KR20240165512A - Apparatus for mass production of lithium sulfide - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 황화리튬 대량 제조장치는, 황화리튬을 경제적으로 대량 제조하기 위한 장치에 관한 것으로서, 황화리튬 제조를 위한 반응 공간을 가지며, 리튬 원료가 구비되는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 황화수소를 공급하도록 구비된 황화수소 공급부; 상기 반응 공간을 가열하도록 구비된 가열부; 상기 반응 챔버 내에서 황화수소와 리튬 원료간 반응으로 생성된 황화리튬으로부터 불순물을 제거하여 순수한 황화리튬 만을 회수하도록 구비되는 황화리튬 회수부; 상기 반응 챔버로부터 배출되는 기체를 회수하여 응축시키는 응축부; 상기 응축부로부터 혼합물을 전달받아 반응 용매를 선별한 후 상기 반응 챔버 내로 공급하는 용매 재공급부; 상기 용매 재공급부로부터 전달된 회수 기체로부터 수증기를 제거한 후 황화수소 기체만을 반응 챔버 하단, 황화수소 공급부 또는 황화수소 공급 라인으로 공급하도록 구비되는 수분 제거부; 를 포함한다.The lithium sulfide mass production device according to the present invention relates to a device for economically mass-producing lithium sulfide, and comprises: a reaction chamber having a reaction space for producing lithium sulfide and provided with a lithium raw material; a hydrogen sulfide supply unit provided to supply hydrogen sulfide to the reaction chamber; a heating unit provided to heat the reaction space; a lithium sulfide recovery unit provided to remove impurities from lithium sulfide generated by a reaction between hydrogen sulfide and a lithium raw material in the reaction chamber and to recover only pure lithium sulfide; a condensation unit for recovering and condensing gas discharged from the reaction chamber; a solvent re-supply unit for receiving a mixture from the condensation unit, selecting a reaction solvent, and supplying the solvent into the reaction chamber; and a moisture removal unit provided to remove water vapor from the recovered gas delivered from the solvent re-supply unit and then supply only hydrogen sulfide gas to the bottom of the reaction chamber, a hydrogen sulfide supply unit, or a hydrogen sulfide supply line.
Description
본 발명은 황화리튬을 경제적으로 대량 제조하기 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for economically mass producing lithium sulfide.
리튬 이차전지는 에너지 밀도가 크고, 수명이 긴 특징을 가지고 있기 때문에, 가전 제품이나 노트북 컴퓨터, 스마트폰 등의 전자기기 등에 널리 사용되고 있고, 최근에는 전기 자동차(EV)나 하이브리드 전기 자동차(HEV) 등에도 탑재되는 등 그 활용도가 크게 증가하고 있다.Lithium secondary batteries have the characteristics of high energy density and long lifespan, so they are widely used in electronic devices such as home appliances, laptop computers, and smartphones, and recently, their utilization is greatly increasing as they are installed in electric vehicles (EVs) and hybrid electric vehicles (HEVs).
오늘날 주로 사용되고 있는 리튬 이온 이차전지는 1991년 양산이 시작된 이래로 높은 에너지 밀도와 출력 전압으로 휴대전화, 노트북, PC 등의 주전원으로 널리 사용되고 있으나, 리튬 이온의 원활한 이동을 위해 구비되는 유기 전해액이 과열 및 과충전 상태에서 폭발할 수 있는 위험을 내재하고 있으며, 발화원이 있는 경우 쉽게 불이 붙을 수 있고, 전지 내 부반응 발생 시 가스 발생으로 인한 전지 성능 및 안정성 저하가 문제될 수 있다. Lithium-ion secondary batteries, which are mainly used today, have been widely used as the main power source for mobile phones, laptops, and PCs since mass production began in 1991 due to their high energy density and output voltage. However, the organic electrolyte provided for the smooth movement of lithium ions carries the risk of explosion in cases of overheating and overcharge, and can easily catch fire if there is a source of ignition, and when side reactions occur inside the battery, there may be problems with the deterioration of battery performance and stability due to gas generation.
이에 리튬 이온 이차전지의 단점을 극복하고자, 리튬 전고체(all solid) 이차전지에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다. 리튬 전고체 이차전지는 휘발성이 있는 전해액 대신 고체 상의 전해질을 사용함으로써 폭발 위험성을 줄일 수 있을 뿐 만 아니라, 음극 소재로서 리튬 금속(Li Metal) 혹은 리튬 합금(Li Alloy)을 사용할 수 있기 때문에 전지의 에너지 밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있는 장점이 있다. Accordingly, to overcome the shortcomings of lithium ion secondary batteries, active research and development is being conducted on lithium all-solid secondary batteries. Lithium all-solid secondary batteries not only reduce the risk of explosion by using a solid electrolyte instead of a volatile electrolyte, but also have the advantage of dramatically improving the energy density of the battery because lithium metal or lithium alloy can be used as the negative electrode material.
오늘날, 전고체 전지에 탑재될 수 있는 고체 전해질 후보들 중 연성이 크고 이온전도도가 높은 것으로 알려진 황화물계 고체 전해질이 고용량 대형 이차전지 제조에 적합한 것으로 평가받고 있고, 이러한 황화물계 고체 전해질 제조 과정에서는 황화리튬(Li2S)이 핵심 소재로 평가받고 있다. 황화리튬의 합성법은 다양한 방법이 알려져 있으나, 특히 수산화리튬(LiOH) 또는 탄산리튬(Li2CO3) 등 금속 리튬과 황화수소(H2S)를 반응시키는 법이 가장 일반적인 것으로 알려져 있다. Today, among the solid electrolyte candidates that can be mounted on all-solid-state batteries, sulfide-based solid electrolytes known to have high ductility and high ionic conductivity are evaluated as suitable for manufacturing high-capacity, large-scale secondary batteries, and lithium sulfide (Li 2 S) is evaluated as a key material in the manufacturing process of such sulfide-based solid electrolytes. Various methods are known to synthesize lithium sulfide, but the most common method is known to be the reaction of lithium metal, such as lithium hydroxide (LiOH) or lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), with hydrogen sulfide (H 2 S).
한편, 황화수소 기체는 고부식성 기체로서, 종래 방식에 따라 일반적인 금속 재질의 반응기 내에서 금속 리튬과 반응시키는 경우, 반응기와 각종 파이핑(piping)을 비롯한 설비들을 부식시키게 되어, 잦은 수리와 교체가 요구되므로, 황화리튬 대량 생산 시 경제성을 떨어뜨리는 문제가 있다. Meanwhile, hydrogen sulfide gas is a highly corrosive gas, and when reacted with metallic lithium in a conventional metal reactor, it corrodes the reactor and various piping and other equipment, requiring frequent repairs and replacements, which reduces the economic feasibility of mass production of lithium sulfide.
또한, 수산화리튬 등의 금속 리튬을 황화수소와 반응시키는 경우, 수증기를 필연적으로 발생시키게 되는데, 이때 발생하는 수증기는 금속 리튬과 황화수소 간 접촉을 방해하여 황화리튬의 수율을 떨어뜨릴 뿐만 아니라, 황화리튬과 다시 반응하여 수산화리튬으로의 역반응을 가속화하므로, 제조되는 황화리튬의 순도를 저하시키는 문제를 발생시킨다. 또한, 수분은 제조된 황화리튬 입자간 뭉침을 발생시켜, 품질 저하를 야기할 수 있다.In addition, when lithium metal such as lithium hydroxide is reacted with hydrogen sulfide, water vapor is inevitably generated. The water vapor generated at this time not only interferes with the contact between the lithium metal and hydrogen sulfide, reducing the yield of lithium sulfide, but also reacts again with lithium sulfide to accelerate the reverse reaction into lithium hydroxide, thereby lowering the purity of the manufactured lithium sulfide. In addition, moisture can cause agglomeration between the manufactured lithium sulfide particles, which can result in a decrease in quality.
이에 따라, 본 발명자들은 금속 리튬과 황화수소를 반응시켜 황화리튬을 제조하는 반응을 이용하되, 상대적으로 온화한 조건에서 황화리튬을 대량으로 제조하면서도, 미반응 황화수소로부터 수분을 제거하여 황화리튬 제조에 다시 활용하도록함으로써 경제성을 향상시킬 수 있는 방안에 대하여 연구한 결과 본 발명을 완성하게 되었다. Accordingly, the inventors of the present invention have studied a method for improving economic efficiency by utilizing a reaction of reacting metallic lithium and hydrogen sulfide to produce lithium sulfide, while producing lithium sulfide in large quantities under relatively mild conditions, and removing moisture from unreacted hydrogen sulfide and reusing it for producing lithium sulfide, and as a result, have completed the present invention.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 금속 리튬과 황화수소 간 반응을 통해 황화리튬을 고순도 및 고수율로 대량 생산하기 적합하도록 특정 재질 및 온도 조건으로 반응기를 설계하고, 나아가 반응 간 발생한 기체로부터 수증기를 선별적으로 제거한 다음 황화수소를 반응기 내로 재공급함으로써, 황화리튬을 고순도 및 고수율로 대량 생산할 수 있는, 황화리튬 대량 제조장치를 제공하고자 한다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and provides a device for mass-producing lithium sulfide with high purity and high yield by designing a reactor with specific material and temperature conditions suitable for mass-producing lithium sulfide through a reaction between metallic lithium and hydrogen sulfide, and further selectively removing water vapor from a gas generated during the reaction and then re-supplying hydrogen sulfide into the reactor.
