KR100460077B1 - 가압식 관로형 반응기 - Google Patents

Abstract

관로 내를 흐르는 유체에 약품을 투여하여 유동장 내에서 반응하게 하는 가압식 관로형 반응기는 내부를 지나는 유체의 혼합을 유도하기 위한 다수의 만곡부를 갖도록 적층된 관로 유닛, 관로 유닛 내로 유체를 유입시키기 위해 압력을 가하는 가압수단, 및 관로 유닛에 설치되어 유체에 약품을 주입하기 위한 약품주입부(30)를 포함하고, 관로 유닛은 상하로 적층되도록 배열되는 다수의 직선형 제1 배관(10), 및 각 제1 배관의 단부를 연결하는 만곡형 제2 배관(20)으로 이루어진다.

Description

가압식 관로형 반응기{Pressurized Tubular Reactor}

본 발명은 반응기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 관로 내를 흐르는 유체에 약품을 투여하여 유동장 내에서 반응하게 하는 가압식 관로형 반응기에 관한 것이다.

일반적으로, 반응기란 화학반응을 진행시키기 위한 기구를 말하며, 반응장치라고도 불린다. 이 반응기는 흔히 반응을 자유롭게 제어할 수 있게 제작되며, 조작방식에 따라 회분식(回分式:배치식), 유통식(플로식), 반회분식으로 분류된다. 회분식은 한 번 원료를 넣으면, 목적을 달성할 때가지 반응을 계속하는 방식이고, 유통식은 계속해서 원료를 공급하여 제품을 끌어내는 방식이다. 또, 반회분식은 처음에 원료를 넣고 반응이 진행됨에 따라 다른 원료를 첨가하는 방법이다.

어떠한 방식을 채택하는가는 화학반응에 있어서 화학반응 메커니즘, 반응속도, 생성물의 종류와 수율 등은 온도, 압력, 반응물의 농도 등과 같은 반응조건과, 반응기 내부에서의 물질전달 메커니즘을 결정할 기계적 설계인자, 그리고 반응기내 체류속도 등의 운전조건과 같은 여러 요인들을 고려하여 결정되어진다. 그런 이유로 각각의 화학반응에는 최적의 반응조건, 운전조건 및 반응기 형태가 존재하며, 오늘날에는 다양한 형태의 반응기들이 개발되어 사용되고 있다. 이들 중 많은 반응기들이 내부 물질전달을 향상시키는 방법으로 프로펠러나 임펠러를 사용한 기계적 교반을 채택하고 있으며, 그래서 연속식 교반 반응기(Continuously Stirred Tank Reactor; CSTR)가 가장 널리 사용되고 있다.

오늘날 정수공정이나 폐수처리공정과 같은 수처리공정은 pH 조절이나 응집제 투여와 같은 전처리 공정을 포함하고 있으며, 이들 공정에 사용되는 가장 보편적인 반응기 형태는 연속식 교반 반응기이다. 이러한 폐수처리공정을 살펴보면, 폐수는 일정한 속도로 반응기 내로 유입되고, 일정한 시간동안 반응기 내에서 체류하면서 산, 염기, 혹은 폴리머 응집제 등과 같은 약품들과 혼합되어지고, 다시 일정량이 유출구를 통해 빠져나간다. 그러므로, 연속식 교반 반응기에서는 주입되는 약품의 균일한 혼합과 반응이 끝난 유체의 원활한 배출이 반응기 설계 및 성능에 영향을 미치는 주요인자이다.

