KR100858669B1 - 증류장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 증류장치, 예컨대 해수에서 담수를 추출하는 증류장치에 관한 것이다. 본 장치는 최소한 하나의 열에 복수개의 쳄버(3), 증류액을 위한 유입구(10), 증류잔류물을 위한 하부유출구(11), 응축액을 위한 하부유출구(5) 및 기체응축기(13)로 구성되어 있다. 나아가 증류장치는 상기 2개의 파이프 시스템(1, 2)으로 구성되어 있는데, 제1의 파이프 시스템(1)은 증류액을 위한 유입구(10), 증류잔류물을 위한 하부유출구(11), 수증기를 위한 상부유출구(12)로 구성되어 있다. 제2의 파이프 시스템(2)은 한 열에 복수개의 쳄버(3)와 수증기를 위한 상부유입구(4)를 구비한 각 열, 응축액을 위한 하부유출구(5)로 구성되어 있다. 수증기를 위한 상부유입구들(4)은 병렬로 연결되고 응축액을 위한 하부유출구들(5)은 병렬로 연결되어 있다. 제1의 파이프 시스템(1)의 수증기를 위한 상부유출구(12)는 기체응축기(13)를 통해 제2의 파이프 시스템(2)의 수증기를 위한 상부유입구(4)와 연결되고, 제1의 파이프 시스템(1)은 증류잔류물을 위한 하부유출구(11)와 수증기를 위한 상부유출구(12), 증류액을 위한 유입구(10) 사이의 제2의 파이프 시스템(2)을 둘러싸고 있다. 본 발명은 또한 상기의 장치의 사용에 의한 증류방법을 제공한다.
증류장치

Description

증류장치 및 방법 {device and method for distillation}
본 발명은 증류장치, 예를 들면 해수로부터 담수를 추출하는 장치 및 증류방법에 관한 것이다.
많은 장소에서 우리는 담수보다는 해수에 더 많이 접근할 수 있다. 이런 예시들로, 작은 섬 사회, 육지와의 접촉, 플랫폼이나 바다에 있는 기지(installment)없이 장거리 항해하는 선박일 수 있다.
오늘날에는 해수로부터 담수를 제공하는 여러 형태의 담수화장치(desalination installations)가 있으며, 이는 미국특허 제4.381.676호 및 국제공개번호 93/10048호에 개시되어 있다. 이러한 장치들은 해수의 증발과 수증기의 압축 및 응축과 같은 열교환기와 유사한 시스템을 활용한다.
널리 알려진 담수화장치는 상대적으로 복잡한 구조를 가지기 때문에 제작 및 운영에 많은 비용이 요구된다. 장치의 일부분은 일시정지하기도 하고 유지비도 많이 든다. 그리고 종종, 해수는 장치의 다른 일부분을 부식시키기도 하며, 그래서 여기저기의 몇몇 부분은 반드시 교체되어져야만 한다.
본 발명의 목적은 청구항 1항에서 특정한 부분에 따른 장치 및 방법을 이루기 위한 것이다. 나아가 바람직한 특징은 종속항에서 나타낼 것이다.
본 발명은 담수를 만들기 위하여 해수를 가열하고 수증기(damp)를 응축하는 고전적인 법칙에 따른다. 본 발명에 따른 신규한 장치 및 신규한 방법은 이것을 제공하기 위한 것이다. 본 장치 및 방법은 다른 증류목적을 위한 것이지만, 이 특허간행물은 오직 해수의 증류만을 설명할 것이다.
본 발명에 따른 장치는 실질적으로 2개의 파이프 시스템으로 구성되며, 제1의 파이프 시스템은 증류액을 위한 유입구와 증류잔류물을 위한 하부유출구 및 수증기를 위한 상부유출구로 구성되며, 제2의 파이프 시스템은 하나의 수증기를 위한 상부유입구와 하나의 응축액을 위한 하부유출구로 구성되고, 제1의 파이프 시스템의 수증기를 위한 상부유출구는 기체응축기를 통해 제2의 파이프 시스템의 수증기를 위한 상부유입구와 연결되어 있다. 제1의 파이프 시스템에서 증류액의 일부는 증발되고, 제2의 파이프 시스템에서 수증기는 증류액으로 응축되고, 이로써 파이프 시스템에서의 액체는 상호 열교환 된다.
수증기가 증류액으로 응축됨으로써 제2의 파이프 시스템은 수직으로 된 쳄버(chamber)가 일렬로 구성되어 있다. 쳄버의 수증기를 위한 상부유입구들은 병렬로 연결되어 있으며, 이로써 수증기는 하나의 쳄버를 통해서 통과한다.
