KR0148400B1 - 미세입자로 된 고체물질을 두 입자부분으로 분리하는 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

미세입자로 된 고체물질을 50㎛이하, 바람직하게는 대략 10㎛이하의 분리점 크기에서 미립자 부분과 조립자 부분으로 분리하기 위한 방법 및 장치.

본 발명의 목적은 경제적으로 실행될 대략 10㎛이하의 입자크기범위로 명확한 분리를 허용하는 방법 및 장치를 개발하는 것이다.

이 문제에 대한 해결책은 방울을 형성할 수 있는 액체내에 미세입자로 된 고체를 분산시키고 이 분산액을 한정된 침하(강하)흐름으로, 침하 흐름과는 독립적으로 발생되는 겹치는 회전 흐름과 함께 밀어넣는 것이다. 두 속도, 즉 침하 흐름속도와 회전 흐름 속도 사이의 관계는 분리점 크기에 의해 지지받는다.

장치는 외부에서 내부로의 흐름으로 회전식으로 구동되는 편향 휘일로 구성되며, 편향 휘일은 흐름 채널을 형성하는 그의 회전축과 평행하게 조립된 날개를 가지며, 그것에 의해 공급 분산액이 그의 외부 주변부에서 편향 휘일로 공급된다.

Description

미세입자로 된 고체물질을 두 입자부분으로 분리하는 방법 및 장치

제1도는 원통형 하우징을 가진 본 발명의 설계장치의 개략도이며,

제2도는 공통의 하우징에 수평하게 배열된 몇가지 편향 휘일의 변형을 나타내며,

제3도는 깔대기 형상의 구성요소가 부착된 하우징을 나타내며,

제4도는 원추형 표면으로 설계된 편향 휘일을 나타내며,

제5도는 원추형 형성부가 안에 장착된 편향 휘일을 나타내며,

제6도 및 제7도는 원통형 주변부 표면에 반경방향으로 정렬된 날개가 회전축으로 연장된 편향 휘일을 나타내며,

제8도 및 제9도는 중공축과 동축이 되게 설계된 원통형 형성부를 가진 편향 휘일의 종단면도와 횡단면도이다.

본 발명은 액체내 미립자 고체를 미립자 부분과 조립자(組立子)부분으로 분리하는 것에 관한 것이며, 대략 50㎛이하, 바람직하게는 대략 10㎛이하의 입자크기범위에서 이 분리를 실행하기 위한 방법과 장치에 관한 것이다.

0 내지 최고 50㎛ 사이의 입자크기분포를 갖는 미세입자의 고체를 약 10㎛미만의 분리점에서 미립자 부분과 조립자 부분으로 분리하는데 사용되는 바람직한 장치는 하이드로사이클론이며, 이 분리는 고체입장에 미치는 원심력, 벽마찰, 액체의 견인력의 조합된 작용을 통하여 달성된다. 그러나 하이드록사이클론에서 흐름조건과 관련된 기술적 이유 때문에 한정된 입자크기의 경우에 정확한 분리가 불가능하며, 중첩범위, 즉 미립자 부분과 조립자 부분 모두에 존재하는 입자크기범위는 보통 바람직하지 않게 된다.

그러므로, 본 발명의 목적은 특히 대략 10㎛미만의 입자크기 범위에서 합리적이고 경제적으로 정확한 분리를 가능하게 하는, 미세입자의 고체를 미립자 부분과 조립자 부분으로 분리하기 위한 방법과 장치를 개발하는 것이다. 이 문제에 대한 해결책은 방울을 형성할 수 있는 액체내에 미세입자의 고체를 분산시키고 이 분산액을 한정된 침하 (강하; draw-down) 흐름 및 침하 흐름과는 독립적으로 발생되는 중첩되는 회전 흐름으로 만드는 것이다. 두 개의 독립적으로 조절할 수 있는 속도, 즉 침하 흐름 속도와 회전 흐름 속도와의 관계는 분리점 크기, 정확하게는 공급 분산액이 미립자 부분으로 분리되는 점, 즉 회전 흐름에의해 발생된 원심력과 침하 흐름에 의해 발생된 액체의 견인력이 평형이 되는 점에 의해 정해지기 때문에 입자가 미립자 부분 또는 조립자 부분으로 들어갈 기회가 같게 된다.