아무리 반응기 내부에서 물질전달 설계가 잘되어도, 연속식 교반 반응기는 다음과 같은 근본적인 문제점을 가진다. 먼저, 유체가 반응기 내부에 일정시간 체류하게 됨으로서, 주입되는 화학약품이 연속으로 유입되는 유입수와 단독으로 반응하는 것이 아니라, 반응기에 존재하는 반응이 끝난 체류유체에 의해 화학약품이 희석되고, 또한 이 화학약품은 체류유체와도 반응하게 된다. 따라서, 주입되는 화학약품이 체류유체 내에서 희석되고 반응하는 것은 약품의 낭비와 예상치 못한 부정적 효과를 가져올 수 있다. 수처리공정에서 가장 흔히 사용되는 전처리 공정은 응집제를 이용하여 부유물이나 색도물질 또는 용존 유기물을 응집 침전시키는 방법이다. 이 공정에서 응집제의 효과는 pH, 오염물의 성상, 그리고 오염물과 응집제의 투여량 비율에 의해 좌우되어진다. 그러므로, 반응기 내에 반응물들이 체류하면 시간에 따라 유입되는 폐수와 반응기 내에 체류하는 유체의 오염물의 성상이 달라질 수 있으며, 이는 사전에 측정된 최적 응집반응 조건에 따른 응집반응 공정의 효율에 영향을 미치게 된다.

예를 들면, 수처리공정에서 가장 널리 사용되는 응집제 중의 하나인 폴리머 응집제는 비록 반응기에 주입되기 전에 사전에 용해되어 사용되어진다고 하더라도 일정한 점도를 가지기 때문에 반응기에 주입되는 순간 아무리 교반이 잘되어도 순간적으로 균일하게 분포되지는 않는다. 또한, 이 폴리머 응집제는 유입되는 원수 속에 포함된 오염물과 반응하기보다는 주변에 체류하는 반응물(즉, 이전의 반응에서 생긴 침전물, 콜로이드 혹은 폴리머 플록)과 반응하는 경향이 있다. 이러한 경향은 반응기 내부의 체류물질이 많아질수록 폴리머의 부분 응집이 심화될 것이고, 원수에 포함된 용존 유기물과 같이 크기가 작은 오염물의 응집제거효과는 거의 기대하기 어려울 것으로 보인다. 이런 경우, 주입 약품의 반응효율 저하를 가져오며, 더 많은 약품이 소모되고, 응집기 내의 물질전달이 양호하지 못하여, 침전물이나 플록의 반응기내 체류가 심화되고 시간이 지남에 따라 수처리공정의 효율이 저하되고 운전상의 어려움을 일으킬 수 있다.

기존의 대부분의 연속식 교반 반응기들이 교반을 위해 프로펠러 교반기를 사용하였으며, 교반기를 반응조 중심부에 설치하는 구조를 가지고 있다. 따라서, 교반기의 규모가 커질수록 반응기 내의 물질전달이 정체되는 데드볼륨이 존재할 가능성이 커지며, 반응기 내의 균일 혼합이 어려워지게 된다. 그리고, 반응기에 투입되는 약품의 균일 분산이 어려워지며, 원수에 포함된 오염물과 직접 반응할 확률이 떨어지게 되어 반응기의 효율저하가 일어날 수 있다. 또한, 이러한 종래의 연속식 교반 반응기는 크기가 커질수록 설치공간과 운전비가 크게 상승한다. 더구나, 연속식 교반 반응기는 반응기 온도유지가 힘들어 겨울철에 기온이 강하하면 반응기의 운전효율이 급격히 떨어질 수 있다. 특히, 옥외에 설치된 경우에는 겨울철의 온도영향이 심하며, 반응기가 미생물공정에 사용될 경우 이런 영향은 매우 중대한 공정상의 문제점을 유발시키게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 관로 내에 유체를 강제적으로 유입시켜 유동하게 한 상태에서 유체의 유동장 내에 각종 약품을 투입함으로써 약품과 유체의 효율적인 반응을 유도할 수 있는 가압식 관로형 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가압식 관로형 반응기를 도시하는 사시도.

도 2는 본 발명의 반응기에 설치된 약품주입부를 도시하는 도면.

도 3은 본 발명의 반응기에서 제1 배관 내에 유선가이드가 형성된 상태를 도시하는 일부 절개도.

도 4는 본 발명의 반응기에서 제1 배관 내에 팬이 설치된 상태를 도시하는 일부 절개도.

도 5는 본 발명의 반응기에 설치된 유량 조절용 바이패스관을 도시하는 도면.