일 예에서, 황화리튬 대량 제조장치는, 황화리튬 제조를 위한 반응 공간을 가지며, 리튬 원료가 구비되는 반응 챔버; 상기 반응 챔버에 황화수소를 공급하도록 구비된 황화수소 공급부; 상기 반응 공간을 가열하도록 구비된 가열부; 상기 반응 챔버 내에서 황화수소와 리튬 원료간 반응으로 생성된 황화리튬으로부터 불순물을 제거하여 순수한 황화리튬 만을 회수하도록 구비되는 황화리튬 회수부; 상기 반응 챔버로부터 배출되는 기체를 회수하여 응축시키는 응축부; 상기 응축부로부터 혼합물을 전달받아 반응 용매를 선별한 후 상기 반응 챔버 내로 공급하는 용매 재공급부; 및 상기 용매 재공급부로부터 전달된 회수 기체로부터 수증기를 제거한 후 황화수소 기체만을 반응 챔버 하단, 황화수소 공급부 또는 황화수소 공급 라인으로 공급하도록 구비되는 수분 제거부; 를 포함한다. In one example, a lithium sulfide mass production device includes: a reaction chamber having a reaction space for producing lithium sulfide, and provided with a lithium raw material; a hydrogen sulfide supply unit provided to supply hydrogen sulfide to the reaction chamber; a heating unit provided to heat the reaction space; a lithium sulfide recovery unit provided to remove impurities from lithium sulfide generated by a reaction between hydrogen sulfide and the lithium raw material in the reaction chamber and to recover only pure lithium sulfide; a condensation unit that recovers and condenses gas discharged from the reaction chamber; a solvent re-supply unit that receives a mixture from the condensation unit, selects a reaction solvent, and supplies the solvent into the reaction chamber; and a moisture removal unit provided to remove water vapor from the recovery gas delivered from the solvent re-supply unit and then supply only hydrogen sulfide gas to the bottom of the reaction chamber, a hydrogen sulfide supply unit, or a hydrogen sulfide supply line.
다른 예에서, 반응 챔버 내에는 공급된 황화수소와 리튬 원료간 반응을 촉진하기 위해 교반 부재가 더 구비될 수 있다.In another example, a stirring member may be further provided within the reaction chamber to promote a reaction between the supplied hydrogen sulfide and the lithium raw material.
또 다른 예에서, 반응 챔버는 하스텔로이 X(Hastelloy X), 스테인레스스틸 304(SUS 304), 스테인레스스틸 310(SUS 310), 스테인레스스틸 316(SUS 316), 알루미나(Alumina), 석영(quartz) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 재질일 수 있다. In another example, the reaction chamber can be made of one or more materials selected from the group consisting of Hastelloy X, stainless steel 304 (SUS 304), stainless steel 310 (SUS 310), stainless steel 316 (SUS 316), alumina, quartz, and combinations thereof.
또 다른 예에서, 가열부는, 상기 반응 챔버의 외면에 장착되어, 상기 반응 공간의 온도를 120℃ 이상 300℃ 미만으로 가열하는 것일 수 있다. In another example, the heating unit may be mounted on the outer surface of the reaction chamber to heat the temperature of the reaction space to 120° C. or higher and less than 300° C.
또 다른 예에서, 반응 챔버로 공급되는 리튬 원료는 입자 크기가 1㎜ 이하인 것일 수 있다. In another example, the lithium raw material supplied to the reaction chamber may have a particle size of 1 mm or less.
또 다른 예에서, 용매 재공급부는, 딘스탁 트랩(Dean-Stark Trap)일 수 있다. In another example, the solvent resupply unit may be a Dean-Stark trap.
또 다른 예에서, 수분 제거부는, 상기 용매 재공급부로부터 회수한 기체를 냉각시켜, 상기 기체로부터 수분만을 선별적으로 제거하는 승화 냉각부일 수 있다.In another example, the moisture removal unit may be a sublimation cooling unit that cools the gas recovered from the solvent resupply unit and selectively removes only moisture from the gas.
또 다른 예에서, 승화 냉각부는 복수 개의 냉각 챔버와, 상기 승화 냉각부를 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 복수 개의 냉각 챔버 중 기설정된 하나 이상의 냉각 챔버로 회수 기체가 이송될 때, 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버에서 냉각이 수행되도록 제어하는 것일 수 있다. In another example, the sublimation cooling unit may include a plurality of cooling chambers and a control unit that controls the sublimation cooling unit, and the control unit may control cooling to be performed in the cooling chamber to which the recovery gas is transferred when the recovery gas is transferred to at least one cooling chamber set among the plurality of cooling chambers.
또 다른 예에서, 제어부는, 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버가 소정 시간 냉각 운전된 후, 회수 기체가 또 다른 냉각 챔버로 이송되도록 제어하고, 상기 소정 시간 냉각 운전된 냉각 챔버에 대해서는 가열이 진행되도록 하여, 냉각으로 승화된 얼음을 액화시켜 제거하는 것일 수 있다. In another example, the control unit may control the cooling chamber into which the recovery gas is transferred to be transferred to another cooling chamber after the cooling operation has been performed for a predetermined period of time, and may cause heating to be performed on the cooling chamber that has been subjected to the cooling operation for the predetermined period of time, thereby liquefying and removing ice sublimated by the cooling.
또 다른 예에서, 승화 냉각부는, 상기 회수 기체를 상기 복수 개의 냉각 챔버로 각각 이송하기 위한 복수 개의 분기 라인과, 상기 분기 라인에 설치되어 각각의 상기 분기 라인을 개폐하는 밸브를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 밸브를 제어하는 것에 의해 상기 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버를 결정하도록 구성될 수 있다.In another example, the sublimation cooling unit may have a plurality of branch lines for respectively transporting the recovery gas to the plurality of cooling chambers, and a valve installed in the branch lines to open and close each of the branch lines, and the control unit may be configured to determine the cooling chamber to which the recovery gas is transported by controlling the valves.
또 다른 예에서, 승화 냉각부는, 상기 회수 기체가 이송되는 방향에 평행한 축을 중심으로 회전 가능하게 마련된 본체를 구비하고, 상기 복수 개의 냉각 챔버는, 상기 축에 평행한 방향을 따라 본체에 관통 형성되되, 적어도 어느 하나가 상기 회수 기체가 이송되는 라인인 회수 라인 및 회수 기체가 반응 챔버로 재공급되도록 하는 재공급 라인과 연통하도록 마련되고, 상기 제어부는, 상기 본체를 축을 중심으로 회전시키는 것에 의해, 냉각을 수행하고 있는 상기 냉각 챔버가 상기 회수 라인 및 재공급 라인과 연통되도록 제어할 수 있다.In another example, the sublimation cooling unit has a body that is arranged to be rotatable around an axis parallel to a direction in which the recovery gas is transported, and the plurality of cooling chambers are formed penetrating the body along a direction parallel to the axis, at least one of which is arranged to communicate with a recovery line through which the recovery gas is transported and a resupply line through which the recovery gas is re-supplied to the reaction chamber, and the control unit can control the cooling chamber performing the cooling to be communicated with the recovery line and the resupply line by rotating the body around the axis.
또 다른 예에서, 제어부는, 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버가 소정 시간 냉각 운전된 후, 상기 본체를 축을 중심으로 회전시키는 것에 의해 상기 회수 라인이 냉각 운전이 예정된 다른 냉각 챔버와 연통되도록 제어하고, 상기 소정 시간 냉각 운전된 냉각 챔버에 대해서는 가열이 진행되도록 하여, 냉각으로 승화된 얼음을 액화시켜 제거할 수 있다.In another example, the control unit controls the recovery line to be connected to another cooling chamber scheduled to be subjected to cooling operation by rotating the main body around an axis after the cooling chamber into which the recovery gas is transferred has been subjected to cooling operation for a predetermined period of time, and causes heating to proceed with the cooling chamber that has been subjected to cooling operation for the predetermined period of time, thereby liquefying and removing ice sublimated by cooling.
본 발명에 따르면, 금속 리튬과 황화수소 간 반응을 통해 황화리튬을 제조할 때, 종래 기술 대비 상대적으로 온화한 조건 하에서 반응이 수행되므로 반응기 및 각종 파이핑(piping)의 부식과 고정에 따른 잦은 수리 내지 교체가 요구되지 아니하여 공정의 경제성이 향상된다. According to the present invention, when producing lithium sulfide through a reaction between metallic lithium and hydrogen sulfide, the reaction is performed under relatively mild conditions compared to conventional techniques, so frequent repairs or replacements due to corrosion and fixation of the reactor and various piping are not required, thereby improving the economic efficiency of the process.
