KR101141871B1

KR101141871B1 - 응집 처리 방법 및 반응기, 및 유체 처리 설비

Info

Publication number: KR101141871B1
Application number: KR1020067012313A
Authority: KR
Inventors: 까림 에쎄미아니; 발레리 위쎌
Original assignee: 베올리아 워터 솔루션즈 앤드 테크놀러지스 써포트
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2004-12-21
Publication date: 2012-05-24
Also published as: BRPI0417394A; BRPI0417394B8; CN100503052C; AU2004311668B2; US7648638B2; NO20062495L; CA2546916A1; AU2004311668A1; WO2005065832A1; PL1697053T3; MA28301A1; TNSN06193A1; EP1697053A1; NO341306B1; CA2546916C; JP2007515284A; RU2006126705A; DK1697053T3; FR2863908B1; KR20060129224A

Abstract

본 발명은 현탁액 상태, 콜로이드 상태 또는 용해된 상태의 불순물로 채워진 피처리 원액의 응집 처리 및 분리를 위한 방법에 관한 것으로, 피처리 원액은 응집 통 내에서 응집 반응물과 순환되고 응집 혼합물은 분리 영역에서 순환된다. 본 발명은, 완전히 잠긴 유동 안내관에 의해 응집 통 내에 중심 영역이 형성되고, 피처리 원액과 응집제로 이루어진 혼합물의 난류성 축방향 유출이 상기 중심 영역에서 발생되고; 상기 유출은 상기 유출의 회전을 억제하는 정적 장치(5)의 도움으로 각도방향으로 배분되고; 혼합물은 주변 영역(3) 내에서 순환되고; 상기 혼합물의 일부는 분리 영역을 향해 이동한다.

하수 처리, 응집제, 밸러스트, 유동 안내관, 교반기

Description

응집 처리 방법 및 반응기, 및 유체 처리 설비{METHOD AND REACTOR FOR FLOCCULATION TREATMENT, AND FLUID TREATMENT INSTALLATION}

본 발명은 피처리 원액의 응집에 의한 처리를 위한, 특히 산업 용수 처리, 식수 처리 및 생활 하수 또는 산업 하수 처리에 사용가능한 방법 및 반응기에 관한 것이다.

특히 수처리 분야에서의 유체의 다양한 처리는 주 유체의 성분과 2차 유동이 반응하도록, 피처리 원액을 2차 유체 또는 유동과 혼합하는 것을 포함하고; 실제에 있어서 2차 유체는 응집제를 포함하고, 또한 통상적으로 피처리 원액의 불순물과 응집제의 작용의 결과로 인한 플록(floc)이 그 상부에 형성되는 세립자 물질을 포함하고; 이러한 공정은 밸러스트(ballast)에 의한 플록의 물리화학적 처리로서 공지되어 있고; 유체는 축방향 유동 수직축 교반기를 갖춘 완전 혼합식 개방형 반응기 내에서 혼합 및 반응된다.

원칙적으로, 물리화학적 반응 처리는 피처리 원액 내로 2차 유체 또는 유체들을 확산시키는 것과, 강력한 혼합에 이어 가능한 한 짧은 반응 시간에 (강력한 혼합 단계에 비해) 낮은 강도에서 교반하는 것 등을 포함하며, 이들 단계는 통상적으로 연속적인 복수의 통 또는 반응기의 사용을 요구한다.

통의 입구와 출구 사이의 단락[우회(bypass)]의 존재와, 실제에 있어서 상기 통의 체적의 사용이 불완전하다는 사실은, 물리학적 모델과 연계된 수학적 모델링에 의해 용이하게 증명되는 바와 같이, 통상적으로 반응기의 크기를 증가시키거나 및/또는 추가적인 교반 동력의 사용을 요구한다. 그러나, 이것은 투자 비용 및 운용 비용의 증가를 가져온다. 또한, 예를 들어 통의 일단에 낮은 레벨의 입구를 사용하고, 타단에 높은 레벨의 출구를 배치함으로써, 소정 통의 입구와 출구가 가능한 서로 멀리 있도록 하는 것이 보편적이지만, 복수의 통을 연속하여 연결해야 하는 경우에 이것은 불편한 것으로 드러났다.

한편, 혼합 효율성에 방해가 되는 것으로 알려진, 통상적으로 와류라고 지칭되는 다량의 액체 회전을 방지하기 위하여, 측벽에 대하여 수직 배플(baffle)을 배치하는 것이 이미 제안되었다["화학 산업에 있어서의 혼합(Mixing in the chemical industry)" 278 내지 301쪽 참조, Sterbacek 및 Tausk저, Pergamon Press, 1965]. 상기 문헌에 따르면, 수직 배플의 첨가는 배플의 폭이 교반기 직경의 0.056 내지 0.12배인 경우에 난류를 증가시키고(따라서 혼합을 개선함), 배플이 벽에 대항하기보다는 유동 내에 있도록 하는 것이 바람직하다. 실제로 상기 문헌은 역사적 이유로, 교반기 근방의 바닥 상에 장착된 두 개의 수직벽으로 형성된 십자형 배플을 언급했으나, 그 방법은 제어하기가 어렵고, 고체 입자에 의한 유체 순환의 저하가 빨리 나타난다고 지적하고 있다. 또한 이들 벽이 에너지 소비량의 증가를 유발한다고 지적하고 있다.

깊이가 깊은 통의 경우, 난류가 유도되는 체적의 비율을 증가시키기 위하여, 통의 체적 내에 복수의 이동체(mobile)를 교반 축을 따라 배치하는 것이 공지되어 있지만, 이동체를 중심으로 동심의 관(유동 가이드)을 배치하고, 이동체는 관의 출구에 장착됨으로써, 그러한 중첩된 이동체들이 배분될 수 있다고 공지되어 있다(상기 1965년도 문헌 참조). 이러한 종류의 유동 가이드는 혼합된 체적의 비율을 증가시키는데 기여하는 흡입관처럼 작용하며, 내부 재순환을 허용하는 장점을 갖는다. 그러나, 이러한 흡입 효과는 종종 와류형의 회전 운동과 연관된다.

수처리 분야에 있어서, 특히 응집 단계와 관련하여, 예를 들어 프랑스 특허 제FR 2 553 082호에 상향 축방향 유동 스크루를 갖춘 중심 영역 및 그 중심 영역을 포위하는 주변 영역이 있는 반응 챔버를 제공하는 것이 이미 제시되어 있다. 경우에 따라 필요한 반응제가 첨가되고, 사전에 얻은 앙금이 처리시에 혼합되는 피처리수는, 중심 영역의 바닥으로 주입되는 한편, 중합체 등의 첨가제는 이 영역 내에 주입된다. 내부 재순환이 형성되고, 주변 영역은 느린 응집 영역을 형성한다. 중심 영역은 평행육면체 형상의 포위체 내에 배치된 수직 관에 의해 한정되며, 그리하여 이 중심 영역은 이중 영역으로 설명될 수 있다. 그 후 혼합물은 분리 영역 내로 진행하기 전에 중간 포위체에 유입된다. 이러한 종류의 구조물은 많은 수의 영역을 수반함을 주목하기 바란다.

한편, 국제 특허 공개 공보 제WO 98/14258호 문헌에 의하면, 내부 재순환용 중심 포위체 내부에 하나 이상의 상향 축방향 유동 스크루, 하나의 세립자 물질 입구 및 하나의 응집제 입구를 포함하는 중심관을 내부에 포함하는 장치가 공지되어 있다. 피처리 원액은 관의 기부에서 주입되고, 중심 영역으로부터 환상 영역 안으로 범람하여 들어간 후, 플록의 크기에 따라 재순환되기 위하여 관으로 재상승하거 나 정화용 주변 영역으로 재상승한다. 스크루는 현탁액 상태의 고체를 절단하지 않고 유지하기에 충분한 난류를 발생시키고, 이 난류는 느린 혼합을 유발하고, 따라서 성능을 저하시킬 수 있다.

본 발명은 설비 또는 운용의 관점에서 소형화, 효율성 및 저렴한 비용의 개선된 조합을 제공하는 것을 목적으로 한다.

