WO2017007053A1

WO2017007053A1 - 에탄올 탈수 시스템

Info

Publication number: WO2017007053A1
Application number: PCT/KR2015/007179
Authority: WO
Inventors: 노영석; 장석준; 육종묵; 전종필; 정재칠; 전오성; 이효현; 장성민; 김택우; 김동현
Original assignee: (주) 파인텍
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2017-01-12
Also published as: KR101700220B1; KR20170007571A

Abstract

본 발명은 에탄올 탈수 시스템에 관한 것으로서, 에탄올에서 물을 분리하여 보다 고순도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하는 과정에서 다른 성질의 분리막이 아닌 단일 종류의 분리막을 사용하여 보다 고순도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하기 위하여 개발된 것으로; 에탄올을 선택적으로 물을 투과시키는 제올라이트 분리막을 통하여 물을 분리하여 고순도의 에탄올을 얻도록 하는 에탄올 탈수 시스템에 있어서; 내부에 에탄올이 저장되어 있는 에탄올 공급탱크에서 제1 펌프에 의하여 에탄올이 공급되면 복수 개의 경로로 분기하여 공급되도록 하되 각각의 분기된 경로에 제1 밸브를 구비하는 에탄올 공급관로와; 내부에는 알루미나계 원료, 실리카계 원료 및 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)을 물에 녹인 수용액에 수산화알칼리금속 수용액 및 수산화알칼리토금속 수용액 중 하나 이상을 첨가하고, 혼합하고 숙성하여 수열용액(Hydrothermal Solution)이 되면 수열합성기에 넣고 상기 수열용액 내에 분리막 성장을 위한 다공성 지지체를 담지시키고 수열처리하여 이온교환된 제올라이트 분리층이 상기 지지체의 표면에 형성되도록 하여 원통형으로 제조되는 복수 개의 LTA 제올라이트 분리막 튜브가 여러 묶음으로 내장되고, LTA 제올라이트 분리막 튜브의 내부 진공압을 측정할 수 있는 압력계를 형성하며, 일측으로는 에탄올 공급관로의 분기된 일 끝단이 연결되는 복수 개의 분리막 모듈과; 상기 분리막 모듈의 얍력계의 반대 방향의 LTA 제올라이트 분리막 튜브 내부와 연결되어 연장된 후 각각의 분리막 모듈과 연결된 경로가 합쳐져 연결되는 물 배출관로와; 상기 분리막 모듈의 에탄올 공급관로와 연결된 타측에 끝단이 연결되고 제2 밸브를 거쳐 각각의 분리막 모듈과 연결된 경로가 합쳐진 후 제3 밸브를 거쳐 에탄올 저장탱크와 연결되는 에탄올 수거관로를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 에탄올 탈수 시스템에 관한 것이다.

Description

에탄올 탈수 시스템

본 발명은 에탄올 탈수 시스템에 관한 것으로서, 좀더 상세하게 설명하면 에탄올에서 물을 분리하여 보다 고순도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하는 과정에서 다른 성질의 분리막이 아닌 단일 종류의 분리막을 사용하여 보다 고순도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하기 위하여 개발된 에탄올 탈수 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 에탄올은 각종 식물을 이용하여 먼저 당을 추출하고 이를 발효과정을 거치면 생산되는 것으로 최초 생산된 에탄올의 농도는 보통 25% 내외이며 이후 가열과정에 의하여 증류를 하면 95~96%의 농도를 가진 에탄올을 생산할 수 있다.

하지만 산업 현장에서는 보다 고순도의 에탄올을 필요로 하는 경우가 많으며 고순도의 에탄올을 얻기 위한 한 방법으로 막분리법은 물은 투과하나 에탄올은 투과하지 못하는 막을 이용하여 탈수 즉 물을 분리하여 고순도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하는 방법이다.

이에 대한민국특허등록 제10-1282237-0000호 (2013년06월28일) "NaA 제올라이트 분리막을 이용한 물/에탄올 분리 방법"에서는 선택도가 높고 플럭스가 낮은 1단계 모듈에 의하여 95 ~ 97%의 농도를 가지도록 탈수하고 그 다음에는 선택도가 낮고 플럭스가 높은 2단계 모듈에 의하여 97 ~ 100%의 농도를 가지도록 탈수하는 다른 성질의 분리막 모듈을 각각 통과하도록 하여 물과 에탄올을 분리하는 발명을 제안하였다.

하지만 서로 다른 성질의 분리막을 준비하는데 불편함이 있으며 유입되는 에탄올의 양과 압력에 따라 탈수 효과에서 큰 차이를 가져오기 때문에 용량을 늘이기 위하여 증설이 필요하지만 이 경우에도 두 가지의 분리막을 이용하여 설치해야하므로 불편함이 있는 것이다.