또한, 반응에 따른 부산물인 수증기(수분)가 효과적으로 제거되어, 수산화리튬으로의 역반응을 방지하고, 정반응을 촉진하는 동시에 황화리튬 입자간 뭉침을 방지함으로써, 고순도 및 고수율로 고품질의 황화리튬을 대량 제조할 수 있다. In addition, water vapor (moisture), a by-product of the reaction, is effectively removed, preventing reverse reaction into lithium hydroxide and promoting the forward reaction, while preventing agglomeration between lithium sulfide particles, thereby enabling mass production of high-quality lithium sulfide with high purity and high yield.
나아가 반응 용매와 미반응 황화수소를 반응 챔버 내에 재공급함으로써, 황화수소 반응률을 향상시켜 공정의 경제성을 확보할 수 있다. Furthermore, by re-supplying the reaction solvent and unreacted hydrogen sulfide into the reaction chamber, the hydrogen sulfide reaction rate can be improved, thereby ensuring the economic feasibility of the process.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 황화리튬 대량 제조장치를 나타낸 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 승화 냉각부를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 승화 냉각부를 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 승화 냉각부를 나타낸 정면도이다.FIG. 1 is a schematic diagram showing a mass production device for lithium sulfide according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a sublimation cooling unit according to one embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a perspective view showing a sublimation cooling unit according to another embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a front view showing a sublimation cooling unit according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. When adding reference numerals to components in each drawing, it should be noted that identical components are given the same numerals as much as possible even if they are shown in different drawings. In addition, when describing embodiments of the present invention, if it is determined that a specific description of a related known configuration or function hinders understanding of the embodiments of the present invention, the detailed description thereof will be omitted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 황화리튬 대량 제조장치를 나타내는 개략도이다. 이하에서는, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 황화리튬 대량 제조장치에 대하여 설명한다.FIG. 1 is a schematic diagram showing a mass production device for lithium sulfide according to one embodiment of the present invention. Hereinafter, a mass production device for lithium sulfide according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1.
본 발명의 일 실시예에 따른 황화리튬 대량 제조장치는 반응 챔버(100), 가열부(150), 황화수소 공급부(200), 응축부(300), 용매 재공급부(400), 수분 제거부(500) 및 황화리튬 회수부(600)를 포함한다. 한편, 도시되지 않으나, 상기 제조장치 내에서 각 구성 간 물질 이동을 촉진하기 위한 수단으로서 순환 펌프 등 별도로 구비된 공급 수단이 사용될 수 있다.A lithium sulfide mass production device according to one embodiment of the present invention includes a reaction chamber (100), a heating unit (150), a hydrogen sulfide supply unit (200), a condensation unit (300), a solvent resupply unit (400), a moisture removal unit (500), and a lithium sulfide recovery unit (600). Meanwhile, although not shown, a separately provided supply means such as a circulation pump may be used as a means for promoting material movement between each component within the production device.
반응 챔버(100)는 황화리튬을 생성하기 위한 반응 공간을 갖는 챔버이다. 리튬 원료와 황화수소가 반응 공간에서 반응하여 황화리튬으로 합성된다. 반응 챔버(100) 내에는 습식 반응을 유도하기 위한 반응 용매가 구비될 수 있으며, 구체적으로 상기 반응 용매는 헥산(hexane), 옥탄(Octane), 데칸(Decane), 도데칸(Dodecane), 톨루엔(Toluene), 자일렌(o, m, p-xylene) 및 이들의 조합에서 선택되거나, 비극성 용매일 수 있다. 한편 리튬 원료 공급 방식은 특별히 제한되지 아니하며, 일례로 반응기에 일시에 장입하는 형태로 공급하거나, 또는 자동화/반자동화 공정을 구현하기 위하여 반응 챔버(100) 외측에 컨베이어 벨트 등을 설치하여 공급할 수도 있고, 또한 반응 챔버(100)로 공급되는 리튬 원료 공급 라인(10)을 경사지게 형성하여 중력에 의해 리튬 원료가 반응 챔버 내로 이동되도록 할 수도 있다. 또한 블로워(blower) 등 송풍 수단을 이용하여 이동되도록 할 수도 있다. 한편, 반응 챔버 내에는 반응을 촉진하기 위한 교반 부재(미도시)가 더 구비될 수 있으며, 일례로, 회전 디스크, 로터리, 프로펠러 등이 채용될 수 있으나, 특별히 제한되는 것은 아니다. The reaction chamber (100) is a chamber having a reaction space for producing lithium sulfide. Lithium raw material and hydrogen sulfide react in the reaction space to synthesize lithium sulfide. A reaction solvent for inducing a wet reaction may be provided inside the reaction chamber (100), and specifically, the reaction solvent may be selected from hexane, octane, decane, dodecane, toluene, xylene (o, m, p-xylene), and combinations thereof, or may be a non-polar solvent. Meanwhile, the method for supplying the lithium raw material is not particularly limited, and for example, it may be supplied in the form of being charged into the reactor all at once, or it may be supplied by installing a conveyor belt or the like outside the reaction chamber (100) to implement an automated/semi-automated process, and also, the lithium raw material supply line (10) supplied to the reaction chamber (100) may be formed to be inclined so that the lithium raw material moves into the reaction chamber by gravity. In addition, it can be moved using a blower or other ventilation means. Meanwhile, a stirring member (not shown) for promoting the reaction may be further provided inside the reaction chamber, and for example, a rotating disk, a rotary, a propeller, etc. may be employed, but is not particularly limited.
황화수소 공급부(200)는 반응 챔버(100)에 황화수소를 공급하도록 구비된다. 구체적으로, 황화수소 공급부(200)는 반응 챔버의 일측 하단과 인접하게 구비되어 반응 챔버 내로 황화수소를 공급할 수 있다. 한편, 상기 황화수소 공급부와 반응기 사이 황화수소 공급 라인(20)에는 황화수소에 거품을 발생시키기 위한 인-라인 분산 장치(in-line disperser)(미도시)가 구비될 수도 있다. 상기 인-라인 분산 장치는 회전자의 고속 회전에 의해 공급된 유체들을 고압으로 혼합하는 장치일 수 있으며, 상기 인-라인 분산 장치는 황화수소가 버블링 된 상태로 공급되기 위한 최적의 압력, 온도 범위를 가지도록 제어될 수 있다. The hydrogen sulfide supply unit (200) is provided to supply hydrogen sulfide to the reaction chamber (100). Specifically, the hydrogen sulfide supply unit (200) is provided adjacent to the lower side of one side of the reaction chamber so as to supply hydrogen sulfide into the reaction chamber. Meanwhile, an in-line disperser (not shown) for generating bubbles in hydrogen sulfide may be provided in the hydrogen sulfide supply line (20) between the hydrogen sulfide supply unit and the reactor. The in-line disperser may be a device that mixes fluids supplied by the high-speed rotation of the rotor at high pressure, and the in-line disperser may be controlled to have an optimal pressure and temperature range for supplying hydrogen sulfide in a bubbling state.
한편, 상기 반응 챔버 내에 구비되는 리튬 원료는 수산화리튬(LiOH) 또는 탄산리튬(Li2CO3), 상세하게는 수산화리튬일 수 있다. 구체적으로 반응 챔버(100)에 공급된 수산화리튬은 하기 식 1과 같이 황화수소와 반응하여 황화리튬을 생성할 수 있다. 즉, 수산화리튬과 황화수소가 반응하면 부산물로서 물이 생성됨을 알 수 있다.Meanwhile, the lithium raw material provided in the reaction chamber may be lithium hydroxide (LiOH) or lithium carbonate (Li 2 CO 3 ), specifically lithium hydroxide. Specifically, lithium hydroxide supplied to the reaction chamber (100) may react with hydrogen sulfide to produce lithium sulfide as shown in Equation 1 below. That is, it can be seen that when lithium hydroxide and hydrogen sulfide react, water is produced as a byproduct.
2LiOH + H2S → Li2S + 2H2O <식 1>2LiOH + H 2 S → Li 2 S + 2H 2 O <Formula 1>
본 발명의 일 실시예에 따르면 공급되는 리튬 원료는 입자의 크기가 1㎜ 이하일 수 있다. 따라서 황화수소와의 반응 면적을 증가시키는 것에 의해 고순도의 황화리튬이 생성되는 것을 도모할 수 있다.According to one embodiment of the present invention, the lithium raw material supplied may have a particle size of 1 mm or less. Accordingly, it is possible to produce high-purity lithium sulfide by increasing the reaction area with hydrogen sulfide.
