KR100980188B1

KR100980188B1 - 유동 매체의 여과 및 분리를 위한 장치

Info

Publication number: KR100980188B1
Application number: KR1020030020028A
Authority: KR
Inventors: 빌헬름 하이네
Original assignee: 로헴 로-바써베한들룽 게엠베하
Priority date: 2003-02-07
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2010-09-03
Also published as: EP1445013A1; JP2004237276A; ES2268175T3; EP1445013B1; US6984321B2; US20040154971A1; DE20303013U1; KR20040073923A; DE50305169D1; CA2422347A1; JP4411464B2; ATE340633T1

Abstract

본 발명은 분리막을 이용하여, 특히 한외 여과(ultrafiltration), 역삼투여과 및 나노여과(nanofiltration) 방법에 따라 유동 매체(11)를 여과 및 분리하기 위한 장치(10)에 관한 것으로, 여과 및 분리 장치(10)는 내부에 분리막(13)들이 설치되어 있는 내압성 하우징(14), 여과 및 분리 장치(10) 내로 유입되어 분리될 유동 매체(1)용 유입구(15) 및 여과 및 분리 장치(10)로부터 배출될 투과액(18)용 배출구(16) 및 농축액(19)용 배출구(17)를 구비하고 있다. 상기 분리막(13)은 막 필로우(獨: Membrankissen) 방식으로 설계되고, 다수의 막 필로우(13)들은 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20) 방식으로 여과 및 분리 장치(10)를 횡단하는 투과액 배출/축적 장치를 중심으로 서로 포개어져서 감기며, 이 때 각각의 막 필로우(13) 단부(130)는 투과액 배출/축적 장치(21)의 관련 투과액 유입 개구(210)들과 연결되어 있는 투과액 배출 개구(131)를 갖고 있다.

Description

유동 매체의 여과 및 분리를 위한 장치{DEVICE FOR FILTERING AND SEPARATING OF FLUIDS}

도 1은 본 발명에 따른 장치의 단면도이다.

도 2는 도 1에 따른 장치의 일부에 대한 단면도로, 상기 부분은 막 필로우(獨: Membrankissen) 및 스페이서 부재들로 이루어진 나선으로 형성되고, 상기 나선은 파이프 부재 위에 서로 포개어져서 감겨 있고, 상기 장치를 횡단하는 볼트형 투과액 배출/축적 장치 상으로 슬라이딩될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 장치의 구조를 설명하기 위한, 도 2를 횡방향으로 잘라낸 단면도로, 파이프 부재의 내부에 삽입된 투과액 배출/축적 장치가 도 2에 비해 더 확대되어 도시되어 있고, 막 필로우들 및 상기 막 필로우들 사이에 배치된 스페이서 부재들이 아직 서로 포개어져서 감기지 않은 상태를 보여주고 있다.

도 4a는 스페이서 부재의 한 섹션의 측면도를 더 확대하여 도시한 도면이다.

도 4b는 스페이서 부재의 평면도를 더 확대하여 도시한 도면이다.

도 5는 본 발명에 따라 사용된, 한 쪽 측면에 투과액 배출 개구를 구비한 막 필로우를 나타내는 도면이다.

도 6은 도 5의 라인(A-B)을 따라 잘라낸, 중간 엘리먼트를 갖는 막 필로우 구조의 단면 일부분을 나타내는 도면이다.

도 7은 도 5의 라인(A-B)을 따라 잘라낸, 중간 엘리먼트를 갖지 않는 막 필로우 구조의 단면 일부분을 나타내는 도면이다.

*도면의 주요 부호에 대한 설명*

10: 여과 및 분리 장치 110: 분리 유닛

11: 유동 매체 13: 막 필로우

130: 막 필로우 단부 131: 투과액 배출 개구

132: 단부면 133, 134: 막 엘리먼트

135: 중간 엘리먼트 14: 내압성 하우징

15: 유입구 16: 투과액 배출구

17: 농축액 배출구 18: 투과액

19: 농축액
20: 제 1 다중 엘리먼트식 나선

21: 투과액 배출/축적 장치

210: 투과액 유입 개구

22: 제 2 다중 엘리먼트식 나선
23: 스페이서 부재

230: 막대형 제 1 격자 엘리먼트

231: 막대형 제 2 격자 엘리먼트

24: 외부 둘레 (나선) 25, 26: 폐쇄 부재

27: 파이프 부재 270: 내부 보어

271: 반경방향 홀

본 발명은 분리막을 이용하여, 특히 한외 여과(ultrafiltration), 역삼투여과 및 나노여과(nanofiltration) 방법에 따라 유동 매체를 여과 및 분리하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 내부에 분리막들이 설치되어 있는 내압성 하우징, 상기 장치 내로 유입되어 분리될 유동 매체용 유입구 및 상기 장치로부터 배출될 투과액과 농축액용 배출구를 구비하고 있다.

상기 방식의 장치는 EP-B-0 289 740으로부터 공지되어 있다. 공지된 상기 장치에서는 겹쳐진 개별 막 엘리먼트(membrane element)들을 통해 분리될 매체가 전달되는데, 상기 막 엘리먼트들은 상기 막 엘리먼트들 사이에 배치되어 이들을 지지하는 각각의 스페이서 부재에 의해 둘러싸여 있다. 상기 막 엘리먼트들은 소위 막 필로우(필로우 막, 막 슬롯) 방식으로 형성되는데, 이 때, 흔히 미처리물(獨: Rohmedium)이라고 불리는, 피분리 유동 매체가 상기 장치의 유입구로부터 배출구를 향해 적층식으로 배치된 막 엘리먼트 주위를 곡류 형태로 흐른다.

