KR101316025B1 - 냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 혼합물 분리 장치는 혼합물이 유입되는 반응조; 상기 반응조를 둘러싸는 형태로 냉각을 수행하는 냉각조; 및 상기 반응조 내부로 충격파를 공급하는 충격파 발생기;를 포함하며, 상기 충격파 발생기로부터 충격파는 상기 혼합물 중의 물의 빙점을 저하시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 알콜과 물의 혼합물에 충격파를 가하여 압력, 밀도 및 온도 등을 급격히 변동하게 하여 알콜과 물의 분리를 가능하게 한다. 구체적으로, 알콜/물 혼합물로부터 물을 분리하기 위해서 에너지 소모가 과도하게 요구되는 에탄올의 어는점인 -114도 근처까지 냉각할 필요 없이 비교적 높은 온도인 -10℃ 이상에서 혼합물 상의 물을 얼게 함으로써 고체화된 물을 용이하게 분리할 수 있다.

Description

냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치{Apparatus for separating mixture using cooling and shockwave}
본 발명은 냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치로서, 구체적으로는 알콜과 물의 빙점 차이를 이용하는 것과 더불어 충격파를 응용하여 물과 알콜의 분리 효율을 극대화하고자 하는 냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치에 관한 것이다.
순도가 높은 알콜을 제조하기 위한 기존의 대표적인 분리공정으로는 알콜과 물의 끓는점의 차이를 이용한 증류공정, 분리막이나 필터 등을 활용한 분리공정, 또는 특정 용매에 대한 용해도 차이를 이용한 분리 공정 등이 개발되어 있다.
이중 증류를 통한 분리가 가장 많이 사용되지만 고농도의 에탄올을 만들기 위해선 한 번에 분류하기 어려워 다단의 증류기가 필요해 장치가 복잡해지며, 가열 시 많은 에너지가 소모되고 이때 혼합물 분리과정에서 발생되는 증발잠열, 현열 등은 온도가 높지 않아 폐열로써 활용가치가 없어 고스란히 열손실로 소산되는 문제점이 있다.
폴리비닐알콜(PVA) 분리막, 셀룰로오스, PVDF, 및 나일론 재질 필터 등과 같은 분리막을 사용하여 물리적 분리도 가능할 수 있으나, 일반적으로 사용되는 공극 크기(pore size)가 0.45um 정도로 한계가 있어 분리가 어려운 문제가 있다.
한편, 용해도의 차이를 이용한 방식은 탄산칼슘이 물과의 친화도가 높아 물 분자와 수소 결합을 하여 층 분리를 이루게 되는 원리를 이용한다. 그러나, 상기 방법의 경우 알콜층에 잔존하는 물을 완전하게 제거하기 어렵고, 에탄올에 탄산칼슘이 일정량 녹아 들어가는 단점이 있게 된다.
상기와 같이, 알콜과 물의 혼합물로부터 물을 분리하는 기존의 방법들은 다양하게 존재하지만, 다량의 알콜에 물이 섞여있는 경우 또는 순수 높은 알콜을 제조하는 경우에는 제약이 따르게 된다.
알콜과 물의 혼합물로부터 물을 분리하는 종래의 방법으로서, 대한민국공개특허 제10-2011-0083077호를 예로 들 수 있다. 상기 인용문헌 상에서는 물의 함량이 낮은 물/에탄올 혼합물에서 높은 투과도 및 선택도로 물을 제거하여 연료 등급의 에탄올을 생산하는 것을 목적으로 하는 물/에탄올 혼합물 분리막을 제공한다. 한편, 상기 인용문헌에서는 분리막에 대한 혼합물의 투과정도를 따라 분리 효율이 결정되지만, 물질의 다른 성질인 빙점을 이용하여 효과적으로 분리해내는 방안을 제시하는 데에는 한계가 있게 된다.
더불어, 알콜과 물 혼합물을 이루는 물질들의 빙점 차이를 이용하여 분리하는 방식에서는 혼합물 내 알콜의 농도가 상대적으로 높아 알콜의 빙점과 가까운 지점에서 얼게 되므로 상당히 낮은 온도까지 냉각하여 물을 제거하는 과정에서 에너지가 과도하게 소요되는 문제점이 존재한다.