도 6은 본 발명의 반응기에 공기주입부가 설치된 상태를 도시하는 도면.

도 7은 본 발명의 변형예를 도시하는 도면.

도 8은 본 발명의 반응기에 초음파 진동자가 설치된 상태를 도시하는 도면.

도 9는 본 발명에 따른 가압식 관로형 반응기의 다른 실시예를 도시하는 사시도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1,1'..반응기 10,10'..제1 배관 12..유선가이드

14..팬 20..제2 배관 20'..벤추리관

22..오리피스 30..약품주입부 40..바이패스관

50..공기주입부 58,58'..초음파 진동자

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 가압식 관로형 반응기는 내부를 지나는 유체의 혼합을 유도하기 위한 다수의 만곡부를 갖도록 적층된 관로 유닛, 관로 유닛 내로 유체를 유입시키기 위해 압력을 가하는 가압수단, 및 관로 유닛에 설치되어 유체에 약품을 주입하기 위한 약품주입부를 포함한다.

바람직하게, 배관 유닛에는 유체를 진동시키기 위한 초음파 진동자가 하나 이상 설치된다.

또한, 관로 유닛은 다수의 직선형 제1 배관 및 각 제1 배관의 단부를 연결하는 만곡형 제2 배관을 포함하고, 제1 배관은 상하로 적층되도록 배열되는 것이 바람직하다.

이때, 다수의 제1 배관 중 적어도 일부는 다수의 소구경 배관으로 이루어지고, 둘 이상의 소구경 배관이 인접한 제2 배관 사이에서 병렬로 연결되는 것이 또한 바람직하다.

바람직하게, 제1 배관의 입구부 내주면에는 나선형의 유선 가이드가 형성될 수 있으며, 또한 제1 배관 내에는 유체의 유동에 의해 회전하는 팬이 하나 이상 설치될 수 있다.

이때, 약품주입부는 상기 제2 배관에 설치되는 것이 바람직하며, 약품주입부가 설치된 제2 배관은 약품주입부와 통하는 위치에 오리피스가 형성될 수 있고, 또한 약품주입부에는 약품주입량 조절을 위한 바이패스관이 설치될 수 있다.

바람직하게, 이와 같은 반응기는 제2 배관 내에 수직방향으로 설치되어 미세한 기공을 가진 산기관을 통해 공기입자를 유체 내로 공급하기 위한 공기주입부를 더 포함할 수 있으며, 공기주입부가 설치된 제2 배관 영역은 갈수록 폭이 작아지는 벤추리관으로 이루어지는 것이 또한 바람직하다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 가압식 관로형 반응기(1)의 구성을 보여주는 도면이다. 도면을 참조하면, 본 발명의 가압식 관로형 반응기(1)는 전체적으로 관로 형태로 이루어지고, 이 관로 내로 반응 대상인 유체가 지나가게 된다. 보다 상세하게 설명하면, 본 발명의 가압식 관로형 반응기(1)는 다수의 직선형 배관(제1 배관, 10)이 상하로 적층되고, 각각의 직선형 배관(10)을 만곡형 배관(제2 배관, 20)으로 연결된 형태의 관로 유닛으로 제작된다. 이때, 다수의 제1 배관(10)은 인접한 배관과 서로 일정 간격만큼 떨어지도록 구성되며, 제2 배관(20)은 인접한 두 제1 배관(10)의 단부를 서로 연결시키게 된다. 제1 배관(10)과 제2 배관(20)은 모두 내부로 유체가 지나가는 유동장을 제공하며, 특히 제2 배관(20)은 만곡된 형상에 의해서 유체의 혼합을 유도하게 된다. 또한, 다른 예로서 제1 배관과 제2 배관을 구분하지 않고 전체 관로 유닛을 하나의 배관으로 제작하는 것도 가능하지만, 본 실시예에서는 제1 배관과 제2 배관이 별도로 제작되어 연결되는 것을 예로 들어 설명한다.

