KR100491426B1 - 분리방법및분리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액체배지로부터 분리가능한 성분을 분리하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 분리장치는 오직 하나의 셀 또는 이웃한 다수의 셀 스택을 포함하고, 각각의 셀은 필터(13)를 포함하는 플레이트 유니트, 챔버(10)내로 액체배지를 공급하기 위한 입구(16), 폐기액을 배출하기 위한 출구(18) 및 투과액을 배출하기 위한 출구(17)로 구성된다. 액체배지에는 음파, 가급적으로 초음파 및/또는 전기장으로 결합가능한 편리하게 설계된 로터에 의해 발생된 강한 교란이 제공되고, 이것에 의해필터상에 있는 분리가능한 성분의 퇴적이 방지되거나 아주 감소된다. 기본적으로 필터로 향한 로터날개의 날개표면이 상기 표면의 날개로부터 편향되는 하나 이상의 영역을 포함하거나 또는 로터로 향한 로터 날개의 표면(19)이 굴곡되어 날개표면과 필터사이의 거리가 로터의 내부에서 작고 상기 거리가 로터의 외주를 향해 점차적으로 증가하거나 또는 필터와 평행한 평면에서 로터 날개의 부분이 거의 S-형상면을 형성하므로서 S-형상이 이어지는, 본 발명에 따른 로터가 사용된다.

Description

분리방법 및 분리장치{SEPARATION METHOD AND APPARATUS}
본 발명은 크로스 플로우 멤브레인 여과(cross flow membrane filtration)에 입각하여 액체배지로부터 분리 가능한 성분들을 분리하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
크로스 플로우 필터에 있어서, 액체는 최소한 하나의 다이나믹 멤브레인을 포함하는 챔버로 공급된다. 공급되는 액체는 다이나믹 멤브레인을 투과하는 투과액 흐름과 필터를 투과하지 않고 필터를 따라 유동하는 폐기액 흐름으로 분리된다.
크로스 플로우 필터장치는 예컨대 스웨덴 공고공보 SE 451429호, 457607호, 459475호, 463241호 및 465040호의 특허 문서에 기술되어 있다. 이와 같은 장치의 사용에 근거한 방법은 액상에서 고체성분을 분리하는데 그리고, 액체로부터 액체를 분리하는데 예컨대 물로부터 오일을 분리하는데 잘 적용된다.
도1은 SE 451429호에 기술된 타입의 분리장치 일부를 도시한 것이다. 분리장치는 중심구멍(12)이 제공된 플레이트(11)가 배열되는 챔버(10)를 포함한다. 다이나믹 필터 멤브레인(13)은 플레이트 상에 고정된다. 로터날개(15)가 제공된 로터샤프트(14)는 플레이트 중심구멍을 통해 작동한다. 처리될 액체가 채널을 통해 로터챔버 내로 공급되어 액체의 일부(투과액)는 필터를 통과하고 플레이트의 채널을 거쳐 포집되어 최종적으로 투과액 출구를 통해 배출된다. 필터를 투과하지 않은 액체 흐름의 일부(폐기액)는 채널(18)을 통해 배출된다. 로터날개(15)에 의해 액체는 필터표면(13)과 필터표면에 적용된 적절한 다공층을 가로질러 추진된다.
SE 459475호는 SE 451429호에 따른 이웃하게 배열된 다수의 유니트 또는 셀(cells)을 포함하는 분리장치를 기술하고 있다. 처리될 액체는 플레이트의 관통구멍에 의해 형성된 조인트 채널을 통해 공급된다. 포집된 투과액은 공동 출구를 통해 배출되고 폐기액은 배출 폐기액용 공동 도관을 통해 배출된다.
필터 멤브레인 자체에는 또한 상기 특허공고공보에 설명된 타입과 같은 하나 이상의 다공성 물질층이 제공될 수 있다.