막 필로우 내부에 축적되는 투과액 자체는 투과액 필로우의 중앙 투과액 배출 개구로 전달되어, 그곳으로부터 장치를 규칙적으로 횡단하는 투과액 다기관(manifold)을 통해 외부로 배출된다.

분리될 유동 매체가 농축된 형태로, 즉 농축액으로서 장치 밖으로 배출되기 위해 상기 장치의 유입구로부터 배출구까지 곡류 형태로 각각의 막 엘리먼트 주위를 흐름으로써 유입구부터 배출구까지 상당한 감압이 일어나며, 장치 내에 상하 적 층된 분리막의 개수가 많을수록 감압 정도가 더 높다. 상기 방식의 장치는 원칙적으로 장치의 유입구에서 피분리 매체에 매우 높은 압력을 가하는데 충분한 에너지를 이용할 수 있는 경우에만 적절하게 구동될 수 있다. 실제 사용시에 있어서 분리 기능과 관련하여 매우 적절하다고 입증된 상기 방식의 장치의 구동은 굉장히 에너지 집약적이다(energy intensive). 장치 당 분리막 엘리먼트의 개수를 늘리는 것을 통해 상기 방식의 장치의 분리 성능을 향상시키는 것이 이론적으로는 가능하나, 상기 방식의 장치를 구동하기 위해서는 앞서 설명한 원리 때문에 에너지 요구량도 함께 증가된다.

예컨대 유동 매체가 장치의 유입구로부터 배출구로 막 엘리먼트를 통해 곡류 방식으로 전달되지 않고, 막 엘리먼트 위로 동시에 연속적으로 관류되도록, 즉 장치를 통과하는 유동 매체의 경로가 직선이 되도록 함으로써, 분리막 표면적이 같을 때 상기 방식의 장치의 에너지 요구량을 감소시키려는 시도가 행해진 바 있다. 이러한 방식으로 설계된 장치의 전형적인 대표 장치가 예컨대 EP-B-0 707 884에 기술되어 있다. 여기서도 더 높은 분리 성능이 요구되는 경우 유동 방향에 대해 직선으로 배치된 분리막 엘리먼트의 추가 세트가 장치 내에 설치되었으며, 이 때 장치 자체 당 분리막의 유효 면적은 상기 장치의 모듈식 확장을 통해 균형 있게 확대될 수 있었다.

상기 장치 자체는, 처음에 언급한 장치와 분리 성능이 동일하다고 가정할 때 처음에 언급한 장치에 비해 실제로 훨씬 더 적은 에너지 요구량을 나타내는 것을 특징으로 한다.

그러나 공지되어 있는 전술한 두 가지 방식의 장치는 상기 장치들의 각각의 구조에 기인하는 형태 및 설계방식으로 인해 장치 내지는 장치의 하우징 내에 설치될 수 있는 분리막 엘리먼트의 개수, 즉 이용 가능한 전체 분리막 면적과 관련하여 제한적이다.

예컨대 민간인에 의해 사용되거나 군사적으로 사용되는 선박 내지는 보트와 같은 특정 영역에 상기 방식의 장치를 적용하기 위한 필수 조건은, 한편으로는 상기 방식의 장치를 구동할 때 에너지 요구량이 적어야 하며, 다른 한편으로는 효율 즉, 분리 성능이 높아야 하고 필요 공간이 가능한 한 적어야 한다는 점이다.

본 발명의 목적은 전술한 두 가지 방식의 장치의 장점들이 결합된 장치, 그러나 특히 상기 방식의 장치 내에 매우 넓은 막면적이 수용되도록 하고, 상기 장치를 통해 전달되는 피분리 유동 매체용 장치에 의해 가해지는 유압 저항이 가능한 한 적도록 하는 것을 목적으로 하는 장치를 제공하는 것이다. 추가로 상기 장치가 매우 간단한 구조를 가지고, 공지된 기존의 장치보다 훨씬 더 낮은 비용으로 구현될 수 있으며, 이 때 상기 장치는 공지된 방식의 기존의 장치에 비해 교환하기에도 적합하고, 교환시 기존의 장치보다 분리 성능이 더 높고 에너지 요구량이 더 적을 때 필요 공간은 더 작도록 하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 분리막이 막 필로우 방식으로 설계되고, 다수의 막 필로우들은 다중 엘리먼트식 나선 방식으로 상기 장치를 횡단하는 투과액 배출/축적 장치를 중심으로 겹쳐서 감기며, 이 때 각각의 막 필로우의 단부는 투과액 배출/축적 장치의 관련 투과액 배출 개구들과 연결되어 있는 투과액 배출 개구를 가짐으로써 달성된다.

본 발명에 따른 방법의 장점은, 상기 목적에 맞게 추구되는 것처럼, 유동 매체에 의해 직선으로 관류되고 직선의 유동방향으로 설치된 분리막들을 구비한 장치의 장점들이 유동 매체가 장치를 통해 곡류 형태로 관류하거나 적층식으로 배치된 분리막 엘리먼트들 주위를 곡류 형태로 관류하는 장치의 장점들과 결합될 수 있다는 점이다.