본 발명의 방법은 외부에서 내부로의 흐름하에서 회전식으로 구동된 편향 휘일에서 침하 및 회전 흐름을 발생시킴으로써 특히 쉽게 실현될 수 있으며, 편향 휘일은 흐름 채널을 형성하는 그 회전축과 평행하게 부착된 날개를 가지며, 그것에 의해 분산액이 그의 외주부로부터 편향 휘일에 충전된다.

본 발명의 방법을 실행하는데 적당한 장치는 원 분산액을 공급하고 미립자 및 조립자 분산액을 방출하기 위한 접속부를 가지며, 적어도 하나의 추축 및 피구동 편향 휘일을 포함하는 내압 하우징으로 주로 구성되며, 그 외에 공급분산액을 장치에 충전시키기 위한 공급 펌프로 구성된다. 이 장치의 바람직한 설계는 청구항 제5항 내지 제12항에 기술된다.

다음에 본 발명을 상세히 설명한다.

편향 휘일은 분류될 고체-액체내에 분산되고 따라서 공급 분산액이라 부른다 - 가 입구 접속부를 경유하여 공급 펌프에 의해 유입되는 밀폐된 하우징내에 설치된다. 분산액은 외부에서 내부로 회전 편향 휘일을 통하여 흐르며, 그 동안 고체가 미립자 부분과 조립자 부분으로 분리된다. 유동액체에 의해 발생되는 견인력이 편향 휘일의 회전에 의해 발생되는 원실력보다 작은 입자들은 휘일의 중심에 도달하지 못하고 제거될 것이다. 견인력이 원심력보다 큰 입자들은 액체에 의해 휘일의 중심까지 이송된다. 따라서 현탁액의 이 부분은 미립자 부분을 함유하며 편향 휘일의 중심구역에 접속된 방출구를 통하여 분리장치의 하우징으로부터 배출된다.

제거된 입자들은 액체의 나머지 부분과 함께 제2의 방출구를 통하여 조립자 분산액으로서 하우징으로부터 배출된다.

편향 휘일이 회전하기 때문에, 미립자 분산액은 원심력에 반작용하고 상대적으로 높은 압력을 극복하여 휘일을 통하여 흘러야 한다. 작동조건에 따라서 3 내지 20bar의 범위에 달하는 이 압력은 공급 펌프에 의해 발생된다. 압력부하 때문에 분리장치의 하우징과 편향 휘일 구동축의 베어링 유니트는 내압 설계되어야 하며; 후자는 슬라이딩 링 시일의 사용이 일반적으로 필요한다.

분리점 크기를 결정하는 작동 변수는 편향 휘일의 주변 속력과 날개에 의해 형성되는 흐름 채널내의 반경방향유속이다. 편향 휘일의 정해진 외직경하에서 주변속력은 단지 편향 휘일의 속력에 의해 조절될 수 있으며, 방사 유속은 편향 휘일의 자유 흐름 단면과 미립자 분산액의 체적 유량에 의해 결정된다. 조립자 분산액의 체적흐름과 함께 이 변수는 공급 분산액의 공급 속도에 의해 결정되는데, 이것은 공급 펌프의 전달 속도를 조절함으로써 조정된다. 미립자 분산액이 자유롭게 방출될 수 있는 것이 통례이기 때문에, 그 체적 유량은 공급 속도와 조립자 분산액 체적 유량에 대한 미립자 분산액 체적 유량의 분리비에 의해 간접적으로 조절된다. 이 분리비는 조립자 분산액의 체적 유량을 변화시킴으로써, 예를 들면 출구 직경을 변경하거나 측정된 정량으로 조립자 분산액을 펌핑함으로써 변경된다.