이러한 관로 유닛(제1 및 제2 배관)에는 반응 대상이 되는 유체가 유입되어야 하는데, 이를 위해서 관로 유닛(10, 20)에는 별도의 가압수단(미도시)이 연결된다. 가압수단은 관로 유닛(10, 20) 내로 유체를 유입시키기 위해 압력을 가하는 역할을 하며, 이 역할을 수행할 수 있는 어떠한 장치라도 사용 가능하다. 통상적으로 유체를 유입시키는 가압수단으로는 펌프가 사용될 수 있다.

바람직하게, 관로 유닛(10, 20)은 상하방향으로 구성되고, 가압수단은 유체가 관로 유닛(10, 20)의 하부에서 상부로 유동하도록 설치된다. 통상적으로 반응기(1) 내에는 각종 화학반응에 의해 기포가 형성될 수 있으므로, 유체가 하부에서 상부로 이동하게 되면 유체의 유동방향에 따라서 기포가 자연스럽게 외부로 배출될 수 있다. 또한, 이러한 상향 유동구조는 후술되는 공기주입부와도 잘 호환되는데, 이는 이후에 상세히 설명된다.

이와 같은 관로 유닛은 각 배관(10, 20)을 따라서 유체가 지속적으로 유동하게 하며, 이 유체의 유동장에 직접 약품을 투여하게 된다. 이를 위해서 관로 유닛에는 약품주입부(30)가 설치되는데, 약품주입부(30)는 바람직하게 만곡형 제2 배관(20)에 설치된다. 왜냐하면, 제2 배관(20)은 만곡된 형상에 의해 제1 배관(10)에 비해 유체의 유동이 심하며, 그로 인해 투입된 약품이 유체와 보다 빠른 속도로 혼합되고, 따라서 보다 효율적인 반응이 가능해지기 때문이다.

약품과 반응유체 사이의 혼합을 극대화하기 위해서, 도 2에 도시된 것처럼,약품주입부(30)가 설치되는 영역에 오리피스(22)를 형성할 수도 있다. 즉, 도 2를 참조하면, 약품주입부(30)가 설치되는 제2 배관(20)의 일부 영역에 폭이 좁은 오리피스(22)를 형성하고, 이 오리피스(22)로 약품이 투입된다. 이때, 오리피스(22)가 형성된 제2 배관에는 약품주입부(30)의 주입관(32)이 연결되고, 오리피스(22) 주위로는 약품 주입을 위한 다수의 주입구(36)가 형성된다.

일반적으로, 일정한 관로를 지나는 유체는 폭이 좁은 오리피스(22)를 통과하면서 유속이 빨라지고 압력이 낮아지게 된다. 따라서, 유체가 오리피스(22)를 통과할 때 오리피스(22) 주위에 형성된 주입구(36)를 통해 약품이 빨려들게 되며, 이 약품은 빠른 속도로 유동하는 유체와 순식간에 혼합되게 된다. 따라서, 오리피스(22)를 이용하게 되면 약품 주입을 위해 별도의 구동수단이 필요치 않으며, 다만 주입관(32)에 밸브(38)를 설치하여 약품주입을 원할 때에만 밸브(38)를 개방하도록 구성하면 된다. 또한, 약품주입부(30)에는 약품주입량을 조절하기 위해 바이패스관을 설치할 수도 있으며, 바이패스관은 후술되는 유량조절용 바이패스관과 유사한 구성을 가진다.

이와 같이 관로 유닛(10, 20) 내에 투입된 약품은 유체와 함께 각 배관 내에서 지속적으로 유동하며 혼합된다. 따라서, 투입된 약품은 유체 내에서 정체하지 않으며, 약품주입부(30)로부터의 관로 길이를 연장 또는 축소하여 반응시간 및 처리속도를 용이하게 조절할 수 있다.

이때, 제2 배관(20)은 약품주입부(30)가 설치되는 위치에서 약품주입부(30)가 설치될 수 있는 충분한 영역을 확보하도록 소정 길이만큼 연장되도록 구성될 수도 있다(도 1 참조). 또한, 유체의 특성 및 원하는 결과물에 따라서 반응기(1)에는 다수의 약품주입부(30, 30')가 설치될 수도 있는데, 이때 각 약품주입부의 설치위치는 각 약품의 반응 순서 및 속도에 의해서 결정된다.

