KR101194027B1 - 관로형 반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관로형 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통수 단면적이 다른 둘 이상의 관을 연결하여 처리 대상 원수가 관로 내에서 둘 이상의 유속으로 흐를 수 있도록 함으로써 다양한 반응단계를 제공할 수 있는 관로형 반응장치에 관한 것이다.
본 발명은, 일단부로 처리가 필요한 원수가 유입되며 나선구조로 권취되는 제1관; 상기 제1관의 타단부와 연통하고 나선구조로 권취되는 제2관; 및, 상기 제1관에 마련되며 상기 원수의 처리를 위한 약품을 주입하기 위한 약품주입부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 관로형 반응장치를 제공한다.
본 발명에 의하면 대상 원수를 처리하기 위하여 각종 약품을 주입하고 혼합하기 위한 여러 개의 반응조가 필요없이도 그러한 작용을 충분히 행할 수 있어 종래의 장치에 비하여 훨씬 설치 및 유지가 용이한 관로형 반응 장치를 제공할 수 있다.

Description

관로형 반응장치{Reaction system using line pipes}

본 발명은 관로형 반응장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통수 단면적이 다른 둘 이상의 관을 연결하여 처리 대상 원수가 관로 내에서 둘 이상의 유속으로 흐를 수 있도록 함으로써 다양한 반응단계를 제공할 수 있는 관로형 반응장치에 관한 것이다.

화학반응은 반응물질의 성상, 반응물질의 농도, 반응시간, 수온, 압력, 교반조건, 교반기의 형상, 날개, 및 날개 수, 반응기 형태 등 다양한 조건들에 의해 규정될 수 있다. 이 중 화학반응을 위한 반응기 형태로는 크게 연속교반기(Continuously Stirred Tank Reactor; CSTR)와 PFR(Plug Flow Reactor)가 있으나 대부분 연속교반기 형태를 기본으로 하여 일부 연속교반기를 여러 개 두어 PFR 조건을 구현하기도 한다.

화학반응 중 수처리 반응들은 처리대상 원수에 반응을 위한 각종 액체나 기체약품(오존가스, 염소가스, 액체성 염소, 과산화수소수 등)을 첨가하여 이루어지는 화학반응과 부유물제거를 위한 약품응집반응 등이 포함된다. 이중부유물질제거를 위한 약품응집 반응은 pH조절조, 급속혼합조, 플럭형성조로 구성이 되어져 있고 각 반응조마다 교반기가 설치돼 있는데, pH조정 및 급속혼합반응을 위해서는 하나의 반응조 혹은 각각의 반응조를 구성하게 되며, 각각 별도의 반응조를 구성하는 경우 pH조절조에서는 pH조절을 위해 각종 약품-산성 약품, 알칼리약품을 투입하고, 급속혼합조에는 급속혼화를 위한 무기응집제를 주입한다. 이렇게 적절한 pH 조건에서 급속혼합 처리된 처리 대상 원수는 입자를 크게 하기 위해 플럭형성조에 유입되며 플럭형성조 유입부에 유기응집제가 주입된다. pH조절 및 급속혼합은 반응 및 조절 각종 약품이 주입되어 고속의 화학적 반응이 필요하므로 고속의 교반 또는 혼합조건이 요구되고, 플럭형성은 여러 반응기를 구성하여 각각의 교반기가 점차 교반속도 또는 혼합정도가 줄어드는 조건의 저속교반이 요구된다.

수처리를 위한 급속혼합과 플럭형성 반응조 설계시 처리 대상 원수와 주입된 약품의 교반을 위한 교반날개의 크기, 형상, 날개 수, 반응조 공간에 차지하는 날개의 체적 등을 고려해야 하는데, 급속혼화를 위한 기계장치는 터빈임펠러, 패들임펠러, 프로펠러 임펠러가 있으나 주로 프로펠러를 사용하여 빠른 교반이 될 수 있도록 하고 있다. pH 조절이나 급속혼합과는 달리 플럭형성을 위해서는 과도한 혼화와 전단력의 수류조건이 되면 후속 침전이나 분리를 위한 플럭이 형성되지 않고 파괴될 수 있으므로 반응조를 여러 개로 만들어 각 반응조를 지날 때마다 교반속도를 점점 감속시키고 마지막 반응조에서는 플럭이 가라앉지 않을 정도로 교반시키는데 플럭 형성을 위한 반응조는 최소 2 이상이어야 하고 4개 이상은 플럭형성 효과가 적은 것으로 알려져 있다.