가장 간단한 경우에, 편향 휘일의 회전축은 축방향으로 대칭인, 예를 들면 원통형 하우징의 축과 같은 뜻이며, 이 하우징내에서 분산된 고체를 함유하는 액체는 어떤 특별한 기술적 수단의 필요성 없이 편향 휘일과 함께 균일하게 회전할 수 있다. 특히 원통형 용기의 경우에, 용기의 내벽과 편향 휘일의 주변부 사이의 반경 방향 거리가 작게 유지된다면, 그 결과 그 전체 길이를 따라서 편향 휘일을 통한 흐름이 균일한 형태가 된다. 최단 흐름과 역흐름 효과는 이 방법에서 효과적으로 방지될 수 있다. 내벽과 휘일 주변부 사이의 반경방향 거리가 편향 휘일 직경의 10% 미만일 경우 최적 흐름 조건이 달성된다.

복잡한 경우 또는 하나의 하우징내의 몇개의 편향 휘일이 설치될 경우, 극도로 미세한 분리와 높은 처리 속도가 유구된다면, 특정 부속품, 예를들면 편향 휘일의 외부구역에서 만큼 조속하게 액체와 고체의 균일한 사전가속을 실행하는 회전 링디스크를 편향 휘일에 장착하는 것이 유리 할 수 있다.

공급 분산액을 위한 유입구는 편향 휘일 상부, 하부, 또는 바로곁의 하우징에 설치될 수 있으며, 그것에 의하여 편향 휘일 회전의 흐름 방향과 동일한 흐름 방향으로 접선 흡입이 액체와 고체의 사전 가속을 돕는다. 하우징의 하단부와 그것의 중심으로 축흐름 방향을 갖도록 공급분산액을 위한 입구를 설치함으로써 추가적인 사전분류효과가 달성될 수 있다. 이 배열은 조립자를 하우징 벽으로 이동시켜서, 편향 휘일에 부담을 주는 대신에, 그것들이 즉시 방출되도록 한다. 예를 들면, 직경이 접속부에서 보다 하우징으로 들어가는 지점에서 더 큰 원추형 하우징 요소를 통한 보다 긴 흐름 경로에 의해 사전분류효과가 더 개선될 수 있다.

편향 휘일은 표준 설계, 즉 날개와 중심의 개구 공간을 가진 원통형 휘일로 될 수 있다. 그러나 이 중심 공간에서 형성되는 잠재 소용돌이는 압력 강화가 크기때문에 이 형태의 편향 휘일 설계는 단지 저속 작동, 즉 낮은 처리 속도에서 상대적으로 굵은 분리에 적당하다.

잠재 소용돌이의 형성은 반경방향으로 정렬된 날개가 주변부에서 편향 휘일의 회전축 영역으로 연장되어 있는 편향 휘일로 방지할 수 있다. 현재 분리 공정은 소위 고체상(solid-bed) 소용돌이에서 일어나며, 그것의 가장 높은 주변속도는 잠재 소용돌이와는 대조적으로 날개의 외부 가장자리에서이다. 압력강화는 상당히 낮으며, 체적 유량과는 무관한 한편, 오로지 편향 휘일의 속력에 의존한다. 놀랍게도, 잠재 소용돌이를 갖는 편향 휘일보다 고체상 소용돌이를 갖는 편향 휘일에 위해 동시에 보다 높은 처리 속도에서 보다 높은 미립자 수율을 갖는 보다 미세한 분리가 달성될 수 있다는 것이 확증되었다.

편향휘일이 최적 분리를 실행하는 것이라면, 액체와 고체입자는 편향 휘일의 날개 채널에 들어가지 전에 가능한한 완전히 사전 가속되어야 하며, 이것은 특히 고체상 소용돌이를 가진 편향 휘일의 사용에 적용된다. 일반적으로 말하면, 공급 분산액을 위한 접속부의 적절한 배치에 의해 보통 충분한 정도의 사전가속이 달성된다. 그렇지 않은 경우에는, 링 디스크를 사용하는 것이 유리할 수 있는데, 예를 들면, 링 디스크는 편향 휘일에 고정적으로 부착되고 편향 휘일의 주변구역으로부터 바깥으로 반경방향으로 연장되어있고 각각에 대하여 축간격을 가지고 편향 휘일의 회전축에 동축으로 배열된다. 그들의 견인효과 때문에, 링 디스크는 날개채널로 유입되는 순간까지 균일하고 완전한 사전 가속을 실행할 수 있다.

