일 이 암모니아가 요소 합성 공정에서와 같은 곳에서 더욱 처리되려면 암력을 더 높여 줘야 한다. 그것을 위한 압축에너지는 실질적으로 아주 풍부하다.

더구나 압축기가 고압선에서의 카르바민산 암모늄고체의 형성과 침전을 막기 위해서는 암모니아내에서의 이산화탄소 농도가 아주 낮아야한다. 또한 이와같은 "차압"을 필요로 하지 않는 다른 공정이 네덜란드 특허출원 제7612163호에 나와 있다. 거기서 기술된 공정에 의하면, 만일 이산화탄소 분리대에 공급된 암모니아와 이산화탄소 함유물질에 암모니아와 이산화탄소를 함유하는 공급물 총무게의 0.2~6배정도의 물을 가함으로써 암모니아와 이산화탄소를 희석시킨다면, 압력에 차이를 둘 필요가 없이도 그 혼합체로부터 암모니아와 이산화탄소를 분리하여 재생시킬 수 있다고 하였다. 지금 예기한 공정을 여기서는 간단히 "희석공정"이라고 표현한다. "희석공정"의 한 실시예에 의하면 사실상 이산화탄소와 물을 포함하지 않는 암모니아가, 암모니아에 대해 "풍부"한 암모니아, 이산화탄소 그리고 물의 혼합체로부터 우선적으로 분리된다.

암모니아 분리대의 하부에 남겨진 나머지 액상물질로부터 이산화탄소가 이산화탄소 분리대에서 분리되는데 그곳에서 암모니아 분리대로부터 이산화탄소 분리대로 공급된 나머지 액상물질이 그 무게의 0.2~6배에 달하는 물로 희석된다. 또 다른 "희석공장"의 실시예를 보면, 암모니아와 물이 제거된 이산화탄소가 이산화탄소 분리대에서, 암모니아에 대해 "빈약"한 암모니아, 물, 이산화탄소의 혼합물로부터 맨처음으로 분리된다.

이 이산화탄소 분리대의 하부로부터 나머지 액상물질이 추출대로 공급되어져서 그곳에서 모든 암모니아와 이산화탄소가 추출되며 나머지 기체물질은 암모니아 분리대에 주입된다. 이 나머지 기체물질로부터 이산화탄소와 물이 제거된 암모니아가 암모니아 분리대에서 재생되며, 그 결과 생성된 액상물질은 이산화탄소 분리대로 공급된다. 분리될 초기혼합물의 무계와 암모니아 분리대로부터 이산화탄소 분리대로 공급된 나머지 액상물질을 더한 총무게의 0.2~6배 정도의 회석수를 상기 이산화탄소 분리대에 가한다.

또 다른 "회석공정"의 한 실시예에 따르면 암모니아와 이산화탄소를 포함하는 혼합체가 많은 양의 물을 함유할때, 이를 분리하기 위해서는 이 혼합체를 우선 추출대로 먼저 보내는 것이 유리하다고 하는데, 이 추출대에서 암모니아와 이산화탄소가 추출되어서 소량의 수증기와 함께 암모니아분리대로 주입되게 된다.

사실상 물과 이산화탄소가 제거된 암모니아가 암모니아 분리대의 꼭대기 부분에서 얻어지며, 암모니아, 이산화탄소, 물을 포함하는 나머지 액상물질은 이산화탄소 분리대로 주입된다.

이때에도 암모니아 분리대로부터 이산화탄소 분리대로 공급된 나머지 액상물질 총무계의 0.2~6배의 희석수를 이산화탄소 분리대에 가한다. 실제로 암모니아와 물이 제거된 이산화탄소는 이산화탄소 분리대의 꼭대기 부분에서 얻어지며, 이산화탄소 분리대의 하부로부터 나머지 액상물질이 추출대로 공급된다. "차압"과 "희석"공정 두 과정에서 암모니아 분리대의 하분에 남아 있는 나머지 액상물질의 조성은, 보통 조건하에서는 분리 효율을 최대화하기 위해, "경계선" 또는 "아제오트로프"조성에 거의 일치해야 한다.