대한민국공개특허 제10-2011-0083077호
이에 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해서, 알콜과 물로 이루어진 혼합물에 충격파를 가하여 압력, 밀도 및 온도 등을 급격히 변동하게 함으로써 냉각에 소요되는 에너지 소모를 줄인 냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 바이오에탄올 제조 공정에서 미량 함유된 물을 용이하게 제거할 수 있는 냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 냉각 및 충격파를 이용한 혼합물의 분리 장치는 혼합물이 유입되는 반응조; 상기 반응조를 둘러싸는 형태로 냉각을 수행하는 냉각조; 및 상기 반응조 내부로 충격파를 공급하는 충격파 발생기;를 포함하며, 상기 혼합물에 포함된 물은 상기 충격파 발생기로부터의 충격파에 의해 -10℃ 이상에서 응고되어 분리 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 혼합물은 알콜 및 물을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 반응조는 복수의 단위챔버로 구획되며, 상기 반응조에 유입된 혼합물은 상기 복수의 단위챔버를 차례로 통과하여 반응이 이루어지는 것이 바람직할 수 있다.
상기 일렬로 배치되는 복수의 단위챔버 간에는 메쉬망이 배치되고, 상기 메쉬망의 설치 높이는 단계적으로 낮아지는 것이 바람직할 수 있다.
상기 반응조로부터 배출된 혼합물은 다시 상기 반응조로 유입되는 순환 유동 구조인 것이 바람직할 수 있다.
상기 혼합물은 바이오 에탄올인 것이 바람직할 수 있다.
상기 충격파는 초음파인 것이 바람직할 수 있다.
상기 초음파는 16 내지 100 KHz 대역의 진동수를 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 초음파는 20 내지 40KHz 대역의 진동수를 유지하는 것이 바람직할 수 있다.
상기 냉각조는 그 일측 하단부에 배치되는 냉각수 유입구 및 타측 상단부에 배치되는 냉각수 배출구를 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명에 따른 혼합물 분리 장치는 알콜과 물의 혼합물에 충격파를 가하여 압력, 밀도 및 온도 등을 급격히 변동하게 하여 알콜과 물의 분리를 가능하게 한다. 구체적으로, 알콜/물 혼합물로부터 물을 분리하기 위해서 에너지 소모가 과도하게 요구되는 에탄올의 어는점인 -114도 근처까지 냉각할 필요 없이 비교적 높은 온도인 -10℃ 이상에서 혼합물 상의 물을 얼게 함으로써 고체화된 물을 용이하게 분리할 수 있다.
본 발명을 이용하여 분리 가능한 알콜과 물의 혼합 비율에 대한 제한은 없지만, 구체적으로는 촉매 합성과 같은 화학공정 또는 생물학적 공정을 통해 메탄올 및 에탄올 등과 같은 연료의 제조공정시 생산되는 알콜/물 혼합물의 분리에 주로 활용될 수 있다.
종래 기술에서의 이중 증류를 통한 분리는 고농도의 에탄올을 만들기 위해 다단의 증류기가 필요해 장치가 복잡해지며, 혼합물 분리 과정에서 발생되는 증발잠열과 현열 등은 온도가 높지 않아 폐열로써 활용가치가 없어 고스란히 열손실로 소산되는 문제점이 있었던 바, 본원발명은 상기의 문제점을 극복하게 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치를 보이는 개념도, 및
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치를 보이는 개념도이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 발명의 냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치를 이루는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 냉각 및 충격파를 이용한 알콜/물 혼합물 분리 장치를 상세히 설명하기로 한다.
혼합물 분리 장치의 전체적인 구성 설명
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 제 1 실시예에 따른 혼합물 분리 장치(100)의 전체적인 구성을 살핀다.
혼합물 분리 장치(100)는 혼합물(101)이 유입되는 반응조(120), 반응조(120)를 둘러싸는 형태로 냉각을 수행하는 냉각조(110), 상기 반응조(120) 내부 공간을 복수의 챔버로 분리하는 구획판(130), 반응조(120)의 내부 하단에 배치되어, 반응조(120) 내부로 충격파를 공급하는 충격파 발생기(140)를 포함한다. 본 발명에 적용되는 혼합물(101)는 일 예로 알콜과 물을 포함하는 것이 바람직할 수 있다.
반응조(120)는 그 일측 상단부에 배치되는 혼합물 유입구(121), 타측 하단부에 배치되는 혼합물 배출구(122), 상단에 배치되는 재투입구(123), 및 혼합물 배출구(122)로부터 소정 거리 상부 방향으로 이격되어 배치되는 얼음 배출구(124)를 포함한다. 반응조(120) 내의 혼합물(101)에서 분리되는 얼음(105)은 얼음 배출구(124)를 통해 분리가 가능하다.
냉각조(110)는 그 일측 하단부에 배치되는 냉각수 유입구(112) 및 타측 상단부에 배치되는 냉각수 배출구(114)를 포함한다. 냉각조(110)는 반응조(120)를 그 내부에 수용하는 구조일 수 있다.
