KR20040063146A - 멜라민 제조 설비로부터의 배기 가스를 정제하는 방법 - Google Patents

멜라민 제조 설비로부터의 배기 가스를 정제하는 방법 Download PDF

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부카하르트무트
노이뮐러크리스토프
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아엠이-아그로린츠 멜라민 인터내셔날 게엠베하
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Abstract

본 발명은 멜라민 중간체를 형성하면서, 고압 멜라민 제조 설비로부터의 배기 가스를 정제하는 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따르면, 제1 단계에서 멜라민 중간체와 NH3를 함유하는 순환되는 요소 용융체와 배기 가스를 접촉시키고, 제2 단계에서 요소의 신규 용융체와 배기 가스를 접촉시킨다.

Description

멜라민 제조 설비로부터의 배기 가스를 정제하는 방법{METHOD FOR PURIFYING OFF-GASES FROM A MELAMINE-PRODUCING INSTALLATION}
멜라민 제조를 위한 고압 공정에서, 일반적으로 요소 및 암모니아는 약 320℃ 내지 450℃의 온도 및 약 50바 내지 600바의 압력에서 반응하여 액체 멜라민, 및 주로 암모니아, 이산화탄소, 소량의 기체상 멜라민과 기타 미량 성분으로 이루어지는 배기 가스를 형성한다. 멜라민 용융체가 배기 가스로부터 분리된 후, 상기 멜라민 용융체는 순수한 멜라민을 제조하기 위해 여러 가지 공정으로 처리되는 한편, 배기 가스는 요소 플랜트로 재순환되는 것이 바람직하다. 그러나, 요소 플랜트로 재순환되기 전에 배기 가스로부터 멜라민 함량 및 기타 미량 성분이 제거되어야 한다. 그것은 이들 성분이 요소 플랜트에서 불필요하기 때문이다.
미국특허 제3,700,672호에 따르면, 135℃ 내지 250℃의 온도 및 멜라민 반응기의 합성 압력에 가까운 압력, 즉 50바 내지 200바의 압력 하에 배기 가스를 신규 요소와 1-스테이지 공정으로 접촉시키며, 이 공정에서 배기 가스에 존재하는 멜라민과 기타 미량 성분을 제거한다. 배기 가스에 잇는 멜라민과 미량 성분은 신규 요소 용융체 중에 흡수됨으로써 배기 가스로부터 회수되며, 이어서 멜라민 반응기로 재순환된다. 그 결과, 멜라민 합성 반응기에서의 멜라민 수율이 증가될 수 있다. 미국특허 제3,700,672호에 따른 공정에서, 배기 가스 스크러빙을 위한 최고 작업 온도는 250℃이다. 미국특허 제3,700,672호에서 이러한 온도 상한치가 요구되는 이유는, 250℃보다 높은 온도에서는 요소를 멜라민 합성 반응기로 재순환하는 데 방해되는 고체상 부산물이 형성될 뿐 아니라 배기 가스 내에 불필요한 기체상 부산물이 형성되기 때문이다.
상기 공정의 단점은 배기 가스와 요소 용융체의 1단게 접촉의 결과로서, 스크러버 헤드의 배기 가스의 배출 온도뿐 아니라 스크러버 탑저 상(bottom phase) 중의 멜라민 및 기타 배기 가스 미량 성분이 농축된 요소 용융체의 배출 온도가 강제적으로 거의 동일한 온도가 된다는 점이다. 따라서, 배기 가스 스크러버에서 요구되는 낮은 작업 온도를 유지하기 위해서는 고온의 배기 가스와 함께 스크러버에 들어 오는 대부분의 열을 냉각기를 통해 폐열로서 제거할 필요가 있다. 이 폐열은 수증기의 형성에 이용될 수 있지만, 멜라민 합성 공정의 에너지 밸런스 면에서, 최고 250℃의 온도로 스크러버를 빠져 나가는 요소 용융체는 멜라민 반응기에서 약 380℃의 합성 온도로 재가열되어야 하기 때문에, 에너지 손실을 의미한다. 이것은 스크러버에서의 에너지 손실이 합성 반응기에서 가열 에너지의 공급에 의해 보상되어야 함을 의미한다.