이것은 액상물질에 존재하는 암모니아의 양이 상당히 많다는 것을 의미하는데, 이것은 에너지 소비면에서는 바람직하지 못하다. 이 암모니아는 이산화탄소 분리대에 공급되었을 때, 분리효율을 감소시키며, 추출대에서는 상당히 많은량의 여분 에너지를 필요로 한다.

그래서 사실상 순수한 암모니아와 이산화탄소를 물도 포함한 혼합물로부터 분리하기 위해서 좀더 개선된 공정-즉 에너지를 상당량 절약해주는 공정을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다. 또한 암모니아 분리대로 공급할때 조성의 변동이 분리과정의 에너지효율에 큰 영향을 미친다. 결과적으로 분리를 위해 아주 민감한 측정 및 조절 시스템이 필요하다. 그러므로 본 발명의 또 다른 목적은 암모니아 분리대로 공급되는 물질 조성의 변동에 별로 영향을 받지 않는, 개선된 공정을 공급하는 것이다.

본 발명에 따른 공정의 특징은 아주 많은량의 이산화탄소 기체 또는 많은량의 이산화탄소를 함유한 기체혼합물이 암모니아 분리대의 밑부분에 공급되어지므로 암모니아 분리대의 밑부분으로부터 방출되는 액상물질의 조성이 암모니아가 "풍부한"경계선쪽에 있지 않다는 것이다. 제1도에 따르면 충분한 량의 이산화탄소가 주입되어야만 암모니아 분리대로부터 제거된 나머지 액상물질의 조성을 부분 Ⅰ로부터 경계선 또는 부분 Ⅱ에서의 조성으로 이동시킬 수 있다.

이 목적을 달성시키기 위해 필요한 이산화탄소의 양은 보통 암모니아 분리대로부터 제거된 후 이산화탄소 분리대로 공급된 나머지 액상물질 무게의 0.01~0.2배에 달하며, 그 양이 0.02~0.1배가 되면 더욱 바람직하다. 암모니아 분리대의 하부에 주입되는 이산화탄소를 함유한 기체물질의 총량은 여러 요인들 중에서 바람직한 결과에 따라 달라진다.

그러나 주입될 수 있는 이산화탄소의 양은 카르바민산 암모늄 고체 또는 다른 고체물질이 관과 선에 침전되기 시작하는 점에 의해 한정된 상한계를 갖고 있는데, 이 침전은 너무 많은 이산화탄소가 사용되었을때 일어난다.

상기 발명의 방법에 따라 작동하면, 알려진 여러 분리공정에서의 에너지 소비가 확실히 낮아지고, 결과적으로 분리 효율과 유효성(effectiveness)이 암모니아 분리대에 보내지는 공급물 조성의 변동에 무관하게 된다.

더구나 이 개선된 공정은 여러 분리대를 통하여 제사용되어야 하는 액체의 양을 감소시키게 된다.

이산화탄소를 포함하는 상기 기체물질은 보통 이산화탄소 분리대로부터 이산화탄소가 제거된 기체를 사용함으로써 얻어질 수 있다.

그러나 암모니아와 이산화탄소를 포함하는 가스혼합체도 사용할 수 있다. 그런 경우에는 그 기체혼합체에서의 이산화탄소와 암모니아의 비가 암모니아 분리대의 하부로부터 얻어진 나머지 액상물질과 평형을 이루고 있는 기체에서의 이산화탄소, 암모니아의 비보다 더 커야 한다.

그렇지 않으면 경계선을 넘어설 수가 없다.

상기 발명의 참조적인 실시에에서 이산화탄소를 함유하는 기체물질은 이산화탄소외에도, 많은 량의 불활성기체와 공기 또는 질소를 함유하고 있다.