구획판(130)은 반응조(120)의 내부 공간에 복수개가 일렬로 배치되는데, 구체적으로 혼합물 유입구(121)에서 혼합물 배출구(122)로 향하는 방향을 따라 소정 간격으로 배치될 수 있다.
충격파 발생기(140)는 구획판(130)에 의해 분리된 각각의 챔버 하단부에 배치된다. 충격파 발생기(140)에서 발생되는 충격파는 바람직하게는 초음파일 수 있다. 100KHz 이상에서의 진동주파수 대역에서는 극도로 높은 전력이 아니면 핵형성이 거의 일어나지 않으므로 초음파 진동수는 16 내지 100KHz 대역이 바람직할 수 있다. 특히, 바람직한 진동수는 20 내지 40KHz 대역일 수 있다.
한편, 초음파를 이용하여 알콜과 물의 혼합물을 분리하는 원리는 다음과 같다. 알콜과 물 혼합물의 빙점은 몰 농도에 따라 변동이 가능한데 높은 농도일수록 혼합물의 빙점은 낮아지는 경향이 있다. 본 발명은 알콜과 물 혼합물에 대하여 초음파를 공급하는 과정을 통해 -10 ℃ 이상의 온도에서 물 분리를 할 수 있게 한다.
본 발명은 혼합물 내에서 초음파가 진동과 캐비테이션을 유발하여 응고 공정의 핵형성 및 결정 성장 단계를 조절함으로써 혼합물의 상태를 물리적으로 교란시키어 응고하게 한다. 진동을 포함하여 액체를 물리적으로 교란시키면 상기 교란이 적용되는 응고공정의 단계에 따라 응고공정의 핵 형성 및 결정성장 단계 모두를 변형시킬 수 있다.
위에서와 같이 초음파와 같은 교란파가 액체를 통과하면 액체로부터 용해가스 기상의 작은 기포가 형성되어 나온다. 이들 기포는 교란파가 지나간 후 파괴되어 큰 압력 변화를 일으켜 액체 내에 핵 형성을 유발한다. 때로는 핵 형성 속도가 액체 응고시 제한요인이 되기 때문에, 본 발명에서처럼 혼합물을 물리적으로 교란시켜 캐비테이션을 유발하면 응고시간을 단축시킬 수 있다.
다음으로, 도 2를 참조하여 본 발명의 제 2 실시예에 따른 혼합물 분리 장치(200)의 전체적인 구성을 살핀다.
이하, 제 2 실시예에 따른 혼합물 분리 장치(200)에 대해서는 제 1 실시예(100)와 상이한 부분에 대해서만 기술하고 동일한 부분에 대해서는 설명을 생략한다.
혼합물 분리 장치(200)는 제 1 실시예(100)와 유사하게 반응조(220), 냉각조(210), 구획판(230), 및 충격파 발생기(240)를 포함한다.
구획판(230)은 일 실시예로서 제 1 구획판(232) 및 제 2 구획판(234)을 포함한다. 반응조(220)는 상기 구획판(230)에 의해 3개의 단위 챔버(225,226,227)로 분리될 수 있다. 제 1 구획판(232)은 제 1 단위 챔버(225)와 제 2 단위 챔버(226) 사이에 배치되고, 제 2 구획판(234)은 제 2 단위 챔버(226)와 제 3 단위 챔버(227) 사이에 배치된다. 제 1 단위 챔버(225)와 제 2 단위 챔버(226)의 하단에는 각각 충격파 발생기(240)가 위치한다.
상기 제 1 구획판(232)과 제 2 구획판(234) 상에는 메쉬망(250)이 배치된다. 메쉬망(250)은 복수의 구획판(230)을 따라 단차를 가진 상태로 배치되는데, 일렬로 배치되는 제 1 구획판(232)과 제 2 구획판(234)을 따라 메쉬망의 설치 높이는 단계적으로 낮아지게 된다.
즉, 메쉬망(250)은 제 1 구획판(232) 상에 설치되는 제 1 메쉬망(252) 및 제 2 구획판(234) 상에 설치되는 제 2 메쉬망(254)을 포함할 수 있는데, 제 2 메쉬망(254)이 제 1 메쉬망(252)보다 반응조(220)의 하단으로부터 더 높은 곳에 배치된다. 상기의 구조를 통해서, 제 1 단위 챔버(225)에서 얼음이 제거된 혼합물이 제 2 단위 챔버(226)로 유동하고, 제 2 단위 챔버(226)에서 얼음이 제거된 혼합물이 제 3 단위 챔버(227)로 유동할 수 있다.