분리된 성분의 퇴적으로 인한 필터 멤브레인의 기공 또는 필터 멤브레인에 적용된 다공성물질의 막힘이 큰 문제이다. 막힘으로 인해 분리 성능이 빠르게 감소하고 이 때문에 시간간격 조정으로 필터를 재생하는 것이 필요하였다. 특허공고공보 SE 451429호에 따른 재생은 로터 날개에 연결된 부품(브러시, 밸브 등)이 필터 멤브레인 상의 다공성층과 접촉하여 이동되는 방식으로 실행된다. 이것에 의해 액체흐름으로부터 분리된 성분이 제거되고 다공성물질의 일부 또한 제거된다. 새로운 다공성 물질은 필요할 때마다 첨가된다.
이런 타입의 기계적 재생은 필터 멤브레인 또는 필터 멤브레인 상에 있는 다공성 물질의 손상을 포함하고 원하는 기공 크기를 방해하는 위험과 항상 연관된다. 따라서 이런 종류의 분리 방법을 피하는 것이 매우 바람직하다.
도1은 선행기술에 따른 분리장치의 일부를 도시한 것이다.
도2는 도1의 분리장치용으로 의도된 공지의 로터를 도시한 것이다.
도3은 본 발명의 제1실시예에 따른 로터를 도시한 것이다.
도4는 제2실시예의 로터를 도시한 것이다.
도5는 제3실시예의 로터를 도시한 것이다.
도6A 내지 도6C는 도4의 로터날개 단면도이다.
도7A 내지 도7D는 다른 실시예에 따른 로터날개의 단면도이다.
도8은 도3에 따른 로터날개의 실시예를 도시한 것이다.
본 발명에 따른 분리방법 및 분리장치는 필터가 분리된 물질의 퇴적 없이 유지되는 것이 달성된다.
본 발명의 특징은 독립 청구항 1, 2에 설명되어 있다.
즉, 액체배지로부터 분리 가능한 성분을 필터로 분리하는 방법에 있어서, 셀 또는 다수의 인접한 셀들의 스택(stack)을 포함하는 분리장치가 사용되고, 각각의 셀은 하나 이상의 필터(13)를 포함하는 플레이트 유니트, 액체배지를 챔버(10) 내로 공급하기 위한 하나 이상의 입구(16), 액체배지의 일부, 폐기액을 배출하기 위한 하나 이상의 출구(18), 필터를 통과한 액체배지(투과액)를 배출하기 위한 필터의 제2 측부에 있는 하나 이상의 출구(17)로 구성되며, 상기 입구(16)와 출구(18)는 필터의 제1 측부에 위치되고, 챔버(10)로 공급된 액체배지에 음파, 바람직하게 초음파 및/또는 전기장과 결합 가능하게 형성된 로터에 의해 발생된 강한 교란이 제공되고, 그것에 의해 필터 상에 있는 분리 가능한 성분의 퇴적이 방지되거나 아주 감소되며, 상기 방법은, 기본적으로 필터를 향한 로터날개의 평면이 상기 표면의 수평부로부터 편향되는 하나 이상의 영역(20)을 포함하거나, 또는 날개의 표면과 필터사이의 거리가 로터의 내부에서 작고 상기 거리가 로터의 외주로 점차적으로 증가하도록 필터로 향한 로터날개의 표면(19)이 굴곡되거나, 또는 필터와 평행한 수평부에서 로터날개의 부분이 기본적으로 S-형상면을 형성함으로써 S-형상이 이어지는, 다수의 원주상으로 이격된 로터날개를 포함하는 로터가 사용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본원발명의 액체배지로부터 필터로 분리 가능한 성분을 분리하기 위한 장치는 셀 또는 다수의 인접한 셀들의 스택을 포함하며, 각각의 셀은 최소한 하나의 필터(13)를 포함하는 관통 중심 구멍(12)이 제공된 플레이트 유니트, 챔버(10) 내로 액체배지를 공급하기 위한 하나 이상의 입구(16), 액체배지의 일부, 폐기액을 배출하기 위한 하나 이상의 출구(18), 필터를 통과한 액체배지(투과액)를 배출하기 위한 필터의 제2 측부에 있는 하나 이상의 출구(17), 및 필터의 표면을 따라 이동할 수 있는 다수의 원주상으로 이격된 로터날개(15)를 포함하며, 필터의 제1 측부에 위치되는 로터로 구성되며, 상기 입구(16)와 출구(18)가 필터의 제1 측부에 위치되고, 로터 샤프트가 플레이트 유니트의 중심구멍(12)을 통해 작동하고, 날개의 회전운동이 주위 액체배지에서 충분히 강한 교란을 발생시켜 필터 상에 있는 분리 가능한 성분의 퇴적을 방지하거나 아주 감소시키도록 로터 날개(15)가 설계되며, 기본적으로 필터로 향한 로터날개의 평면은 상기 표면의 수평부로부터 분리되는 하나 이상의 영역(20)을 포함하거나, 또는 날개의 내부와 필터 사이의 거리가 로터의 내부에서 작고 상기 거리가 로터의 외주를 향해 점차적으로 증가하도록 필터로 향한 로터 날개의 표면(19)이 굴곡되거나, 또는 필터와 평행한 평면에 있는 로터 날개의 부분이 기본적으로 S-형상면을 형성함으로써 S-형상이 이어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 장점은 음파, 바람직하게는 초음파 및/또는 전기장과 관련하여 적절하게 형성된 로터에 의해 형성된 강한 교란이 제공되는 액체배지가 제공되는 것에 근거하여 필터에 분리가능한 입자의 퇴적이 방지되거나 아주 감소되는 것이다.