따라서 본 발명의 목적은 하나 이상의 교반기 및 상이한 레벨의 교반을 가진 영역의 한정에 의하여, 피처리 원액 및 응집제(및 경우에 따라 응집 밸러스트를 형성하는 세립자 물질) 사이의 반응 역학을 개선시키고, 반응기 체적의 사용 가능한 비율을 증가시키고, 교반 단계에 사용되는 동력의 감축된 레벨에서, 공정을 우회할 위험성(즉, 교반 레벨이 상이한 영역들에서 순환이 발생하지 않을 위험성)을 감소시키는 응집 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 피처리 원액을 응집 및 분리에 의하여 처리하는 방법을 제공하는 것으로, 이 방법은 단일 통의 전체 치수 내에 교반 레벨이 상이한 두 개의 영역을 결합하고, 소정의 에너지 레벨 및 소정의 접촉 시간에 대해 난류를 최대화한다.

본 발명의 부가적인 목적은 제조시에 또는 그 후에 동일하거나 또는 상이한 유형 및 크기의 복수의 반응기를 연결하는 것을 용이하게 하는 것이다.

이를 위해, 우선 본 발명은 현탁액 상태, 콜로이드 상태 또는 용해된 상태의 불순물로 채워진 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법으로서,

- 응집 통 내에서 상기 피처리 원액이 응집 반응제와 함께 순환되어 불순물이 플록(floc)을 형성하는 응집된 혼합물이 얻어지고;

- 상기 응집된 혼합물이 분리 영역 내에서 순환되고 그 안에서 상기 응집된 혼합물이 정화된 하수와 상기 플록을 함유하는 앙금으로 분리되며;

* 완전히 잠긴 유동 안내관이 상기 응집 통 내에 중심 영역을 한정하고, 그 안에서 교반기(8)가 상기 유동 안내관의 축 방향으로 피처리 원액과 응집제의 혼합물의 난류성 축방향 유동을 발생시키는 단계와,

* 상기 유동 안내관의 출구에 배치되어 상기 유동의 회전을 억제하는 정적 시스템(5)에 의해 상기 유동이 각도방향으로 분할되는 단계와,

* 상기 혼합물이 상기 중심 영역의 입구에 도달하도록 상기 중심 영역을 둘러싸는 주변 영역(3)에서 반대 방향으로 순환하는 것이 허용되는 단계와,

* 상기 혼합물의 일부가 상기 분리 영역으로 진행되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 처리 방법을 제시한다.

따라서 본 발명은 유동 안내관으로부터의 출구에서 유체의 회전을 억제하는 정적 장치를 사용하여 더 낮은 교반 레벨을 가진 주변 영역으로부터 더 높은 교반 레벨을 가진 중심 영역을 한정하는 것과 중심 영역으로부터 유출의 각도방향 배분을 결합하고, 그리하여 난류가 최대화되고, 중심 영역 및 주변 영역의 체적 내에 유도되는 순환을 이탈하는 죽은 영역이 최소화된다는 것을 교시함을 주목하기 바란다. 상술한 바와 같이, 유동의 회전을 방지하기 위한 정적 시스템의 사용은 제어가 어려운 이유로 포기되었고, 교반기와의 결합에 의해서만 제안되었다. 따라서 당업자는 이러한 종류의 정적 시스템이 상술한 기술적 문제를 해결하는데 기여하리라는 생각을 할 어떤 이유도 갖지 않았다. 또한, 응집 영역 내에 유동 가이드를 사용하는 종래기술의 해법으로부터 영감을 얻었다 할지라도, 어떤 것도 그러한 유동 가이드와 결합한 이러한 종류의 정적 시스템을 사용하는 것이 이로울 것이라는 제안을 하지 않았다.

적절한 경우에 결합될 수 있는 본 발명의 바람직한 특징에 따르면,

- 중심 영역 내의 유동은 피처리 원액의 유입량의 1 내지 20배의 유량으로 유지되고, 이는 단락(우회)의 위험을 감소시키고 에너지의 과도한 소비를 필요로 하지 않는 양호한 혼합을 보장하는데 충분한 난류를 유도하기에 충분한 재순환에 대응한다.

- 응집 통 내로 유입되는 피처리 원액이 분리 영역으로 진행하기 전에 중심 영역에 적어도 1회 유입되도록, 주변 영역은 응집 통 내로의 피처리 원액의 유입구와 연통하는 상류 주변 영역과, 응집된 혼합물 유출구와 연통하는 하류 주변 영역으로 분할되고, 이는 물론 현저한 에너지 소비 없이 그리고 다수의 재순환 사이클을 수반하지 않고 단락을 방지하는데 기여한다.

- 혼합물의 난류성 축방향 유동은 수직방향이고, 이는 검증된 통상적인 구성이다.

- 수직 난류성 축방향 유동은 중심 영역의 중간 높이에서 교반에 의해 발생되고, 이는 하나 이상의 교반기를 요구하지 않으면서 출구에서의 각도방향 배분에 의해 중심 영역의 입구에서의 양호한 흡입 운동 및 출구에서의 양호한 배출을 달성하는데 기여한다.

- 혼합물의 난류성 축방향 유동은 하향성이고, 혼합물은 중심 영역으로부터의 출구 레벨과 응집 통의 바닥 레벨 사이의 높이의 적어도 실질적으로 3분의 2에 걸쳐 각도방향으로 분할되며; 이것은 응집 영역 내에 내부 재순환이 있을 때 현재 사용되는 방향의 반대임을 주목할 필요가 있지만; 그러나 당업자가 생각할 수 있는 바와 반대로, 최근의 모델링 연구는 형성중이거나 성장중인 플록에 의한 정적 각도방향 배분 시스템의 원치않는 오염을 유발하지 않고 정적 각도방향 배분 시스템과 결합된 하향 운동을 사용하는 것이 전적으로 현실적임을 보여주고; 하향 방향을 선택하는 것은 유도된 난류로 인하여 표면에 잔물결이 일어나는 것을 방지하며, 중심 영역과 주변 영역 사이의 혼합물의 유동 방향을 신속히 전환시키기 위하여 통의 바닥을 이용한다.

하향 운동의 경우에,

- 혼합물은 중심 영역의 레벨과 응집 통의 바닥 레벨 사이의 실질적으로 전체 높이에 걸쳐 각도방향으로 분할되는 것이 바람직하고, 이는 유동 안내관을 떠나는 모든 유동의 각도방향 배분을 보장한다.

- 중심 영역을 한정하는 유동 안내관은 그 출구를 형성하는 하단부가 관의 평균 폭의 3분의 1 내지 3분의 2의 거리에서 응집 통의 바닥을 대면하도록 배치되고, 이는 원치않는 유동 속도 저하의 위험이 없이 유동의 방향을 역전시키는데 기여한다.

- 중심 영역을 한정하는 유동 안내관은 그 입구를 형성하는 상단부가 관의 평균 폭의 3분의 1 내지 3분의 2의 거리에서 응집 통의 내용물의 표면을 대면하도록 배치되고, 이는 원치않는 표면 운동을 유발하지 않고 유동 안내관의 효율적인 공급을 보장하는데 기여한다.

- 응집 통으로 유입되는 피처리 원액이 분리 영역으로 진행하기 전에 중심 영역에 적어도 1회 유입되도록, 주변 영역은 그 높이의 상부에 걸쳐, 응집 통 내로의 피처리 원액의 유입구와 연통하는 상류 주변 영역과, 응집된 혼합물의 유출구와 연통하는 하류 주변 영역으로 분할되고, 이것은 이러한 종류의 분할의 통상적인 이용과 관련한 상술한 장점들을 달성하는 특히 단순한 방법이다.

- 상기 분할은 높이의 실질적으로 상부 절반에 걸쳐 실현되고, 이는 중심 영역을 우회할 위험성을 최소화하기에 충분한 높이이다.

본 발명에 의한 방법의 또 다른 바람직한 특성에 의하면,

- 실질적으로 유동 안내관의 입구 영역 레벨에서 피처리 원액이 유입되고 응집된 혼합물이 유출되며, 이는 본 방법을 실시하기 위한 설비의 연속적인 연결을 가능하게 하는데 기여하고, 중심 영역을 향하는 피처리 유체 및 주변 영역에서 순환된 혼합물의 효율적인 안내에 기여한다.