사전 가속에 대하여, 편향 휘일을 통한 균일한 흐름 방식은 최적 분리 효과에 결정적이다. 특히, 고체상 소용돌이를 가진 편향 휘일의 경우, 편향 휘일의 회전축과 동축으로 축방향 대칭 형성부를 배열하여 흐름 방식을 개선하는 것이 가능하며, 이것에 의해 편향 휘일의 반경방향으로 정렬된 날개는 그의 주변부로부터 형성부로 연장된다. 형성부는 원통형, 원추형 또는 원뿔대의 형태일 수 있다.

액체내 분산된 고체를 분류할 때 일반적으로고체가 분산액이 접촉하는 표면사에 침전될 위험은 없다. 그러므로 편향 휘일의 위에 걸쳐 장착된다면 미립자 방출을 위한 구동축 중공부를 만드는 것이 가능하고 또는 베어링이 편향 휘일의 양측에 장착된다면 단지 한개의 휘일축은 중공이 될 필요가 있다. 그래서 하우징의 내면으로 미립자 방출에 대한 정교한 시일링은 필요하지 않다. 방출된 미립자 분산액은 수집기내에 차단되고 그 다음 자유롭게 유출될 수 있다. 상기 언급된 형성부가 중공구동축 또는 굴대의 일부로서 설계되고 액체와 미립자가 중고축 또는 굴대로 들어갈 수 있는 편향 휘일 날개에 위해 형성된 각각의 흐름채널에 대하여 적어도 하나의 개구를 가진다면 유리한 설계를 가져온다.

설계의 예는 첨부된 도면에 나타난다. 동일한 기능을 자닌 구성요소는 각각의 도면에서 동일한 위치 번호를 가진다. 제1도는 원통형 하우징(1)을 가진 본 발명의 설계 장치의 개략도이며, 편향 휘일(3)용 베어링(8)은 이 하우징에 직접 플랜지 연결된다. 수직축 편향 휘일(3)은 벨트 풀리(12)와 중공축(9)을 통해 구동되며, 중공축의 베어링은 축 시일(6)에 의하여 하우징(1)의 내부에 대하여 밀봉된다. 즉, 액체내에 분산된 분리될 공급 물질은 접속부(2)를 통하여 하우징(1)으로 펌프되며, 이곳으로부터 편향 휘일(3)로 들어간다. 편향 휘일(3)에 의해 분리된 미립자는 미립자 분산액으로서 액체의 일부와 함께 중공축(9)을 통하여 고정된 미립자 수집기(10)로 방출되고, 후속 공정을 위해 접속부(4)를 통하여 유출된다. 편향 휘일(3)에 의하여 제거된 조립자 물질은 하우징 접속부(5)의 바닥에서 중앙 개구부(11)를 통하여 액체의 나머지와 함께 유출된다. 방출되는 조립자 분산액의 양은 개구부(11)의 단면을 변화시켜서 조절될 수 있으며, 즉 축방향으로 조절 가능한 미끄럼 밸브(7)는 이 목적에 사용된다.

제2도는 공통의 하우징(1)에 수평하게 배열된 몇가지 편향 휘일(3)의 변형을 나타낸다. 각각의 편향 휘일(3)은 벨트 풀리(12)를 통하여 그것의 자체 모터(도시않음)에 의해 구동된다. 이것에 의해 각각의 편향 휘일(3)의 속도를 독립적으로 조절할 수 있기 때문에 다른 조성의 여러 미립자 분산액이 하나의 공급 분산액으로부터 동시에 추출될 수 있다. 이 변형은 각각의 편향 휘일에 대하여 동일하게 낮은 값으로 설정된 분리점에서 높은 처리량을 달성하기 위한 바람직한 변형이다.