또한, 각 배관(10, 20)에는 약품주입부(30)와는 별도로 유체의 특성을 파악하기 위한 각종 측정수단이 설치될 수 있는데, 이러한 측정수단의 설치구조는 약품주입부(30)와 유사하게 구성될 수 있다. 도면에는 한 예로서 제2 배관(20)에 pH 미터(30")가 설치된 상태가 도시되어 있다. 일반적으로 수처리공정에서 pH는 매우 중요한 인자이며, 다음 단계에서 사용될 반응 종류에 따라 최적의 pH를 유지하기 위해서는 산과 염기를 이용한 pH 조절이 기본이 된다. 이때, 본 발명에서와 같이 pH 미터(30")를 유체가 지속적으로 유동하는 배관(10, 20)에 설치하게 되면, 종래의 교반 반응기에 비해 적은 양의 유체에 대해서 보다 정확하게 pH를 실시간으로 측정할 수 있으며, 유체의 현재 pH를 근거로 최소량의 산 또는 염기를 투여하여 보다 정밀하게 pH를 조절할 수 있다.

일반적으로 유체와 약품을 반응시키기 위한 반응기는 유체와 약품을 신속하게 혼합시켜 모든 유체에 대해서 균일한 반응을 유도하는 것이 중요하다. 이러한 관점에서 본 발명의 반응기(1)에는 유체의 혼합을 유도하여 반응을 촉진시키기 위한 다양한 보조 구조물이 설치 또는 형성될 수 있는데, 이러한 예가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다.

본 발명의 반응기(1)는 직선형 배관(10)과 만곡형 배관(20)이 교대로 설치된 구조를 가진다. 이때, 관로 유닛을 지나는 유체는 만곡형 배관(20)에서는 난류 상태를 유지하여 유체 혼합을 쉽게 유도할 수 있으나, 직선형 배관(10)에서는 유체가 층류를 이루어 약품 혼합이 둔화될 수 있는데, 이를 방지하기 위해서 제1 배관(10)의 입구 부분 내주면에 나선형의 유선가이드(12)를 형성할 수 있다(도 3 참조). 나선형의 유선가이드(12)는 직선형 제1 배관(10)으로 유입되는 유체가 가이드(12)에 의해 회전하면서 유동하게 하여, 직선형 배관(10) 내에서 유체가 난류 상태를 유지할 수 있게 한다. 이러한 유선가이드(12)는 직선형 배관(10) 전체에 걸쳐 형성될 수도 있으나, 배관(10)의 전체 길이를 고려하여 입구 주변의 일정 영역에만 형성하는 것이 바람직하다.

또한, 도 4를 참조하면, 직선형 배관(10)의 입구에는 유체의 유동에 의해 회전하는 팬(14)을 설치할 수도 있다. 이 팬(14)은 별도의 동력원이 연결되지 않으며, 유체의 유동에 의해 자연스럽게 회전하게 된다. 따라서, 팬(14)은 유체가 지나감에 의해 지속적으로 회전하며, 팬(14)을 지나는 유체 또한 팬(14)을 따라 회전하면서 유동하도록 유도된다. 또한, 팬(14)은 유체 내부에 응집된 슬러지 또는 공기방울을 분산시키는 역할도 할 수 있다. 이러한 팬(14)은 별도의 지지대(15)에 의해 배관(10)의 내벽에 고정되며, 회전 중심은 배관(10)의 중심에 위치하는 것이 바람직하다.