제1 실시예에 따른 로터는 기본적으로 필터로 향하는 날개의 평면에 날개표면의 수평부로부터 편향되는 불규칙부가 제공되는 방법으로 설계된다. 불규칙부는 예컨대 관통구멍, 오목부 또는 슬롯, 또는 보스가 될 수 있다.
제2 실시예에 따르면, 필터로 향하는 로터날개의 표면이 굴곡되어 날개표면과 필터 사이의 거리가 로터의 내부지점에서 작고 상기 거리가 로터의 외주를 향해 점차적으로 커진다.
제3 실시예에 따르면, 로터 날개는 로터날개가 필터에 평행한 날개에서 S-형상부를 형성함으로써 S-형상이 이어지는 방식으로 설계된다.
로터 실시예의 특징은 상기 실시예 중 어느 하나와 필터로 향하는 로터 표면의 S-형상을 조합함으로써 달성된다.
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도2는 필터(13)의 수평면을 배경으로 하는 공지의 로터를 도시한 것이다. 로터는 로터 샤프트(14)에 고정된 2개의 로터날개(15)로 구성된다. 로터날개(15)는 큰 거의 직사각형의 각기둥(rectangular prism)이다.
도3은 본 발명에 따른 로터의 한 예를 도시한 것이다. 로터날개(15)는 필터(13)와 평행한 날개부가 S-형상면을 형성하는 방법으로 굴곡된다. 작동할 때 로터는 화살표 방향으로 회전한다. 도2에 따른 공지 타입의 로터는 주로 회전방향으로 액체흐름을 발생시킨다. 도3에 따른 로터의 시험 작동에서 로터 날개의 오목부가 방사상 방향으로 강한 액체흐름을 발생시키는 것을 나타내었다. 종래의 로터가 사용될 경우 회전속도는 로터 샤프트가 접근(approaching)될 때 감소한다. 도면에 도시된 바와 같이 로터는 로터 샤프트를 통해 정반대로 돌출된 연속 S-형상을 형성한다. 상기 연속 S-형상에 의해 발생된 방사상의 액체흐름으로 인해 더 큰 교란이 로터 샤프트 부근에서 또한 얻어진다. 이 결과 충분히 큰 교란은 분리 가능한 성분이 필터에 퇴적하는 것을 방지하기 위해 주위 액체배지에서 전체 필터표면에 걸쳐 달성된다. S-형상의 다른 장점은 주위 액체배지와 부딪치는 로터날개의 볼록부가 퇴적물이 없도록 효율적으로 유지되는 것이다. 상기 S-형상의 가장 큰 장점은 이와 관련하여 바람직하지 않은 로터의 펌핑효과가 증가된 액체 교란에 의해 보정되는 것이다.