- 응집제는 천연 중합체, 광물 중합체 또는 합성 중합체이다.

- 응집 통 내에서 피처리 원액과 혼합되는 응집 반응제는 상기 통의 상류에서 피처리 유체 내로 주입된다.

- 대안적으로는, 피처리 원액과 혼합되는 응집 반응제는 예를 들어 응집 통의 입구와 유동 안내관의 입구 사이에서 응집 통 내로 주입되지만; 응집 반응제는 바람직하게는 중심 영역의 경계에서 중심 영역 내로 주입되는 것이 권장되는데, 이는 피처리 유체와의 신속한 혼합을 보장하고; 이러한 효과는 응집 반응물의 적어도 일부가 중심 영역의 입구의 주변에 환형으로 그리고 유동 안내관과 동축을 이루며 주입할 때 강화된다.

- 응집 통 내에서 피처리 원액에 분말이 혼합되며, 분말은 피처리 원액보다 무거운 불용성 세립자 물질로 구성된 밸러스트인 것이 바람직하고, 생성중이거나 또는 성장중인 플럭을 위한 밸러스트로서 작용하며; 밸러스트는 가격이 특히 합리적인 20 내지 300 마이크론 범위의 입자 크기를 가진 고운 모래로 구성되는 것이 유리하다.

- 분리 영역으로부터의 출구에서 얻은 앙금이 처리되고, 여기에서 밸러스트가 회수되어 응집 통으로 재순환되고, 이는 앙금의 부피를 감소시킬 뿐만 아니라 분리 영역 출구에 도달하면서 버려지는 앙금 내의 분말의 손실을 방지한다.

- 피처리 원액은 응집 통 내로 주입되기 전에 응결제와 혼합되고, 이는 피처리 원액이 피처리수인 경우에 최종 분리의 효율성에 더욱 기여하고; 이 경우에 피처리수는 응집 통 내에 주입되기 전에 철염 또는 알루미늄염 등의 광물염을 포함하는 응결제와 혼합되는 것이 바람직하다.

- 분리는 침전 또는 부유에 의해서 실현되고, 유리하게는 경사지거나 또는 수직인 관 또는 판 등의 분리 보조 부재의 도움으로 실현되고; 응집된 혼합물은 침전 효과에 와류 효과를 결합하도록 분리 영역 내에 접선방향으로 주입되는 것이 유리하며, 이는 소정 처리 시간에 대한 분리를 개선하거나 소정 분리 레벨에 대한 처리를 가속한다.

본 발명의 또 다른 양태는 방법의 바람직한 실시예의 실시를 위하여, 현탁액 상태, 콜로이드 상태 또는 용해된 상태의 불순물로 채워진 피처리 원액의 응집에 의한 처리를 위한 반응기로서, 유체 유입구, 유체 유출구 및 피처리 유체가 응집제와 혼합되는 바스(bath) 내의 응집 영역을 갖는 통을 구비하며,

- 양단부가 개방되고, 상기 통의 바스 내에 완전히 잠기지만 상기 통의 바닥으로부터 거리를 유지하도록 수직으로 배치되고, 주변 영역으로부터 중심 영역을 한정하는 유동 안내관으로서, 상기 중심 영역과 상기 주변 영역이 상기 관의 양단부에서 서로 연통하고, 상기 주변 영역이 유체의 유입구 및 유출구와 연통하는, 유동 안내관과,

- 상기 관 내에 배치되어 그 안에 수직 방향 난류성 축방향 운동을 발생시키는 수직축 교반기와,

- 상기 관을 떠나 주변 영역을 향하는 유동을 각도방향으로 분할하도록, 상기 교반기의 하류측 상에서, 상기 교반기의 축과 실질적으로 정렬된 공통 에지로부터 수평방향으로 연장되는 복수의 수직 벽으로 형성된 하나의 십자형 배플을 포함하는 반응기를 제공한다.

상술한 종류의 반응기는 수직 하향 난류성 운동을 가진 방법을 사용하는 경우에 상술한 이점을 갖는다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 본 발명의 방법에 관하여 상술한 것들과 동일한 몇몇 예에 있어서,

* 유동 안내관은 일정한 단면을 가지며, 이는 혼합물의 신속한 유동을 보장하는데 기여한다.

* 유동 안내관은 특별히 단순한 구조인 원통형 형상(즉, 좁은 의미에서 단면이 원형임)을 갖고, 대안적으로는 단면이 정다각형 등이다.

* 교반기는 관 내에서 실질적으로 중간 높이에 배치된다.

* 유동 안내관은 교반기 직경의 102% 내지 120%인 직경을 가지며, 이는 유동 안내관의 단면을 통하여 양호한 혼합을 보장한다.

* 중심 영역의 수력 직경(hydraulic diameter)은 중심 영역 및 주변 영역에 의해 형성된 응집 영역의 평균 폭의 40% 내지 60%이다.

* 교반기는 관 내의 하향 수직 이동을 발생시키도록 배치되어 구동되고, 십자형 배플은 유동 안내 가이드의 하단부와 통의 바닥 사이에 배치된다.

* 관은 그 직경의 3분의 1 내지 3분의 2의 거리에서 통의 바닥을 대면하는 하단부를 갖는다.

* 관은 그 직경의 3분의 1 내지 3분의 2의 거리에서 통 내에 수용된 바스의 표면을 대면하는 상단부를 갖는다.

* 관의 하단부와 통의 바닥 사이의 거리 및 관의 상단부 및 바스의 레벨 사이의 거리는 적어도 관의 직경의 대략 50%이다.

* 십자형 배플은 관의 하단부와 통의 바닥 사이의 거리의 적어도 3분의 2와 실질적으로 동일한 높이를 갖는다.

* 십자형 배플은 관의 하단부와 통의 바닥 사이의 거리와 실질적으로 동일한 높이를 갖는다.

* 십자형 배플의 수직 벽들은 관의 반경의 4분의 3 및 4분의 5인 수평 거리에 걸쳐 연장되고, 이는 응집된 혼합물의 전체 또는 실질적으로 전체가 각도방향으로 배분되는 것을 보장하고; 십자형 배플의 수직 벽은 유동 안내관의 반경과 실질적으로 동일한 수평 거리에 걸쳐 연장되는 것이 바람직하다.

* 십자형 배플은 유동 안내관의 축 둘레로 90°씩 오프셋된 4개의 벽을 포함하고, 이는 특별히 단순한 구조에 해당한다(두 개의 판이 직각으로 교차함).

* 벽들 중 두 개는 피처리 원액이 응집 통 내에 유입되는 방향에 대해 횡방향으로 배치되고, 이는 유동의 양호한 분할에 기여한다.

* 수직 벽들은 입구 영역과 출구 영역 사이에서, 통의 바닥과 바스의 표면 사이의 전체 높이의 적어도 일부에 걸쳐 주변 영역을 분할하고, 이는 피처리 원액이 유동 안내관을 적어도 1회 통과하는 것을 보장하는데 기여한다.

* 수직 벽들은 전체 높이의 40% 내지 60%인 수직 거리에 걸쳐 연장되고, 이는 너무 많은 배플 면적을 사용하지 않고 양호한 효율을 보장하기 위한 높이에 대한 양호한 절충이다.

* 반응기는 통의 실질적으로 상부 절반에 걸쳐 유동 안내관과 유체 유입구와 유체 유출구 사이에서 각각 연장되는 2개 이상의 수직 배플을 포함하여, 피처리 원액이 유체 유입구와 유체 유출구 사이의 중심 영역에 적어도 1회 유입되도록 하는데, 이는 벽들이 상부의 유동 안내관의 레벨에서 가장 효율적이기 때문이다.

* 수직 벽들은 주 유체 유입구 레벨과 교반기의 레벨 사이의 높이에 걸쳐 연장된다.

* 수직 벽들은 주변 영역의 주변으로부터 관까지 연장되고, 이는 주변 영역의 양호한 분할을 보장한다.