다시 도 1을 참조하면, 본 발명의 반응기(1)에는 유체의 유량조절을 위한 바이패스관(40)이 설치될 수 있다. 바이패스관(40)은 관로 유닛(10, 20)의 어느 위치에도 설치될 수 있지만, 가장 바람직하게는 반응기의 초입에 설치되어 반응기 전체에 걸쳐 유량을 조절하거나, 약품주입부(30)에 설치되어 약품의 주입량을 조절하는데 사용된다. 이러한 바이패스관(40)은 도 5에 도시된 것처럼, 배관 유닛에 유체가 우회할 수 있는 바이패스 경로(42)를 설치하고, 바이패스 경로(42)에 밸브(44)를 설치하는 구성을 가질 수 있다. 따라서, 관리자는 밸브(44)를 열고 닫음에 의해서 유체의 유속을 조절하게 되고, 유속 조절에 의해서 반응물의 교반 강도를 조절할 수 있게 된다.

다음으로, 본 발명의 반응기(1)에는 유체 내에 미세한 공기입자를 주입하기 위한 공기주입부(50)를 더 설치할 수 있으며, 도 6에는 공기주입부(50)가 배관 내에 설치된 모습이 잘 도시되어 있다. 도면을 참조하면, 공기주입부(50)는 만곡형형 제2 배관(20) 내에 바람직하게는 수직방향으로 설치되는데, 배관 내에 다수의 미세한 통공(54)이 형성된 산기관(52)을 설치하고, 이 산기관(52)에 압축공기를 유입하기 위한 공기주입관(56)을 연결하여 외부로부터 압축공기를 주입하는 구성을 가진다.

공기주입부(50)의 산기관(52)을 통하여 빠져나온 미세한 공기입자는 빠른 속도로 지나가는 혼합 유체와 혼합되어, 혼합 유체 속에 포함된 오염물이나 폴리머 플록 등에 쉽게 달라붙는다. 일반적인 수처리공정에서 공기를 이용하는 경우, 어떻게 미세 공기방울을 형성하고 또한 이 미세 공기방울을 얼마나 오랫동안 유지하는지가 공정의 성능에 매우 큰 영향을 미친다. 이러한 관점에서, 본 발명의 반응기(1)는 산기관(52) 주변을 지나는 유체의 유속이 빨라 유압이 상대적으로 작기 때문에, 산기관(52)에서 방출된 공기방울은 혼합 유체를 통해 빠르게 분산되어 공기방울이 산기관(52) 표면에 거의 뭉치지 않게 된다. 즉, 산기관(52)의 통공(54)을통해 나오는 공기는 유체의 유속에 의해 산기관 표면에서 순식간에 분리되기 때문에, 통공(54) 주변에서 공기방울이 커지는 것을 방지하는 것이다.

이와 같은 공기주입부(50)는 관로 유닛의 하부, 바람직하게는 최하단 제2 배관에 설치되며, 여기서 생성된 공기방울은 유체의 유동방향을 따라서 각 배관(10, 20)을 통해 위쪽으로 이동하게 된다. 일반적으로 공기방울은 유체보다 비중이 작기 때문에, 본 고안과 같은 상향이동방식은 공기방울이 유체와 역행하는 것을 방지한다.

이때, 도 7에 도시된 것처럼, 산기관(52) 주변의 배관을 산기관(52)의 뒷부분으로 갈수록 폭이 작아지는 벤추리관(20') 형태로 제작할 수도 있다. 일반적으로 산기관(52)은 공기방울 생성효율을 높이기 위해 배관의 길이방향으로 설치되는데, 이때 산기관(52)의 앞쪽에서 생성된 공기방울이 뒤쪽에서 생성된 공기방울과 서로 뭉치거나, 공기주입부(50) 하단의 공기압 증가에 의해 유체흐름이 정체되는 경우가 있다. 그러나, 산기관(52) 주변의 배관을 벤추리관(20')으로 제작하게 되면, 산기관(52)의 뒷부분으로 갈수록 유체의 유속이 빨라져 공기방울이 뭉치거나 유속이 정체되는 현상을 방지할 수 있다.