스크러버 탑저 상의 낮은 작업 온도가 갖는 또 다른 단점은 부산물이 형성되는 점이다. 이들 부산물은 배기 가스의 암모니아와 이산화탄소로부터 스크러버 내에서 발열하면서, 즉 열을 방출하면서 카바메이트 및 물 등을 형성하는 물질들이다. 이들 물질을 형성한 결과, 저온 레벨에 있는 스크러버에 열을 발생하며, 이 열은 폐열로서 제거되어야 한다. 이러한 부산물은 추후에 열 에너지의 공급에 의해 고온으로 멜라민 반응기에서 출발 물질인 암모니아와 이산화탄소로 분해되어야 한다. 합성 반응기로부터 스크러버로의 화학 에너지 형태로 전달되는 이러한 에너지는 커다란 손실이다.
따라서 최적의 배기 가스 스크러버에 대한 요구 조건은 여러 가지이다: 첫째, 멜라민 반응기에서 나오는 배기 가스는 가능한 한 완벽하게 멜라민 및 기타 미량 성분이 없어야 하고, 둘째, 배기 가스 열을 보다 잘 활용함으로써 멜라민 합성 공정의 에너지 효율을 향상시켜야 한다.
이러한 점에서 제시되는 본 발명의 목적은 이러한 요구 조건을 고려한 방법을 발견하는 것이다.
본 발명은 고압 멜라민 플랜트로부터의 배기 가스를 정제하는 2-스테이지 공정에 관한 것으로서, 제1 스테이지에는 멜라민 전구체 및 NH3를 함유한 순환 요소 용융체(urea melt)가 수용되고 제2 스테이지에는 신규(fresh) 요소 용융체가 수용된다.
도 1은 본 발명에 따른 2-스테이지 배기 가스 스크러버(A)의 예시도이다.
도 2는 배기 가스 분배기(Ae)의 단면도이다.
도 3은 오염물질을 함유한 가스의 정제에 사용되는 가스 스크러버의 도표식 섹션을 나타내는 도면이다.
도 4는 가스 분배기의 단면도이다.
요소 플랜트에 재순환시키기 전에 배기 가스를 효율적으로 정제할 수 있을 뿐 아니라, 배기 가스의 열 에너지를 스크러버 내 멜라민 전구체의 화학적 에너지로 전환시킴으로써 멜라민 공정의 에너지 효율을 증가시킬 수 있다는 사실을 이용하여 상기 목적의 공정을 개발할 수 있었다.
따라서, 본 발명은 멜라민 전구체를 형성하면서 고압 멜라민 플랜트로부터의 배기 가스를 정제하는 방법으로서, 제1 스테이지에서 상기 배기 가스를 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체와 접촉시키는 단계, 및 신규 요소 용융체와 접촉시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법에 관한 것이다.
본 발명의 배기 가스 정제 방법은 아래에 설명하는 바와 같이 많은 이점을 제공한다:
멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체를 갖는 상대적으로 고온인 제1 스테이지, 및 신규 요소 용융체를 갖는 상대적으로 저온인 제2 스테이지에서의 에서의 배기 가스 정제 공정은 일정한 온도에서의 1-스테이지 접촉 공정에 비해 배기 가스에 존재하는 미량 성분의 분리 정도를 향상함으로써, 1-스테이지 스크러버와 비교할 때, 동일한 작업 조건 하에서 상기 2-스테이지 배기 가스의 상부에서 더 순수한 배기 가스를 얻을 수 있다. 또한, 제1 스테이지에서 제2 스테이지로의 배기 가스가 전이되는 시점과 같은 빠른 시점에, 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체를 갖는 제1 스테이지에서 이루어지는 예비 스크러빙(prescrubbing)에 의해 스크러버 상부에서의 정밀한 분리를 위한, 예를 들면 시브 트레이 또는 밸브 트레이와 같은 고효율의 스크러빙 부재를, 이들 부재에 대한 막힘(plugging) 또는 차폐(blockage)를 일으키지 않고 이용할 수 있는 수준까지 배기 가스의 고형분 함량이 감소되며, 그 결과 배기 가스 정제의 효율이 향상된다.
또한, 본 발명의 배기 가스 정제 방법을 이용하여 스크러버 탑저를 다른 온도, 즉 스크러버 탑정보다 더 높은 온도에서 가동할 수 있다. 그 결과, 스크러버 탑저의 요소는 배기 가스 유출 온도 및 요소 유출 온도가 거의 동일하여야 하는 1-스테이지 공정에 비해 집중적으로 예열될 수 있으며, 이것은 멜라민 합성 반응기/배기 가스 스크러버 시스템의 에너지 밸런스의 향상을 의미한다.