병렬로 연결되어 있다고 함은, 물체의 각각으로 흐르는 유체의 가능성이 동일할 수 있도록 물체들이 서로 연결되어 있다는 것을 의미한다. 하나의 물체를 향해 흐르는 유체는 병렬로 연결된 다른 물체 쪽으로 흐르지 못하게 한다.
제1의 파이프 시스템은 주로 증류액을 위한 유입구, 수증기를 위한 상부유출구로 구성되며, 상기 수증기를 위한 상부유출구는 제2의 파이프 시스템의 수증기를 위한 상부유입구 및 응축액을 위한 하부유출구와 연결된다. 이는 오직 증류액의 일부만이 증발되기 때문이다. 제1의 파이프 시스템은 증류액을 위한 유입구와 수증기를 위한 상부유출구 사이의 제2의 파이프 시스템을 둘러싸고 있다. 간단한 실시예에서 제1의 파이프 시스템은 증류액을 위한 유입구와 증류잔류물을 위한 하부유출구 및 수증기를 위한 상부유출구로 구성된 공간이며, 여기서 제2의 파이프 시스템은 상기의 공간 내에 위치한다. 명백히, 그 공간은 방으로부터 수증기를 위한 상부유출구가 그 공간 내부에 위치한 제2의 파이프 시스템의 수증기를 위한 상부유입구와 연결되는 방식으로 구성되어야만 한다. 예를 들면 제2의 파이프 시스템으로부터의 응축액을 위한 하부유출구를 위해. 파이프를 상기 공간 내에서 벽을 통해 제2의 파이프 시스템의 수증기를 위한 상부유입구 쪽으로 확장한다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 제1의 파이프 시스템은 수많은 제2의 파이프 시스템을 둘러쌀 수 있으며, 제2의 파이프 시스템에 대한 수증기를 위한 상부유입구는 병렬로 연결된다.
유입증류액의 온도와 유출증류액의 온도는 끓는점에 가까워야 하며, 파이프 시스템 사이에서의 열교환은 본질적으로 증발과 응축으로 귀착한다.
이하에서는 참조도면과 함께 해수로부터 담수를 만드는 과정을 설명할 것이다.
도1은 본 발명에 따른 증류장치의 제2의 파이프 시스템의 종단면도이다.
도2는 본 발명에 따른 증류장치의 제2의 파이프 시스템의 횡단면도이다.
도3은 도1 및 도2에 따른 제2의 파이프 시스템의 수직단면도로 도2의 Ⅱ-Ⅱ 선을 따라 도시한 것이다.
도4는 본 발명에 따른 증류장치의 바람직한 실시예를 나타낸 것이다.
도5는 도4에 따른 장치를 나타낸 것이다.
도1은 본 발명에 따른 증류장치의 제2의 파이프 시스템(2)의 종단면도이며, 수증기는 담수로 응축된다. 제2의 파이프 시스템(2)은 복수개의 쳄버(3)가 연속적으로 구성되어 있으며, 쳄버의 갯수는 작동되는 공정, 장치의 전체 설계 및 증류되는 양에 따라 최대한 활용되어야 한다. 도면의 한계성 때문에 도1에서는 임의의 갯수만을 도시한 것이다. 각 쳄버(3)는 최상부에 수증기를 위한 상부유입구(4)와 최하부에 응축액을 위한 하부유출구(5)로 이루어져 있다. 수증기를 위한 상부유입구가 병렬로 연결되어 수증기가 병렬로 각 쳄버(3)를 지나가게 된다. 응축액을 위한 하부유출구는 담수가 각 쳄버로부터 병렬로 유출되도록 연결된다. 쳄버(3)는 일정간격으로 연속적으로 설치되며 각 쳄버의 깊이 d를 가지며, 상기 쳄버 사이의 거리는 제2의 파이프 시스템(2)의 길이 l을 조정한다.