이산화탄소, 불활성기체의 무게비는 30:70이나 70:30사이에 있다. 보통 스테인레스스틸(stainless steel)물질을 불활성화시키기 위해 사용하는 산소 또는 공기와 같은 기체보다 더 많은 양의 불활성기체를 주입시키면, 그 불활성기체가 암모니아 분리대로부터 제거된 액상물질에 남아 있는 암모니아의 양을 감소시켜 주는 잇점이 있다.

그 결과, 에너지 소비도 감소시켜주는데, 특히 추출단계에서의 에너지 소비를 감소시켜 준다.

둘째 잇점은 불활성기체가 더욱 많은 량이 있으면 암모니아 분리관의 하부 온도가 더욱 감소되어서 분리 과정에서 얻어진 여러 액체와 기류의 열용량을 더욱 경제적으로 사용할 수 있다는데 있다. 세번째 잇점은 분리 효율이 증진된 결과 기체, 액체의 비가 더욱 적당해진다는 것이다. 그런식으로 분리 효율이 증진됨으로해서 분리되는 혼합체의 총량이 증가될수도 있으며, 또는 분리관의 크기를 감소시킬수도 있다. 그리고 분리에 필요한 에너지 소비량이 암모니아 분리대의 하부로부터 제거되는 액상물질의 정확한 조성에 훨씬 영향을 덜 받는다.

되도록, 여러 분리대에서의 압력이 약 50~5000KPa 사이에는 있어야 한다. 후술하는 바와같이, 암모니아 분리예에서의 압력이 냉각수의 온도에 따라 조금씩 달라지지만 약 1800KPa 정도가 되면, 분리된 암모니아가 냉각수에 의해 냉각되므로 비교적 쉽고 싸게 액화시킬 수 있는 잇점을 제공해 준다.

희석방식의 공정에서는 이산화탄소 분리대에서의 시스템압력이 암모니아 분리대에서의 시스템압력과 비슷할수도 있지만 더 높을수도 있다.

그러나, 보통 이산화탄소 분리대와 추출대에서의 시스템 압력은 암모니아 분리대의 시스템 압력의 두배 이상은 되지 않는다.

여러 분리대에서 유지되야 할 온도는 압력, 공급물의 조성 그리고 산물이 분리되는데 필요한 순도에 따라 달라진다. 분리대에서 정류관을 사용하는 희석공정에서는 이러한 온도들이 일반적으로 다음 도표에 나타난 한계내에 있다.

추출대에서의 온도도 압력, 지대에 공급되는 물질의 조성과 이 지대의 하부로부터 제거되는 추출수의 순도(암모니아와 이산화탄소의 양)에 따라 달라진다.

일반적으로 이러한 온도는 사용된 압력하에서 추출되는 액상물질의 비등점보다는 더 높아야 한다.

상기 발명의 공정을 압력차등식의 공정과 연결하여 사용하려면 이산화탄소 소분리대에서의 시스템 압력은 암모니아 분리대에서의 시스템 압력의 적어도 두배는 되어야 한다. 그러나 순조로이 분리되기 위해서는 이산화탄소 분리대에서의 시스템압력, 암모니아 분리대에서의 시스템 압력의 비가 1:5~1:20 사이의 범위내에 있는 것이 더욱 바람직하다. 여러 분리대에서 유지되야 할 온도는 다시 선택된 압력과 공급물의 조성, 그리고 산물이 분리되기 위해 필요한 순도에 따라 달라진다.

압력차동식의 공정을 쓸때, 분리를 돕기 위해 희석수를 이산화탄소 분리대에 공급하는 것도 또한 이점을 갖고 있다. 그런 경우 가해지는 희석액의 양은 이산화탄소와 암모니아 분리대 사이의 압력차동과 여러 공급물의 조성등 여러 요인에 따라 달라진다.

"사실상 순수"하다란 용어는 특정한 지대에서 분리되는 기체 또는 액체의 대부분이 한 성분, 즉 암모니아 또는 이산화탄소로 구성되어 있음을 의미한다.