급속혼합은 최적의 pH조건에서 대상원수와 무기응집제가 반응하여 응집을 시키는 반응단계로 무기응집제와 처리 대상 원수가 반응할 급속교반(rapid mixing) 조건이 필요하며 Weber 박사의 경우 급속혼합조에서 응집이 일어나는 시간은 이론적으로 0.1초 정도이며, 플럭형성조에서는 급속혼합단계에서 응집된 응집핵이 좀 더 큰 응집물로 플럽형성이 되도록 하기 위해 주입되는 유기응집제(일종의 고분자폴리머)를 주입하여 플럭형성되는데 필요한 최소한의 이론적 시간이 0.01 ~1초 정도 소요된다고 했다. 그러나 일반적인 반응조를 이용한 수리학적 체류시간은 급속혼합을 위해서는 10~30초 정도가 소요되고 플럭형성을 위해서는 5~15분 정도가 소요된다고 하지만 대상원수 수질에 따라에 다를 수 있으므로 실험에 의해서 적정체류시간을 결정한다.

급속혼합 조건과 플럭형성 조건에 대한 명확한 반응 차이는 다음의 식의 속도경사(Velocity gradient, G)를 비교함으로써 판단할 수 있다.

G값의 단위는 s^-1이다. 이때 μ는 점성계수(Ns/m²), V는 반응조의 유효용적(m³), P는 동력(Nm/s)이다. 급속혼합시 G값은 200 내지 1500s^-1을 기준으로 설계하게 되고, 플럭형성을 위한 G값은 30 내지 80s^-1을 기준으로 설계하게 되며, 여러 개의 반응조를 두는 경우에는 각각의 반응조 별로 다른 G값으로 설계하기도 한다. (예를 들어 세 개의 반응조를 만든 경우 첫번째 반응조에서는 80, 두번째 반응조에서는 60, 세번째 반응조에서는 40으로 설계한다) 즉, 급소혼합을 위해서는 속도 경사가 평균 1000s^{- 1}정도이고, 플럭형성을 위해서는 속도경사가 평균 60s^{- 1}으로 분명한 차이가 있으며 급속혼합이 제대로 일어나야 후속 플럭형성이 잘 되게 된다.

또한 기존 화학반응을 위해서는 반응조의 사수부(Dead space)를 적게 하고 완전혼합을 이룰 수 있는 정방형 혹은 원통형 반응기들이 필요하고 각 반응기에는 반응조건에 따른 교반모터와 교반기(교반기의 형상, 날개, 및 날개 수 설계)가 요구되어 일례로 수처리의 pH조절 및 급속혼합과 플럭형성을 위해 최소 4개(pH조절 반응조, 급속혼합조, 플럭형성 제1조, 플럭형성 제2조) 이상의 반응기와 교반모터 및 교반장치셋이 필요한 문제가 있다.

이처럼 급속혼합과 플럭 형성을 위한 반응을 위한 복잡한 장치가 필요한 문제점을 극복하기 위하여 한국등록특허 제 10-0675950의 응집혼화롤 및 이를 구비하는 호수 정화 장치가 발명되었는데 상기 등록특허의 경우 각종 약품응집과 생물반응조건을 모두 고려하여 장치가 구성되었기에 플럭을 형성하는 응집 이전 단계인 고속의 혼합과 반응조건을 구성하는 pH조정, 급속혼화에 대한 사항이 포함되지 않고 있으며, 특히 생물반응을 위한 체류시간은 3-4시간의 최소 시간단위가 필요하여 장치가 크고 큰 장치를 사용함에도 불구하여 관경이 모두 동일함으로 인해 급속혼합 및 반응이 잘 일어나지 않아서 플럭형성은 사실상 어렵다. 그리고 구조상 플럭 형성기능 부분에서는 유체의 완속흐름에 의한 침전물이 배관에 침적될 수 있다.

또한, 한국등록특허 제10-0460077의 관로형 반응기의 경우 직선배관과 만곡부에서 각종 약품반응을 시키고 있으나 고속반응 및 저속반응을 위한 배관의 관경이 동일하여 처리수의 유속 조절에 문제가 있다. 그러한 문제와 덧붙여 반응퇴적물 및 침전물의 효율적인 효율적이 퇴수가 되지 않는 문제점이 있다.