또한 본 발명에 따른 장치는, 본 발명에 따른 장치의 구조가 유동 매체의 유입구로부터 배출구까지 상기 유동 매체를 위한 준(quasi) "개방 채널"을 제공하고, 덧붙여 기존에 공지된 전술한 장치들에 비해 외부 치수가 동일한 상황에서 훨씬 더 큰 면적의 분리막이 상기 장치의 내부에 설치될 수 있다는 장점을 갖는다.

또한 본 발명에 따라 제안된 방법을 통해 공지된 장치의 구조에 비해 훨씬 더 간단한 구조를 갖는 장치의 구현이 가능한데, 그 이유는 상기 장치를 횡단하는 관형 투과액 배출/축적 장치에 감기는 다중 엘리먼트식 또는 다층의 나선에 의해, 즉 그로 인해 막 필로우가 불가피하게 휘어짐에 따라 상기 막 필로우의 독자적인 안정화가 달성됨으로써, 막 필로우를 기계적으로 배치하고 안정화시키기 위해 특별한 방식의 구조적 조치가 행해져야 할 필요가 없기 때문이다. 개별 막 필로우의 길이는 장치 전체의 길이에 의해, 즉 결국은 막 필로우들이 다중으로 나선형으로 중첩되어 감기면서 수용되어 있는 장치의 하우징에 의해 정해지거나 제한된다. 다중 엘리먼트식 나선의 반경방향 두께는 상기 다중 엘리먼트식 나선을 형성하는 막 필로우의 개수 및 각각의 막 필로우의 폭에 의해서만 정해진다.

상기 장치 내에서 분리될 유동 매체는 다층 엘리먼트식 나선에 대해 횡으로, 모든 막 필로우들 사이에서 상기 장치의 유입구로부터 배출구로 흐르며, 더 정확히 말하면 분리될 유동 매체용 개방 채널의 방식으로 각 막 필로우의 전체 면에 걸쳐서 양면으로 동시에 흐른다.

이 때 개별 막 필로우들은 바람직하게 직사각형 외곽을 갖고, 한 쪽 면에 투과액 배출 개구가 형성된다. 막 필로우의 이러한 형태는 투과액 배출 개구가 통상 막 표면에 대해 횡으로 형성되고, 규칙적으로 원형을 가지며 막 필로우의 제조에 이용되었던 별도의 작업 과정에서 제조되어야 하는 배출 개구를 갖는 공지된 막 필로우에 비해 장점을 갖는다. 상기 방식의 공지된 막 필로우는 막 표면에 대해 횡으로 형성된 전술한 방식의 다수의 투과액 배출 개구들을 갖는다. 여기서 사용될 수 있는 본 발명에 따른 바람직한 막 필로우는 상기 막 필로우를 형성하는 개별 막 엘리먼트들의 용접 및/또는 접착에 의해 3 개의 면에서만 폐쇄된다.

상기 장치는, 전술한 것처럼 다중 엘리먼트식 나사를 형성하는, 바람직하게는 하나 이상의 막 필로우 세트가 상기 장치 내에 수용되도록 설계될 수 있다. 또한 상기 장치 내에 직선으로 연속 접속되는 막 필로우들로 이루어진 다수 개의 독립된 세트들이 제공될 수 있으며, 상기 세트들은 전술한 것처럼 각각 별도의 다중 엘리먼트식 나선을 형성한다. 따라서 예컨대 그와 같이 변형된 실시예에서는 분리될 매체가 장치를 통과할 때마다 개별 분리막의 사용 방식의 선택에 따라 각각의 다층 나선 세트를 형성하는 막 엘리먼트의 선택된 방식에 상응하게, 분리될 매체로부터 상이한 유도체들이 분리되는 것이 가능하다.

상기 장치를 통해 직선의 유동 채널이 가능한 한 손상되지 않도록 하는 것을 보증하기 위한 목적으로, 다중 엘리먼트식 나선을 형성하는 개별 막 필로우들의 가능한 한 일정한 간격을 보증하기 위해, 다중 엘리먼트식 나선을 형성하는 막 필로우들이 다중 엘리먼트식 제 2 나선을 형성하는 다수의 스페이서 부재들에 의해 서로 이격된 상태를 유지하는 것이 바람직하다. 나선이 완성된 후, 그리고 그에 상응하게 상기 나선이 고정된 후 개별 막 필로우들이 거의 협소하게 중첩되어 있다 할지라도, 상기 막 필로우들 사이에 상기 막 필로우와 동일한 방식으로 나선형으로 배치된 스페이서 부재들이 항상 폐쇄될 수 없는, 분리 매체용 유동 채널을 보증한다.

스페이서 부재들이 바람직하게는 격자형 구조를 갖도록 형성됨으로써, 각각 인접하는 막 필로우들에 매우 극미하게만 접촉된다. 그 결과, 상기 스페이서 부재가 유동 매체에 작용하는 유동 저항을 무시할 수 있을 정도로 작게 유지할 수 있게 된다.

상기 스페이서 부재의 격자형 구조는 바람직하게는 직각으로 교차하는 다수의 막대형 제 1 엘리먼트 및 제 2 엘리먼트들로 형성되고, 이 때 상기 제 1 엘리먼트의 횡단면이 제 2 엘리먼트보다 더 크게 형성되며, 횡단면이 더 크게 형성된 제 1 엘리먼트는 막 필로우들 사이에 분리될 매체의 유동 방향에 평행하게 배치 내지는 정렬되고, 그에 따라 더 작은 횡단면을 갖는 제 2 엘리먼트는 분리될 매체의 유동 방향에 대해 횡으로 배치됨으로써, 더 작은 횡단면을 갖는 제 2 엘리먼트에 의 해 분리될 유동 매체가 막 엘리먼트들과 상기 제 2 엘리먼트의 인접하는 표면들 사이에서 아무 장애 없이 흐를 수 있는 가능성이 제공된다.