보통 분리된 암모니아에 함유된 이산화탄소의 양은 그 무게가 500ppm보다는 적으며, 물의 무게는 7500ppm보다는 적은데, 특히 각각 100과 2000ppm보다는 크지 않다.

분리된 이산화탄소에는 함유된 암모니아의 양이 보통 500ppm보다는 적으며, 특히 100ppm보다는 적다. 이때 물의 양은 별로 중요하지 않으나 경제적으로 볼때 20,000을 넘어서는 않되며, 특히 2,000ppm(무게로)을 넘어서는 안된다.

분리해야 할 혼합물을 어떤 분리단계에 맨처음 공급해야 될지에 대한 선택은 이 혼합물의 조성에 따라서 다르게 이루어진다.

만일 암모니아에 관해 "풍부"하다면(제1도에서의 부분 Ⅰ에 해당) 그 혼합물을 암모니아 분리단계에 공급하는 것이 가장 유리하다.

반면에 암모니아에 대해 "빈약"하다면(제1도의 경계선 Ⅲ 또는 부분 Ⅱ 내에 해당), 그 혼합물을 이산화탄소 분리단계에 맨처음으로 공급하는 것이 가장 유리하다.

끝으로 분리되는 혼합물이 암모니아에 관해 "풍부"하면서 상당량의 물을 함유하고 있다면 그것을 추출단계에 맨처음으로 공급하는 것이 가장 유리하다.

암모니아와 이산화탄소지대는 상기 발명에 따라, 정류관, 증류관 그리고 세척관을 포함해서, 기체와 액체성분을 분리하는데 적당한 여러 종류의 기구장치로 구성되어 있다. 그러나 상기 발명이 개선된 공정에서는 정류관 또는 정류에 대를 갖는 분리관을 사용하는 것이 가장 바람직하다.

본 공정이 적용되는 분리공정에서 여러 분리대 사이에서의 공급물 유동과정이 약간씩 변형되었으며, 이것이 상기 발명이 더욱 의도하는 바이다.

상기 발명에 대한한 실시예가 제1도에 나와 있는데, 이 도면을 보면 암모니아와 이산화탄소 분리대가 실질적으로 같은 압력하에서 작동하는 희석공정에 이산화탄소를 가해준다. 제2도에서 암모니아 분리대에 암모니아 정류관(3)이 포함되어 있으며, 이산화탄소 분리대에는 이산화탄소 정류관(18)이 포함되어 있으며, 추출대는 추출기(10)를 포함하고 있다.

암모니아, 이산화탄소, 물의 혼합물은 도관(1)과 펌프(2)를 통해 암모니아 정류관(3)으로 공급된다. 도관(31)을 통해서 이산화탄소를 함유하는 기체가 암모니아 정류관(3)의 밑부분으로 주입된다. 관(3)의 꼭대기로부터 도관(4)을 통해 암모니아가 방출된다. 이암모니아는 냉각기(5)에서 강한 냉각을 통해 액화된다.

액화되지 않는 암모니아와 불활성기체의 혼합물이 냉각기로부터 날라간다. 이불활성기체는 부식을 적절히 감소시키기 위해 용기와 도관에 쓰이는 구조적 물질을 불활성화시키기 위해서 장치로 주입하는 공기로부터 얻어진다. 당연히, 상기 목적을 위해서는 공기 대신 산소 또는 산소발생물질을 사용할수도 있다.

상기 발명의 한 실시에에서 주입되는 공기의 양은 재료를 불화성상태로 유지시키기 위해 필요한 양보다 휠씬 초과해야 한다. 상기 실시예에서 공기가 분리효율을 증진시켜 준다. 일부 공기는 압축기(6)와 도관(7),(8)을 통해 암모니아 정류관(3)으로 공급되며, 일부는 도관(9)을 통해 추출기(10)로 공급된다.