또한, NaA 제올라이트 분리막의 경우 Na 이온을 Ca 이온으로 치환할 경우 마이크로기공 직경이 4Å에서 5Å으로 증가되어 분리 효율이 순간적으로 떨어진다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 그 목적은 선택도와 투과도가 높은 LTA 제올라이트 분리막을 사용하여 처리 용량이 유동적으로 변해도 고순도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하는 에탄올 탈수 시스템을 개발하는 것에 있다.

또한, 에탄올의 농도가 목표 농도에 미치지 못할 경우 이를 재처리하여 일정한 농도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하는 에탄올 탈수 시스템을 개발하는 것에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 에탄올을 선택적으로 물을 투과시키는 제올라이트 분리막을 통하여 물을 분리하여 고순도의 에탄올을 얻도록 하는 에탄올 탈수 시스템에 있어서;

내부에 에탄올이 저장되어 있는 에탄올 공급탱크에서 제1 펌프에 의하여 에탄올이 공급되면 복수 개의 경로로 분기하여 공급되도록 하되 각각의 분기된 경로에 제1 밸브를 구비하는 에탄올 공급관로와;

내부에는 알루미나계 원료, 실리카계 원료 및 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)을 물에 녹인 수용액에 수산화알칼리금속 수용액 및 수산화알칼리토금속 수용액 중 하나 이상을 첨가하고, 혼합하고 숙성하여 수열용액(Hydrothermal Solution)이 되면 수열합성기에 넣고 상기 수열용액 내에 분리막 성장을 위한 다공성 지지체를 담지시키고 수열처리하여 이온교환된 제올라이트 분리층이 상기 지지체의 표면에 형성되도록 하여 원통형으로 제조되는 복수 개의 LTA 제올라이트 분리막 튜브가 여러 묶음으로 내장되고, LTA 제올라이트 분리막 튜브의 내부 진공압을 측정할 수 있는 압력계를 형성하며, 일측으로는 에탄올 공급관로의 분기된 일 끝단이 연결되는 복수 개의 분리막 모듈과;

상기 분리막 모듈의 얍력계의 반대 방향의 LTA 제올라이트 분리막 튜브 내부와 연결되어 연장된 후 각각의 분리막 모듈과 연결된 경로가 합쳐져 연결되는 물 배출관로와;

상기 분리막 모듈의 에탄올 공급관로와 연결된 타측에 끝단이 연결되고 제2 밸브를 거쳐 각각의 분리막 모듈과 연결된 경로가 합쳐진 후 제3 밸브를 거쳐 에탄올 저장탱크와 연결되는 에탄올 수거관로를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.

아울러, 상기 에탄올 수거관로의 제3 밸브를 통과하기 전에 분기되어 제4 밸브와 에탄올의 농도를 계측하는 계측기와 제5 밸브를 거친 후 에탄올 공급탱크와 연결되며, 제4 밸브를 통과하기 전에 분기되어 제6 밸브를 거친 후 제5 밸브를 통과한 경로로 연결되는 바이패스관로와, 제5 밸브를 거친 후 분기되어 제7 밸브를 거쳐 에탄올 공급관로가 분기되기 전에 연결되는 비상 드레인관로를 구비하는 에탄올 재처리관로를 추가로 구비함을 특징으로 한다.

또한, 상기 물 배출관로를 통과한 물은 물을 냉각시키는 열교환기를 거쳐 물탱크로 연결되며, 물탱크의 내부 공기를 흡입하여 진공압을 형성하는 제2 펌프를 구비하는 물 수거관로를 추가로 구비함을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 선택도와 투과도가 높은 복수 개의 LTA 제올라이트 분리막을 모듈로 형성하여 물과 사용하도록 하여 다른 성질의 분리막 모듈이 필요 없으며 안정되게 에탄올과 물을 분리할 수 있는 효과가 있다.

또한, 분리막 모듈을 거친 에탄올이 에탄올 저장탱크로 가기 전에 에탄올의 농도를 측정하여 목표치가 아니면 다시 재처리할 수 있도록 하여 고순도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개념도

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 분리막 모듈의 배치 예를 나타낸 개념도

도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 분리막 모듈의 구조를 나타낸 개념도

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 개념도

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 개념도

이에 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 개념도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 분리막 모듈의 배치 예를 나타낸 개념도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 분리막 모듈의 구조를 나타낸 개념도로서, 에탄올을 선택적으로 물을 투과시키는 제올라이트 분리막을 통하여 물을 분리하여 고순도의 에탄올을 얻도록 하는 에탄올 탈수 시스템에 있어서;