본 발명에 따라 제안된, 막 엘리먼트들간의 배치 내지는 배열에 작용하는 유동 저항을 가능한 한 적게 유지하기 위해 상기 막 엘리먼트의 횡단면이 원형 구조이고, 이 때 상기 스페이서 부재 자체는 경우에 따라 탄성 재료 또는 탄성중합체 재료로 일체형으로 제조될 수 있기 때문에, 간단하고 저렴하게 제조될 수 있는 경우에도 다중 엘리먼트식 나선의 서로 포개어져서 감기는 막 엘리먼트에 양호하게 매칭될 수 있다.

막 엘리먼트의 내부에서 바람직하게는 막 필로우를 형성하는 막 엘리먼트들 사이에 하나 이상의 중간 엘리먼트가 배치되는데, 상기 중간 엘리먼트는 상기 막 필로우를 안정화시키는 기능 외에 배수(drainage) 기능도 갖는다. 즉, 상기 막 필로우의 막 엘리먼트를 통해 투과되는 투과액이 상기 막 필로우의 투과액 배출 개구 쪽으로 더 쉽게 흐를 수 있다.

투과액이 더 원활하게 배출될 수 있도록 하기 위해, 중간 엘리먼트로서 부직포와 유사한 구조를 갖는 엘리먼트를 제공하는 것이 바람직하며, 그 결과 투과액이 상기 중간 엘리먼트의 양쪽 표면에서뿐만 아니라 상기 중간 엘리먼트 자체 내부에서도 흐를 수 있다.

다수의 막 필로우 및 다수의 스페이서 부재로 이루어진 나선을 권축 과정이 끝난 후 상기 나선의 규정에 따른 최종 형태로 유지하기 위해, 상기 나선의 외부 둘레에 실 모양의 엘리먼트를 감는 것이 바람직하며, 이 경우 상기 엘리먼트는 완성된 나선 바디 상에 코일 권축 방식으로 감기는 실 모양의 단일 엘리먼트이거나, 또는 나선 바디의 정해진 영역에 감기는 실 모양의 다수개의 엘리먼트일 수 있다.

바람직하게는 상기 실 모양 엘리먼트가 열경화성 수지 내지는 열경화성 플라스틱으로 적셔짐으로써, 나선 내지는 전체 나선 바디의 권축이 끝난 후 상기 실 모양 엘리먼트(들)가 응고된다. 그 결과, 상기 나선 또는 상기 나선 바디는 최종적으로 완성된 후 목표로 했던 구조적 최종 상태에 고정되고, 상기 막 필로우 및 폐쇄 부재들 또는 상기 막 필로우 내 중간 엘리먼트에 내재되어 있는 복원력에 의해 다시 평면의 출발 상태로 스프링 백(spring back)되는 것이 방지된다.

본 발명에 따른 장치의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면 (막 필로우 및 스페이서 부재들로 이루어진) 다중 엘리먼트식 나선 및 투과액 배출/축적 장치의 양 측면에 각각 하우징에 대해 내압성을 갖도록 나선(들) 및 상기 투과액 배출/축적 장치를 제한하는 폐쇄 부재가 제공되고, 상기 폐쇄 부재 내에는 하나 이상의 분리될 매체용 유입구 및 하나 이상의 농축액용 배출구가 각각 제공된다. 이 때 폐쇄 부재가 상기 하우징과 함께 내압성으로 밀폐되는 장치의 내부 공간을 형성하고, 상기 내부 공간을 통해 분리될 유동 매체가 유입구로부터 배출구로, 나선형으로 서로 포개어져서 감겨 있는 막 필로우의 양면을 직선으로 유동되도록, 흘러간다.

본 발명에 따른 장치에서 바람직하게는 나선(들), 투과액 배출/축적 장치 및 폐쇄 부재는 상기 하우징 내에 삽입될 수 있고 내압성 하우징(14)으로부터 제거될 수 있는 분리 유닛을 형성한다. 따라서 결함이 발생한 경우, 보수 작업시 및 그 밖의 점검 작업시 상기 분리 유닛이 장치로부터 쉽게 제거될 수 있거나, 상기 장치 내로 쉽게 삽입될 수 있고, 이를 위해서는 상기 분리 유닛의 양 측면을 제한하는 폐쇄 부재들 중 하나만 상기 장치의 하우징으로부터 제거하면 된다. 그렇기 때문에 본 발명에 따른 장치가 상기 방식으로 형성되면 분리 유닛의 더 간단한 교체가 보증된다.