또한 도 6 및 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반응기(1)의 관로 유닛 내에는 유체를 진동시키기 위한 초음파 진동자(58, 58')를 설치할 수 있다. 초음파 진동자(58, 58')는 제1 배관(10) 및 제2 배관(20)의 일부 내벽에 홈을 형성한 후 그 안에 설치될 수 있으며, 유체를 진동시켜 뭉친 공기를 분산시키고, 공기 방울과 플록의 접촉을 향상시키는 역할을 한다. 이러한 초음파 진동자(58)는 유체의진동이 필요한 관로 유닛의 어느 위치에도 설치될 수 있으며, 특히 도 6에서와 같이, 공기주입부(50)의 산기관(52)과 인접한 곳에 설치하여 미세 공기입자 형성을 돕도록 구성할 수 있다.

본 발명의 가압식 관로형 반응기(1)는 종래의 교반식 반응기와는 달리 폐쇄된 시스템이기 때문에 한번 주입된 공기는 관로 유닛 전체를 따라 이동하면서 플록과 접촉하게 된다. 따라서, 본 발명의 가압식 관로형 반응기(1)는 공기의 대기유출 손실에 의한 에너지소모를 줄일 수 있어 적은 공기로도 큰 효과를 얻을 수 있어 효율적이다. 또한, 관로를 이동하는 동안 뭉쳐진 공기는 초음파 진동자(58) 및 팬(14)에 의해서 분산되며, 이물질이나 플록 덩어리들도 팬(14)과 초음파 진동자(58)에 의해서 잘게 부서져 미세한 공기방울에 부착된다.

또한, 본 실시예에서 직선형 제1 배관(10)은 만곡형 제2 배관(20)보다 작은 직경을 갖도록 구성되어, 제1 배관(10)의 양단부가 제2 배관(20) 내에 삽입되도록 구성될 수 있다. 이러한 구조에 의해서, 유체의 유동이 불규칙한 제2 배관(20)에서는 유체가 넓은 폭으로 활발하기 지나갈 수 있게 하고, 유체가 층류를 이루기 쉬운 직선형 제1 배관(10)에서는 유체가 좁은 영역을 지나면서 활발한 유동을 유지하게 한다.

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 가압식 관로형 반응기(1')이다. 본 실시예에 따른 반응기(1')는 관로 유닛에 있어서 앞선 실시예와 차이가 있을 뿐 나머지 부분에 대해서는 동일하다.

본 실시예에 따른 반응기(1')에서 관로 유닛은 앞선 실시예와 유사하게 상하로 적층된 다수의 직선형 제1 배관(10')이 만곡형 제2 배관(20)으로 서로 연결된 구성을 갖지만, 이때 제1 배관(10')은 다수의 소구경 배관으로 구성된다. 즉, 인접한 두 개의 제2 배관(20) 사이에는 두 개 이상의 소구경 배관(10')이 병렬로 연결되는 것이다. 이러한 소구경 배관(10')은 작은 직경을 통과하는 유체가 약품과 보다 잘 혼합되도록 도와준다. 또한, 이러한 소구경 배관(10')에도 앞선 실시예와 같은 각종 보조 구조물이 설치 및 형성될 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

또한, 도 9에는 유체를 유입시키는 유체 유입관(2), 유입되는 유체의 유량을 조절하기 위한 밸브(3), 약품과 혼합된 유체를 외부로 송출하기 위한 유체 송출관(4) 등이 도시되어 있는데, 이는 본 실시예만의 특별한 구성은 아니며, 앞선 실시예에도 그대로 적용될 수 있는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 가압식 관로형 반응기는 유체가 관로 내를 이동하는 동안 약품을 투입함으로써 약품이 유체의 유동장에서 지속적으로 균일하게 혼합될 수 있다.

또한, 유체가 다수의 만곡부를 가진 관로 유닛을 지나면서 지속적으로 유동하기 때문에 유체에 투입된 약품은 한 곳에 응집되지 않고 유체와 거의 완벽하게 반응하게 된다.

또한, 관로 내에 나선형 유선가이드와 팬을 설치하여 관로 내를 지나는 유체의 유동을 심화시켜 약품 혼합을 더 촉진할 수 있으며, 관로 유닛의 하단에 공기주입부를 설치하여 미세한 공기방울을 방출시켜 유체 내의 플록 및 슬러지를 제거시킬 수 있다.