* 입구 영역 및 출구 영역은 표면 레벨의 근방에 존재하고, 사이펀을 형성하도록 입구 및 출구를 대면하는 횡방향 판을 각각 포함하며, 이는 피처리 원액의 규칙적 도달을 보장하고, 바스 표면에서의 원치않는 운동을 방지하는데 기여한다.

* 반응기는 응집 반응제의 공급원과 연결된 응집 반응제 주입용 관을 더 포함한다.

* 응집 반응제 주입용 관은 피처리 원액의 유입구와 유동 안내관의 입구 사이에 위치하고; 반응기는 유동 안내관의 입구와 동축인 환형의 응집 반응제 주입용 관을 포함하는 것이 바람직하다.

* 반응기는 분말의 공급원에 연결된 분말 주입용 관을 더 포함한다.

* 분말의 공급원은 고운 모래의 공급원이다.

* 통은 관을 포함하는 단일 응집 영역을 포함하나, 본 발명은 동일한 통이 병렬배치된 복수의 응집 영역을 포함하는 경우도 포함한다.

본 발명은 또한 상술한 유형의 반응기 및 이 반응기의 통으로부터의 출구에 연결된 분리 영역을 포함하는 유체 처리용 설비도 포함한다.

바람직하게는,

- 반응기는 분말 공급원에 연결된 분말 주입용 관을 포함하고, 분리 영역은 분말 회수용 시스템에 연결되어 플록을 함유하는 앙금을 수거하도록 되어 있는 출구를 포함하고, 상기 분말 공급원은 상기 회수 시스템에 연결된다.

- 분리 영역은 통의 하류측 상에 배치된 침전 유닛이다.

- 분리 영역은 통의 둘레의 침전 유닛이다.

따라서, 본 발명의 특징의 특히 유리한 조합에 있어서, 유동 안내관은 십자형 배플보다 위에 배치되고, 이들 두 장치는 적어도 대략 동일한 직경을 갖는 것이 유리하다. 표면에서의 하나 이상의 2차 유동 또는 유체의 주입을 허용하고, 따라서 이 주입의 지속적인 제어를 보장하기 위하여, 권장되는 펌핑 방향은 하향이다. 침착 영역을 방지하기 위해, 당업자는 이러한 종류의 수평 바닥 벽을 배제했음에도 불구하고, 십자형 배플이 통의 하부에 형성하는 급격한 속도 구배는 (난류성 운동 에너지를 발생시켜) 응집 영역의 형성을 방지하는 장점을 갖는다.

상술한 시스템들의 결합된 효과는 교반기의 스크루의 반경방향 구성요소의 주요 부분을 축방향 구성요소로 전환함으로써, 동일한 소비 동력에 대하여 펌핑 처리량을 현저히 증가시킨다.

본 발명의 바람직한 실시예에 관하여 하기와 같은 복수의 장점을 언급할 수 있다.

- 극히 상이한 혼합 강도를 갖는 두 개의 완벽하게 한정된 영역의 존재는 상이한 혼합 강도를 가진 두 개의 통을 통상적으로 필요로 하는 기능들이 동일한 통 내에서 달성될 수 있음을 의미한다.

- 상이한 혼합 강도를 갖는 두 개의 영역을 포함하는 단일 통의 사용은 두 개의 교반기 대신 한 개의 교반기로 두 기능이 달성될 수 있음을 의미한다.

- 정확히 동일한 유효 체적인 경우에, 혼합 강도 및 균일성의 개선된 제어로 인한 죽은 영역의 결과, 단일 통의 전체 체적은 두 개의 결합 된 통의 전체 체적보다 현저히 작을 수 있다.

- 동일한 처리 효율, 동일한 반응제의 소비량 및 동일한 펌핑 처리량인 경우에, 에너지 소비량은 반경방향 유동의 대부분을 축방향 유동으로 전환함에 따라 감소될 수 있다.

- 중첩된 복수의 이동체를 일반적으로 사용하는 깊이가 깊은 통에 있어서, 십자형 배플과 연계된 유동 안내관의 존재는, 추가 이동체 자체에 의한 소모를 제거하고 그 새로운 디자인에 의한 효율의 개선에 의하여, 단일 이동체와 보다 적은 전력으로 동일한 수력 효과가 달성될 수 있음을 의미한다.

- 유동 안내관과 통 사이의 공간을 채우고 액체 높이의 상부 절반에만 배치된 2개의 수직 배플이 존재할 수 있고; 이 경우에 수직 배플들은 종래 문헌에 개시된 것보다 폭이 넓고 길이가 짧다. 수평면상에서, 배플들은 입구 벽과 평행하고, 따라서 출구 벽과 평행하다.

- 십자형 배플들은 바람직하게는 유동 가이드의 직경과 동일한 직경 및 유동 가이드와 통의 바닥 사이에 수용되는 높이를 갖는다.

- 유동 가이드, 표면 배플, 십자형 배플, 공급 영역과 유출 영역, 교반기 위치 및 2차 유체의 주입 모드의 유리한 조합에 의해, 본 발명의 반응기는 최적의 성능 개선을 달성할 수 있다.

본 발명의 목적, 특성 및 장점은 예시적이고 비제한적인 방식으로 주어지고 첨부 도면을 참조한 이하의 상세한 설명에 의해 명확해진다.

도1은 본 발명의 반응기의 바람직한 실시예의 개략 사시도이다.

도2는 반응기의 개략 평면도이다.

도3은 도1 및 도2에 도시된 반응기를 사용하는 수처리 설비의 개략도이다.

도4는 도1 및 도2에 도시된 반응기의 변형예의 개략 평면도이다.

도5는 도1 및 도2에 도시된 반응기의 다른 변형예의 개략 평면도이다.

도6은 도3에 도시된 설비의 변형예의 개략도이다.

도7은 도3에 도시된 설비의 다른 변형예의 개략도이다.

반응기의 형태

도1 및 도2에 도시된 반응기(10)는 동일한 유형의 복수의 반응기를 연속하여 연결하기 쉽게 하기 위하여 직사각형 형상을 갖는다. 도시되지 않은 변형예에서는 반응기가 정사각형일 수 있는데, 이는 중심 영역의 대칭을 고려할 때 바람직하다(상기 참조).

이하에 설명되는 대부분의 특징은 원형 반응기(도5 참조)에도 동일하게 적용 가능하고, 이 또한 본 발명의 범주 내에 있으며, 얻어지는 결과는 실질적으로 동일함을 알 수 있다.

대체로, 여기에서 고려되는 반응기(10)의 바람직한 실시예는,

- 종종 난류 유동을 형성하고, 당분야에 공지된 적절한 유형의 응결 반응제 등의 제1 반응제가 이미 주입되었을 수 있는 피처리 원액을 수용하는 유체 유입 영역(1)과,

- 교반기(8)에 의해 발생되는 유동에 대한 유동 가이드의 역할을 하는 관(2A) 내부의 고 분산 에너지 중심 영역(2)으로서, 상기 관(2A) 내에서 피처리 원액이 분산되어 적어도 하나의 응집 반응제와 완전히 혼합되고, 상기 관(2A)은 십자형 배플(5)과 동일 선상에 존재하는, 중심 영역(2)과,

- 원하는 응집이 그 내부에서 완료되는, 유동 가이드 외부의 저 에너지 주변 영역(3)과,

- 분리용 하류 반응기가 존재하는 경우 그 안에서의 고체-액체 분리를 촉진하기 위하여, 혼합 에너지를 유리하게 분산시키고 통의 전체 폭을 가로질러 빠져나가는 응집된 혼합 유체를 균일하게 분할하는 유체 유출 영역(4)과,

- 입구와 출구 사이의 우회를 최소화하는 편향자를 형성하고 혼합의 효율성을 개선시키는 수직 배플(6A, 6B)의 세트를 포함한다.

동일한 원리에 기반한 복수의 처리 단계의 (초기 또는 후속) 연결을 용이하게 하기 위하여, 각각의 반응기의 입구 및 출구는 실질적으로 동일한 레벨에 배치되고, 바람직하게는 상부에서, 실질적으로 관의 입구 레벨에, 여기서는 표면에 배치되고; 이것은 또한 동적 우회를 최소화하고, 예를 들어 바스의 레벨을 유체 출구의 방수로보다 위로 상승시키거나 또는 방수로의 위치를 변화시킴으로써 하류 방향으로 부유 물질이 제거될 수 있도록 한다.