한 편으로는 분리 유닛의 예비조립 가능성을 증대하기 위해, 다른 한 편으로는 나사(들)에 결함이 있을 때 많은 비용을 들이지 않고 상기 분리 유닛을 장치로부터 제거하고, 상기 장치를 직선으로 또는 축방향으로 횡단하는 막대형 투과액 배출/축적 장치를 제거하거나 교체할 필요 없이 상기 분리 유닛을 다른 정상 기능의 분리 유닛으로 대체할 수 있도록 하기 위해, 다중 엘리먼트식 나선이 별도의 파이프 부재 상에 서로 포개어져서 감기는 것이 바람직하며, 이 때 상기 파이프 부재의 내부 보어에 전술한 투과액 배출/축적 장치가 수용된다. 즉, 상기 분리 유닛은 상기 막대형 투과액 배출/축적 장치 상으로 슬라이딩되고, 또는 상기 투과액 배출/축적 장치로부터 제거되기만 하면 되는 방식으로 예비 조립된다. 이 경우, 상기 파이프 부재는 플라스틱 재료로 형성되는 것이 바람직하고, 그로 인해 한 편으로는 금속 파이프 부재에 비해 생산 비용이 훨씬 더 감소되고, 상기 파이프 부재의 플라스틱 재료의 적절한 선택을 통해 투과액 배출/축적 장치의 투과액 유입 개구와 상기 파이프 부재의 내부 표면 사이의 밀봉이 가능하며, 이 때 상기 투과액 유입 개구는 1 개의 축방향 너트 또는 상기 투과액 배출/축적 장치의 표면 주변에 배치되 는 다수의 축방향 너트에 의해 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 장치의 이러한 형상에서 막 필로우의 투과액 배출 개구로부터 배출되는 투과액이 파이프 부재를 통해 투과액 배출/축적 장치의 투과액 유입 개구 내로 유입될 수 있도록 하기 위해, 상기 파이프 부재가 바람직하게 다수의 반경방향 홀을 가지며, 상기 반경방향 홀의 한 쪽은 상기 막 필로우의 투과액 배출 개구에 연결되고, 다른 한 쪽은 상기 투과액 배출/축적 장치의 투과액 유입 개구에 연결된다.

본 발명은 하기의 개략적 도면들을 참고로 하여 실시예에 따라 더 상세히 기술된다.

본 발명에 따른 여과 및 분리 장치(10)의 구조와 관련하여 우선 도 1 및 도 2를 참조한다. 여과 및 분리 장치(10)는 도면에서 파이프 실린더형 부재로서 형성되어 있는 내압성 하우징(14)을 포함하고 있다. 내압성 하우징(14)에 대해 거의 축방향으로 여과 및 분리 장치(10)를 횡단하는 투과액 배출/축적 장치(21)가 제공되고, 상기 투과액 배출/축적 장치(21)는 분리 유닛(110)을 지지하거나 상기 분리 유닛(110)에 결합되는 클램프 핀(獨: Spannbolzen)의 기능도 추가로 가지며, 이에 대해서는 계속해서 하기에 상세히 설명된다.

도 2에는 분리 유닛(110)의 일부가 도시되어 있는데, 이 때 상기 분리 유닛은 여과 및 분리 장치(10)를 핀 방식으로 횡단하는 투과액 배출/축적 장치(21) 외에도 폐쇄 부재(25, 26)를 가지며, 도 2에는 간략한 표현을 위해 상기 폐쇄 부재(25, 26)가 도시되어 있지 않다.

투과액 배출/축적 장치(21) 상에서는 별도의 파이프 부재(27)가 슬라이딩되고, 상기 파이프 부재(27)는 상기 투과액 배출/축적 장치(21)로부터 분리될 수도 있다.

마찬가지로 여과 및 분리 장치(10)를 횡단하는, 즉 내압성 하우징(14)의 축방향 길이보다 약간 더 짧은 축방향 길이를 갖는 별도의 파이프 부재(27) 상에 막 필로우(13) 방식으로 설계된 다수의 분리막들이 다층식 또는 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20) 방식으로 서로 포개어져서 감긴다(도 3 참조). 도 1 및 도 2에는 상기 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)의, 서로 포개어져서 감겨 있는 최종 상태가 도시되어 있다. 도 3은 도 2를 횡방향으로 잘라낸 단면도이지만 더 큰 척도로 도시되어 있고, 도 2와 달리, 파이프 부재(27)의 내부 보어(270)에 투과액 배출/축적 장치(21)가 삽입되어 있으며, 개별 막 필로우(13)들로 형성된 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)이 아직 중첩되어 감겨져 있지 않은 상태를 도시하고 있다. 도 3에 관통하는 라인으로서 도시된 막 필로우들이 정확한 척도로 도시되어 있지는 않다. 구현된 한 실시예에서 상기 막 필로우들은 예컨대 950 mm의 폭 및 755 mm의 길이를 가지며, 상기 길이는 파이프 부재(27) 방향으로의 막 필로우(13)의 유효 길이로 간주된다. 막 필로우와 관련하여 앞에서 제시된 폭과 길이는 단지 가능한 실시예에 관한 것이며, 여과 및 분리 장치(10)가 상이하게 형성되는 경우에는 막 필로우(13)의 폭과 길이가 완전히 다르게 제공될 수도 있다.

도 3에 도시된 실시예에서는 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)이 18 개의 막 필로우(13)로 형성되어 있는데, 이 경우 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)을 형성하는 막 필로우(13)의 개수는 다를 수도 있다.

또한 도 3의 도면은 단지 여과 및 분리 장치(10)의 더 나은 이해를 위해 개략적으로 표현한 것이다. 따라서 도 3에서는 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)을 형성하는 각각의 막 필로우(13)들이 분해도에 준하는 도면으로 도시되어 있다.

막 필로우(13)는 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 것과 같은 구조를 가지며, 이에 대해 계속해서 하기에 상세하게 설명된다. 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)의, 포개어져 감겨 있는 최종 상태에서 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)은 도 1 및 도 2에서 측단면도로 도시되어 있는 것과 같은 형태를 갖는다.