본 발명은 배경기술에서 기술한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 종래와 같이 여러 개의 반응조나 교반 시스템 등 복잡한 구조물을 갖추지 않고도, 통수 단면적이 다른 둘 이상의 관을 서로 연결하여 구성함으로써 다양한 화학반응이 가능하고 특히 보다 복잡한 반응공정이 요구되는 일련의 pH조절이나 급속혼화 플럭형성을 위한 저속교반을 효과적으로 짧은 시간 내에 수행할 수 있는 관로형 반응장치를 제공하는 데 있다.

전술한 과제의 해결 수단으로서 본 발명은,

일단부로 처리가 필요한 원수가 유입되며 나선구조로 권취되는 제1관;

상기 제1관의 타단부와 연통하고 나선구조로 권취되는 제2관; 및,

상기 제1관에 마련되며 상기 원수의 처리를 위한 약품을 주입하기 위한 약품주입부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 관로형 반응장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 제2관의 통수 단면적이 제1관의 통수 단면적 보다 크게 구성되어 제2관을 흐르는 원수의 유속이 제1관에 비하여 느린 것을 특징으로 하는 관로형 반응장치를 제공한다.

이때 상기 제2관이 권취된 나선의 중심축은 상기 제2관이 설치되는 바닥과 평행한 것이 바람직하다.

상기 제2관 중 상기 제2관이 설치되는 바닥과 가장 가까운 부분에는 침전물을 제거하기 위한 침전물 제거공 및 상기 침전물 제거공을 선택적으로 개폐하기 위한 밸브가 마련되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명에 의하면 대상 원수를 처리하기 위하여 각종 약품을 주입하고 혼합하기 위한 여러 개의 반응조가 필요없이도 그러한 작용을 충분히 행할 수 있어 종래의 장치에 비하여 훨씬 설치 및 유지가 용이한 관로형 반응 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 관로형 반응 장치를 설명하기 위한 모식도.
도 2는 도 1에 표시된 침전물 제거공과 밸브를 설명하기 위한 도면.
도 3a 내지 도 3c는 제1관 또는 제2관으로 사용될 수 있는 관의 형태를 도시한 도면.
도 4는 제1관 또는 제2관으로 사용될 수 있는 점차 권취반경이 커지는 관의 형태를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 관로형 반응 장치를 설명하기 위한 도면.
** 도면의 주요부분에 대한 기호의 설명 **
10 : 제1관 20 : 제2관
30 : 약품주입부 41 : 침전물 제거공
42 : 밸브

이하에서는 도면을 참고하면서 본 발명의 하나의 바람직한 실시예에 대하여 설명함으로써 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 제시하기로 한다.

도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 관로형 반응 장치를 설명하기 위한 모식도, 도 2는 도 1에 표시된 침전물 제거공과 밸브를 설명하기 위한 도면, 도 3a 내지 도 3c는 제1관 또는 제2관으로 사용될 수 있는 관의 형태를 도시한 도면, 도 4는 제1관 또는 제2관으로 사용될 수 있는 점차 권취반경이 커지는 관의 형태를 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 관로형 반응장치는 제1관(10), 제2관(20), 약품 주입부(30), 침전물 제거공(41), 및 밸브(42)로 구성된다.

상기 제1관(10)은 도 1에 도시된 바와 같이 나선구조로 권취되는 관이다. 즉 나선 모양으로 감기며 내부로는 처리가 필요한 원수가 흐르게 된다. 상기 제1관(10)의 일단부로는 처리 원수가 유입되며 타단부는 상기 제2관(20)과 연통한다.

상기 제1관(10)은 도 3a에 도시된 바와 같이 원형 단면을 가지는 관으로 만들어질 수도 있고, 도 3b에 도시된 바와 같이 원형 단면의 주름 관일 수도 있고, 도 3c에 도시된 바와 같이 사각 관으로 만들어질 수도 있다. 물론 도 3a 내지 도 3c에 도시된 형태의 관들은 제1관(10)을 만들 수 있는 관들의 일부 예시에 불과하며 어떤 단면을 가져도 상관없다.

상기 제2관(20)은 상기 제1관(10)의 타단부와 연통하며 도 1에 도시된 바와 같이 제1관(10)과 마찬가지로 나선구조로 권취되어 있다.

상기 제2관(20)의 통수단면적은 상기 제1관(10)의 통수단면적 보다 크게 구성됨으로써 제2관(20)을 흐르는 처리수의 유속이 제1관(10)을 흐르는 처리수의 유속에 비하여 느리게 되도록 한다.