또한, 이러한 방식으로 배기 가스와 함께 도입되는 열의 일부를 냉각기를 통해 쓸모 없는 폐열로서 제거하는 대신 멜라민 전구체의 화학적 에너지로 전환시킬 수 있다. 여기서, 멜라민 전구체는 특정 환경 하에 배기 가스 스크러버에서 발열방식으로, 즉 출발 물질 요소로부터의 열을 소비하면서, 예를 들면 아멜린(ammeline), 아멜라이드(ammelide) 또는 시아누르산(cyanuric acid)을 형성하는 물질을 의미한다. 다음에, 이들 물질은 스크러버에서 예열된 요소 용융체와 함께 멜라민 합성 반응기에 공급되고, 거기에서 반응하여 흡열 반응으로 멜라민을 형성한다. 그러나, 멜라민으로 시작하는 멜라민 형성에 필요한 에너지가 요소로 시작하는 멜라민 형성에 필요한 에너지보다 적기 때문에, 이 방식으로 멜라민 합성 반응기에서 요구되는 가열 에너지를 감축할 수 있다. 배기 가스를 제1 스테이지의 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체로 전환하는 시점에 이산화탄소를 공급함으로써 멜라민 전구제의 형성이 더욱 증가될 수 있다.
제1 스테이지의 높은 작업 온도의 추가적 이점은 배기 가스의 암모니아 및이산화탄소로부터 카바메이트 및 물이 적게 형성되는 점이다.
이하에서 본 발명의 더욱 상세히 설명한다.
정제하고자 하는 배기 가스는 임의 형태의 고압 멜라민 플랜트에 유래되는 것으로, 예를 들면, 멜라민 합성 반응기, 스트립퍼(stripper), 숙성 용기(ageing vessel)나 용융체 냉각기 또는 복수의 이들 장치 또는 배관으로부터 나오는 것이다. 배기 가스는 원칙적으로 암모니아, 이산화탄소 및 소량의 멜라민으로 이루어지고, 적절한 경우 예를 들면 요소, 우레이도멜라민(ureidomelamine) 또는 멜람(melam) 등의 미량 성분을 포함한다.
배기 가스는 멜라민의 압력 의존적인 융점과 약 500℃ 사이의 온도, 바람직하게는 약 360℃ 내지 400℃의 온도, 및 약 50바 내지 600바의 압력, 바람직하게는 약 70바 내지 400바의 압력에서 배기 가스 스크러버에 주입된다.
배기 가스 스크러버는 정제하고자 하는 배기 가스가 유래되는 장치와 거의 동일한 압력에서 가동되는 것이 바람직하고, 특히 멜라민 합성 반응기와 거의 동일한 압력에서 가동되는 것이 바람직하다.
배기 가스가 복수의 고압 멜라민 플랜트에 유래할 경우, 배기 가스 스크러버의 작업 압력은 보다 낮은 압력에서 가동되는 장치의 압력에 거의 상응한다.
배기 가스 스크러버의 제1 스테이지 온도는 제2 스테이지 온도보다 높다. 제1 스테이지 온도는 약 160℃ 내지 320℃, 바람직하게는 약 180℃ 내지 280℃이다. 제2 스테이지 온도는 약 135℃ 내지 300℃, 바람직하게는 약 150℃ 내지 270℃이다. 또한, 배기 가스와 함께 기체상 이산화탄소를 배기 가스 스크러버에 주입할 수도 있다. 이것은 결과적으로 배기 가스 스크러버에서 멜라민 전구체의 형성이 촉진되는 이점을 갖는다.
배기 가스 및, 적절한 경우, 이산화탄소는 미세하게 분리된 형태로 배기 가스 스크러버의 제1 스테이지에 도입되는 것이 바람직하며; 이것은, 예를 들면, 배기 가스 분배기(distributor)에 있는 배기 가스 채널을 통해 이루어질 수 있다. 제1 스테이지는 스크러버 탑저로부터 상기 장치의 약 2/3 높이까지 연장되는 것이 바람직하다.