냉각기(5)로부터 생성된 기체혼합물은 가스세정기에 보내어져서, 도관(32)을 통해 공급된 물로 암모니아가 씻겨서 제거된다. 그동안, 재순환 냉각기(13)에서는 펌프(12)를 통해 방출되는 암모니아 수용액의 일부를 냉각시키고 다시 이것을 도관(14)을 통해 가스세정기(11)로 되돌림으로써 많은 양의 흡수열이 제거된다. 도관(16)을 통해 불활성기체가 방출되어서 도관(17)을 통해 이산화탄소 정류관(18)의 하부로 공급된다. 원하기만 한다면, 상기 불활성기체는 도관(9)을 통해 완전히 또는 부분적으로 빼낼수도 있다.

냉각기(5)에서 액화된 암모니아의 일부는 도관(20)을 통해 암모니아 정류관에 다시 흘러가서 역류 사용된다. 암모니아와 이산화탄소의 수용액이 도관(21)을 통해 암모니아 정류관(3)의 밑부분으로부터 방출된다.

이 용액은 실질적으로 암모니아 정류관(3)과 같은 압력하에서 작동하는 이산화탄소 정류관(18)으로 보내진다. 많은 량의 희석수가 라인(25)을 따라서 분리관(18)으로 주입된다. 추출기(10)의 하부에 남은 산물은 펌프(22)와 도관(23)을 통해 제거된다.

이 추출수의 열분배를 더욱 고르게하기 위해 우선 이산화탄소 정류관(18)의 하부에서 상기 추출수가 함유한 열의 일부를 방출하도록 한다.

정류에 필요한 나머지 열량은 가열선(24)과 증기와 같은 것에 의해 상기 분리관의 하부에 공급된다. 비록 일부는 희석수로 쓰일수도 있지만, 도관(23)으로부터 액류가 방출된다. 더 많은 양의 세척수를 도관(26)을 통해 관(18)에 공급시켜서 이산화탄소로부터 가능한한 완전히 암모니아를 제거시킨다. 이산화탄소와 불활성 기체를 함유하면서, 거의 암모니아는 함유하지 않는 기체가 도관(27)을 통해 분리관(18)의 꼭대기로부터 날라간다.

분리관(18)의 바닥에 남은 산물, 또는 나머지 액상물질은 암모니아와 이산화탄소를 물로 희석시킨 용액인데, 이 액상을 도관(28)을 통해 추출기(10)로 흘려보낸다. 결과적으로 모든 암모니아와 이산화탄소를 추출기(10)에 있는 가열선(29)에서 증기의 힘으로 가열하여 제거시킨다. 그 결과, 생성된 추출수에는 암모니아와 이산화탄소가 없으며 이 추출수를 도관(23)을 통해 방출시킨다.

추출기(10)에서 생성된 암모니아, 이산화탄소, 물의 기체혼합물은 도관(30)을 통해 암모니아 정류관(3)으로 흘러간다.

상기 발명에 따른 위 실시예에서는 암모니아가 "풍부"한 부분의 조성을 가진 암모니아, 이산 화탄소물의 혼합물이 사용되었다. 만일 이 시작물질의 조성이 암모니아에 관해 "빈약"하다면 공급물은 이산화탄소 정류관(18)으로 맨처음 주입될 것이다. 상기 발명의 또 다른 참조할만한 실시예는 제3도에 나타나 있는데, 여기서 암모니아 정류때보다 더 높은 압력하에서 이산화탄소 정류가 이루어진다. 상기 도면은 실질적으로는 제2도와 같으며, 참조된 그림들은 같은 의미를 갖고 있다. 그 차이는 압축기(A)와 펌프(B)가 각각 도관(17)과 도관(21)에 장치되어서 각기 기체와 액체가 흐르는 압력을 높여준다는 사실에 있다.