이때, 상기 제2관(20)은 나선형으로 감겨 있는데 상기 나선형의 중심을 지나는 가상의 직선(C)는 바닥면과 평행하게 되도록 상기 제2관(20)이 배치된다.

상기 제2관(20)의 형상 역시 도 3a 내지 도 3c에 예시된 관들 중 하나의 형상으로 구성될 수 있으며, 본 실시예에서는 도 3a에 도시된 바와 같이 원형관이 사용된다.

상기 제1관(10) 및 제2관(20)이 권취된 나선의 곡률반경은 도 1에 도시된 본 실시예에서와 같이 일정하게 유지될 수도 있지만, 필요한 경우 도 4에 도시된 바와 같이 점차 커지도록 구성할 수도 있다.

상기 약품 주입부(30)는 상기 제1관(10)에 마련되어 상기 원수의 처리를 위한 약품을 상기 제1관(10)에 주입하는 구성이다.

본 실시예에서 상기 약품 주입부(30)는 pH조절제 주입부(31), 무기 응집제 주입부(32), 유기 응집제 주입부(33)로 구성된다.

상기 pH조절제 주입부(31)는 상기 제1관(10)의 일단부 측, 즉 처리대상 원수가 주입되는 단부 쪽에 마련된다.

상기 무기 응집제 주입부(32)는 상기 제1관(10)의 중간 부분에 마련되어 상기 유기 응집제 주입부(33)는 상기 제1관(10)의 타단부 쪽, 즉 상기 제1관(10)과 상기 제2관(20)이 연통 되는 부근에 마련된다.

이때 처리 대상 원수에 pH조절제를 투입할 필요가 없는 경우에는 pH조절제 투입부(31)는 없을 수도 있고, 처리 대상 원수에 전술한 pH조절제, 무기응집제, 유기 응집제 외에 다른 약품이나 기체가 주입되어야 할 필요가 있는 경우에는 적절한 위치에 추가적인 약품 주입부를 설치할 수도 있다.

상기 침전물 제거공(41)은 상기 제2관(20)에 마련되는데, 상기 제2관(20)이 설치되는 바닥과 가장 가까운 부분 제2관(20) 내에서 유기 응집제 또는 무기 응집제에 의해 생긴 플럭들이 중력에 의해 침전되기 쉬운 부분에 마련된다.

상기 밸브(42)는 상기 침전물 제거공(41)을 선택적으로 개폐하는 구성으로서 상기 침전물들을 상기 제2관(20)의 외부로 제거하기 위하여 상기 침전물 제거공(41)을 개방하기도 하고, 침전물이 충분히 쌓일 때까지는 상기 침전물 제거공(41)을 폐쇄한다. 물론 제2관(20)을 따라 흐르는 대상 원수의 유속이 충분히 커서 침전물이 상기 침전물 제거공(41)이 마련되는 위치에 쌓이지 않는다면 침전물 제거공(41)과 밸브(42)는 생략될 수도 있는 구성이다.

한편, 본 실시예에서 상기 제1관(10)이 권취된 나선의 곡률반경(R1)은 제2관(20)이 권취된 나선의 곡률반경(R2)에 비하여 작게 구성되어 있는데, 이러한 구성은 상황에 따라 변화될 수 있다. 즉 R1이 R2에 비하여 크게 구성될 수도 있다.

또 한편, 제1관(10)이 권취된 나선의 길이(L1) 및 제2관(20)이 권취된 나선의 길이(L2)는 상황에 따라 변화될 수 있다.

이하에서는 전술한 각 구성의 기능, 작용 및 효과에 대하여 설명하기로 한다.

상기 제1관(10)은 상대적으로 통수단면적이 적어 유속이 빠르고 권취된 나선의 곡률반경(R1)도 작게 구성되어 있어서 약품 주입부(30)를 통해 주입된 약품과 처리 대상원수가 급속 혼합하게 된다. 이때 제1(10)관의 형상이 주름 관인 경우 보다 많은 와류가 발생하여 혼합이 더욱 효율적으로 발생할 수도 있다. 제1관(10)이 종래의 급속 혼화조 역할을 하게 되는 것이다. 단순히 관을 나선형으로 권취하여 그 관의 내부를 통과하면서도 급속 혼화가 발생할 수 있으므로, 별도의 저장시설과 약품과 대상원수의 급속혼화를 위한 교반시설이 전혀 필요하지 않게 되는 장점이 있다.