유입 영역(1)

하수로도 지칭되는 피처리 원액은 표면(도1에 도시됨)에서 [실제에 있어서는 반응기의 벽에 입구를 한정하는 슬롯의 하부 에지에 의해 형성되는, 잠겨있거나 또는 잠겨있지 않은 방수로(1A)를 경유하여] 그 전체 폭을 가로질러, 또는 저류(underflow) 장치(이 변형예에는 도시되지 않음)에서, 또는 (표면의 또는 표면 아래의) 단일 지점에서 각 반응기로 주입된다.

일반적으로, 단일 지점에서의 주입은 단일 반응기 또는 일련의 반응기 중 제1 반응기의 경우에 선택될 수 있고, 연속하여 연결된 두 개의 반응기 사이의 연통은 바람직하게는 방수로에 의해 달성될 수 있다.

유입 영역 또는 수용 영역은 사이펀 형의 배플(1B)[또는 사이펀 효과를 일으키는 제트 브레이커 플레이트(jet breaker plate)]에 의해 반응기의 나머지 부분으로부터 한정될 수 있다. 이 사이펀 형상 배플은, 특히 단일 지점에서의 유입의 경우, 상류의 난류 운동 에너지를 분산시키고 유동 방향을 (수평방향 대신 수직방향으로) 변화시킨다.

예를 들어 응결제(예를 들어 철염 또는 알루미늄염 등의 광물염)와 같은 제1 반응제는 그것의 분산을 용이하게 하기 위하여 이러한 강한 난류 영역으로 주입될 수 있다. 반응제(또는 다른 반응제)를 주입하는 방식은 피처리 원액이 주입되는 방법, 즉 단일 지점 주입 또는 수용 영역의 폭 전체에 걸친 복수 지점 주입에 따른다.

중심 영역(2)

이 영역은 다양한 성분이 긴밀하게 혼합되는 유동 가이드 내부의 최대 난류 영역이다.

유동 가이드의 사용은 액체의 깊이와 상관없이 각각의 축에 한 개의 교반기(8)가 사용될 수 있음을 의미한다.

관은 대칭축인 z-z 축을 가지며, 여기에서는 원형 단면(즉 일반적인 의미에서 원통형임)인 일정하고 유리하게는 원통형인 단면을 갖는 것이 바람직하지만, 예를 들어 다각형과 같은 다른 형상을 가질 수 있다.

바스 내에 완전히 잠긴 이 관은 수직인 것이 바람직하지만(따라서 Z-Z 축은 수직임), 입구/출구를 포함하는 전체로서의 반응기의 일반적 구성이 요구한다면 경사진 방향(또는 수평방향)이 가능하다.

도4에 도시된 바와 같이, 유동 가이드를 갖춘 복수의 교반기는, 필요에 따라 그리고 통의 길이방향 및 횡방향 치수가 허용하는 한, 동일한 통 내에 설치될 수 있다. 각각의 방향(길이방향 및 횡방향)으로 배치될 교반기의 수는 교반기의 이동체의 직경과 대응 치수 사이의 비율에 따르고, 최대 직경 자체는 액체 깊이의 함수이다.

교반기는 수직 하향 유동을 발생시키는 경우가 특히 유리하다.

유리하게는 (입구와 출구 사이의) 통과 유량의 1 내지 20배를 나타내는 교반기 전부에 의하여 펌핑되는 유량은 관(2A)(또는 관형 케이스)의 상부에서 흡입되고, 반응기의 바닥을 향해, 즉 하향 유동하여 배출된다. 이는 하나 이상의 반응제가 표면의 단일 지점에서, 또는 관(2A)과 동축이며 관의 상단부에서 그 입구에 배치되된, 도면에 참조번호 "14"로 개략적으로 표시된 천공된 환형 관을 통하여 주입될 수 있음을 의미한다. 여기서 응집 반응제는 이 천공된 관을 통해서 주입되지만, 그 대신에 입구에서, 입구 영역과 중심 영역의 사이에서, 또는 관의 입구에서 주입될 수 있다.

교반기(8)는 유리하게는 관의 중간 높이에 배치되고, 관은 바람직하게는 교반기 직경의 102% 내지 120%의 직경을 갖는다.

그 직경은 유리하게는 주변 영역의 최대 수평 치수의 최대 60% 및 최소 40%이고, 바람직하게는 50% 정도이다. 중심 영역의 수력 직경은 통의 평균 치수의 40% 내지 60%이다.

그것의 하단부는 유리하게는 관의 직경의 3분의 1 내지 3분의 2의 거리에서 바닥을 대면하고, 이는 표면과 관의 상단부의 레벨 사이의 거리에도 동일하게 적용된다. 이 거리는 유리하게는 관의 직경의 50% 정도이다.

유동 가이드 아래에 배치된 십자형 배플(5)은 교반기의 z-z 축과 실질적으로 정렬된 공통 에지(7)로부터 연장되는 복수의 수직 벽(5A)으로 형성된다. 이것은 유동 안내관을 떠나는 유동의 연속적인 회전을 방해하기 위한 정적 시스템이며; 유동 채널을 형성하고, 유동을 복수의 동일한 부분으로 각도방향 분할하고, 장치의 바닥에 원형 흐름이 형성되는 것을 방지한다. 이러한 유동의 회전을 유발하는 반경방향 효과를 제거하는 것은 축방향 효과를 증가시켜 동력 소비량의 증가 없이 펌핑되는 유량을 증가시키는 평행 효과를 갖는다. 이것은 또한 십자형 배플에 의해 형성된 구석에 미립자가 축적되는 것을 방지한다.

십자형 배플은 유리하게는 관의 직경의 75% 내지 125%인 직경을 갖는다. 그 것의 벽은 통의 바닥과 관의 출구 사이의 높이의 상당 부분(적어도 3분의 2)에 걸쳐, 바람직하게는 실질적으로 그 높이 전체에 걸쳐 연장된다.

여기에서 십자형 배플은 직각(즉, 90°)으로 접합된 4개의 벽으로 형성되고, 그 중 2개는 바람직하게는 통의 입구와 출구 사이의 유동 방향에 대해 횡방향으로 배치된다. 도시되지 않은 변형예로서, 십자형 배플은 상이한 수의 배플, 즉 3개 또는 5개 또는 그 이상을 포함할 수 있다.

주변 영역(3)

이 영역은 유동 안내관의 외부에 위치되고, (잘 혼합된 상태이나, 아직 응집 공정중에 있는) 펌핑된 유체의 상향 운동, 저속, 난류 및 최소화된 시간 안에 원하는 공정이 완료될 수 있음을 의미하는 균질성을 특징으로 한다.

횡단 유동에 대해 횡방향으로 표면에 배플(6A, 6B)을 배치하는 것은 표면에서 형성되는 회전 운동을 제거하고, 유체의 유입 유량 전체를 유동 안내관을 향해 선택적으로 유도하여, 피처리 원액이 재순환된 유동 및 주입된 반응제와 혼합되도록 유동 안내관을 적어도 1회 통과하는 것을 보장한다.

수직 배플은 중심 영역의 높이의 일부에 걸쳐서만 연장되고, 따라서 바스의 높이의 일부, 바람직하게는 바스 높이의 40% 내지 60%에 걸쳐 연장되고, (특히 도시된 경우와 같이, 입구 및 출구가 상부에 있을 때) 유리하게는 바스 상부의 절반에 걸쳐 연장된다. 배플들은 유리하게는 표면과 교반기가 관 내부에 배치되는 레벨 사이에서 연장된다.

도시되지 않은 변형예에서, 보다 많은 수의 배플이 존재할 수 있으며, 예를 들어 3개(또는 4개 또는 그 이상)의 배플이 입구와 출구 사이에 배치되고 규칙적으로 또는 불규칙적으로 각도방향으로 분포될 수 있다.

유출 영역(4)

이 영역은 유입 영역에 대향하여, 바람직하게는 동일한 높이에 위치하고, 유리하게는 사이펀 형상의 배플(4B)과 대체로 반응기의 폭 전체를 커버하는 침수된 방수로(4A)를 포함한다.