한편 가열부(150)는 반응 공간을 가열하도록 구성된다. 가열부(150)가 반응 공간을 가열하는 방식은 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 가열부(150)는 반응 챔버(100)의 외면에 장착된 히터, 전열선 또는 적외선 히터일 수 있다.Meanwhile, the heating unit (150) is configured to heat the reaction space. The method by which the heating unit (150) heats the reaction space is not particularly limited. For example, the heating unit (150) may be a heater, a heating wire, or an infrared heater mounted on the outer surface of the reaction chamber (100).
또한, 가열부(150)는 반응 공간의 온도를 120℃ 이상 300℃ 미만, 상세하게는 140℃ 이상 300℃ 미만, 더 상세하게는 160℃ 이상 300℃ 미만으로 가열할 수 있다. 리튬 원료와 황화수소가 원활하게 반응하기 위해서는 리튬 원료(수산화리튬)가 충분히 가열될 필요가 있다. 또한, 전술한 바와 같이 수산화리튬과 황화수소의 반응에 의해 부산물로서 물(H2O)이 생성되는데, 물이 액상으로 존재하면 물이 수산화리튬 입자 사이에 유입되어 황화수소와 반응하는 수산화리튬의 면적이 감소할 우려가 있다. 따라서 반응 공간의 온도를 120℃, 상세하게는 140℃, 더 상세하게는 160℃ 이상으로 가열하여 물을 증발시키는 것에 의해 고순도의 황화리튬을 얻을 수 있다.In addition, the heating unit (150) can heat the temperature of the reaction space to 120°C or more and less than 300°C, specifically 140°C or more and less than 300°C, and more specifically 160°C or more and less than 300°C. In order for the lithium raw material and hydrogen sulfide to react smoothly, the lithium raw material (lithium hydroxide) needs to be sufficiently heated. In addition, as described above, water (H 2 O) is generated as a by-product by the reaction of lithium hydroxide and hydrogen sulfide, and if water exists in a liquid state, there is a concern that the water may flow between lithium hydroxide particles, reducing the area of lithium hydroxide reacting with hydrogen sulfide. Therefore, by heating the temperature of the reaction space to 120°C, specifically 140°C, and more specifically 160°C or more to evaporate the water, high-purity lithium sulfide can be obtained.
한편, 반응 공간의 온도가 높을수록 수산화리튬과 황화수소의 반응이 촉진될 수 있다. 그러나 수산화리튬의 녹는점은 445℃이므로 반응 공간의 온도는 445℃를 초과하지는 않는 것이 바람직하다.Meanwhile, the higher the temperature of the reaction space, the more the reaction between lithium hydroxide and hydrogen sulfide can be promoted. However, since the melting point of lithium hydroxide is 445℃, it is preferable that the temperature of the reaction space does not exceed 445℃.
또한, 반응 공간의 온도가 높아질수록 황화수소에 의한 반응 챔버(100)의 내면이 부식될 우려가 커진다. 따라서 반응 챔버(100)는 내열성 및 내식성이 강한 소재로 제조될 수 있다. 예를 들어, 반응 챔버(100)는 하스텔로이 X(Hastelloy X), 스테인레스스틸 304(SUS 304), 스테인레스스틸 310(SUS 310), 스테인레스스틸 316(SUS 316), 알루미나(Alumina), 석영(quartz) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 재질일 수 있다. 그리고 가열부(150)는 반응 공간의 온도를 300℃ 미만으로 가열할 수 있다. 이에 따라, 반응 챔버(100)를 비롯한 파이핑 등 설비의 잦은 수리 내지 교체를 방지함과 동시에, 황화수소와 리튬 원료 간의 반응을 충분히 촉진하여 고순도의 황화리튬을 획득할 수 있다.In addition, as the temperature of the reaction space increases, there is a greater risk of corrosion of the inner surface of the reaction chamber (100) by hydrogen sulfide. Therefore, the reaction chamber (100) may be manufactured from a material having strong heat resistance and corrosion resistance. For example, the reaction chamber (100) may be made of at least one material selected from the group consisting of Hastelloy X, stainless steel 304 (SUS 304), stainless steel 310 (SUS 310), stainless steel 316 (SUS 316), alumina, quartz, and combinations thereof. In addition, the heating unit (150) can heat the temperature of the reaction space to less than 300° C. Accordingly, frequent repair or replacement of equipment such as piping including the reaction chamber (100) can be prevented, and the reaction between hydrogen sulfide and the lithium raw material can be sufficiently promoted to obtain high-purity lithium sulfide.
응축부(300)는 반응 챔버(100)로부터 배기 라인(40)을 따라 배출되는 기체를 회수하고, 이를 응축시키기 위해 구비될 수 있으며, 이를 위해 별도의 냉각 수단(미도시)가 마련된 것일 수 있다. 상기 응축부는 일례로 열교환 방식을 활용한 콘덴서(Condenser) 구성일 수 있다. A condenser (300) may be provided to recover gas discharged from the reaction chamber (100) along the exhaust line (40) and condense it, and a separate cooling means (not shown) may be provided for this purpose. The condenser may be configured as a condenser utilizing a heat exchange method, for example.
용매 재공급부(400)는 상기 응축부로부터 혼합물을 전달받아 증류 등 방식을 통해 반응 용매만을 선택적으로 분리해내고, 분리된 반응 용매를 반응 챔버(100) 내로 재공급하도록 하는 구성일 수 있다. 한편, 상기 응축부로부터 전달된 혼합물은 기체와 액체 상이 혼합된 형태일 수 있고, 구체적으로 황화수소(H2S), 반응 용매 및 수증기(H2O)가 혼재된 혼합물일 수 있다. 구체적인 일례로 상기 용매 재공급부(400)는 딘스탁 트랩(Dean-Stark Trap)일 수 있으며, 딘스탁 트랩 적용 시 상기 혼합물에서 비중 차에 의해 반응 용매와 물이 분리되며, 분리된 반응 용매는 용매 재공급 라인(60)을 따라 반응 챔버로 다시 공급되고, 물은 배출부(515) 라인을 따라 1차적으로 제거될 수 있다. The solvent resupply unit (400) may be configured to receive the mixture from the condensation unit, selectively separate only the reaction solvent through distillation or the like, and resupply the separated reaction solvent into the reaction chamber (100). Meanwhile, the mixture delivered from the condensation unit may be in a form in which a gas and a liquid phase are mixed, and specifically, may be a mixture in which hydrogen sulfide (H 2 S), the reaction solvent, and water vapor (H 2 O) are mixed. As a specific example, the solvent resupply unit (400) may be a Dean-Stark trap, and when the Dean-Stark trap is applied, the reaction solvent and water are separated from the mixture by the difference in specific gravity, and the separated reaction solvent is supplied back to the reaction chamber along the solvent resupply line (60), and the water may be primarily removed along the discharge line (515).
황화리튬 회수부(600)는 황화리튬을 회수하되, 불순물을 제거하여 황화리튬의 순도를 보다 높이기 위한 구성으로서 필터 부재(F)를 더 포함할 수 있다. 일례로 반응 챔버(100) 내에서 황화수소와 리튬 원료 간 반응으로 생성된 황화리튬은 황화리튬 회수 라인(30)을 통해 회수된 다음 필터 부재(F)에 의한 필터링 과정을 거쳐 불순물이 제거될 수 있다. 한편 황화리튬 회수 라인(30)은 반응 챔버(100) 하단과 연통되도록 마련될 수 있다. 여기서 반응 챔버(100) 하단이란, 가열부(150)에 의해 가열되는 반응 공간의 영역보다 아래측을 의미할 수 있다. 황화리튬 회수부(600)의 구조는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 회수부는 황화리튬을 효과적으로 회수하기 위한 정사각형 내지 직사각형, 원통형, 역원뿔형 등 형태의 챔버 구성일 수 있다. 한편 상기 필터 부재(F)는 하스텔로이, 스테인레스스틸 304(SUS 304), 스테인레스스틸 310(SUS 310), 스테인레스스틸 316(SUS 316) 및 이들의 조합 중 선택되는 1종 이상의 재질일 수 있으며 메쉬(mesh) 형태일 수 있다. The lithium sulfide recovery unit (600) may further include a filter member (F) as a configuration for recovering lithium sulfide and removing impurities to further increase the purity of the lithium sulfide. For example, lithium sulfide generated by the reaction between hydrogen sulfide and lithium raw material in the reaction chamber (100) may be recovered through the lithium sulfide recovery line (30) and then filtered by the filter member (F) to remove impurities. Meanwhile, the lithium sulfide recovery line (30) may be provided to be in communication with the bottom of the reaction chamber (100). Here, the bottom of the reaction chamber (100) may mean the area below the reaction space heated by the heating unit (150). The structure of the lithium sulfide recovery unit (600) is not particularly limited. For example, the recovery unit may have a chamber configuration in a shape such as a square or rectangle, a cylinder, or an inverted cone to effectively recover lithium sulfide. Meanwhile, the filter member (F) may be made of one or more materials selected from among Hastelloy, stainless steel 304 (SUS 304), stainless steel 310 (SUS 310), stainless steel 316 (SUS 316), and combinations thereof, and may be in the form of a mesh.