도2에서는 도1의 Ⅰ-Ⅰ선에 따른 단면도를 나타내며, 이 단면도는 쳄버 중의 하나에서 수직벽(6)을 나타낸다. 각 쳄버(3)는 2개의 이상적인 수직벽(6)으로 구성되며 이 수직벽은 열전도물질이다. 수직벽(6)은 쳄버(3)에서 높이 h 및 폭 b로 이루어진다. 각 쳄버(3)는 바람직하게는 높이 h가 폭 b보다 크고, 높이와 폭은 깊이 d보다 실질적으로 더 긴 것으로 수직으로 확장된다. 수직벽(6)은 수증기를 위한 상부유입구(4)와 응축액을 위한 하부유출구(5)로 형성된다. 설명된 실시예에서 수직벽(6)은 파상(corrugation, 7)으로 되어 있다. 이것은 장치를 작동하는 데 필요하지는 않지만 바람직한 실시예를 제공한다. 이 파상(7)으로 인하여, 제2의 파이프 시스템(2)의 외측에서 쳄버(3)사이의 해수가 쳄버(3)사이로 이동할 수 있어서, 수직벽(6)에 대한 가로방향의 열교환이 최상이 되고 물이 더 빠르게 증발되는 것이다. 설명된 실시예에서, 수직벽(6)의 상부는 끝이 둥글며, 수증기를 위한 상부유입구(4)가 그 끝에 위치한다. 이것은 증류장치를 적절하게 작동하기 위하여 필요한 것은 아니지만, 수증기의 분리를 개선하고 동시에 수송된 물을 편향시키고 제1의 파이프 시스템(1)에서 해수의 표면 쪽으로 떨어트릴 것이다.
쳄버 내에서 높이 h와 폭 b로 구성된 수직벽(6)은 바람직하게는, 수직면 가장자리를 따른 2개의 수직 내부벽과 쳄버의 바닥부를 형성하는 하부 가장자리를 따른 수평 내부벽 상호 간을 고정시킨다. 또한 최상부에서 수직벽(6)은 내부벽 상호간을 고정시킬 것이다. 앞서 언급한 내부벽이 수평인지 기울기를 가진 것인지의 여부는 내부벽(6)의 최상부 가장자리의 모양에 의하여 결정될 것이고, 내부벽은 바람직하게 이를 따를 것이다. 수직벽(6)을 분리하는 수직 내부벽의 폭은 물론 동일하여야 하고, 쳄버(3)는 수직적 및 수평적으로 전체 쳄버(3)에서 동일한 깊이확장 d를 가진다. 수직 내부벽은 열전도물질로 된 것이 바람직하다.
수직벽(6)은 바람직하게는 최소한 하나의 수직 내부벽에 구멍을 내어서 이에 맞게 구부린다. 이런식으로 복수개의 부분과 조인트가 각 쳄버에 요구된다. 다른 부분은 용접의 수단과 같이 영구적으로 고정되는 것이 바람직하다.
상기의 연속적으로 배열된 다른 쳄버(3)와 수증기를 위한 상부유입구(4)와 응축액을 위한 하부유출구(5)는 병렬로 연결된다. 도1의 실시예에서 쳄버(3)는 상호 고정되어 있어, 수증기를 위한 상부유입구(4)와 응축액을 위한 하부유출구(5) 각각은 파이프가 각 쳄버를 경유하여 모두 개방되어 있기 때문에 처음부터 끝까지 모든 쳄버들(3)을 경유하는 하나의 파이프이다. 명백히 이것은 많은 다른 방식으로 행해질 수 있다.
도3은 부분적으로 횡단면도로 된 제2의 파이프 시스템을 나타낸다. 도면에서 선 Ⅲ-Ⅲ의 좌측편에서, 파이프 시스템이 잘려지고, 선의 우측편에서 파이프 시스템을 바라본 것이다. 도면의 한계로 인하여, 수증기를 위한 상부유입구(4)에 대하여 첫번째와 마지막 쳄버(3)만을 도시하였다. 도면으로부터 수증기를 위한 상부유입구(4)는 모든 다른 쳄버(3)와 개방되어 연결되고 쳄버(3)는 최상부측에서 가깝다. 물론, 그것들은 상기에서 설명한 응축액을 위한 하부유출구(5)를 제외하고 최하부에서도 또한 가깝다.
도면에서 보여지는 것처럼 수증기를 위한 상부유입구(4)와 응축액을 위한 하부유출구(5)는 상호 정확하게 마주보고 있으며 쳄버(3)의 폭 방향으로 집중되어 있다. 이것은 필요하지 않지만 이런 방법에서 쳄버(3) 내의 수증기의 분배가 응축수의 포집과 함께 최상으로 이루어진다.