제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)의 막 필로우(13)의 투과액 배출 개구(131)는, 파이프 부재(27)에 대해, 상기 투과액 배출 개구(131)가 상기 파이프 부재(27) 내에 형성되어 있는 반경방향 홀(271)을 향하도록, 또는 반경방향 홀(271)로 통하도록 배치된다(도 3 참조). 그 결과, 상기 막(13)의 투과액 배출 개구로부터 배출되는 투과액(18)이 반경방향 홀(271) 안으로 유입될 수 있고, 반경방향 홀(271)을 통하여 파이프 부재(27)의 내부 보어(270) 내에 배치된 투과액 배출/축적 장치(21)의 투과액 유입 개구(210) 내로 유입될 수 있으며, 그곳으로부터 (상기 투과액 유입 개구(210)가 축방향 홈 형태로, 즉 상기 투과액 배출/축적 장치(21) 위에 형성되어 있기 때문에, 상기 투과액 유입 개구(210) 위에서) 상기 투과액 배출/축적 장치(21)의 단부에 형성된 링 채널로 안내될 수 있고, 그곳으로부터 투과액 배출구(16)를 통해 외부로 배출될 수 있다.

그러나 상기 파이프 부재(27)의 내부 보어(270)와 여과 및 분리 장치(10)를 횡단하는 볼트형 투과액 배출/축적 장치(21)의 사이에 별도의 홈형 투과액 유입 개구(210) 대신 링형 채널을 제공하는 것도 가능하며, 그렇게 되면 상기 링형 채널을 통해 투과액(18)이 투과액 배출구(16)로 흐르게 된다.

본 문서에 기술된 여과 및 분리 장치(10)의 실시예에서는 18 개의 막 필로우(13)에 상응하게 18 개의 반경방향 홀(271)이 파이프 부재(27) 내에 제공된다. 별도의 파이프 부재(27)를 따라 상기 막 필로우(13)의 길이에 상응하게 다수의 반경방향 홀(271)이 축방향으로 라인 형태로 배치되도록 제공됨으로써, 막 필로우(13)로부터 배출되는 투과액(18)의 가능한 한 균일한 배출이 보증된다.

제 2 다중 엘리먼트식 나선(22)은 상기 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)을 형성하는 막 필로우(13)들이 상기 제 2 다중 엘리먼트식 나선(22)을 형성하는 전술한 다수의 스페이서 부재(23)에 의해 서로 이격된 상태로 유지되는 방식으로 배치되는 스페이서 부재(23)로 형성된다. 도 3에는 스페이서 부재(23)들이 필로우 막(13)과 달리 파선으로 도시되어 있다.

막 필로우(13)와 거의 같은 길이 및 폭을 갖는 스페이서 부재(23)는 격자형 구조를 갖고 있다(도 4a 및 도 4b 참조). 도 4a 및 도 4b에 도시된 스페이서 부재(23)의 도면은 상기 스페이서 부재(23)의 구조를 명확히 하기 위해 확대 도시되었다. 스페이서 부재(23)의 격자형 구조는 직각으로 교차하는 다수의 제 1 및 제 2 엘리먼트(230, 231)로 이루어져 있다. 상기 엘리먼트(230, 231)들은 막대형으로 형성되어 있다. 이 때 상기 제 1 엘리먼트(230)의 횡단면이 제 2 엘리먼트(231)보다 더 크게 형성되어 있다. 스페이서 부재(23)는 여과 및 분리 장치(10) 내에 또는 막 필로우(13)들로 이루어진 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)에 대해 상대적으로 다중 엘리먼트식 제 2 나선(22)을 형성하기 위해, 상기 스페이서 부재(23)의 제 1 엘리먼트(230)가 파이프 부재(27)에 대해 또는 핀형 투과액 배출/축적 장치(21)에 대해 축방향으로 정렬됨으로써 상기 제 1 다중 엘리먼트식 나선 또는 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20 또는 22)을 횡단하는 분리될 유동 매체(11)가 제 2 엘리먼트(231)를 따라 흐를 수 있도록, 즉 분리될 유동 매체(11)에 대한 유동 저항이 무시될 수 있을 정도로 적게 형성되도록 배치된다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 실시예에서 스페이서 부재(23)의 제 1 엘리먼트(230) 및 제 2 엘리먼트(231)는 원형 구조를 갖고 있다. 그러나 예컨대 막 필로우(13)가 (유동 매체로) 넘쳐흐를 때 의도적으로 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)에 의해 분리될 유동 매체(11)의 난류(turbulent flow)가 일어나야 하는 경우에는 원칙적으로 다른 형태의 횡단면도 가능하며, 이는 장치의 특히 바람직한 적용을 위해 필요할 수 있다. 스페이서 부재(23)는 예컨대 탄성 플라스틱과 같은 탄성 재료로 형성된다.

막 필로우(13)들로 이루어진 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)이 최종 형태에 이르면(도 1 및 도 2 참조), 막 필로우(13)들 사이에 배치된 스페이서 부재(23)들이 각각 인접하는 막 필로우(13)의 각각의 인접하는 막 엘리먼트(133, 134)들의 표면에 달라붙는다. 그러나 상기 스페이서 부재(23)가, 각각 인접하는 막 필로우(13)의 각각의 막 엘리먼트(133, 134)들이 서로 직접 포개어져서 분리될 유동 매체(11)용 유동 채널을 형성하는 것을 막기 때문에, 상기 유동 매체가 막 필로우(13)들로 이루어진 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)으로 유입될 수 있고(도 1의 우측 참조), 막 필로우(13)의 전체 길이에 확산된 후 상기 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)으로부터 다시 배출될 수 있다(도 1의 좌측 참조). 상기 제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)의 막 엘리먼트들 사이에 배치되고, 마찬가지로 다중 엘리먼트식 제 2 나선(22)을 형성하는 스페이서 부재(23)가 제공됨에 따라 유동 횡단면이 충분히 큰 유동 매체(11)용 유동 채널이 영구적으로 보증된다.