상기 제2관(20)은 제1관(10)에 비하여 권취되는 나선형상의 곡률반경(R2)도 크고 통수단면적도 상대적으로 커 유속이 느려 제1관(10)에 마련되는 약품 주입부(30)로 투입된 유기응집제 혹은 무기응집지에 의해 처리 대상원수 내의 오염물이 응집하게 된다.

처리 대상 원수가 제2관(20)을 통과하는 과정에서는 대상 원수 내의 오염물질들이 응집반응을 일으키게 되는데, 유속에 따라 중력에 의해 바닥에서 가장 가까운 부분에 응집물이 침전하게 될 수도 있는데 응집물(1)이 침전하게 되면 관을 막게 되어 통수단면적이 줄어들게 되므로 유속이 증가하는 문제가 발생할 수 있고, 침전물이 많이 쌓이는 경우에는 제2관(20)을 완전히 막아버릴 수도 있으므로, 침전물 제거공(41)에 마련된 밸브(42)를 개방하여 침전물 제거공(41)을 통해 침전물을 제2관(20)의 외부로 토출한다. 물론 유속에 따라 침전물이 침전물 제거공(41)이 있는 부분에 침전되지 않을 수 있으며, 이러한 경우에는 침전물 제거공(41)이나 밸브(42)를 생략할 수도 있다.

이하에서는 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따른 관로형 반응기에 대하여 설명하기로 한다.

본 실시예에 따른 관로형 반응장치는 제1관(110), 제2관(120), 약품 주입부(130), 침전물 제거공, 및 밸브(142)로 구성된다.

상기 제1관(110) 및 제2관(120)은 앞선 실시예에서와 달리 8자형상으로 권취되어 있다.

상기 제1관(110) 및 제2관(120)의 형상이 앞선 실시예와 다를 뿐 그 기능, 작용 및 효과는 동일하다.

또한, 상기 약품 주입부(130), 침전물 제거공 및 밸브(142) 역시 앞선 실시예의 대응되는 구성요소와 거의 동일하므로 더 이상의 상세한 설명은 생략하기로 하며, 제1관(110)과 제2관(120)의 형상이 본 실시예와 같이 8자 형태로 권취된 경우에도 본 발명이 달성하고자 하는 효과를 모두 기대할 수 있다.

이상에서는 제1관과 제2관이 도 1에 도시된 바와 같이 나선형으로 권취되거나 도 5에 도시된 바와 같이 8자형으로 권취된 실시예에 대하여 설명하였으나 제1관과 제2관의 형상은 지그재그 형태나 도 4에 도시된 바와 같이 전체적으로 원뿔인 형태 등으로 변형될 수 있으며, 제1관은 나선형으로 권취되고 제2관은 8자형으로 권취되는 등 제1관과 제2관의 형상이 다른 형태로 실시될 수도 있으며 이러한 변형은 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것으로 보아야 한다.

또한, 제2관의 경우 관경이 커지는 경우에는 제2관 내에 별도의 관을 삽입한 형태로도 사용될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명함으로써 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상이 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 포함되지 아니하는 범위 안에서 다양한 형태의 관로형 반응장치로 구체화될 수 있다.

10 : 제1관 20 : 제2관
30 : 약품 주입부

Claims (4)

1. 일단부로 처리가 필요한 원수가 유입되는 제1관;
   상기 제1관의 타단부와 연통하는 제2관; 및,
   상기 제1관에 마련되며 상기 원수의 처리를 위한 약품을 주입하기 위한 약품주입부;를 포함하며,
   상기 제2관의 통수 단면적이 상기 제1관의 통수 단면적 보다 크게 구성되어, 상기 제2관을 흐르는 원수의 유속이 상기 제1관을 흐르는 원수의 유속에 비하여 느리며,
   상기 제1관 및 제2관은 나선구조로 권취되고, 상기 제2관이 권취되는 곡률반경이 제1관이 권취되는 곡률반경에 비하여 큰 것을 특징으로 하는 관로형 반응장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 제2관이 권취된 나선의 중심축은 상기 제2관이 설치되는 바닥과 평행하고, 상기 제2관 중 상기 제2관이 설치되는 바닥과 가장 가까운 부분에는 침전물을 제거하기 위한 침전물 제거공 및 상기 침전물 제거공을 선택적으로 개폐하기 위한 밸브가 마련되는 것을 특징으로 하는 관로형 반응장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1관 및 제2관은 8자형태로 권취되는 것을 특징으로 하는 관로형 반응장치.

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