또한 도관(30)은 추출기(10)로부터 기체혼합물의 일부 압력을 감소시키는 감소밸브(C)를 함유하고 있다. 여기서는 추출관(10)이 이산화탄소 정류때와 같은 시스템 압력에서 작동한다.

또한 도관(18)은 공급된 공기의 일부 압력을 낮추는데 쓰이는 감소 밸브(D)를 함유한다.

압력차동공정을 쓰는 상기 발명의 세번째 실시예도 제3도에서 설명된 장치에서 이루어질 수 있다. 그 경우에는 이산화탄소분리가 일어나는 압력이 암모니아분리가 이루어지는 압력의 적어도 2배는 되야하며, 5배정도가 되면 더욱 좋다. 이 경우"희석"식 공정에서와는 달리 이산화탄소 분리대에 희석수를 전혀 가할 필요가 없다.

상기 발명은 다음 예들에 의해 더욱 자세히 묘사되는데, 이 예들은 단지 설명을 위한 것이며, 상기 발명이 이 예들에 의해 제한을 받지는 않는다.

[실시예 1]

제3도와 같은 구조를 가진 장치에서 암모니아, 이산화탄소 그리고 물의 혼합체로부터 실질적으로 순수한 암모니아와 이산화탄소가 분리되었다.

제3도를 참고로 하며, 여기서 나오는 퍼센트는 무게에 대한 퍼센트이다. 언급한 압력은 암모니아/이산화탄소/물의 시스템 압력에 대한 것이다. 실제압력은 불활성 기체 때문에 좀더 높아질수도 있다. 1800KPa의 압력하에서 암모니아 32.8%, 이산화탄소 18.3% 그리고 물 48.9%의 조성으로 된 암모니아와 이산화탄소 수용액 56,489kg/h를 암모니아 정류관(3)에 가한다.

압축기(6)를 통해 635kg/h의 공기가 가해지는데, 그중 248kg/h는 암모니아 정류관(3)에 가해지고 나머지 387kg/h는 추출기(10)에 가해진다.

라인(31)을 통해 2000kg/h의 이산화탄소가 암모니아 정류관(3)에 주입된다. 암모니아 58.2%, 이산화탄소 14.1%, 물 27.7% 불활성기 체 1.5%로 구성된 기체혼합물 27,026kg/h도 밸브(C)를 통해 추출기(10)로부터 팽창되어서 암모니아 정류관(3)으로 스며든다.

암모니아 98%, 물 0.3%와 불활성기체 1.7%를 함유하는 38,180kg/h의 기체혼합물이 상기관(3)의 꼭대기로부터 방출된다. 이 기체혼합물의 일부는 냉각기(5)에서 냉각액화되는데 그것으로부터 액체암모니아 17,824kg/h가 역류되어 정류관(3)에 다시 되돌려지고, 액체암모니아 18,528kg/h는 방출된다.

74.2%의 암모니아와 25.8%의 불활성 기체를 함유하는 2,464kg/h의 기체혼합물이 냉각기(5)로부터 날라간다. 이 혼합물은 2200kg/h의 물로써, 가스세정기(11)에서 세척된다. 재순환 냉각기(13)를 통해서 가스세정기(11)로부터 열이 제거된다. 45.4%의 암모니아와 54.6%의 물을 함유하는 용액이 한시간에 4,029kg씩, 암모니아 정류관으로 보내진다. 635kg/h의 불활성 기체가 도관(16)과 도관(17), 그리고 압축기(A)를 통과하여서 이산화탄소 정류관(18)에 보내어진다.

암모니아가 22.7%, 이산화탄소가 23.4%, 물 53.9%가 함유된 액체69,180kg/h가 도관(21)과 펌프(B)를 통해 암모니아-정류관(3)의 하부로부터 이산화탄소 정류관(18)으로 보내어진다.

도관(25)과, 도관(26)을 통해 관(18)에 34,079kg/h의 물이 공급된다. 12,337kg/h의 기체혼합물이 이산화탄소 정류관(18)의 꼭대기로부터 날라가는데, 그 기체 혼합물은 특히 93.2%의 이산화탄소를 포함하며, 100ppm보다 적은 량의 암모니아를 포함하고 있다.