요소 스크러버 내 요소 용융체의 레벨은 가변적이다. 예를 들면, 상기 레벨은 장치 높이의 약 1/4 또는 그 이상까지 연장되며, 또한 그와 함께 장치 상부에서의 배기 가스 분리를 위한 작은 영역을 제외하고 상기 장치를 거의 가득 차게(flooded) 가동할 수 있다.
배기 가스는 제1 스테이지의 액체 레벨 하부 또는 가스 공간 내 액체 레벨 상부에서 제1 스테이지에 도입될 수 있다. 배기 가스가 액체 레벨 하부에 유입되는 경우, 배기 가스가 분배기 벽에 응축되는 것을 피하기 위해 배기 가스 라인을 분배기에서 외부적으로 가열하는 것이 바람직하다. 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체 주위를 과열시키지 않도록 하기 위해 상기 가열부는 외부에서 단열된다. 이를 위해, 예를 들면, 가스 공간의 최저 지점에 있는 노즐을 통해 배기 가스가 용융체에 유입되는 지점에서 용융체에 연결되는, 가스 세척된(gas-flushed) 환형 공간이 적합하다. 유입되어 들어오는 배기 가스에 이산화탄소를 첨가하는 경우에, 편의상 분배기에서 첨가될 수 있고, 이산화탄소는 멜라민 전구체 형성을 촉진하는 외에 퍼지 가스(purge gas)의 역할을 할 수도 있다. 이산화탄소가 첨가되지 않는 경우, 사용되는 퍼지 가스는, 예를 들면, 대안적으로 암모니아 또는 임의의 다른 불활성 가스일 수 있다. 공급되는 이산화탄소, 암모니아 또는 불활성 가스의 온도는 배기 가스 온도와 제1 스테이지의 요소 용융체 온도 사이인 것이 바람직하다.
배기 가스 스크러버의 제1 스테이지에서, 도입되는 배기 가스는, 이산화탄소 또는 퍼지 가스와 적절히 혼합될 경우, 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체와 향류(countercurrent) 상태로 접촉한다. 상기 접촉은 또한 교차 유동(cross flow) 상태로 진행될 수도 있다. 여기서, 재순환 요소 용융체는 제2 스테이지로부터의 요소 용융체와 제1 스테이지로의 우회로(circuit)를 통해 재순환된 요소 용융체의 혼합물을 의미한다. 배기 가스 스크러버의 제1 스테이지 내 요소 용융체의 재순환에 의해 특히 집중적인 기-액 접촉이 이루어질 수 있다. 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체는 요소 스크러버의 탑저에서 인출되어 두 부분으로 분할된다. 제1 부분은, 바람직하게는 미세하게 분배된 형태로 요소 용융체 표면 상부의 가스 공간으로 제1 스테이지의 상단에서 배기 가스 스크러버에 피드백되고, 우회로에서 빼 내어진 제2 부분은 멜라민 합성 반응기에 공급된다.
제1 스테이지 내 우회 순환된 요소 유동과, 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유재순환 요소 용융체의 멜라민 합성 반응기로의 이송은, 예를 들면, 펌프에 의해 또는 공기 부양 펌프 원리에 따라 기포 없는 재순환 요소 유동과 스크러버 탑저 내의 2-상(two-phase) 유동 사이의 밀도 차이를 이용하여 실행될 수 있다. 재순환 속도는 신규 요소 속도의 소정 배(倍)인 것이 바람직하다. 에너지를 제거하기 위해, 우회로 내에 열교환기를 연결하는 것이 바람직하다. 열교환기는 배기 가스 스크러버의 내부 열교환기로서, 또는 외부 열교환기로서 설치할 수 있으며, 외부 열교환기를 사용하는 것이 바람직하다. 열교환기에서 제거된 열은 적절한 경우 수증기 발생용으로 이용될 수 있다. 배기 가스 스크러버의 제1 스테이지 내의 온도는 열교환기에서의 에너지 제거를 통해 제어되며, 제2 스테이지 내의 온도는 그에 따라 직접적으로 영향을 받는다.
멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체와, 도입되는 배기 가스가 집중적으로 접촉한 결과로서 배기 가스로부터 제1 스테이지의 요소 용융체로의 에너지 및 질량 전달이 일어난다. 에너지 전달은 배기 가스로부터 요소 용융체로의 열 방출 형태로 진행되며, 그 결과 요소 용융체가 예열된다. 이 열의 일부는 화학적 에너지로 전환됨과 동시에 아멜린, 아멜라이드 또는 시아누르산과 같은 멜라민 전구체가 형성된다. 배기 가스의 열 에너지가 멜라민 전구체의 화학적 에너지로 전환되는 것은 요소 우회로의 열교환기를 통해 제거하고자 하는 열, 즉 멜라민 합성 반응기/배기 가스 스크러버 시스템에서의 열 손실이 이러한 방식으로 감소되기 때문에 바람직하다. 멜라민 전구체가 형성되는 정도가 클수록 배기 가스 스크러버의 제1 단계의 온도가 높고, 또한 배기 가스와 함께 동시에 도입되는 기체상 이산화탄소에 의해 상기 전구체 형성이 증가될 수 있다. 배기 가스 스크러버에서 형성되는 멜라민 전구체의 정도는 온도의 증가에 따라, 점도의 증가 및 그에 따라 초래될 수 있는 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체를 멜라민 합성 반응기로의 이송 문제 및 요소 우회로에서의 이송 문제로 인해, 제한되거나 또는 플랜트 설계에 따라서는 가변적이다. 요소 용융체 내에 소망의 멜라민 전구체 형성을 위해 필요한 체류 시간은 제1 스테이지의 요소 우회로의 설계에 의해 설정된다.
배기 가스 및 요소 용융체 사이의 질량 전달은 멜라민의 대부분 및 잔류 미량 성분, 예를 들면 우레이도멜라민 또는 멜람을 배기 가스 스크러버의 제1 스테이지에 있는 배기 가스로부터 제거하는 형태로 일어난다. 이들 물질은 결정화 온도가 낮기 때문에 냉각기 재순환 요소 용융체 내에 흡수된다. 제1 스테이지의 재순환 요소 용융체에 존재하는 암모니아 및 비교적 높은 온도로 인해, 배기 가스로부터 분리된 상기 미량 성분은 요소와 함께 부분적으로 멜라민 전구체로 전환될 수 있다.
배기 가스 스크러버 내의 압력 및 온도 조건에 따라, 제1 스테이지의 요소 용융체 내에서, 예를 들면 카바메이트와 물과 같은 소량의 부산물이 추가로 존재할 수 있다. 이들 부산물은 배기 가스의 암모니아와 이산화탄소의 축합 반응에 의해 형성되며, 부산물이 형성되는 정도는 배기 가스 스크러버 내의 온도가 낮을수록 더커진다. 제1 스크러버 스테이지로부터 멜라민 합성 반응기로 공급되는 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체는 약 160℃ 내지 320℃의 온도를 가지며; 배기 가스로부터 분리된 미량 성분에 추가하여 소정 함량의 멜라민 전구체 및 적절한 경우 소량의 부산물을 가지며 바람직하게는 암모니아로 포화된다. 배기 가스 스크러버에서 나오는 재순환 요소 용융체의 암모니아 함량 덕분에 일반적으로 멜라민 합성 반응기에 암모니아를 추가로 공급할 필요가 없다.
제1 스테이지의 재순환 요소 용융체를 통과하여 올라오는 배기 가스는 재순환된 요소 용융체의 분무 장치 상부의 제2 스테이지로 유입된다. 적절한 경우, 배기 가스에 아직 존재하는 미량 성분의 정밀한 분리를 위한 장치를 제2 스테이지에, 예를 들면, 제2 스테이지의 하단부에 설치할 수 있다. 또한, 예를 들면 하나 이상의 시브 트레이(sieve tray) 또는 밸브 트레이와 같은 복수의 분리 장치를 이용할 수 있다.
배기 가스 스크러버의 제2 스테이지에서, 배기 가스는 스크러버 상부에서 공급되어 요소 플랜트로부터 직접 유입될 수 있는 신규 요소 용융체와 향류로 접촉한다. 상기 접촉은 또한 교차 유동 상태로 진행될 수 있다. 신규 요소 용융체는 약 135℃ 내지 180℃의 온도에서, 바람직하게는 분무 노즐 등을 통해 미세하게 분할된 형태로 공급된다. 상승하는 고온의 배기 가스와 냉각된 신규 요소 사이의 집중적인 접촉은 배기 가스에 잔존하는 거의 모든 미량 성분을 최종적으로 분리시킨다. 또한, 여기서 소망의 최종 온도인 약 170℃ 내지 250℃의 온도로 배기 가스에 대한냉각이 일어난다.