최적의 거리 및 적절한 침수 깊이에 배치되어, 적절한 상승 속도를 발생시킴으로써, (예를 들어 상 분리가 처리에 요구되는 경우에) 이들 장치는 우회를 감소시키고 반응기의 하류에서 수행되는 처리를 저하시키는 난류를 분산시킨다.

사이펀 형상 배플과 하류 벽(도시되지 않음) 사이 공간의 적절한 분할은 방수로 길이 전체에 걸쳐 균일하게 배분되는 유량을 보장한다.

구체적인 구성

도1 및 도2의 반응기에는 유리하게는 분리 영역이 뒤따른다. 다양한 구성이 사용될 수 있다.

도3은 분리 영역(100)이 뒤따르는 반응기(10)를 도시한다.

구체적이 요건에 따라, 도1 및 도2와 같은 복수의 반응기를 연속하여 연결하는 것이 가능하다는 것이 명확히 이해되어야 한다.

도3에서, 유입은 응결 반응제 주입 라인(11)이 존재하는 경우 그 하류인 좌측으로부터 시작하여, 주변 영역 부분을 개략적으로 나타내는 사선 영역 안으로 진행하며, 그 안에서 상향 유동이 배플(6A, 6B)에 의해 각도방향으로 한정되고, 유입 되는 피처리 원액과의 혼합이 발생한다. 도면부호 "14"는 응집 반응제가 공급원(14A)으로부터 중심 영역(사선으로 표시되지 않음) 안으로 유입되는 것을 나타내고, 도면부호 "15"는 세립자 물질 공급원(15A)으로부터의 분말의 선택적인 주입을 나타낸다. 응집 이후에, 유체는 주변 영역(사선으로 표시됨)의 오른쪽 부분을 떠나 분리 영역으로 유입되며, 그 안에서 응집된 유체는 정화된 하수 및 반응기(10) 내에서 형성된 플록을 함유하는 앙금으로 분리된다.

피처리 원액은 바람직하게는 물이고, 이 물은 원칙적으로 철염 또는 알루미늄염 등의 응결 반응제가 라인(11)을 통해 주입됨으로써 또는 범람(overflow) 또는 저류(underflow)에 의해 상류의 통 안으로 공급됨으로써 사전 응결된다.

피처리 원액 내에 포함된 현탁액 상태, 콜로이드 상태 또는 용해된 상태의 불순물로부터의 플록 형성을 용이하게 하기 위하여 분말을 주입하는 것이 유리하다. 이 물질은 바람직하게는 물에 용해되지 않고(또는 극히 적게 용해되는) 피처리 원액보다 무거운 세립자 물질로 구성된 밸러스트이다. 이 물질은 입자 크기가 유리하게는 20 내지 300 마이크론인 모래인 것이 바람직하다.

도4는 도1 및 도2의 십자형 배플과 같은 정적 시스템과 결합된, 동일한 통 내의 3개의 유동 안내관을 포함하는 또 다른 반응기(10')를 도시한다. "응집 영역"이라는 표현은 관 및 그 둘레의 주변 영역에 의해 한정되는 각각의 중심 영역에 의하여 연결되어 형성된 영역을 지칭하며, 도4의 반응기는 입구(도면의 상부)와 출구(도면의 하부) 사이에 평행하게 배치된 복수의 응집 영역을 포함한다.

도5는 통의 벽이 원통형이고 응집된 유동이 그의 주변의 상당 부분을 따라 범람함으로써 통으로부터 유출되는 것을 제외하면, 도1 및 도2에 도시된 것과 유사한 또 다른 반응기(10")를 도시한다. 여기에서는 주변 영역의 상부를 4개의 지역으로 한정하는 4개의 측방향 편향 배플(6"A 내지 6"D)이 존재하고, 그 중 하나(도면의 상부에 위치함)는 피처리 원액의 유입용이고, 나머지 세 개는 응집된 유체를 위한 유출구를 제공한다.

일반적으로, 강력한 혼합으로 형성된 플록은 덜 교반된 주변 영역에서 성장하고, 침전 영역으로 최종적으로 전달되기 전에 유동 가이드 내에서 부분 재순환한다.

도6의 실시예에서, 침전 영역은 응집 반응기(10)와는 무관한 분리 통(100')이고, 여기서는 경사진 판으로 구성된 침전 보조용 부재(110)를 포함하고(다른 실시예에서 이들 부재는 생략됨); 끝으로, 실제에 있어서 방수로를 통해 분리용 통을 떠나는 정화된 하수로부터 분리된 앙금은 여기에서 유닛(113)으로의 라인에 의해 연결된 펌프(112)에 의해 펌핑되고, 요소(113)는 앙금 속에 함유된 세립자 물질의 상당 부분을 회수할 수 있고, 실제에 있어서는 이러한 분리가 가능한 하이드로사이클론 또는 임의의 다른 적절한 시스템이고, 이 경우에 유닛(113)은 분말 공급원의 일부이다(물론, 응집 반응기에 주입되는 물질은 부분적으로는 이 회수된 물질과 부분적으로는 새 물질로 구성된다).

분말은 밸러스트를 형성하고, 완전하게 비활성 물질(예를 들어, 모래, 가닛, 등)이거나 또는 활성 물질(예를 들어, 활성화된 탄소 분말 또는 수지)이며, 이는 모래인 경우에도 수처리 "반응제(reagent)"로 종종 거론되는 이유를 설명한다. 상 술한 바와 같이, 그 물질은 사전-응결된 유체와 함께 입구에서 주입되거나, 또는 교반 이동체의 상류 영역에서, 바람직하게는 이동체와 동축인 유동 가이드의 상부에서 주입될 수 있다. 밸러스트의 주입은 두 개의 유효 영역을 가진 하나의 통이, 예를 들어 "Actiflo" 공정으로 알려진 공정에 해당하는 프랑스 특허 FR 2627704 및 FR 2719234 개시된, 밸러스트를 가진 응집의 처리를 침전 보조 판을 사용하거나 또는 사용하지 않고 수행할 수 있으며, 이에 따라서 전체적인 실시 비용이 저감되고 교반 에너지 수요가 최소화됨을 의미한다. 출원인에 의해 수행된 실험에 따르면, 당업자가 예측하는 바와는 반대로, 본 발명의 십자형 배플은 교반 효율을 개선함으로써 교반용 통의 바닥 상에 밸러스트 모래가 축적되는 것을 최소화한다.

도7은 통상적으로는 물인 피처리 원액을 위한 또 다른 설비를 도시한다. 이 설비는 기본적으로 분리 영역이 하류에 있지 않고 응집 통(10) 둘레에 있는 통(100')이란 점에서 도6의 것과 상이하고; 반응기(10)의 구성은 도6의 것과 동일하고, 분말의 주입은 도6에 도시된 것과 동일하며, 도6에서와 같이 주입된 분말은 통(100")의 바닥에서 펌핑된 앙금 내에서 회수된 물질을 포함한다. 이 실시예에 있어서는, 예를 들어 침전 보조 판과 같은 침전 보조 부재가 존재하지 않지만, 침전 보조 부재는 사용될 수 있다.

도시되지 않은 변형예에서, 분리 영역은 부유의 원리를 사용하며, 이 원리에 의하면 고체가 침전하지 않고 정화된 하수의 표면 상에 부유함으로써, 정화된 하수가 앙금보다 가볍고; 여기에서도 분리 보조용 부재가 사용될 수 있다.

분리 영역 내로의 응집된 유체의 접선방향 유입은 또한 유리하게는 침전 효 과와 함께 와류 효과의 이점을 누리는데 유리할 수 있다.

새로운 구성 및 종래 구성의 모델링에 의한 비교 연구

본 발명의 장점은 Fluent Inc.의 유체역학 시뮬레이션 프로그램인 Fluent(제5판)를 사용하여 속도장(velocity field), 난류 구배(gradiant) 및 처리 시간 분포에 대한 연구에 의하여 분명해졌다.

두 개의 구성이 동일한 작동 조건에 기초하여 연구되었고, 그 차이점은 하기와 같다.