한편 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수분 제거부를 나타내는 개략도이다. 이하에서는 도 1 및 도 2 내지 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 수분 제거부(500)에 대해 설명한다.Meanwhile, Fig. 2 is a schematic diagram showing a moisture removal unit according to one embodiment of the present invention. Hereinafter, a moisture removal unit (500) according to one embodiment of the present invention will be described with reference to Figs. 1 and 2 to 4.
수분 제거부(500)는 용매 재공급부(400)로부터 전달된 회수 기체로부터 수증기를 제거한 후, 수증기가 제거된 황화수소 기체만을 반응 챔버(100) 하단, 황화수소 공급부(200) 또는 황화수소 공급 라인(20)으로 다시 공급하도록 구비된다. 전술한 바와 같이, 반응 챔버(100)에서는 리튬 원료와 미처 반응하지 못한 미반응 황화수소, 황화수소와 수산화리튬의 반응에 의해 생성된 수증기 및 기체화된 반응 용매가 배출될 수 있으며, 응축기(300) 및 용매 재공급부(400)를 통과하면서 반응 용매와 물이 제거된다. 이후 용매 재공급부(400)로부터 수분 제거부(500)로 회수 전달되는 회수 기체 내에는 대부분 황화수소 기체만이 남아 있게 되나, 미처 제거되지 못한 극소량의 수증기가 함께 포함되어 있을 수 있다. 따라서 회수 기체로부터 수증기를 완전히 제거하고 다시 반응 챔버(100)로 공급하여야 할 필요성이 있다. The moisture removal unit (500) is provided to remove water vapor from the recovery gas delivered from the solvent resupply unit (400), and then supply only the hydrogen sulfide gas from which the water vapor has been removed back to the bottom of the reaction chamber (100), the hydrogen sulfide supply unit (200) or the hydrogen sulfide supply line (20). As described above, in the reaction chamber (100), unreacted hydrogen sulfide that has not yet reacted with the lithium raw material, water vapor generated by the reaction of hydrogen sulfide and lithium hydroxide, and the gasified reaction solvent can be discharged, and the reaction solvent and water are removed while passing through the condenser (300) and the solvent resupply unit (400). Thereafter, most of the recovery gas delivered from the solvent resupply unit (400) to the moisture removal unit (500) contains only hydrogen sulfide gas, but a very small amount of water vapor that has not yet been removed may also be included. Therefore, there is a need to completely remove water vapor from the recovery gas and supply it back to the reaction chamber (100).
이를 위해, 용매 재공급부(400)로부터 회수 라인(45)을 통해 전달된 회수 기체가 수분 제거부(500)로 전달될 수 있다. 한편, 상기 수분 제거부에서 수증기가 제거된 황화수소 기체를 재공급하기 위해서 순환 펌프(미도시) 등 별도의 공급 수단이 더 구비될 수 있다. To this end, the recovered gas delivered from the solvent resupply unit (400) through the recovery line (45) may be delivered to the moisture removal unit (500). Meanwhile, a separate supply means such as a circulation pump (not shown) may be additionally provided to resupply the hydrogen sulfide gas from which water vapor has been removed in the moisture removal unit.
구체적으로 도 2를 참조하면, 수분 제거부(500)는 상기 용매 재공급부로부터 회수한 기체를 냉각시켜, 상기 회수 기체로부터 수분만을 선별적으로 제거하는 승화 냉각부(520)일 수 있다. Specifically, referring to FIG. 2, the moisture removal unit (500) may be a sublimation cooling unit (520) that cools the gas recovered from the solvent resupply unit and selectively removes only moisture from the recovered gas.
한편, 승화 냉각부(520)는 용매 재공급부(400)로부터 회수한 기체를 냉각시켜 2차적으로 수분을 제거하는 구성일 수 있다. 일례로, 수증기를 약 -30℃로 냉각하는 것에 의해 수증기를 승화시켜 제거할 수 있다. 승화 냉각부(520)는 용매 재공급부(400)를 통과한 기체를 회수 라인(45)을 통해 회수하여, 용매 재공급부(400)에서 미처 제거되지 못한 수증기(물)를 추가적으로 제거할 수 있다. 한편, 본 명세서 및 청구범위 전반에서 사용되는 용어 "1차" 및 "2차"는 구분을 위해 임의로 순서를 부여한 것으로 이해되어야 한다. 한편, 1차 냉각 및 2차 냉각이란 냉각의 순서를 의미하는 것은 아니다. Meanwhile, the sublimation cooling unit (520) may be configured to cool the gas recovered from the solvent resupply unit (400) to secondarily remove moisture. For example, the water vapor may be sublimated and removed by cooling the water vapor to about -30°C. The sublimation cooling unit (520) may recover the gas that has passed through the solvent resupply unit (400) through the recovery line (45) to additionally remove the water vapor (water) that has not been removed in the solvent resupply unit (400). Meanwhile, the terms "primary" and "secondary" used throughout the present specification and claims should be understood as having been arbitrarily assigned a sequence for the sake of distinction. Meanwhile, primary cooling and secondary cooling do not imply the order of cooling.
보다 상세하게 설명하면 승화 냉각부(520)는 냉각 챔버(521)와, 냉각 챔버(521)에 마련된 냉각 수단(525) 및 승화 냉각부(520)를 제어하는 제어부(미도시)를 포함할 수 있다. 제어부는 황화리튬 대량 제조장치를 제어하는 제어부일 수 있다.To explain in more detail, the sublimation cooling unit (520) may include a cooling chamber (521), a cooling means (525) provided in the cooling chamber (521), and a control unit (not shown) that controls the sublimation cooling unit (520). The control unit may be a control unit that controls a lithium sulfide mass production device.
냉각 챔버(521)로 공급된 수증기는 냉각 수단(525)에 의해 승화되어 냉각 챔버(521)의 내표면에 얼어붙게 되고, 황화수소는 끓는점이 -59.6℃이므로 냉각 챔버(521)를 그대로 통과할 수 있다. 따라서 냉각 챔버(521)는 회수 기체에서 수증기만 제거하고 황화수소는 반응 챔버(100)로 다시 공급할 수 있다.The water vapor supplied to the cooling chamber (521) is sublimated by the cooling means (525) and freezes on the inner surface of the cooling chamber (521), and since hydrogen sulfide has a boiling point of -59.6°C, it can pass through the cooling chamber (521) as is. Accordingly, the cooling chamber (521) can remove only the water vapor from the recovery gas and supply the hydrogen sulfide back to the reaction chamber (100).
다만, 승화 냉각부(520)는 수증기를 승화시켜 얼음 상태로 상 변이를 일으켜 냉각 챔버 내표면에 얼어붙게 만들기 때문에, 냉각 챔버(521)의 내표면에 얼어붙은 수분을 제거하기 위해서는 냉각 챔버(521)를 다시 가열하여 액화시킬 필요가 있다. 즉, 냉각 챔버(521)가 1개만 마련되면 냉각 챔버(521)를 가열하기 위해 황화리튬 대량 제조장치의 작동을 멈춰야만 하므로 공정을 연속적으로 진행하기 어려워지는 문제가 있다.However, since the sublimation cooling unit (520) causes a phase change by sublimating water vapor into an ice state and freezes it on the inner surface of the cooling chamber, in order to remove the water frozen on the inner surface of the cooling chamber (521), it is necessary to heat the cooling chamber (521) again to liquefy it. In other words, if only one cooling chamber (521) is provided, the operation of the lithium sulfide mass production device must be stopped in order to heat the cooling chamber (521), which makes it difficult to continuously proceed with the process.
따라서 본 발명의 일 실시예에 따른 승화 냉각부(520)는 복수 개의 냉각 챔버(521a, 521b)와, 회수 기체를 각각의 복수 개의 냉각 챔버(521a, 521b)로 이송하기 위한 복수 개의 분기 라인(46)과, 복수 개의 냉각 챔버(521) 내의 기체를 재공급 라인(50)으로 공급하기 위한 복수 개의 제2 분기 라인(48)을 구비할 수 있다. 재공급 라인(50)이란 회수 기체가 반응 챔버(100) 하단, 황화수소 공급부(200) 또는 황화수소 공급 라인(20)으로 재공급되도록 하는 라인을 말한다. 그리고 제어부는 복수 개의 냉각 챔버(521) 중 기설정된 하나의 냉각 챔버로 회수 기체가 이송될 때, 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버에서 냉각이 수행되도록 제어할 수 있다.Therefore, the sublimation cooling unit (520) according to one embodiment of the present invention may be provided with a plurality of cooling chambers (521a, 521b), a plurality of branch lines (46) for transferring the recovery gas to each of the plurality of cooling chambers (521a, 521b), and a plurality of second branch lines (48) for supplying the gas in the plurality of cooling chambers (521) to the resupply line (50). The resupply line (50) refers to a line that resupplied the recovery gas to the bottom of the reaction chamber (100), the hydrogen sulfide supply unit (200), or the hydrogen sulfide supply line (20). In addition, the control unit may control cooling to be performed in the cooling chamber to which the recovery gas is transferred when the recovery gas is transferred to a preset cooling chamber among the plurality of cooling chambers (521).