도8은 도3에 특히 유리한 따른 날개 프로파일의 실시예를 도시한 것이다. 로터날개의 볼록 윤곽부(15a)는 샤프트(14)에서 볼록 윤곽부(15a)의 임의의 점(P)으로 그려진 선(L)과 상기 점에서 볼록 윤곽부(15a)에 접하는 접선(T)사이의 각도(α)가 언제나 거의 일정하고 이에 따라 상기 점(P)의 위치가 독립될 정도로 형성된다. 각도(α)는 45˚ 내지 80˚ 가 바람직하고 약 60˚ 가 적절하다. 이 실시예로 인해 볼록표면은 퇴적물 없이 유지되고 동시에 로터가 매우 작은 전력을 사용한다.
도4는 로터날개의 다른 형상을 도시한 것이다. 로터날개(15)는 기본적으로 각기둥으로 형성된 바디(body)이고 필터(13)로 향한 날개표면은 기본적으로 수평이다. 상기 표면에는 상기 표면의 수평부로부터 편향되는 하나 이상의 영역(20)이 제공된다. 도4에 있는 로터날개의 단면을 도시한 도6A 내지 도6C는 불규칙부(20)의 다른 형상을 도시한 것이다. 도6A 에서는 상기 불규칙부가 보스(21)로 구성되고 도6B에서는 오목부(22)로 구성되고 도6C에서는 관통구멍(23)으로 구성된다. 로터날개의 불규칙부(20)는 또한 하나 이상의 구멍(23), 하나 이상의 오목부(22) 및/또는 하나 이상의 보스(21) 조합이 될 수 있다.
불규칙부 특히 오목부 또는 관통구멍은 더 높은 교란으로 인한 로터의 원치않는 펌핑효과를 감소시킨다. 동시에 오목부 및 구멍은 로터날개와 주위 액체 사이의 더 작은 접촉표면을 발생시키고, 마찰을 감소시키고 이에 따라 전력 사용을 감소시킨다.
로터 블레이드(15)의 단면을 도시한 도7A-7D는 로터날개 자체보다 다른 물질로 구성되는 보스(22)의 특히 알맞은 실시예를 도시한 것이다. 보스(21)는 로터블레이드를 통과하는 구멍에 설치된 세퍼레이트 바디(separate body)로 구성된다. 다른 대안으로 상기 바디는 로터 블레이드의 오목부에 설치될 수 있거나 로터 블레이드의 표면에 고정될 수 있다. 상기 바디는 예컨대 밀폐 기포(closed cell)를 가진 폼 플라스틱(foam plastic), 가스 충전 커버 등의 액체 또는 가스 불투과성 압축성 부품이 될 수 있다. 이런 구성의 장점은 주위 압력에 의해 바디의 크기를 결정하는 것이 가능하다는 것이다. 예를 들어, 분리장치의 표준 작업 압력으로 강하게 압축되는 바디(21)용 물질을 선택하는 것이 가능하고(도7A), 이것에 의해 로터 표면의 평면 위에 있는 보스가 아주 약간 있거나 존재하지 않고 이에 따라 로터의 전력 수요가 적어진다. 필요할 때 작업 압력이 P0보다 적은 P1로 변화될 수 있으므로 바디(21)가 팽창한다(도7B). 이것에 의해 필터 표면까지의 거리가 감소되고 교란이 증가한다. 그와 함께 필터 멤브레인의 세정효과가 증가한다. 바디(21)는 필터 멤브레인과 접촉하게 됨으로써 기계적 세정이 달성될 정도로 많이 팽창한다. 바디(21)가 로터 블레이드 부착된 플렉시블 부품 등의 형태로 기계장치(21)에 작용하는 조정수단으로 작용하여 필터 멤브레인과 접촉하게 하는 것이 또한 가능하다(도7C 및 7D).