편평한 바닥을 가진 하우징(1)(제1도) 대신에 , 제3도는 깔대기 형상의 구성요소(14)가 거기에 부착되고, 그의 최하부점으로 유입되는 공급 분산액을 위한 입구 접속부(2)를 가지는 것을 나타낸다. 제1도와 비교하여, 접속도(2)와 접속부(5)가 바뀌었다. 이 설계는 아래 방식에 의해 공급물질의 사전 분류를 달성하는 역할을 한다; 회전 편향휘일(3)은 도입된 분산액을 회전시키고, 다음에 편향 휘일(3)로 들어가기 전에 조립자를 구성요소(14)와 하우징(1)의 챔버벽으로 운반하고 거기서 제동시켜서, 그것들이 더 이상 편향 휘일(3)로 들어갈 수 없도록 하는 대신에 접속부(5)를 통하여 직접 방출될 수 있도록 한다. 접속부(5)에 설치된 미끄럼 밸브(7)는 방출되는 조립자 분산액의 양을 조절하는 역할을 한다.

제1도 내지 제3도에서 편향 휘일(3)은 주로 두개의 리미팅 디스크(15, 16)로 구성되는데 각각 서로로부터 축간격을 두고 함께 접속되며, 회전축과 나란히 장착되고 흐름 채널을 형성하는 날개(17)가 그 사이에서 디스크의 주변부 주위에 불균일하게 배열되며, 그것에 의해 날개는 수직하게 또는 주변부에 대해 비스듬히 정렬될 수 있다. 미립자 분산액은 리미팅 디스크(15)의 중심 보링을 통하여 중공축(9)으로 방출된다. 날개(17)의 외부 가장자리에 의해 정해지는 주변 표면은 원통형 표면이다. 또한 제4도에서와 같이, 중심 보링을 가지는 리미팅 디스크(15)에서 가장 큰 직경을 가지며, 모든 자유 내공간의 상부에서 편향 휘일(3)을 통하여 보다 균일한 흐름방식을 촉진시키기 위하여 원추형 표면으로 설계될 수 있다.

제5도에서, 동일한 작업은 편향 휘일(3)내에 동심으로 장착되고 리미팅 디스크(16)에 고정된 원추형 형성부(18)에 의해 실행된다.

제6도 및 제7도에 나타난 편향 휘일(3)은 원통형 주변 표면을 가지며, 그것에 의해 반경방향으로 정렬된 날개(17)는 편향 휘일(3)의 회전축으로 연장된다.

이 설계에 의해, 잠재 소용돌이 대신에 고체상 소용돌이가 편향 휘일(3)에 형성된다. 플랫 링 디스크(19)는 제7도에서 편향 휘일(3)에 등거리로 부착되며, 편향 휘일(3)의 외부 주변부에서 바깥으로 방사상으로 연장되어 있으며 외부로부터 편향 휘일(3)로 충전되는 공급 분산액을 사전 가속하는 역활을 한다.

제8도 및 제9도는 중공축(9)과 동축이 되게 설계된 원통형으로 형성부를 가진 편향 휘일(3)의 종단면과 횡단면을 나타낸다. 두개의 인접된 날개(17)에 의해 형성된 각각의 흐름 채널에 대하여 미립자 분산액이 중공축(9)으로 들어갈 수 있는 날개(17)의 축 정도로 길이방향으로 연장된 형성부내의 갭(20)이 있으며, 그로부터 미립자 수집기(10)와 접속부(4)를 경유하여 분리장치에서 배출된다(제1도 내지 제3도).

Claims (13)