지금 기술되는 실시예에서 36 개의 엘리먼트, 즉 18 개의 막 필로우(13)와 18 개의 스페이서 부재(23)로 형성될 수 있는 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20, 22)이 최종 권축(winding) 위치에 도달하면(도 1 및 도 2 참조), 즉 상기 막 엘리먼트들이 그들 사이에 스페이서 부재(23)가 배치되면서 서로 포개어지면, 상기 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20, 22)들의 외부 둘레(24)(도 2 참조)가 고정된다. 이러한 고정은 예컨대 상기 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20, 22)들의 외부 둘레(24)에 하나의 실 모양 엘리먼트 또는 여러 개의 실 모양 엘리먼트가 감김으로써 수행될 수 있다. 엘리먼트가 감긴 상태에서도 상기 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20, 22)에 더 높은 강도를 제공하기 위해, 상기 실 모양 엘리먼트를 열경화성 수지 또는 열경화성 플라스틱으로 적실 수 있다. 그런 다음 열의 적절한 공급을 통해 또는 수지나 플라스틱의 경화 과정이 적절하게 조정됨으로써 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20, 22)의 권축이 실시된 후 실 모양 엘리먼트의 응고 과정이 유도된다. 또한 상기 나선의 외부 둘레(24)에 예컨대 탄성중합체 재료로 된 밴드가 코일 방식으로 감기는 것도 가능하다.

상기 방식으로 완성된 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20, 22) 바디는, 도 2에 도시된 것처럼, 여과 및 분리 장치(10)를 볼트 형태로 횡단하는 투과액 배출/축적 장치(21) 위로 슬라이딩된다. 그런 다음 다중 엘리먼트식 나선 및 파이프 부재(27)로 이루어진 바디의 양 측면에 각각 양 측면이 제한되는 폐쇄 부재(25, 26)가 제공되며, 상기 폐쇄 부재(25, 26) 내에는 하나 이상의 분리될 유동 매체(11)용 유입구(15) 및 하나 이상의 농축액(19)용 배출구(17)가 각각 제공된다. 적절한 밀폐 수단 및 케이스를 이용하여 상기 폐쇄 부재(25, 26)가 파이프 부재(17)에 대해 밀폐 상태로 유지되고, 이 때 상기 폐쇄 부재(25, 26)는 상기 폐쇄 부재(25, 26)가 내압성 하우징(14)(도 1 참조)에 대해 내압 배치될 수 있게 하는 밀폐 수단을 가지며, 그 후 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20, 22), 투과액 배출/축적 장치(21) 및 폐쇄 부재(25, 26)로 이루어진 분리 유닛(110)이 내압성 하우징(14) 내로 삽입되었다.

여과 및 분리 장치(10) 내에 사용되는 막 필로우(13)들은 직사각형 구조를 갖고 있다(도 5 참조.)

이러한 방식의 막 필로우(13)는 예컨대 EP-B-0 129 663에 기술되어 있으며, 공지된 방식으로 제조될 수 있다.

상기 막 필로우(13)는 일반적으로 2 개의 막 엘리먼트(133, 134)로 구성되고, 통상 적합한 중합체 재료로 제조되는데, 이 때 중합체는 여과 및 분리 장치(10)에 의해 수행될 분리 목적에 맞게, 즉 분리될 유동 매체(11)에 따라 선택된다. 상기 2 개의 막 엘리먼트(133, 134)(도 6 및 도 7 참조)의 둘레 에지(136)는 공지된 방식으로 예컨대 초음파 처리에 의해 용접되거나 적절하게 접착된다.

본 발명에 따른 장치와 관련하여 사용된 막 필로우(13)에 있어서 특별한 점은, 상기 막 필로우(13)의 단부면(132)에 투과액 배출 개구(131)가 형성되고, 상기 투과액 배출 개구(131)는 전술한 파이프 부재(27)의 반경방향 홀(271)과 동일 평면에 놓임으로써, 막 필로우(13)로부터 상기 투과액 배출 개구(131)를 통해 배출되는 투과액(18)이 상기 파이프 부재(17)의 반경방향 홀(271) 안으로 유입될 수 있다. 상기 막 필로우(13)의 내부, 즉 상기 막 필로우(13)를 형성하는 막 엘리먼트(133, 134)들 사이에 하나 이상의 중간 엘리먼트(135)가 배치될 수 있다(도 6에 따른 막 필로우(13)의 형상 참조). 상기 중간 엘리먼트(135)는 부직포와 유사한 구조를 가질 수 있고, 그로 인해 투과액이 더 쉽게 투과액 배출 개구(131)로 흐를 수 있다(내지는 흘러내릴 수 있다). 그러나 기본적으로는 막 엘리먼트(133, 134)들 사이에 중간 엘리먼트(135)가 제공되지 않을 수도 있다(도 7에 따른 막 필로우(13)의 형상 참조).