내부에 에탄올이 저장되어 있는 에탄올 공급탱크(11)에서 제1 펌프(12)에 의하여 에탄올이 공급되면 복수 개의 경로로 분기하여 공급되도록 하되 각각의 분기된 경로에 제1 밸브(13)를 구비하는 에탄올 공급관로(1)와;

내부에는 알루미나계 원료, 실리카계 원료 및 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)을 물에 녹인 수용액에 수산화알칼리금속 수용액 및 수산화알칼리토금속 수용액 중 하나 이상을 첨가하고, 혼합하고 숙성하여 수열용액(Hydrothermal Solution)이 되면 수열합성기에 넣고 상기 수열용액 내에 분리막 성장을 위한 다공성 지지체(21)를 담지시키고 수열처리하여 이온교환된 제올라이트 분리층(22)이 상기 지지체의 표면에 형성되도록 하여 원통형으로 제조되는 복수 개의 LTA 제올라이트 분리막 튜브가 여러 묶음으로 내장되고, LTA 제올라이트 분리막 튜브의 내부 진공압을 측정할 수 있는 압력계(23)를 형성하며, 일측으로는 에탄올 공급관로(1)의 분기된 일 끝단이 연결되는 복수 개의 분리막 모듈(2)을 구비한다.

상기 분리막 모듈(2)의 LTA 제올라이트 분리막 튜브에 진공압 즉 빨아들이는 힘이 작용하면 입자가 작은 물은 LTA 제올라이트 분리막 튜브의 내부로 들어가고 에탄올은 진입하지 못하는 상태로 과정에 따라 에탄올의 농도가 높아지게 되는 원리를 가진다.

이때 LTA 제올라이트 분리막 튜브는 대한민국특허등록 제10-1128358-0000호 (2012년03월13일) "LTA 제올라이트 분리막 및 그 제조방법"에서 제시한 방법에 의하여 제조되는 것이다.

또한 이렇게 복수 개의 분리막 모듈(2)을 형성하면 처리 용량을 늘이거나 처리 시간을 줄이기 위한 시설의 증설이 비교적 용이하며, 필요에 따라 일부 분리막 모듈(2)은 가동하고 가동하지 않는 분리막 모듈(2)은 보수작업을 진행할 수 있어 지속적인 작동이 가능하게 된다.

이렇게 복수 개의 분리막 모듈(2)에 의하여 물이 분리되면 상기 분리막 모듈(2)의 얍력계(23)의 반대 방향의 LTA 제올라이트 분리막 튜브 내부와 연결되어 연장된 후 각각의 분리막 모듈(2)과 연결된 경로가 합쳐져 연결되는 물 배출관로(3)를 통하여 물은 배출되며;

상기 분리막 모듈(2)의 에탄올 공급관로(1)와 연결된 타측에 끝단이 연결되고 제2 밸브(41)를 거쳐 각각의 분리막 모듈(2)과 연결된 경로가 합쳐진 후 제3 밸브(42)를 거쳐 에탄올 저장탱크(43)와 연결되는 에탄올 수거관로(4)를 통하여 에탄올이 수거되는 것이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 개념도로서, 상기 에탄올 수거관로(4)의 제3 밸브(42)를 통과하기 전에 분기되어 제4 밸브(51)와 에탄올의 농도를 계측하는 계측기(52)와 제5 밸브(53)를 거친 후 에탄올 공급탱크(11)와 연결되며, 제4 밸브(51)를 통과하기 전에 분기되어 제6 밸브(54)를 거친 후 제5 밸브(53)를 통과한 경로로 연결되는 바이패스관로(55)와, 제5 밸브(53)를 거친 후 분기되어 제7 밸브(56)를 거쳐 에탄올 공급관로(1)가 분기되기 전에 연결되는 비상 드레인관로(57)를 구비하는 에탄올 재처리관로(5)를 추가로 구비함을 특징으로 하는 실시 예를 나타내었다.

상기 실시 예는 에탄올의 농도가 원하는 농도에 도달하지 못했을 경우 이를 회수하여 다시 분리막 모듈(2)을 거치도록 하여 원하는 농도의 에탄올을 얻을 수 있도록 하는 실시 예이며, 상기 실시 예에 의하여 일정한 고순도의 에탄올을 얻을 수 있는 효과가 있는 것이다.

또한 에탄올 저장탱크(43)에 이상이 발생하거나 가득 찼을 때 비상 드레인관로(57)를 통하여 순환할 수 있도록 하여 비상 상황에 대처할 수 있도록 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 개념도로서, 상기 물 배출관로(3)를 통과한 물은 물을 냉각시키는 열교환기(61)를 거쳐 물탱크(62)로 연결되며, 물탱크(62)의 내부 공기를 흡입하여 진공압을 형성하는 제2 펌프(63)를 구비하는 물 수거관로(6)를 추가로 구비함을 특징으로 하는 실시 예를 제시하였다.