주로 암모니아와 이산화탄소로 이루어진 정제된 배기 가스는 배기 가스 스크러버의 상단부에서 배출된 다음 바람직하게는 요소 플랜트로 재순환된다.
또한, 제2 스테이지에서 신규 요소 용융체를 여러 개의 서브스트림(substream)으로 분할하고, 각각의 서브스트림을 여러 가지 상이한 높이에서, 예를 들면, 배기 가스 스크러버의 제2 단계에 도입할 수도 있다.
본 발명에 따른 배기 가스 정제의 효율성으로 인해, 멜라민 합성 반응기에 공급되는 총 요소 용융체 중 일부만 배기 가스 정제를 위해 사용하고, 요소 용융체의 나머지 부분은, 예를 들면, 요소 플랜트에서 멜라민 합성 반응기에 직접 공급되는 새로운 요소 용융체로서 사용할 수도 있다. 그 결과, 멜라민 합성 반응기에 도입되는 부산물의 양은 더욱 감소시킬 수 있으며, 그와 동시에 본 발명의 배기 가스 스크러버에서 소망의 멜라민 전구체가 형성된다.
사용되는 배기 가스 스크러버는 통례와 같이, 예를 들면, 분진 분리 또는 흡수를 위한 임의의 2-스테이지 장치일 수 있다. 예를 들면, 분무탑(spray tower), 충전탑(packed column), 기포탑(bubble column), 판상탑(plate column), 살수막(trickling-film) 칼럼 또는 침강 칼럼을 스크러버 스테이지 중 하나, 복수 또는 전부로 이용할 수 있다.
배기 가스 스크러버로는, 예를 들면, 스팀 재킷 가열부와 같은 가열 장치를 가진 것이 바람직하다. 사용되는 열교환기는, 예를 들면, 관 다발형 열교환기이다.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 이하에 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 2-스테이지 배기 가스 스크러버(A)의 예시도이다.
스크러버의 하부 제1 스테이지는, 그 상부 섹션에서, 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 요소 용융체가 우회로로부터 공급되는 하부 분무탑(Ac)을 포함한다. 제1 스테이지의 하부 섹션에는, 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체의 레벨 상부 또는 하부에 배기 가스 스크러버 속으로 개방되는 배기 가스 분배기(Ae)가 설치된다. 배기 가스 분배기가 상기 레벨 하부에 설치되는 경우, 제1 스테이지의 장치 저부에 기포탑 섹션(Ad)이 추가 설치된다.
배기 가스 스크러버의 상부 제2 스테이지는 상부 분무탑(Aa) 및 제1 스테이지로부터 상승하는 배기 가스의 집중적 스크러빙을 위한 하나 이상의 시브 트레이(Ab)로 나누어진다. 제2 스테이지에서 배기 가스는 비교적 낮은 온도에서 신규 요소 용융체에 의해 정제된다.
신규 요소 피드 스트림(fresh urea feed stream)(1)은 분배기를 통해 상단부에서 배기 가스 스크러버에 유입되는 스크러버 신규 요소 피드스트림(2) 및 멜라민 합성 반응기에 직접 도입되는 바이패스 신규 요소 스트림(3)으로 분할된다. 이 경우, 배기가스 스크러버를 우회한 신규 요소 스트림(3)은 멜라민 합성 반응기로 들어가는 배기 가스 스크러버 상류로부터 우회로(6)에서 제거되는 요소 용융체 스트림에 첨가되어 멜라민 합성 피드 스트림(7)으로서 멜라민 합성 반응기에 보내어지거나, 별도 요소 용융체 스트림으로서 멜라민 합성 반응기에 보내어질 수 있다.
신규 요소 피드 스트림(1)은 제어형 신규 요소 피드 펌프(D) 및 제어형 바이패스 신규 요소 펌프(E)를 통해 정량적으로 분할된다. 재순환 요소 펌프(C)에 의해 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 스트림(5)은 배기 가스 스크러버의 제1 스테이지의 탑저에서 배출되며, 여기서 재순환 요소 스트림(5)은 스크러버 재순환 요소 스트림(4) 및 우회로(6)로부터 제거된 요소 용융체 스트림으로 분할된다. 스크러버 재순환 요소 스트림(4)은 열교환기(B)를 거쳐 분배기에 의해 제1 스테이지로 재순환된다. 레벨 제어기(LIC)를 통해 배기 가스 스크러버 내의 레벨을 제어하는 우회로(6)로부터 제거된 요소 용융 스트림은 바이패스 신규 요소 스트림(3)과 혼합된 후 멜라민 합성 피드 스트림(7)으로서 멜라민 합성 반응기에 공급된다.