본 발명을 통해 기존의 유동 매체 여과 및 분리 장치의 장점들이 결합된 장치, 그러나 특히 상기 방식의 장치 내에 매우 넓은 막면적이 수용되도록 하고, 상기 장치를 통해 전달되는 피분리 유동 매체용 장치에 의해 가해지는 유압 저항이 가능한 한 적도록 하는 것을 목적으로 하는 장치가 제공될 수 있으며, 추가로 매우 간단한 구조를 가지고, 공지된 기존의 장치보다 훨씬 더 낮은 비용으로 구현될 수 있고, 이 때 공지된 방식의 기존의 장치에 비해 교환하기에도 적합하고, 교환시 기존의 장치보다 분리 성능이 더 높고 에너지 요구량이 더 적을 때 필요 공간은 더 작은 장치가 제공될 수 있다.

Claims

분리막을 이용하여, 투과액 및 농축액으로 유동 매체(11)를 여과 및 분리하기 위한 장치(10)로서,

내부에 분리막이 배치되는 내압성 하우징(14), 상기 내압성 하우징(14)으로 분리될 유동 매체를 공급하기 위한 유입구, 및 상기 내압성 하우징(14)으로부터 농축액 및 투과액을 각각 배출하기 위한 농축액 배출구(17)와 투과액 배출구(16)를 포함하며,

상기 분리막은 상기 내압성 하우징 내에서 중심에 지지되는 중심의 투과액 배출/축적 장치(21) 및 막 필로우(13) 형태인 다수의 막 엘리먼트를 포함하고,

상기 막 필로우(13)들은 상기 중심의 투과액 배출/축적 장치에 방사상으로 연결되고, 상기 중심의 투과액 배출/축적 장치로부터 상기 중심의 투과액 배출/축적 장치의 둘레에서 나선형 패턴으로 연장하며,

상기 막 필로우(13)는 각각 상기 투과액 배출/축적 장치에 연결되는 그 단부에 투과액 배출 개구(131)를 가지며,

상기 투과액 배출 개구(131)는 상기 막 필로우로부터 상기 막 필로우(13) 내에 수집된 투과액을 제거하기 위해 상기 투과액 배출/축적 장치(21) 내의 대응하는 투과액 유입 개구(210)와 소통하는

유동 매체를 여과 및 분리하기 위한 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 막 필로우(13)는 직사각형 외곽을 가지고, 상기 막 필로우의 한 쪽 단부면(13)에 상기 투과액 배출 개구(131)가 형성되는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)을 형성하는 하나 이상의 상기 막 필로우(13) 세트가 상기 장치 내에 수용되는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 1 항에 있어서,

제 1 다중 엘리먼트식 나선(20)을 형성하는 막 필로우(13)들이 제 2 다중 엘리먼트식 나선(22)을 형성하는 다수의 스페이서 부재(23)에 의해 서로 이격된 상태로 유지되는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 스페이서 부재(23)가 격자형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 5 항에 있어서,

상기 격자형 구조는 직각으로 교차하는 다수의 막대형 제 1 및 제 2 엘리먼트(230, 231)들로 구성되고, 상기 제 1 엘리먼트(230)의 횡단면이 상기 제 2 엘리먼트(231)의 횡단면보다 더 큰 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 제 1 엘리먼트(230) 및 제 2 엘리먼트(231)의 횡단면이 원형 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 스페이서 부재(23)는 탄성 / 탄성 중합체 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 막 필로우(13)를 형성하는 막 엘리먼트(133, 134)들 사이에 하나 이상의 중간 엘리먼트(135)가 배치되는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 9 항에 있어서,

상기 중간 엘리먼트(135)는 부직포와 유사한 구조를 갖는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20; 22)의 외부 둘레(24)에 실 모양의 엘리먼트가 감기는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 11 항에 있어서,

상기 실 모양 엘리먼트는 상기 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20; 22)에 감긴 후 응고되는 방식으로 열경화성 수지 또는 열경화성 플라스틱으로 적셔지는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20; 22) 및 투과액 배출/축적 장치(21)의 양 측면에는 상기 내압성 하우징(14)에 대해 내압성을 갖도록 상기 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20; 22) 및 상기 투과액 배출/축적 장치(21)를 제한하는 폐쇄 부재(25, 26)가 각각 제공되고, 상기 폐쇄 부재(25, 26) 내에는 하나 이상의 분리될 유동 매체(11)용 유입구(15) 및 하나 이상의 농축액(19)용 배출구가 각각 제공되는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 13 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20; 22), 상기 투과액 배출/축적 장치(21) 및 상기 폐쇄 부재(25, 26)는 상기 내압성 하우징(14) 내에 삽입될 수 있고, 상기 내압성 하우징(14)으로부터 제거될 수 있는 분리 유닛(110)을 형성하는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 4 항에 있어서,

상기 제 1 및 제 2 다중 엘리먼트식 나선(20; 22)은 별도의 파이프 부재(27) 상에 서로 포개어져서 감기고, 상기 파이프 부재(27)의 내부 보어(270) 내에 상기 투과액 배출/축적 장치(21)가 수용되는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 15 항에 있어서,

상기 파이프 부재(27)는 다수의 반경방향 홀(271)을 가지고, 상기 반경방향 홀(271)의 한 쪽이 상기 투과액 배출/축적 장치(21)의 투과액 배출 개구(131)에 연결되는 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,

상기 파이프 부재(27)는 플라스틱 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는

유동 매체의 여과 및 분리 장치.