상기에서 설명한 제2의 파이프 시스템(2)은 제1의 파이프 시스템(1)의 내부에 위치하고 파이프 시스템(1, 2) 내부의 유체는 상호 열교환된다. 그 이유는 제2의 파이프 시스템(2)의 쳄버 내의 수증기는 끓기 전까지 제1의 시스템(1)에서 해수를 가열하기 때문이다. 간단한 실시예에서, 제1의 파이프 시스템(1)은 증류액을 위한 유입구(10), 증류잔류물을 위한 하부유출구(11)와 수증기를 위한 상부유출구(12)로 된 거대한 공간(9)을 구성한다. 해수는 증류액을 위한 유입구(10)를 통해 유입되고 증류잔류물을 위한 하부유출구(11)를 통해 유출된다. 공간(9)에서 해수는 수직벽(6)을 통하여 제2의 파이프 시스템(2)의 쳄버(3) 내에서 수증기와 열교환될 것이고, 해수는 쳄버(3) 사이로 흐를 것이며 해수의 일부는 증발할 것이다. 결과적으로 제2의 파이프 시스템(2)은 해수 내에 위치할 것이고 수증기를 위한 상부유입구(4)는 물표면 위로 도출될 것이며 응축액을 위한 하부유출구(5)는 물표면의 아래에 위치될 것이다.
제1의 파이프 시스템(1)의 수증기를 위한 상부유출구(12)와 제2의 파이프 시스템의 수증기를 위한 상부유입구(4) 사이에 수증기를 응축하는 기체응축기(13)가 위치함으로써, 온도는 증가하고 열교환은 적절하게 이루어질 것이다. 이것은 또한 압력을 증가시킴으로써, 제2의 파이프 시스템(2)의 압력은 제1의 파이프 시스템(1)의 압력보다 더 커진다.
제1의 파이프 시스템의 증류액을 위한 유입구(10)로 흐르는 해수는 제2의 파이프 시스템(2)의 외측과 접촉하여 흐른다. 해수는 제2의 파이프 시스템(2)의 쳄버(3)의 수증기에 의해 가열될 것이고, 해수에서 물의 일부분은 증발될 것이고 상승할 것이다. 종종 수증기는 해수의 물방울을 운반할 것이다. 제1의 파이프 시스템(1)의 첫번째 끝에는 수증기가 제1의 파이프 시스템(1)의 외부로 흐르도록 하는 수증기를 위한 상부유출구(12)가 있다. 수증기에 의해 운반된 해수 물방울은 해수 표면위로 떨어질 것이다. 제1의 파이프 시스템(1)의 수증기를 위한 상부유출구(12)를 통해 유출된 수증기는 압력과 온도가 증가된 기체응축기(13)로 이동한다. 압축된 수증기는 다시 제2의 파이프 시스템(12)의 수증기를 위한 상부유입구(4)로 이동하고, 제2의 파이프 시스템(2)의 외측에 위치한 해수에 의해 냉각될 것이다. 수증기는 응축되고 담수로 될 것이다. 제1의 파이프 시스템(1)은 또한 증류잔류물을 위한 하부유출구(11)를 가지고, 증발되지 않은 해수의 일부분은 이곳을 통해 유출될 것이다. 이 해수는 증발 때문에 유입된 해수보다 높은 소금농도를 가질 것이다. 이러한 차이는 소금 농도의 증가가 물의 끓는점 및 파이프 시스템의 부식을 증가시키기 때문에, 낮게 유지되어야 한다.
도4 및 도5에서는 본 발명의 바람직한 실시예의 측면도와 평면도를 나타내고 있다. 제1의 파이프 시스템(1)은 도4에서 실선으로 도시된 4개의 제2의 파이프 시스템(2)이 내부에 위치하고, 4개의 제2의 파이프 시스템(2)에서 수증기를 위한 상부유입구(4)는 병렬로 연결된다.
제1의 파이프 시스템(1)은 증류액을 위한 유입구(10)와 증류잔류물을 위한 하부유출구(11) 및 수증기를 위한 상부유출구(12)로 구성된다. 도4에서 볼 수 있는 것처럼 물방울포집기(14)는 수증기를 위한 상부유출구(12)의 앞쪽으로 제1의 파이프 시스템(1)의 최상단에 위치한다. 물방울포집기(14)는 바다로 귀착(result)되고, 수증기내의 물방울은 수증기와 분리될 것이고, 결과적으로 증류는 개선된다. 수증기는 포집되고 기체응축기(13)로 보내진 후에, 도4 및 도5의 실선박스처럼 보여지는 4개의 제2의 파이프 시스템(2)으로 배분된다. 4개의 제2의 파이프 시스템(2) 각각은 한 개의 수증기를 위한 상부유입구(4)와 한 개의 응축액을 위한 하부유출구(5)로 구성된다. 수증기를 위한 상부유입구들과 응축액을 위한 하부유출구들은 모두 병렬로 연결되고, 응축액을 위한 하부유출구들은 함께 모여 있어 장치는 하나의 응축액을 위한 하부유출구만을 가진다.