1. 표면에서의 유입/유출, 더욱 짧은 회전축 및 십자형 배플의 사용의 장점의 입증

표1은 저류 및/또는 범람에 의한 하수의 유입 및 유출과 관련하여 종래 구성(A)을 본 발명의 임의의 양태에 따른 구성(B)으로 변경함으로써 얻어지는 장점, 즉 동일한 높이에서의 유입 및 유출, 제트 브레이커 플레이트 및 사이펀 형상 배플의 포함, 더욱 짧은 회전축 및 통의 바닥에 위치한 십자형 배플의 장점을 나타내며; 새로운 구성(B)의 경우 속도장 및 난류 구배의 최대치 및 평균치가 더욱 크고 더욱 균일함을 주목하기 바란다.

새로운 구성의 이점:

- 동일한 에너지 소비량에 대하여 혼합 효율 증가;

- 통 체적 사용 최대화;
- 우회의 감소;

- 연속적인 연결의 용이함;

- 회전축의 길이 축소로 인한 회전축 진동 문제의 제거;

- 처리 시간의 감소;

- 운동 에너지 분산 출구 영역의 생성에 의한 통 내의 편향된 경로의 위험 제거.

2. 십자형 배플 , 유동 가이드 및 장애판(chicane)의 결합에 의한 장점의 입증

표2는 단일 교반기를 가진 종래 구성(C)을 이동체, 십자형 배플, 십자형 배플 상에 놓이는 유동 가이드 및 그 유동 가이드를 지지하는 두 개의 장애판을 포함하는 구성(D)으로 변경함으로써 얻어지는 연속적인 작동에 있어서의 장점을 나타낸다.

유체역학 시뮬레이션 소프트웨어인 Fluent를 이용하여 동일한 작동 조건하에서 속도장 및 난류 구배를 분석한 결과는 다음과 같다.

- 새로운 구성(D)에서 속도장 및 난류 구배의 최대치 및 평균치는 더욱 크고 더욱 균일함,

- 명확히 분리된 2개의 영역이 생성됨: 유동 가이드 내부 및 십자형 배플 레벨의 매우 높은 값의 속도 및 속도 구배를 가진 강한 교반 영역과 유동 가이드 외부의 약한 교반 영역.

새로운 구성의 이점:

- 동일한 에너지 소비량에 대하여 혼합 효율 증가;

- 혼합 레벨을 기준으로 두 개의 상이한 혼합 영역 생성. 강하게 교반되는 영역 내에서의 반응제와 유체의 신속하고 효율적인 혼합과, 약하게 교반되는 영역 내에서의 반응제가 작용하는데 최적인 순환 시간을 가능하게 함;

- 십자형 배플의 레벨에 강하게 교반되는 영역 생성. 침전된 고체 입자를 현탁액에 재투입하거나 기체-액체 유동의 경우 계면을 증가시킴;

- 우회의 감소;

- 처리 시간의 감소.

3. 유동 가이드( 도3의 참조부호 "14") 둘레의 환상형 주입에 의한 반응제 첨가의 장점의 입증

반응제 분포의 그래픽 시뮬레이션은 환상형 주입의 경우 단일 지점 주입의 경우보다 분산이 더욱 개선되고 빨라짐을 나타낸다.

변수	B에 대한 A의 비율	B의 개선
처리 시간/평균 처리 시간	0.9	+9%
혼합 시간/평균 처리 시간	0.79	+20%
1분후의 혼합 비율	0.62	+40%
평균 속도 (m/s)	0.42	+60%
평균 난류 구배 (s^-1)	0.21	+80%

변수	D에 대한 C의 비율	D의 개선
처리 시간/평균 처리 시간	0.956	+4%
혼합 시간/평균 처리 시간	0.861	+14%
15분후의 혼합 비율	1	+0%
평균 속도 (m/s)	0.17	+83%
평균 난류 구배 (s^-1)	0.044	+96%

Claims

현탁액 상태, 콜로이드 상태 또는 용해된 상태의 불순물로 채워진 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법으로서, 응집 통 내에서 상기 피처리 원액이 응집 반응제와 함께 순환되어 불순물이 플록(floc)을 형성하는 응집된 혼합물이 얻어지고; 상기 응집된 혼합물이 분리 영역 내에서 순환되고 그 안에서 상기 응집된 혼합물이 정화된 하수와 상기 플록을 함유하는 앙금으로 분리되는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법에 있어서,

완전히 잠긴 유동 안내관이 상기 응집 통 내에 중심 영역을 한정하고, 그 안에서 교반기(8)가 상기 유동 안내관의 축 방향으로 피처리 원액과 응집제의 혼합물의 난류성 축방향 유동을 발생시키는 단계와,

상기 유동 안내관의 일 단부에 형성되어 상기 유동 안내관으로부터 상기 난류성 축방향 유동이 배출되는 상기 유동 안내관의 출구에 배치되어 상기 유동의 회전을 억제하는 정적 시스템(5)에 의해 상기 유동이 각도방향으로 분할되는 단계와,

상기 혼합물이 상기 중심 영역의 입구에 도달하도록 상기 중심 영역을 둘러싸는 주변 영역(3)에서 반대 방향으로 순환하는 것이 허용되는 단계와,

상기 혼합물의 일부가 상기 분리 영역으로 진행되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항에 있어서, 상기 중심 영역에 있어서의 유동이 피처리 원액의 유입 유량의 1 내지 20배의 유량으로 유지되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 응집 통 내로 유입되는 상기 피처리 원액이 상기 분리 영역으로 진행하기 전에 상기 중심 영역에 적어도 1회 유입되도록, 상기 주변 영역은 상기 응집 통 내로의 피처리 원액의 유입구와 연통하는 상류 주변 영역과, 응집된 혼합물 유출구와 연통하는 하류 주변 영역으로 분할되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 혼합물의 난류성 축방향 유동은 수직방향인 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제4항에 있어서, 상기 수직방향 난류성 축방향 유동은 상기 중심 영역의 중간 높이에서 교반기(8)에 의하여 발생되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제5항에 있어서, 상기 혼합물의 난류성 축방향 유동은 하향성이고, 상기 혼합물은 상기 중심 영역으로부터의 출구 레벨과 상기 응집 통의 바닥 레벨 사이의 높이의 적어도 실질적으로 3분의 2에 걸쳐 각도방향으로 분할되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제6항에 있어서, 상기 혼합물은 상기 중심 영역의 레벨과 상기 응집 통의 바닥 레벨 사이의 실질적으로 전체 높이에 걸쳐 각도방향으로 분할되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제6항에 있어서, 상기 중심 영역을 한정하는 상기 유동 안내관은 출구를 형성하는 상기 유동 안내관의 하단부가 상기 응집 통의 바닥에 대하여 상기 관의 평균 폭의 3분의 1 내지 3분의 2인 거리에서 대면하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제8항에 있어서, 상기 중심 영역을 한정하는 상기 유동 안내관은 입구를 형성하는 상기 유동 안내관의 상단부가 상기 응집 통의 내용물의 표면에 대하여 상기 관의 평균 폭의 3분의 1 내지 3분의 2인 거리에서 대면하도록 배치되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제6항에 있어서, 상기 응집 통으로 유입되는 상기 피처리 원액이 상기 분리 영역으로 진행하기 전에 상기 중심 영역에 적어도 1회 유입되도록, 상기 주변 영역은 그 높이의 상부에 걸쳐, 상기 응집 통 내로의 피처리 원액의 유입구와 연통하는 상류 주변 영역과, 상기 응집된 혼합물의 유출구와 연통하는 하류 주변 영역으로 분할되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제10항에 있어서, 상기 분할은 상기 높이의 실질적으로 상부 절반에 걸쳐 실행되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제4항에 있어서, 실질적으로 상기 유동 안내관의 유입 영역의 레벨에서 상기 피처리 원액이 유입되고 상기 응집된 혼합물이 유출되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 응집제는 천연 중합체, 광물 중합체 또는 합성 중합체인 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 응집 통 내에서 상기 피처리 원액과 혼합하는 응집 반응제는 상기 통의 상류에서 상기 피처리 원액 내에 주입되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피처리 원액과 혼합되는 응집 반응제는 상기 응집 통 내에 주입되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제15항에 있어서, 상기 응집 반응제는 상기 응집 통의 입구와 상기 유동 안내관의 입구 사이에 주입되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제15항에 있어서, 상기 응집 반응제는 상기 중심 영역 내에 주입되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제15항에 있어서, 상기 응집 반응제는 상기 중심 영역의 경계에 주입되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제18항에 있어서, 상기 응집 반응제의 적어도 일부가 상기 중심 영역의 입구의 주변에 환상으로, 그리고 상기 유동 안내관과 동축으로 주입되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 응집 통 내에서 상기 피처리 원액에 분말이 혼합되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제20항에 있어서, 상기 분말은 상기 피처리 원액보다 무거운 불용성 세립자 물질로 구성된 밸러스트(ballast)인 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제21항에 있어서, 상기 밸러스트는 입자 크기가 20 내지 300 마이크론 범위인 고운 모래로 구성되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제21항에 있어서, 상기 분리 영역으로부터의 출구에서 앙금이 처리되고, 상기 출구에서 밸러스트가 회수되어 상기 응집 통으로 재순환되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 피처리 원액은 상기 응집 통 내에 주입되기 전에 응결제와 혼합되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 주 유체는 피처리수인 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제25항에 있어서, 상기 피처리수는 상기 응집 통 내에 주입되기 전에, 철염 또는 알루미늄염 등의 광물염을 포함하는 응결제와 혼합된 것을 특징으로 하는, 피 처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 분리는 침전에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
삭제
제27항에 있어서, 상기 분리는 경사지거나 또는 수직인 관 또는 판 등의 분리 보조 부재의 도움으로 실행되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
제27항에 있어서, 상기 응집된 혼합물은 침전 효과와 와류 효과를 결합하기 위해 상기 분리 영역 내에 접선방향으로 주입되는 것을 특징으로 하는, 피처리 원액의 응집 및 분리에 의한 처리 방법.
현탁액 상태, 콜로이드 상태 또는 용해된 상태의 불순물로 채워진 피처리 원액의 응집에 의한 처리를 위한 반응기로서, 유체 유입구, 유체 유출구 및 피처리 유체가 응집제와 혼합되는 바스(bath) 내의 응집 영역을 갖는 통(10, 10', 10")을 구비하는 반응기에 있어서,