정제된 배기 가스는 배기 가스 출구(9)를 통해 요소 플랜트 방향으로 상단부에서 배기 가스 스크러버에서 배출된다.
고압 멜라민 플랜트에서 유입되는 고온의 배기 가스는 스크러버-재순환 요소 스트림(4)을 위한 분배기 하부의 배기 가스 분배기(Ae)를 통해 배기 가스 스크러버의 하측부에 있는 배기 가스 입구(8)에서 스크러버 내에 도입된다. 배기 가스와 동시에 이산화탄소가 이산화탄소 피드(10)를 통해 배기 가스 스크러버에 공급된다.
도 2는 배기 가스 분배기(Ae)의 단면도이다.
배기 가스 분배기는 아래쪽을 향하고 있는 가스 출구 채널을 가지며 외부에서 가열되는 배기 가스 중앙 튜브로 이루어진다. 배기 가스 중앙 튜브의 가열 재킷은 단열형 가스 세정(gas-flushed) 환형 공간에 의해 둘러싼 요소 용융체로부터 분리되어 있다. 환형 공간은 최저 지점에 있는 노즐 구멍(nozzle bore hole)을 통해 배기 가스 채널의 가스 출구에 연결된다.
이러한 방식으로, 가열 매체로부터 요소 용융체에 방출된 열은, 비교적 높은 온도에서 진행되어 열분해 생성물을 형성시키는 요소의 열분해를 실질적으로 방지하기 위해 가능한 한 낮게 유지된다.
하기 표는 배기 가스 정제를 위한 1-스테이지 공정과 본 발명의 2-스테이지 공정 사이의 비교를 나타낸다.
1-스테이지 공정 2-스테이지 공정
온도 배기 가스 요소 배기 가스 요소
입구 370℃ 150℃ 370℃ 150℃
전이(transition)제1/제2 스테이지 - - 242℃ 205℃
출구 205℃ 205℃ 205℃ 242℃
단위 몰당 폐열 33 kJ/mol 요소 24 kJ/mol 요소
멜라민 합성 반응기에 공급되는 요소 용융체 내의멜라민 전구체 및 응축된멜라민 4% 7%
2 스테이지에서 상이한 가동 온도를 갖는 2-스테이지 배기 가스 스크러버에 있어서, 2개의 스크러버 변수에서, 동일한 배기 가스 유입 온도, 신규 요소 유입 온도, 배기 가스 배출 온도 및 동일한 압력에 대해 동일한 배기 가스 정제 효율을 위해, 요소 예열의 개선, 몰당 폐열 손실의 감소 및 멜라민 전구체 형성의 증가가 이루어지고, 이것은 총체적으로 공정 전반의 에너지 효율의 향상에 상응한다.
도 3은 오염물질을 함유한 가스의 정제에 사용되는 가스 스크러버의 도표식 섹션을 나타내는 도면이다.
상기 가스 스크러버는 본 발명의 방법을 수행하는 배기 가스 스크러버로서 활용되는 것이 유리하다. 상기 가스 스크러버는 상하로 배치되어 있는 2개의 스테이지로 이루어진다. 하부 스테이지(12)의 상부 섹션에는 분무탑이 위치하여, 여기를 통해 용융체가 공급된다. 하부 스테이지의 하측 부분에는 가스 분배기가 위치하여, 여기를 통해 정제하고자 하는 가스가 도입된다. 본 발명의 방법에서, 정제하고자 하는 배기 가스는 가스 분배기를 통해 도입된다.
상부 스테이지(11)의 상측 부분에는 또 하나의 분무탑(15)이 배치되며, 이를 통해 용융체, 즉 본 발명의 경우 요소 용융체가 공급된다. 상기 분무탑(15)에 대향하여, 하부 스테이지로부터 올라오는 가스의 집중적인 스크러빙을 위한 하나 이상의 시브 트레이가 위치한다. 정제된 가스는 가스 스크러버의 상단부에서 배출되고, 용융체는 하부 스테이지의 저부에서 배출된다.