도5는 필터(13)의 수평부에 수직한 부분에서 제3실시예에 따른 로터 형태를 도시한 것이다. 필터(13)로 향한 로터날개(15)의 표면(19)은 날개표면과 필터사이의 거리가 로터의 내부에서 즉 로터 샤프트(14) 부근에서 작고 상기 거리가 로터의 외주를 향해 점차적으로 증가하는 방식으로 굴곡된다. 로터날개의 이 실시예에 의해 챔버(10)에 위치된 액체배지가 필터표면 전체에 걸쳐 양호하고 균일한 교란을 얻는 것이 가능하다. 균일한 두께를 가진 로터 날개가 사용될 때 회전속도(및 그것에 의한 교란)가 로터 샤프트 부근에서 감소된다. 도5의 구성에 따른 로터표면(19)과 필터(13)사이의 거리를 감소시킴으로써 이 영역에서 교란이 증가된다. 회전속도와 이것에 의한 교란은 로터 날개의 외주에서 높다. 이 영역에서 교란의 반작용을 더 증가시키기 위해 로터 날개의 표면(19)과 필터(13)사이의 거리를 증가시키는 것이 유리하다. 로터날개와 필터 사이의 거리가 날개의 외주에서 작을 경우 이것은 회전을 달성하기 위해 바람직하지 않은 전력증가를 유도한다.
도5에 따른 로터 날개에는 도4에 따른 로터 날개와 같은 종류의 불규칙부, 예를 들어 관통구멍, 보스 및 오목부가 제공될 수 있다.
여과성을 높이고 필터 기공의 막힘을 방지하기 위해 음파 특히 초음파를 사용하는 것이 알려져 있다(즉, 지배스킬래 소재, 프로세스 테크놀로지 프로그램사의, 1995년 3월 31일자, 티 튜리(T Touri) 등의 테커스(TEKES) 논문 "Filtration technique enhanced by elektro-acoustic methods", 참조). 본 발명에 따라 형성된 로터는 음파 송신기 특히 초음파 송신기 및/또는 전기장을 얻기 위한 장치와 결합될 수 있다. 전자음향 방법으로 지칭되는 음파와 전기장의 조합은 필터가 여과공정동안 막히게 되는 것을 방지하는데 매우 효율적인 것이 증명되었다. 고효율 여과는 위에서 설명한 특정 로터 설계와 결합되어 있는 전자음향장치에 의해 달성된다.
본 발명에 따른 분리장치는 액체로부터 고체입자, 용해된 고분자 물질 및 콜로이드(Colloids)를 분리하는데 그리고 다른 액체로부터 액체를 분리하는데 사용될 수 있다.
여과재는 분리공정에 기초하여 선택된다. 필터 멤브레인은 예컨대 다공성 직물, 종이직물 또는 도입부에서 언급된 특허공고공보들 중 어느 하나에 설명된 타입의 멤브레인이 될 수 있다. 필터 멤브레인 자체는 또한 필요하다면 하나 이상의 다공성 물질층 즉 상기 특허공고공보에 설명된 타입의 다공성 물질층이 제공될 수 있다. 필터는 또한 그 자체가 공지된 세라믹 필터 또는 약간 다른 단단한 다공성 물질을 포함한다.
본 발명의 여러 실시예가 첨부된 청구범위의 범위 내에서 변형될 수 있는 것이 이 분야에 기술을 가진 사람에게 명백하다.

Claims (9)

  1. 최소한 하나의 필터(13)를 포함하는 플레이트 유니트, 액체배지를 챔버(10) 내로 공급하기 위한 최소한 하나의 입구(16), 액체배지의 일부, 폐기액을 배출하기 위한 최소한 하나의 출구(18), 필터를 통과한 액체배지(투과액)를 배출하기 위한 필터의 제2 측부에 있는 최소한 하나의 출구(17)로 구성되고, 상기 입구(16)와 출구(18)는 필터의 제1 측부에 위치되고, 챔버(10)로 공급된 액체배지에 음파, 바람직하게 초음파 및/또는 전기장과 결합 가능하게 형성된 로터에 의해 발생된 강한 교란이 제공되고, 필터 상에 있는 분리 가능한 성분의 퇴적이 방지되거나 아주 감소되는 각각의 셀 또는 이웃한 다수의 셀 스택을 포함하도록 사용되는 분리장치에 있어서,
    - 기본적으로 필터를 향한 로터날개의 평면이 상기 표면의 수평부로부터 편향되는 하나 이상의 영역(20)을 포함하거나, 또는
    - 날개의 표면과 필터사이의 거리가 로터의 내부에서 작고 상기 거리가 로터의 외주로 점차적으로 증가하도록 필터로 향한 로터날개의 표면(19)이 굴곡되거나, 또는
    - 필터와 평행한 수평부에서 로터날개의 부분이 기본적으로 S-형상면을 형성하므로서 S-형상이 이어지는, 다수의 원주상으로 이격된 로터날개를 포함하는 로터가 사용되는 것을 특징으로 하는 필터로 액체배지로부터 분리가능한 성분을 분리하는 방법.