양단부가 개방되고, 상기 통의 바스 내에 완전히 잠기지만 상기 통의 바닥으로부터 거리를 유지하도록 수직으로 배치되고, 주변 영역(3)으로부터 중심 영역(2)을 한정하는 유동 안내관(2A)으로서, 상기 중심 영역과 상기 주변 영역이 상기 관의 양단부에서 서로 연통하고, 상기 주변 영역이 유체의 유입구 및 유출구와 연통하는, 유동 안내관(2A)과,

상기 관 내에 배치되어 그 안에 수직 방향 난류성 축방향 운동을 발생시키는수직축 교반기(8)와,

상기 관을 떠나 주변 영역을 향하는 유동을 각도방향으로 분할하도록, 상기 교반기의 하류측 상에서, 상기 교반기의 축과 실질적으로 정렬된 공통 에지(7)로부터 수평방향으로 연장되는 복수의 수직 벽으로 형성된 십자형 배플(5)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제31항에 있어서, 상기 유동 안내관은 일정한 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
제32항에 있어서, 상기 유동 안내관은 원통형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 교반기는 실질적으로 상기 관 내의 중간 높이에 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유동 안내관은 상기 교반기 직경의 102% 내지 120%인 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 중심 영역의 수력(hydraulic) 직경은 상기 중심 영역 및 상기 주변 영역에 의해 형성된 응집 영역의 평균 폭의 40% 내지 60%인 것을 특징으로 하는 반응기.
제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 교반기는 상기 관 내에 수직 하향 운동을 발생하도록 배치 및 구동되고, 상기 십자형 배플은 상기 유동 안내관의 하단부와 상기 통의 바닥 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제37항에 있어서, 상기 관은 그 직경의 3분의 1 내지 3분의 2인 거리에서 상기 통의 바닥을 대면하는 하단부를 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
제38항에 있어서, 상기 관은 그 직경의 3분의 1 내지 3분의 2인 거리에서 상기 통 내에 수용된 바스의 표면을 대면하는 상단부를 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
제37항에 있어서, 상기 관의 하단부와 상기 통의 바닥 사이의 거리 및 상기 관의 상단부와 상기 바스의 레벨 사이의 거리는 적어도 상기 관의 직경의 약 50%인 것을 특징으로 하는 반응기.
제37항에 있어서, 상기 십자형 배플은 상기 관의 하단부와 상기 통의 바닥 사이의 거리의 적어도 3분의 2와 실질적으로 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
제41항에 있어서, 상기 십자형 배플은 상기 관의 하단부와 상기 통의 바닥 사이의 거리와 실질적으로 동일한 높이를 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
제37항에 있어서, 상기 십자형 배플의 수직 벽들은 상기 관의 반경의 실질적으로 4분의 3 내지 4분의 5인 수평 거리에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제43항에 있어서, 상기 십자형 배플의 수직 벽들은 상기 유동 안내관의 반경과 실질적으로 동일한 수평 거리에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제37항에 있어서, 상기 십자형 배플은 상기 유동 안내관의 축 둘레로 90°씩 오프셋된 4개의 벽을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제45항에 있어서, 상기 벽 중 2개는 상기 피처리 원액이 상기 응집 통 내로 유입되는 방향에 대해 횡방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제37항에 있어서, 상기 수직 벽들은 유입 영역과 유출 영역의 사이의 주변 영역을, 상기 통의 바닥과 상기 바스의 표면 사이의 전체 높이의 적어도 일부에 걸쳐 분할하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제47항에 있어서, 상기 수직 벽들은 상기 전체 높이의 40% 내지 60%인 수직 거리에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제47항에 있어서, 상기 피처리 유체가 상기 유체 유입구와 상기 유체 유출구 사이의 상기 중심 영역에 적어도 1회 유입되도록, 상기 반응기는 상기 통의 실질적으로 상부 절반에 걸쳐 상기 유동 안내관과 유체 유입구와 유체 유출구 사이에서 각각 연장되는 두 개 이상의 수직 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제47항에 있어서, 상기 수직 벽들은 주 유체 유입구 레벨과 상기 교반기의 레벨 사이의 높이에 걸쳐 연장되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제47항에 있어서, 상기 수직 벽들은 상기 주변 영역의 주변으로부터 상기 관까지 연장되는 것을 특징으로 하는 반응기.
제37항에 있어서, 상기 유입 영역 및 유출 영역은 상기 표면의 레벨 근방에 있고, 사이펀을 형성하도록 상기 유입구 및 상기 유출구를 대면하는 횡방향 판을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 응집 반응제의 공급원에 연결된 응집 반응제 주입용 관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제53항에 있어서, 상기 응집 반응제 주입용 관은 상기 피처리 원액을 위한 유입구와 상기 유동 안내관의 유입구 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제53항에 있어서, 상기 유동 안내관의 입구와 동축인 환형의 응집 반응제 주입용 관을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 분말의 공급원에 연결된 분말 주입용 관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제56항에 있어서, 상기 분말의 공급원은 고운 모래의 공급원인 것을 특징으로 하는 반응기.
제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통은 유동 안내관을 구비하는 단일 응집 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
제31항 내지 제33항 중 어느 한 항에 따른 반응기와 상기 반응기의 통의 출구에 연결된 분리 영역을 포함하는 유체 처리 설비.
제59항에 있어서, 상기 반응기는 분말 공급원에 연결된 분말 주입용 관을 포함하고, 상기 분리 영역은 분말 회수 시스템에 연결되고 플록을 함유하는 앙금을 수거하도록 되어 있는 출구를 구비하고, 상기 분말 공급원은 상기 회수 시스템에 연결된 것을 특징으로 하는 설비.
제59항에 있어서, 상기 분리 영역은 상기 통의 하류측 상의 침전 유닛인 것을 특징으로 하는 설비.
제59항에 있어서, 상기 분리 영역은 상기 통 둘레의 침전 유닛인 것을 특징으로 하는 설비.