78.5%의 물, 17.3%의 암모니아와 4.2%의 이산화탄소로된 용액 90,913kg/h를 관(18)의 하부로부터 추출기(10)로 통과시킨다. 이 액의 조성은 이산화탄소가 풍부한 경계선 쪽에 있다. 추출기에서 증기에 의해 이용액중의 암모니아와 이산화탄소가 제거된다. 총 63,892kg/h의 액체가 추출기로부터 방출되며, 그 액체는 암모니아와 이산화탄소의 흡수를 위해 쓰이거나, 일부는 이산화탄소 분리대에서의 희석수로 쓰인다.

[실시예 2]

암모니아, 이산화탄소, 물의 혼합체로부터 사실상 순수한 암모니아와 이산화탄소가 제3도의 구조를 가진 장치를 통해 분리되었는데, 여기서는 공기 뿐만 아니라 이산화탄소도 암모니아 정류관에 주입되었다. 참고 도면으로는 제3도와 관계가 있으며, 퍼센트는 무게에 대한 퍼센트이다.

1800KPa의 압력하에서 조성이 암모니아가 33.4%, 이산화탄소가 18.2%, 그리고 물이 48.4%로 이루어진 암모니아와 이산화탄소 수용액 51,972kg/h을 암모니아 정류관(3)에 가한다. 2387kg/h의 공기가 압축기를 통해 공정에 주입되는데 그중 2,000kg/h는 암모니아 정류관(3)에 공급되고, 387kg/h는 추출기(10)에 공급된다.

라인(31)을 경유하여 2000kg/h의 이산화탄소를 암모니아 정류관(3)에 주입시킨다.

암모니아가 57.7%, 이산화탄소가 16.0%, 수분이 26.3%, 그리고 불활성기체 1.5%로 구성된 기체혼합물 22,928kg/h가 추출기(10)로부터 밸브(C)를 통해 팽창되어서 암모니아 정류관(3)으로 주입된다.

암모니아 98.0%, 수분 0.3%, 불활성기체 1.7%를 함유한 기체혼합물 32,415kg/h이 이관의 꼭대기로부터 방출된다.

이 기체혼합물 중 일부는 냉각기(5)에서 냉각액화되어서, 그곳으로부터 15,057kg/h의 액체암모니아는 역류 방식을 통해 관(3)으로 다시 보내어지고, 17,358kg/h의 액체암모니아는 방출된다.

74.2%의 암모니아와 25.8%의 불활성기체로 된 나머지 액화되지 않은 기체혼합물 9,252kg/h는 냉각기(5)로부터 새어 나간다. 이 나머지 혼합체는 재순환 농축기(13)를 통해 가스세정기(11)에서 세척된다.

한시간당, 82.0%의 암모니아와 18.0%의 물로된 용액 3,829kg이 암모니아 정류관에 다시 보내진다.

불활성기체 635kg/h는 도관(7)과 압축기(A)를 통해 이산화탄소 정류관(18)으로 간다.

22.3%의 암모니아, 24.6%의 이산화탄소 그리고 53.1%의 수분으로된 나머지 액상 62,042kg/h는 암모니아 정류관(3)의 밑바닥으로부터 도관(21)과 펌프(13)를 통해 이산화탄소 정류관(18)으로 통과해 간다.

또한 도관(25)과 도관(26)을 통해 관(18)에 20,486kg/h의 물을 공급해 준다.

11,482kg/h의 기체혼합물이 이산화탄소 정류관(18)의 꼭대기로부터 날라가고, 그 기체혼합물은 특히 93.2%의 이산화탄소를 함유하여 100ppm보다 적은 암모니아를 함유한다.