가스 스크러버의 바람직한 실시예에서, 하부 스테이지의 하부 섹션에 설치된 가스 분배기에 추가하여 하나 이상의 가스 공급부를 설치할 수 있다.
가스 스크러버에 가열 재킷을 장착하는 것도 본 발명의 범위에 포함된다.
도 4는 가스 분배기의 단면도이다.
상기 가스 분배기는 가열 재킷(21)으로 둘러싸여 있는 가스관(19)으로 이루어진다. 이러한 설계는 정제하고자 하는 가스의 열 손실을 실질적으로 피할 수 있게 한다. 가열 재킷(21)은 단열성 매체, 바람직하게는 용융체로부터 가열 재킷(21)을 단열시키기 위한 가스 퍼징 환형 공간으로 둘러싸여 있다. 가스는 가스 분배기로부터 빠져 나와 노즐 구멍을 통해 용융체 내로 들어갈 수 있다.
노즐 구멍은 2개의 슬롯 에지에 수직 방향으로 중앙 가스관(19) 상에 용접되어 있는 2개의 평행한 금속 시트 스트립을 통해 가스 유출 채널로서 형성될 수 있다.

Claims (15)

  1. 멜라민 전구체(melamine precursor)를 형성하면서 고압 멜라민 플랜트로부터의 배기 가스를 정제하는 방법으로서,
    제1 스테이지에서 상기 배기 가스를 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체(urea melt)와 접촉시키는 단계, 및
    제2 스테이지에서 신규(fresh) 요소 용융체와 접촉시키는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체가 상기 제2 스테이지로부터의 요소 용융체 및 상기 제1 스테이지로의 우회로(circuit)를 통해 재순환되는 요소 용융체의 혼합물인 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체의 일부분이 멜라민 합성 반응기에 공급되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스가 50바 내지 600바의 압력에서 정제되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스가 상기 제1 스테이지에서 160℃ 내지 320℃의 온도에서 정제되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스가 상기 제2 스테이지에서 135℃ 내지 300℃의 온도에서 정제되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 스테이지가 에너지 제거를 위한 내부 열교환기 또는 외부 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스에 이산화탄소가 첨가되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기 가스가 상기 제1 스테이지의 상기 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체의 액면 상부 또는 하부에 설치된 배기 가스 분배기(distributor)를 통해 도입되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신규 요소 용융체가 상기 제2 스테이지에서 복수의 서브스트림(substream)으로 분할되어 여러 가지 상이한 높이에서 도입되는 것을 특징으로 하는 배기 가스 정제 방법.
  11. 신규 요소 용융체와, 멜라민 전구체 함유 및 NH3함유 재순환 요소 용융체의 혼합물을 멜라민 합성 반응기에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 멜라민 제조 방법.
  12. 가스 스크러버(gas scrubber), 특히 오염물질을 함유한 가스를 정제하기 위한 배기 가스 스크러버, 특히 상하로 배치되어 있는 2개의 스테이지(11, 12)를 구비한 제1항에 따른 방법을 수행하기 위한 배기 가스 스크러버로서,
    상기 하부 스테이지의 상부 섹션에는 분무탑(spraying tower)(13)이 설치되고, 상기 하부 스테이지의 하부 섹션에는 가스 분배기(14)가 설치되고, 상기 상부 스테이지(11)의 상부 섹션에는 분무탑(15)이 설치되고, 상기 분무탑(15)에 대향하여 하나 이상의 시브 트레이(sieve tray)(16)이 설치되며,
    정제된 가스는 상기 가스 스크러버의 상단부(top)에서 배출되고 상기 용융체는 상기 하부 스테이지의 저부(bottom)에서 배출되는
    것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 하부 스테이지의 상기 하부 섹션에 추가적인 가스 공급부를 구비한 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    가열 재킷을 구비한 것을 특징으로 하는 가스 스크러버.
  15. 용융체 내에 가스를 공급하기 위한 가스 분배기로서,
    단열 매체에 의해 용융체로부터 분리되어 있는 가열 재킷(21), 특히 가스 퍼징되는(gas-purged) 환형 공간에 의해 둘러싸여 있는 중앙 튜브(19)를 가지며, 상기 중앙 튜브(19)는 가스 배출용 노즐 구멍(nozzle bore hole)을 가진 가스 분배기.
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