상기 실시 예는 배출되는 물을 60 ~ 100도의 비교적 뜨거운 상태이므로 열교환기를 통하여 이를 냉각시킨 후 물탱크(62)로 보낼 수 있도록 하고, 제2 펌프(63)는 진공압을 형성하여 물을 빨아들이도록 하여 분리막 모듈(2)의 효율을 높이고 원활한 물의 배출이 이루어지도록 하는 것이다.

[부호의 설명]

1 : 에탄올 공급관로

11 : 에탄올 공급탱크 12 : 제1 펌프

13 : 제1 밸브

2 : 분리막 모듈

21 : 다공성 지지체 22 : 제올라이크 분리층

23 : 압력계

3 : 물 배출관로

4 : 에탄올 수거관로

41 : 제2 밸브 42 : 제3 밸브

43 : 에탄올 저장탱크

5 : 에탄올 재처리관로

51 : 제4 밸브 52 : 계측기

53 : 제5 밸브 54 : 제6 밸브

55 : 바이패스관로 56 : 제7 밸브

57 : 비상 드레인관로

6 : 물 수거관로

61 : 열교환기 62 : 물탱크

63 : 제2 펌프

Claims

에탄올을 선택적으로 물을 투과시키는 제올라이트 분리막을 통하여 물을 분리하여 고순도의 에탄올을 얻도록 하는 에탄올 탈수 시스템에 있어서;

내부에 에탄올이 저장되어 있는 에탄올 공급탱크(11)에서 제1 펌프(12)에 의하여 에탄올이 공급되면 복수 개의 경로로 분기하여 공급되도록 하되 각각의 분기된 경로에 제1 밸브(13)를 구비하는 에탄올 공급관로(1)와;

내부에는 알루미나계 원료, 실리카계 원료 및 수산화나트륨(Sodium Hydroxide)을 물에 녹인 수용액에 수산화알칼리금속 수용액 및 수산화알칼리토금속 수용액 중 하나 이상을 첨가하고, 혼합하고 숙성하여 수열용액(Hydrothermal Solution)이 되면 수열합성기에 넣고 상기 수열용액 내에 분리막 성장을 위한 다공성 지지체(21)를 담지시키고 수열처리하여 이온교환된 제올라이트 분리층(22)이 상기 지지체의 표면에 형성되도록 하여 원통형으로 제조되는 복수 개의 LTA 제올라이트 분리막 튜브가 여러 묶음으로 내장되고, LTA 제올라이트 분리막 튜브의 내부 진공압을 측정할 수 있는 압력계(23)를 형성하며, 일측으로는 에탄올 공급관로(1)의 분기된 일 끝단이 연결되는 복수 개의 분리막 모듈(2)과;

상기 분리막 모듈(2)의 얍력계(23)의 반대 방향의 LTA 제올라이트 분리막 튜브 내부와 연결되어 연장된 후 각각의 분리막 모듈(2)과 연결된 경로가 합쳐져 연결되는 물 배출관로(3)와;

상기 분리막 모듈(2)의 에탄올 공급관로(1)와 연결된 타측에 끝단이 연결되고 제2 밸브(41)를 거쳐 각각의 분리막 모듈(2)과 연결된 경로가 합쳐진 후 제3 밸브(42)를 거쳐 에탄올 저장탱크(43)와 연결되는 에탄올 수거관로(4)를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 에탄올 탈수 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 에탄올 수거관로(4)의 제3 밸브(42)를 통과하기 전에 분기되어 제4 밸브(51)와 에탄올의 농도를 계측하는 계측기(52)와 제5 밸브(53)를 거친 후 에탄올 공급탱크(11)와 연결되며, 제4 밸브(51)를 통과하기 전에 분기되어 제6 밸브(54)를 거친 후 제5 밸브(53)를 통과한 경로로 연결되는 바이패스관로(55)와, 제5 밸브(53)를 거친 후 분기되어 제7 밸브(56)를 거쳐 에탄올 공급관로(1)가 분기되기 전에 연결되는 비상 드레인관로(57)를 구비하는 에탄올 재처리관로(5)를 추가로 구비함을 특징으로 하는 에탄올 탈수 시스템.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 물 배출관로(3)를 통과한 물은 물을 냉각 시키는 열교환기(61)를 거쳐 물탱크(62)로 연결되며, 물탱크(62)의 내부 공기를 흡입하여 진공압을 형성하는 제2 펌프(63)를 구비하는 물 수거관로(6)를 추가로 구비함을 특징으로 하는 에탄올 탈수 시스템.