또한, 관로 유닛 내에 다수의 초음파 진동자를 설치하여 공기방울 및 플록을 잘게 분해할 수 있으며, 이러한 역할은 상술된 팬에 의해서도 구현된다.

이러한 본 발명의 가압식 관로형 반응기는 폐쇄형 시스템이기 때문에 공기가 대기 중에 유출되지 않아 효율적이다.

또한, 본 발명의 가압식 관로형 반응기는 수처리공정에서 전처리공정뿐 아니라 고도처리공정에도 사용될 수 있는데, 특히 오존을 이용한 유기물의 고도산화에 특히 효과적이다. 그 이유는 반응기에 주입된 오존이 완전히 반응할 수 있도록 충분한 혼합을 제공하고 오존의 유출을 원천 봉쇄할 수 있기 때문이다.

또한, 본 발명의 가압식 관로형 반응기는 일반적인 미생물 공정에서 공기의 대기유출에 의한 에너지소모를 줄일 수 있기 때문에 에어레이션 비용이 많이 드는 미생물 공정에도 충분히 응용될 수 있다.

또한, 다수의 관로를 서로 연결하도록 구성되기 때문에, 본 발명에 의한 가압식 관로형 반응기는 약품주입부, 초음파 진동자, 공기주입부 각종 부품을 설치, 수리 및 교체하는 것이 매우 용이하며, 특히 반응기 자체의 구조변경이 용이하여관로 유닛의 형상, 길이, 배치 등을 설치환경 및 원수의 성상에 설계 및 제작할 수 있다.

또한, 본 발명의 가압식 관로형 반응기는 관로형태로 이루어지기 때문에 보온이 쉬우며, 유입부에서 가열된 유체는 반응기 전체 부분에 걸쳐 상승된 온도를 유지할 수 있어 계절적 요인인 온도하강에 따른 공정효율 저하, 동작중지 등의 운전상 어려움을 방지할 수 있다.

Claims (11)

1. 상하로 적층되도록 배열되는 다수의 직선형 제1 배관(10), 및 각 제1 배관의 단부를 상하로 연결하는 만곡형 제2 배관(20)으로 이루어진, 내부를 지나는 유체의 혼합을 유도하기 위한 관로 유닛;

   상기 관로 유닛 내로 유체를 유입시키기 위해 압력을 가하는 가압수단;

   상기 관로 유닛에 설치되어 상기 유체에 약품을 주입하기 위한 약품주입부(30);

   유체를 진동시키기 위해 상기 배관 내에 설치되는 하나 이상의 초음파 진동자(58); 및

   상기 제2 배관 내에 수직으로 설치되어 미세한 기공을 가진 산기관(52)을 통해 공기입자를 유체 내로 공급하기 위한 공기주입부(50)를 포함하고,

   상기 공기주입부가 설치된 제2 배관 영역은 갈수록 폭이 작아지는 벤추리관(20')으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 가압식 관로형 반응기.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 다수의 제1 배관 중 적어도 일부는 다수의 소구경 배관(10')으로 이루어지고, 둘 이상의 소구경 배관이 인접한 제2 배관 사이에서 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 가압식 관로형 반응기.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 제1 배관의 입구부 내주면에는 나선형의 유선 가이드(12)가 형성된 것을 특징으로 하는 가압식 관로형 반응기.
6. 제 4항에 있어서,

   상기 제1 배관 내에는 유체의 유동에 의해 회전하는 팬(14)이 하나 이상 설치되는 것을 특징으로 하는 가압식 관로형 반응기.
7. 제 4항에 있어서,

   상기 약품주입부는 상기 제2 배관에 설치되는 것을 특징으로 하는 가압식 관로형 반응기.
8. 제 7항에 있어서,

   상기 약품주입부가 설치된 제2 배관은 상기 약품주입부와 통하는 위치에 오리피스(22)가 형성된 것을 특징으로 하는 가압식 관로형 반응기.
9. 제 7항에 있어서,

   상기 약품주입부에는 약품주입량을 조절하기 위한 바이패스관이 설치되는 것을 특징으로 하는 가압식 관로형 반응기.
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