77.9%의 물, 17.3%의 암모니아와 4.8%의 이산화탄소로된 용액 79,817kg/h는 관(18)의 밑바닥으로부터 추출기(10)로 보내어진다. 이 액체의 조성은 이산화탄소에 대해 "풍부"한 경계선쪽에 있다. 추출기로부터 총 55,889kg/h의 액체가 방출되며, 그 액체는 암모니아와 이산화탄소의 흡수에 쓰일 수 있거나, 일부는 이산화탄소 분리대에서 희석수로 쓰일 수 있다.

이 추출기에서 결국 증기에 의해 용액속의 암모니아와 이산화탄소가 제거된다.

[실시예 3]

제3도에 나타난 공정을 사용함으로써 사실상 순수한 암모니아와 이산화탄소가 분리되었는데, 거기서는 이산화탄소 관에 물을 가하여서는 조성이 경계선을 넘어설수는 없었으나, 암모니아 분리대와 이산화탄소 분리대간의 압력차동에 의해서는 가능하였다.

그래서 암모니아 관을 100과 500KPa사이의 압력하에서 작동시켰으며, 이산화탄소관은 1500과 3000KPa사이의 압력하에서 작동시켰다.

위 예들과 비슷한 결과들이 이와같은 방법으로 얻어질 수 있었다.

[실시예 4, 5및 비교실시예 6]

실시예 4와 실시예 5가 실시예 1및 실시예 2와 실질성 같게 이루어졌으며, 필요한 에너지량이 측정되었다.

이 에너지의 량은 불활성상태로 유지하기 위해서 필요한 양만큼의 공기만 이산화탄소관에 가해지고, 이산화탄소는 가해지지 않은 공정(실시예 6)의 경우와 비교되었다.

실시예 6의 에너지 소비를 100%라 한다면, 그 결과는 다음과 같다.

상기한 바와같은 본 발명을 요약하면 다음과 같다.

암모니아, 이산화탄소, 그리고 물을 함유한 혼합물로부터 사실상 순수한 암모니아와 이산화탄소를 분리하는 공정이 나타나 있다. 이 공정에서 암모니아는 암모니아 분리대에서 정류되며, 나머지 액상물질은 이산화탄소 분리대로 공급되어서, 이산화탄소 가스가 정류되며, 그 결과 생성되는 액상물질은 상기 지대의 밑부분으로부터 추출대로 공급되어서, 그곳에서 아직 이 액상에 남아있는 사실상 모든 암모니아와 이산화탄소가 기체혼합물로서 분리된다.

분리효율을 증진시키고 암모니아 분리대로 보내지는 공급물의 조성 변동에 따라서 공정이 영향을 덜받게 하기 위해서, 상기 공정의 특징은 많은 량의 기체이산화탄소 또는 많은 량의 이산화탄소를 함유한 가스혼합체를 암모니아 분리대의 밑부분으로 공급하기 때문에 암모니아 분리대의 밑부분에서 방출된 액상의 조성이 암모니아에 대해 "풍부"한 경계선쪽에 있지 않다는데 있다.

또한 되도록 많은량의 분활성기체가 이산화탄소와 함께 주입되었다.

Claims (1)

1. 암모니아는 암모니아분리구역에서 정류되며, 잔존 액상물질은 이산화탄소 분리구역으로 공급되어서 이산화탄소 가스가 정류되고, 나머지 액상물질은 이 구역의 저부로부터 추출구역으로 공급되어 그곳에서 이액상물질에 아직 남아있는 모든 암모니아와 이산화탄소가 가스 혼합물로 분리되는데, 많은 양의 이산화탄소 가스 또는 이산화탄소를 포함한 가스 혼합물이 암모니아 분리구역의 저부로부터 공급되므로 암모니아 분리대의 저부에서 방출된 액상물질의 혼합물이 암모니아가 풍부한 경계선쪽에 있지 않는 것이 특징인 암모니아. 이산화탄소 및 물의 혼합물로부터 암모니아와 이산화탄소를 분리하는 방법.

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