각각의 분기 라인(46a, 46b) 및 제2 분기 라인(48a, 48b)에는 제1 내지 제4 분기 밸브(47a, 47b, 49a, 49b)가 마련될 수 있다. 제어부는 분기 라인(46a, 46b) 및 제2 분기 라인(48a, 48b)에 마련된 분기 밸브(47a, 47b, 49a, 49b)를 제어함으로써, 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버(521a, 521b)를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 회수 기체를 도 2의 상측에 위치하는 냉각 챔버(521a)로 이송하기 위해서는 제1 분기 밸브(47a) 및 제3 분기 밸브(49a)는 개방하고, 제2 분기 밸브(47b) 및 제4 분기 밸브(49b)는 폐쇄할 수 있다.Each of the branch lines (46a, 46b) and the second branch line (48a, 48b) may be provided with first to fourth branch valves (47a, 47b, 49a, 49b). The control unit may be configured to determine the cooling chambers (521a, 521b) to which the recovery gas is transferred by controlling the branch valves (47a, 47b, 49a, 49b) provided in the branch lines (46a, 46b) and the second branch line (48a, 48b). For example, in order to transfer the recovery gas to the cooling chamber (521a) located on the upper side of FIG. 2, the first branch valve (47a) and the third branch valve (49a) may be opened, and the second branch valve (47b) and the fourth branch valve (49b) may be closed.
회수 기체가 이송되는 상측의 냉각 챔버(521a)가 소정 시간 냉각 운전된 후에는, 승화되어 냉각 챔버(521a)의 내벽에 얼어붙은 얼음을 가열하여 제거할 필요성이 있다. 이 경우, 제어부는 하측의 냉각 챔버(521b)가 냉각을 수행하도록 하측의 냉각 챔버(521b)에 마련된 냉각 수단(미도시)을 작동시킨 후, 회수 기체가 하측의 냉각 챔버(521b)로 이송되도록 제어할 수 있다. 즉, 제1 분기 밸브(47a) 및 제3 분기 밸브(49a)는 폐쇄하고, 제2 분기 밸브(47b)와 제4 분기 밸브(49b)는 개방함으로써, 회수 기체가 하측의 냉각 챔버(521b)로 이송되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 황화리튬 제조장치를 정지하는 일 없이 연속적으로 황화리튬을 제조할 수 있을 뿐만 아니라, 회수 기체로부터 수분을 추가적으로 제거함으로써 황화리튬의 제조 효율을 향상시킬 수 있고 고순도의 황화리튬을 획득할 수 있다.After the upper cooling chamber (521a) to which the recovery gas is transferred has been cooled for a predetermined period of time, it is necessary to heat and remove the ice frozen on the inner wall of the cooling chamber (521a) by sublimation. In this case, the control unit can operate the cooling means (not shown) provided in the lower cooling chamber (521b) so that the lower cooling chamber (521b) performs cooling, and then control the recovery gas to be transferred to the lower cooling chamber (521b). That is, the first branch valve (47a) and the third branch valve (49a) can be closed, and the second branch valve (47b) and the fourth branch valve (49b) can be opened, thereby controlling the recovery gas to be transferred to the lower cooling chamber (521b). Accordingly, not only can lithium sulfide be continuously manufactured without stopping the lithium sulfide manufacturing device, but also the manufacturing efficiency of lithium sulfide can be improved by additionally removing moisture from the recovery gas, and high-purity lithium sulfide can be obtained.
한편 제어부는, 소정 시간 냉각 운전된 상측의 냉각 챔버(521a)에 대해서는 가열이 진행되도록 전환하는 것에 의해 냉각으로 승화된 얼음을 액화시켜 제거할 수 있다. 냉각 챔버(521)에 별도의 가열 수단이 마련될 수도 있고, 냉각 수단(525)의 작동이 정지되고 냉각 챔버(521)가 상온에 위치하는 것만으로도 수분이 제거될 수 있다. 제거된 수분은 배출부(515')로 이송되어 제거될 수 있다.Meanwhile, the control unit can liquefy and remove ice sublimated by cooling by switching the upper cooling chamber (521a) that has been subjected to cooling operation for a predetermined time to heating. A separate heating means may be provided in the cooling chamber (521), and moisture can be removed simply by stopping the operation of the cooling means (525) and positioning the cooling chamber (521) at room temperature. The removed moisture can be transferred to the discharge unit (515') and removed.
또한, 각각의 분기 라인(46a, 46b, 48a, 48b)에 각각 분기 밸브(47a, 47b, 49a, 49b)가 마련되는 대신에 회수 라인(45)과 분기 라인(46)의 분기점 및 분기 라인(48)과 재공급 라인(50)의 분기점에 삼방 밸브(미도시)가 마련될 수도 있다. 제어부는 삼방 밸브를 제어하여 회수 기체가 이송되는 챔버를 결정할 수도 있다.In addition, instead of providing branch valves (47a, 47b, 49a, 49b) in each branch line (46a, 46b, 48a, 48b), three-way valves (not shown) may be provided at the branch points of the recovery line (45) and the branch line (46) and at the branch points of the branch line (48) and the resupply line (50). The control unit may also control the three-way valves to determine the chamber to which the recovery gas is transferred.
또한, 냉각 챔버(521)의 개수는 특별히 한정되지 않는다. 3개 이상의 냉각 챔버(521)가 마련되는 경우, 복수 개의 냉각 챔버(521)에서 동시에 냉각을 수행할 수도 있다. 냉각 챔버(521)의 개수는 반응 챔버(100)의 크기, 가열부(150)가 반응 공간을 가열하는 온도 등에 기초하여 발생하는 수증기의 양에 따라 적절히 마련될 수 있다.In addition, the number of cooling chambers (521) is not particularly limited. When three or more cooling chambers (521) are provided, cooling can be performed simultaneously in multiple cooling chambers (521). The number of cooling chambers (521) can be appropriately provided depending on the amount of water vapor generated based on the size of the reaction chamber (100), the temperature at which the heating unit (150) heats the reaction space, etc.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 승화 냉각부를 나타내는 사시도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 승화 냉각부(520')는 회수 기체가 이송되는 방향에 평행한 축(C)을 중심으로 회전 가능하게 마련된 본체(523)를 구비하는 점에서 전술한 일 실시예에 따른 승화 냉각부(520)와 차이가 있다. 또한, 복수 개의 냉각 챔버(521)는 회수 기체가 이송되는 방향에 평행한 축(C)을 따라 본체(523)에 관통 형성될 수 있다. 그리고 본 실시예에 따른 승화 냉각부(520')는 분기 라인(46)을 구비하지 않는 대신, 복수 개의 냉각 챔버(521) 중 적어도 어느 하나가 회수 라인(45) 및 재공급 라인(50)과 연통되도록 마련될 수 있다.FIG. 3 is a perspective view showing a sublimation cooling unit according to another embodiment of the present invention. The sublimation cooling unit (520') according to another embodiment of the present invention is different from the sublimation cooling unit (520) according to the above-described embodiment in that it has a main body (523) that is arranged to be rotatable around an axis (C) parallel to the direction in which the recovery gas is transported. In addition, a plurality of cooling chambers (521) may be formed penetrating the main body (523) along the axis (C) parallel to the direction in which the recovery gas is transported. In addition, the sublimation cooling unit (520') according to the present embodiment does not have a branch line (46), but at least one of the plurality of cooling chambers (521) may be arranged to be connected to the recovery line (45) and the resupply line (50).
즉, 제어부는 복수 개의 냉각 챔버(521) 중 일부가 냉각을 수행하도록 제어하되, 본체(523)를 축(C)을 중심으로 회전시키는 것에 의해, 냉각을 수행하고 있는 냉각 챔버(521)가 회수 라인(45) 및 재공급 라인(50)과 연통되도록 제어할 수 있다.That is, the control unit controls some of the plurality of cooling chambers (521) to perform cooling, and by rotating the main body (523) around the axis (C), the cooling chamber (521) performing cooling can be controlled to communicate with the recovery line (45) and the resupply line (50).