설명한 실시예에서 수증기를 위한 상부유입구들(4)과 응축액을 위한 하부유출구들(5)은 제2의 파이프 시스템의 동일한 측면의 끝부분, 즉 최상단과 최하단에서 보여진다. 파이프 시스템은 물론 또한 수증기를 위한 상부유입구들(4)과 응축액을 위한 하부유출구들(5)이 반대쪽 측면의 끝부분에도 위치된다.
제1의 파이프 시스템 및 제2의 파이프 시스템은 바람직하게는 해수에서 티타늄과 같은 물질 저항으로부터 만들어진다. 만일 장치가 다른 증류목적으로 사용된다면, 파이프 시스템은 물질 저항에서부터 증류되는 액체까지 만들어야만 한다. 나 아가 제2의 파이프 시스템은 바람직하게는 열전도물질로 만들어져야 하며, 이로써 제1의 파이프 시스템과 제2의 파이프 시스템 사이의 열교환이 최적화된다. 제1의 파이프 시스템은 바람직하게는 합성물질과 같은 열교환이 덜 되는 물질로 만들 수 있으며, 그럼으로써 주변으로의 열 손실이 최소화된다.
증류장치 및 증류방법은 물론 다른 증류목적을 위해 사용될 수도 있으며, 알콜과 물의 혼합물로부터 알콜을 증류하는 것은 기술분야에서의 당업자에게 명백할 것이다. 본 발명은 상기에서 설명한 발명의 실시예에 한정되는 것이 아니며 당업자에 의해 이해될 것이다. 본 발명은 특허청구범위 내에서 당업자에게 명백한 변화, 조정과 함께 설명한 특징의 결합을 또한 한정한다.
본 발명에 따른 증류장치 및 그 방법은 그 운전이 안정적이며, 유지비가 덜 요구되고, 저렴하며, 에너지 절약형이다.

Claims (4)

1 또는 2 이상의 열에 복수 개의 쳄버(3), 증류액을 위한 유입구(10), 증류잔류물을 위한 하부유출구(11), 응축액을 위한 하부유출구(5) 및 기체응축기(13)로 구성된 해수로부터 담수를 도출하는 증류장치로서,
2개의 파이프 시스템(1, 2)으로 구성된 장치는, 증류액을 위한 유입구(10), 증류잔류물을 위한 하부유출구(11), 수증기를 위한 상부유출구(12)로 구성된 제1의 파이프 시스템(1)과, 연속적인 복수 개의 쳄버(3), 수증기를 위한 상부유입구(4)를 구비한 각 열, 응축액을 위한 하부유출구(5)로 구성된 제2의 파이프 시스템(2)으로, 상기 수증기를 위한 상부유입구(4)가 병렬로 연결되고 상기 응축액을 위한 하부유출구(5)가 병렬로 연결되고,
상기 제1의 파이프 시스템(1)의 상기 수증기를 위한 상부유출구(12)는 상기 기체응축기(13)를 통해 상기 제2의 파이프 시스템(2)의 수증기를 위한 상부유입구(4)와 연결되고,
상기 제1의 파이프 시스템(1)은 증류잔류물을 위한 하부유출구(11)와, 수증기를 위한 상부유출구(12) 및 증류액을 위한 유입구(10) 사이의 상기 제2의 파이프 시스템(2)을 둘러싸고 있는 것을 특징으로 하는 증류장치.
제1항에 있어서,
상기 제1의 파이프 시스템(1)은, 두개 또는 그 이상의 제2의 파이프 시스템(2)으로 구성되고, 상기 제2의 파이프 시스템들(2)의 수증기를 위한 상부유입구들(4)이 병렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 증류장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2의 파이프 시스템(2)의 각 쳄버(3)는 높이 h와 폭 b를 가지는 두개의 수직벽(6)으로 구성되며, 상기 수직벽은 열전도 물질인 것을 특징으로 하는 증류장치.
제1항에 있어서,
상기 제2의 파이프 시스템(2)의 수증기를 위한 상부유입구(4)와 응축액을 위한 하부유출구(5)는 각 쳄버(3)의 폭 방향을 중심으로 하는 것을 특징으로 하는 증류장치.
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