1. 미세입자의 고체를 미립자 부분과 조립자 부분으로 분리하는 방법에 있어서, a) 미세입자 고체를 액체 매질 내에 분산시켜 상기 미립자 부분과 조립자 부분의 분산액을 형성하는 단계; b) 침하흐름을 형성하기 위하여, 상기 분산액을 제1지점으로부터 제2지점까지 연장되어 있는 제1경로를 따라서, 그리고 입자분포를 갖는 상기 미세입자의 적어도 일부를 상기 제2지점을 향하여 수송하기에 충분한 견인력을 생성하는 유속으로 가압하고; 이와 동시에 그리고 독립적으로 상기 분산액을 제2경로를 따라 가압하여 회전흐름을 형성함으로써 상기 제1 및 제2지점 사이에서 상기 침하흐름의 제1경로를 따라 흐르는 분산액에 상기 견인력에 대한 반대방향으로 원심력을 가하는 단계; c) 견인력과 원심력의 적어도 하나를 조절하여 상기 미세입자 고체의 입자크기의 영역을 조절하고, 그것에 의하여 상기 침하흐름의 상기 경로를 따라서 상기 제2지점으로 이송되는 미립자 부분의 입자크기 영역을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 침하흐름속도와 회전흐름속도 사이의 관계를 선택함으로써 상기 미세입자 고체의 미립자 부분과 조립자 부분의 분리점 크기를 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, a) 침하흐름을 발생시키기 위하여, 휘일의 중심을 규정하는 회전축 및 휘일의 주변부를 규정하는 위치로부터 상기 중심을 향하여 내부 반경방향으로 연장되어 있는 복수의 이격된 날개를 가지는 편향휘일을 통하여 분산액이 펌프되고, 상기 분산액의 상기 펌핑은 휘일의 주변부로부터 휘일의 중심으로 연장되어 있는 상기 날개들 사이에 위치하는 흐름채널을 따라 이루어지며, b) 회전흐름을 발생시키기 위하여, 상기 편향휘일이 회전하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 미세입자 고체가 앱체 매질내에 분산되어 분산액을 형성하고, 상기 미세입자의 고체를 미립자 부분과 조립자 부분으로 분리하는 장치에 있어서, 상기 장치가, a) 내압 하우징(1)을 포함하고, 여기에서 상기 내압하우징은 상기 하우징으로 분산액을 충전하기 위한 제1접속부(2), 상기 하우징으로부터 상기 미립자 부분을 배출하기 위한 제2접속부(4), 및 상기 하우징으로부터 상기 조립자 부분을 배출하기 위한 제3접속부(5)를 구비하고 있으며; b) 상기 하우징 내에 회전가능하게 장착되고, 그 중심을 규정하는 회전축 및 그 주변부를 규정하는 위치로부터 상기 중심을 향하여 내부 반경방향으로 연장되어 있는 복수의 이격된 날개를 가지는 하나 이상의 편향휘일(3)을 포함하고, 여기에서 상기 날개의 휘일의 주변부로부터 휘일의 중심으로 연장되어 있는 인접한 날개쌍 사이에 흐름채널을 규정하며; c) 상기 제1접속부(2)를 통하여 상기 분산액을 충정하고, 상기 충전액을 휘일의 상기 주변부로부터 상기 중심을 향하여 상기 흐름채널을 따라 가압하여 상기 침하흐름을 생성시키기 위한 공급펌프; 및 d) 상기 분산액의 회전흐름을 생성시키기 위하여 상기 휘일을 회전시키기 위한 수단(12)을 포함하는 것을 특징으로 하는 미세입자의 고체를 미립자 부분과 조립자 부분으로 분리하는 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 하우징이 축방향으로 대칭인 용기인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 하우징이 편향휘일의 직경이 10%보다 작게 편향휘일의 주변부로부터 반경방향으로 이격된 내벽을 구비한 원통형 하우징인 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 조립자 부분을 위한 상기 제3접속부가 하우징의 바닥부 중심지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제5항에 있어서, 상기 분산액을 충전하기 위한 상기 제1접속부가 하우징의 바닥부 중심지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제4항에 있어서, 상기 조립자 부분을 위한 상기 제3접속부가 크기가 조절가능한 외경을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제4항에 있어서, 조절가능한 이송속도를 가지는 추출펌프가 조립자 부분을 위한 상기 제3접속부에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
11. 제4항에 있어서, 상기 편향휘일의 상기 날개가 반경방향으로 정렬되고 휘일의 주변부로부터 편향휘일의 상기 회전축 영역으로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
12. 제4항에 있어서, 상기 편향휘일의 상기 날개가 반경방향으로 정렬되고 휘일의 주변부로부터 편향휘일에 동축으로 배치된 축방향으로 대칭인 형성부로 연장되어 있는 것을 특징으로 하는 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 형성부는 편향휘일의 중공 구동축의 일부이고, 미립자 부분이 상기 제2접속부를 통하여 방출될 수 있도록 하기 위하여 상기 인접한 날개쌍 사이에 형성된 흐름채널을 위한 하나 이상의 개구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.