보다 구체적으로, 도 3의 상측에 위치하는 냉각 챔버(521a)가 회수 라인(45) 및 재공급 라인(50)과 연통된 상태에서 냉각 수단(미도시)에 의해 냉각되고 있을 때에는, 회수 기체가 상측의 냉각 챔버(521a)를 통과하면서 수증기는 승화되어 냉각 챔버 내부에 얼어붙게 됨으로써 회수 기체로부터 제거될 수 있다. 그런데 회수 기체가 이송되는 상측의 냉각 챔버(521a)가 소정 시간 냉각 운전된 후 냉각 챔버 내부의 공간이 좁아져 얼어붙은 얼음을 제거해야 하는 경우, 제어부는 하측의 냉각 챔버(521b)가 냉각을 수행하도록 제어한 후, 본체(523)를 축(C)을 중심으로 회전하여 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버(521)를 하측의 냉각 챔버(521b)로 변경할 수 있다. 그리고 소정 시간 냉각 운전된 냉각 챔버(521a)에 대해서는 가열이 진행되도록 전환하는 것에 의해, 냉각으로 승화된 얼음을 액화시켜 제거할 수 있다.More specifically, when the cooling chamber (521a) located on the upper side of FIG. 3 is cooled by a cooling means (not shown) while being connected to the recovery line (45) and the resupply line (50), when the recovery gas passes through the upper cooling chamber (521a), the water vapor is sublimated and frozen inside the cooling chamber, thereby being removed from the recovery gas. However, when the space inside the cooling chamber becomes narrow after the upper cooling chamber (521a) through which the recovery gas is transported has been cooled for a predetermined period of time, and the frozen ice needs to be removed, the control unit controls the lower cooling chamber (521b) to perform cooling, and then rotates the main body (523) around the axis (C) to change the cooling chamber (521) through which the recovery gas is transported to the lower cooling chamber (521b). In addition, by switching the cooling chamber (521a) through which the cooling operation has been performed for a predetermined period of time so that heating is performed, the ice sublimated by the cooling can be liquefied and removed.
본 실시예에 따른 승화 냉각부(520')에서도 본체(523)를 축(C)을 중심으로 회전시키는 것만으로 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버(521)를 변경할 수 있으므로, 황화리튬 제조장치를 정지시키지 않고 연속적으로 황화리튬을 제조할 수 있어 효율적이며, 수분을 더욱 확실하게 제거한 황화수소를 반응 챔버로 재공급할 수 있게 하므로 고순도의 황화리튬을 획득하도록 할 수 있고, 공정의 경제성을 향상시킨다. In the sublimation cooling unit (520') according to the present embodiment, since the cooling chamber (521) to which the recovery gas is transferred can be changed simply by rotating the main body (523) around the axis (C), lithium sulfide can be continuously manufactured without stopping the lithium sulfide manufacturing device, which is efficient, and since hydrogen sulfide from which moisture has been more reliably removed can be re-supplied to the reaction chamber, high-purity lithium sulfide can be obtained, and the economic feasibility of the process is improved.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 승화 냉각부를 나타낸 정면도이다. 본 실시예에 따른 승화 냉각부(520'')는 3개 이상의 냉각 챔버(521)를 구비하는 점에서 전술한 승화 냉각부(520')와 차이가 있다. 냉각 챔버(521)의 개수는 특별히 한정되지 않는다. Fig. 4 is a front view showing a sublimation cooling unit according to another embodiment of the present invention. The sublimation cooling unit (520'') according to the present embodiment is different from the sublimation cooling unit (520') described above in that it has three or more cooling chambers (521). The number of cooling chambers (521) is not particularly limited.
예를 들어, 도 4와 같이 4개의 냉각 챔버(521a, 521b, 521c, 521d)가 본체(523)에 관통 형성되는 경우, 적어도 어느 하나의 냉각 챔버가 회수 라인(45) 및 재공급 라인(50)과 연통되도록 마련될 수 있다. 그리고 제어부는 복수 개의 냉각 챔버(521a, 521b, 521c, 521d)가 순차적으로 냉각 운전되도록 제어함과 함께. 본체(523)를 축(C)을 중심으로 회전시키는 것에 의해 회수 기체가 냉각이 진행되고 있는 냉각 챔버로 이송되도록 제어할 수 있다. 마찬가지로 소정 시간 냉각 운전된 냉각 챔버에 대해서는 가열이 진행되도록 하여 냉각으로 승화된 얼음을 액화시켜 제거할 수 있다.For example, when four cooling chambers (521a, 521b, 521c, 521d) are formed penetrating the main body (523) as shown in FIG. 4, at least one cooling chamber may be provided to communicate with the recovery line (45) and the resupply line (50). In addition, the control unit may control the plurality of cooling chambers (521a, 521b, 521c, 521d) to be sequentially cooled and, by rotating the main body (523) around the axis (C), control the recovery gas to be transferred to the cooling chamber where cooling is in progress. Similarly, for the cooling chamber that has been cooled for a predetermined time, heating may be performed so that ice sublimated by cooling may be liquefied and removed.
또는, 본 실시예에 따른 승화 냉각부(520'')는 복수 개의 냉각 챔버(521a, 521b)에서 냉각이 진행되도록 제어할 수도 있고, 이 경우 회수 라인(45)으로부터 분기된 복수 개의 라인이 냉각을 수행하는 복수 개의 냉각 챔버(521a, 521b)와 각각 연통되도록 마련될 수도 있다. 냉각 챔버(521)의 개수는 반응 챔버(100)의 크기, 가열부(150)가 반응 공간을 가열하는 온도 등에 기초하여 발생하는 수증기의 양에 따라 적절히 마련될 수 있다.Alternatively, the sublimation cooling unit (520'') according to the present embodiment may be controlled to perform cooling in a plurality of cooling chambers (521a, 521b), and in this case, a plurality of lines branched from the recovery line (45) may be provided to communicate with a plurality of cooling chambers (521a, 521b) that perform cooling, respectively. The number of cooling chambers (521) may be appropriately provided based on the amount of water vapor generated, such as the size of the reaction chamber (100), the temperature at which the heating unit (150) heats the reaction space, and the like.
이와 같이 반응 챔버(100)로부터 배출되고 응축부(300), 용매 재공급부(400)를 거쳐 회수되고 수분 제거부(500) 내에서 수분이 완전히 제거된 황화수소 기체는 재공급 라인(50)을 통해 반응 챔버(100) 하단, 황화수소 공급부(200) 또는 황화수소 공급 라인(20)을 통해 반응 챔버 내에 다시 공급될 수 있다(도 1 참조). 재공급 라인(50)은 반응 챔버(100)의 하단 일측 단부에 연결될 수 있다. 또한, 재공급 라인(50)은 황화수소 공급부(200) 또는 황화수소 공급 라인(20)의 일측에 연결될 수도 있다. 한편 반응 챔버(100) 내로 공급된 리튬 원료는 중력에 의해 반응 챔버(100)의 하측으로 떨어진 후 반응 용매 내에서 공급된 황화수소와 반응하게 되며, 이때 공급되는 황화수소는 인-라인 분산 장치(in-line disperser) 등에 의해 반응 챔버 내에 버블링 된 상태로 공급되므로, 반응 면적이 보다 증가될 수 있고, 이로 인해 리튬 원료와의 반응이 보다 원활히 이루어질 수 있게 된다. In this way, the hydrogen sulfide gas discharged from the reaction chamber (100), recovered through the condensation unit (300) and the solvent resupply unit (400), and from which moisture is completely removed in the moisture removal unit (500), may be supplied back into the reaction chamber through the resupply line (50) to the bottom of the reaction chamber (100), the hydrogen sulfide supply unit (200), or the hydrogen sulfide supply line (20) (see FIG. 1). The resupply line (50) may be connected to one end of the bottom of the reaction chamber (100). In addition, the resupply line (50) may also be connected to one side of the hydrogen sulfide supply unit (200) or the hydrogen sulfide supply line (20). Meanwhile, the lithium raw material supplied into the reaction chamber (100) falls to the lower side of the reaction chamber (100) by gravity and reacts with the hydrogen sulfide supplied in the reaction solvent. At this time, the supplied hydrogen sulfide is supplied in a bubbled state into the reaction chamber by an in-line disperser or the like, so that the reaction area can be increased, and thus the reaction with the lithium raw material can be performed more smoothly.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely an illustrative description of the technical idea of the present invention, and those skilled in the art will appreciate that various modifications and variations may be made without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention but to explain it, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within a scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the rights of the present invention.