  2. 최소한 하나의 필터(13)를 포함하는 관통 중심 구멍(12)이 제공된 플레이트 유니트, 챔버(10)내로 액체배지를 공급하기 위한 최소한 하나의 입구(16) 및, 액체배지의 일부, 폐기액을 배출하기 위한 최소한 하나의 출구(18), 필터를 통과한 액체배지(투과액)를 배출하기 위한 필터의 제2측부상에 있는 최소한 하나의 출구(17), 및 필터의 표면을 따라 이동할 수 있는 다수의 원주상으로 이격된 로터날개(15)를 포함하며, 필터의 제1측부에 위치되는 로터로 구성되고,
    상기 입구(16)와 출구(18)가 필터의 제1측부에 위치되고, 로터 샤프트가 플레이트 유니트의 중심구멍(12)을 통해 작동하고, 날개의 회전운동이 주위 액체배지에서 충분히 강한 교란을 발생시켜 필터상에 있는 분리 가능한 성분의 퇴적을 방지하거나 아주 감소시키도록 로터 날개(15)가 설계되는 각 셀 또는 이웃한 다수의 셀 스택을 포함하고 액체배지로부터 필터로 분리 가능한 성분을 분리하기 위한 장치에 있어서,
    - 기본적으로 필터로 향한 로터날개의 평면은 상기 표면의 수평부로부터 분리되는 하나 이상의 영역(20)을 포함하거나, 또는
    - 날개의 내부와 필터사이의 거리가 로터의 내부에서 작고 상기 거리가 로터의 외주를 향해 점차적으로 증가하도록 필터로 향한 로터 날개의 표면(19)이 굴곡되거나, 또는
    - 필터와 평행한 평면에 있는 로터 날개의 부분이 기본적으로 S-형상면을 형성함으로써 S-형상이 이어지는 것을 특징으로 하는 분리가능한 성분을 함유한 액체배지로부터 필터로 분리가능한 성분을 분리하기 위한 분리장치.
  3. 제2항에 있어서, 로터 날개에는 하나 이상의 관통구멍(23), 하나 이상의 오목부(22), 하나 이상의 보스(21) 또는 둘 이상의 불규칙부(21,22,23) 형태의 조합이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 보스(21)는 로터날개의 구멍 또는 오목부에 설치되거나 로터날개의 표면에 고정된 개개의 압축성, 액체 또는 가스 불투과성 바디로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제2항에 있어서, 필터와 평행한 날개 내에 있는 로터 날개의 부분이 거의 S 형상면을 형성함으로써, S-형상이 이어지고,
    로터날개에는 하나 이상의 관통구멍(23), 하나 이상의 오목부(22), 하나 이상의 보스(21) 또는 둘 이상의 불규칙부(21,22,23) 형태의 조합이 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제5항에 있어서, 날개의 표면과 필터 사이의 거리가 로터의 내부에서 작고 상기 거리가 로터의 외주를 향해 점차적으로 증가하도록 필터로 향한 로터날개의 표면(19)이 굴곡되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제6항에 있어서, 보스(21)는 로터날개의 구멍 또는 오목부에 설치되거나 로터날개의 표면에 고정된 개개의 압축성, 액체 또는 가스 불투과성 바디로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제2항 또는 제3항에 있어서, S-형상 로터의 볼록 윤곽부(15a)는 로터 샤프트(14)로부터 볼록 윤곽부(15a)의 임의의 점(P)으로 그려진 선(L)과 상기 점에서 프로파일(15a)에 접하는 접선(T)사이의 각도(α)가 기본적으로 일정하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제2항 또는 제3항에 있어서, 음파 송신기 특히 초음파 송신기 및/또는 전기장을 얻기 위한 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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