10: 리튬 원료 공급 라인
20: 황화수소 공급 라인
30: 황화리튬 회수 라인
40: 배기 라인
45: 회수 라인
46(46a, 46b): 분기 라인
47(47a, 47b): 분기 밸브
48(48a, 48b): 분기 라인
49(49a, 49b): 분기 밸브
50: 재공급 라인
60: 용매 재공급 라인
100: 반응 챔버
150: 가열부
200: 황화수소 공급부
300: 응축부
400: 용매 재공급부
500: 수분 제거부
515, 515': 배출부
520, 520', 520'': 승화 냉각부
521(521a, 521b, 521c, 521d): 냉각 챔버
523: 본체
525: 냉각 수단
600: 황화리튬 회수부
F: 필터 부재 10: Lithium raw material supply line
20: Hydrogen sulfide supply line 30: Lithium sulfide recovery line
40: Exhaust line 45: Return line
46(46a, 46b): Branch line 47(47a, 47b): Branch valve
48(48a, 48b): Branch line 49(49a, 49b): Branch valve
50: Resupply line 60: Solvent resupply line
100: Reaction Chamber
150: Heating section
200: Hydrogen sulfide supply section 300: Condensation section
400: Solvent resupply section 500: Moisture removal section
515, 515': Exhaust
520, 520', 520'': Sublimation Cooling Unit
521(521a, 521b, 521c, 521d): Cooling chamber
523: Body
525: Cooling means
600: Lithium sulfide recovery unit
F: Absence of filter
Claims (12)
상기 반응 챔버에 황화수소를 공급하도록 구비된 황화수소 공급부;
상기 반응 공간을 가열하도록 구비된 가열부;
상기 반응 챔버 내에서 황화수소와 리튬 원료간 반응으로 생성된 황화리튬으로부터 불순물을 제거하여 순수한 황화리튬 만을 회수하도록 구비되는 황화리튬 회수부;
상기 반응 챔버로부터 배출되는 기체를 회수하여 응축시키는 응축부;
상기 응축부로부터 혼합물을 전달받아 반응 용매를 선별한 후 상기 반응 챔버 내로 공급하는 용매 재공급부; 및
상기 용매 재공급부로부터 전달된 회수 기체로부터 수증기를 제거한 후 황화수소 기체만을 반응 챔버 하단, 황화수소 공급부 또는 황화수소 공급 라인으로 공급하도록 구비되는 수분 제거부; 를 포함하는, 황화리튬 대량 제조장치.
A reaction chamber having a reaction space for manufacturing lithium sulfide and provided with lithium raw materials;
A hydrogen sulfide supply unit provided to supply hydrogen sulfide to the above reaction chamber;
A heating unit provided to heat the above reaction space;
A lithium sulfide recovery unit provided to remove impurities from lithium sulfide generated by the reaction between hydrogen sulfide and lithium raw material within the above reaction chamber and to recover only pure lithium sulfide;
A condenser that recovers and condenses gas discharged from the reaction chamber;
A solvent resupply unit that receives a mixture from the condenser, selects a reaction solvent, and supplies it into the reaction chamber; and
A lithium sulfide mass production device, comprising: a moisture removal unit provided to remove water vapor from the recovery gas delivered from the solvent resupply unit and then supply only hydrogen sulfide gas to the bottom of the reaction chamber, a hydrogen sulfide supply unit, or a hydrogen sulfide supply line;
상기 반응 챔버 내에는 공급된 황화수소와 리튬 원료간 반응을 촉진하기 위해 교반 부재가 더 구비되는, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 1,
A lithium sulfide mass production device, wherein a stirring member is further provided within the above reaction chamber to promote a reaction between the supplied hydrogen sulfide and lithium raw material.
상기 반응 챔버는 하스텔로이 X(Hastelloy X), 스테인레스스틸 304(SUS 304), 스테인레스스틸 310(SUS 310), 스테인레스스틸 316(SUS 316), 알루미나(Alumina), 석영(quartz) 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 재질인, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 1,
A lithium sulfide mass production device, wherein the above reaction chamber is made of at least one material selected from the group consisting of Hastelloy X, stainless steel 304 (SUS 304), stainless steel 310 (SUS 310), stainless steel 316 (SUS 316), alumina, quartz, and combinations thereof.
상기 가열부는, 상기 반응 챔버의 외면에 장착되어 상기 반응 공간의 온도를 120℃ 이상 300℃ 미만으로 가열하는, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 1,
A lithium sulfide mass production device, wherein the heating unit is mounted on the outer surface of the reaction chamber and heats the temperature of the reaction space to 120°C or higher and less than 300°C.
상기 반응 챔버로 공급되는 리튬 원료는 입자 크기가 1㎜ 이하인, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 1,
A lithium sulfide mass production device, wherein the lithium raw material supplied to the above reaction chamber has a particle size of 1 mm or less.
상기 용매 재공급부는, 딘스탁 트랩(Dean-Stark Trap)인, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 1,
The above solvent resupply unit is a lithium sulfide mass production device, which is a Dean-Stark trap.
상기 수분 제거부는, 상기 용매 재공급부로부터 회수한 기체를 냉각시켜, 상기 기체로부터 수분만을 선별적으로 제거하는 승화 냉각부인, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 1,
The above moisture removal unit is a lithium sulfide mass production device, which is a sublimation cooling unit that cools the gas recovered from the solvent resupply unit and selectively removes only moisture from the gas.
상기 승화 냉각부는 복수 개의 냉각 챔버와, 상기 승화 냉각부를 제어하는 제어부를 포함하고,
상기 제어부는, 상기 복수 개의 냉각 챔버 중 기설정된 하나 이상의 냉각 챔버로 회수 기체가 이송될 때, 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버에서 냉각이 수행되도록 제어하는, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 7,
The above sublimation cooling unit includes a plurality of cooling chambers and a control unit for controlling the above sublimation cooling unit,
A lithium sulfide mass production device, wherein the control unit controls cooling so that, when the recovery gas is transferred to one or more preset cooling chambers among the plurality of cooling chambers, cooling is performed in the cooling chamber to which the recovery gas is transferred.
상기 제어부는, 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버가 소정 시간 냉각 운전된 후, 회수 기체가 또 다른 냉각 챔버로 이송되도록 제어하고, 상기 소정 시간 냉각 운전된 냉각 챔버에 대해서는 가열이 진행되도록 하여, 냉각으로 승화된 얼음을 액화시켜 제거하는, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 8,
The above control unit controls the cooling chamber to which the recovery gas is transferred so that after the cooling chamber to which the recovery gas is transferred is cooled for a predetermined period of time, the recovery gas is transferred to another cooling chamber, and causes heating to proceed with the cooling chamber that has been cooled for the predetermined period of time, thereby liquefying and removing ice sublimated by cooling. A lithium sulfide mass production device.
상기 승화 냉각부는, 상기 회수 기체를 상기 복수 개의 냉각 챔버로 각각 이송하기 위한 복수 개의 분기 라인과, 상기 분기 라인에 설치되어 각각의 상기 분기 라인을 개폐하는 밸브를 구비하고,
상기 제어부는, 상기 밸브를 제어하는 것에 의해 상기 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버를 결정하도록 구성되는, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 9,
The above sublimation cooling unit has a plurality of branch lines for transferring the recovery gas to each of the plurality of cooling chambers, and a valve installed in the branch lines to open and close each of the branch lines.
A lithium sulfide mass production device, wherein the control unit is configured to determine the cooling chamber to which the recovery gas is transferred by controlling the valve.
상기 승화 냉각부는, 상기 회수 기체가 이송되는 방향에 평행한 축을 중심으로 회전 가능하게 마련된 본체를 구비하고,
상기 복수 개의 냉각 챔버는, 상기 축에 평행한 방향을 따라 상기 본체에 관통 형성되되, 적어도 어느 하나가 상기 회수 기체가 이송되는 라인인 회수 라인 및 회수 기체가 반응 챔버로 재공급되도록 하는 재공급 라인과 연통하도록 마련되고,
상기 제어부는, 상기 본체를 상기 축을 중심으로 회전시키는 것에 의해, 냉각을 수행하고 있는 상기 냉각 챔버가 상기 회수 라인 및 재공급 라인과 연통되도록 제어하는, 황화리튬 대량 제조장치.
In claim 9,
The above sublimation cooling unit has a main body that is configured to rotate around an axis parallel to the direction in which the recovery gas is transported.
The above plurality of cooling chambers are formed through the main body in a direction parallel to the axis, and at least one of them is provided to communicate with a recovery line through which the recovery gas is transported and a resupply line through which the recovery gas is resupplied to the reaction chamber.
A lithium sulfide mass production device in which the control unit controls the cooling chamber, which is performing cooling, to be connected to the recovery line and the resupply line by rotating the main body around the axis.
상기 제어부는, 회수 기체가 이송되는 냉각 챔버가 소정 시간 냉각 운전된 후, 상기 본체를 상기 축을 중심으로 회전시키는 것에 의해 상기 회수 라인이 냉각 운전이 예정된 다른 냉각 챔버와 연통되도록 제어하고, 상기 소정 시간 냉각 운전된 냉각 챔버에 대해서는 가열이 진행되도록 하여, 냉각으로 승화된 얼음을 액화시켜 제거하는, 황화리튬 대량 제조장치.In claim 11,
The above control unit controls the recovery line to be connected to another cooling chamber scheduled for cooling operation by rotating the main body around the axis after the cooling chamber into which the recovery gas is transferred has been cooled for a predetermined period of time, and causes heating to proceed with the cooling chamber that has been cooled for the predetermined period of time, thereby liquefying and removing ice sublimated by cooling. A lithium sulfide mass production device.
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