혼합물 분리 장치의 동작 설명
다음으로는 도 2를 참조하여, 본원 발명의 혼합물 분리 장치(200)를 통해 혼합물로부터 물이 분리되는 과정을 설명한다.
먼저, 반응조(220)의 혼합물 유입구(221)를 통해 알콜과 물로 이루어진 혼합물을 투입한다. 상기 투입되는 혼합물은 바이오 에탄올을 포함한다. 반응조(220)에서 혼합물의 분리 반응이 이루어지는 동안 냉각수 유입구(212)를 통해 냉각수가 냉각조(110)에 계속적으로 공급되어 냉각수 배출구(114)로 배출된다.
제 1 단위 챔버(225)로 유입된 혼합물은 제 1 충격파 발생기(242)로부터 공급되는 충격파를 받아 물리적인 반응을 일으켜 수분이 응고되는 과정을 갖는다. 응고된 얼음을 제외한 잔여혼합물은 제 1 구획판(232) 상에 설치되는 제 1 메쉬망(252)을 통해 제 1 단위 챔버(225)로부터 제 2 단위 챔버(226)로 유동한다.
이후, 제 2 단위 챔버(226)로 유입된 혼합물은 제 2 충격파 발생기(244)로부터 공급되는 충격파를 받아 물리적인 반응을 일으켜 수분이 응고되는 과정을 갖는다. 응고된 얼음을 제외한 잔여혼합물은 제 2 구획판(234) 상에 설치되는 제 2 메쉬망(254)을 통해 제 2 단위 챔버(226)로부터 제 3 단위 챔버(227)로 유동한다.
제 3 단위 챔버(227)로 유동한 잔여혼합물은 혼합물 배출구(222)를 통해 반응조(220)로부터 토출된다. 한편, 본 발명은 반응조(220) 상단에 배치되는 재투입구(123)를 통해 반응조(220)로부터 토출되는 혼합물이 재투입되게 한다.
본 발명에 따른 혼합물의 분리 장치는 알콜과 물을 포함한 혼합물에 충격파를 가하여 압력, 밀도 및 온도 등을 급격히 변동하게 하여 알콜과 물의 분리를 가능하게 한다. 구체적으로, 알콜/물 혼합물로부터 물을 분리하기 위해서 에너지 소모가 과도하게 요구되는 에탄올의 어는점인 -114도 근처까지 냉각할 필요 없이 비교적 높은 온도인 -10℃ 이상에서 혼합물 상의 물을 얼게 함으로써 고체화된 물을 용이하게 분리할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100,200 : 혼합물 분리 장치
110,210 : 냉각조
112,212 : 냉각수 유입구
114,214 : 냉각수 배출구
120,220 : 반응조
121,221 : 혼합물 유입구
122,222 : 혼합물 배출구
123,223 : 재투입구
124 : 얼음 배출구
130,230 : 구획판
140,240 : 충격파 발생기

Claims (10)

  1. 혼합물이 유입되는 반응조;
    상기 반응조를 둘러싸는 형태로 냉각을 수행하는 냉각조; 및
    상기 반응조 내부 공간을 복수의 단위 챔버로 분리하는 복수의 구획판; 및
    상기 복수의 단위 챔버의 내부 하단에 배치되어, 상기 혼합물 상으로 충격파를 공급하는 충격파 발생기;
    일렬로 배치되는 상기 복수의 구획판 상에 단차를 가진 상태로 배치되는 메쉬망;을
    포함하며,
    상기 반응조로부터 배출된 배출물 중 미응고된 혼합물은 다시 상기 반응조로 유입되는 순환 유동 구조이며,
    상기 혼합물에 포함된 물은 상기 충격파 발생기로부터의 충격파에 의해 -10℃ 이상에서 응고되어 분리 가능한 것을 특징으로 하는,
    냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합물은 알콜 및 물을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응조에 유입된 혼합물은 상기 복수의 단위챔버를 차례로 통과하여 반응이 이루어지는 것을 특징으로 하는,
    냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 메쉬망의 설치 높이는 단계적으로 낮아지는 것을 특징으로 하는,
    냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치.
  5. 삭제
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 혼합물은 바이오 에탄올을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 충격파는 초음파인 것을 특징으로 하는,
    냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 초음파는 16 내지 100 KHz 대역의 진동수를 유지하는 것을 특징으로 하는,
    냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 초음파는 20 내지 40KHz 대역의 진동수를 유지하는 것을 특징으로 하는,
    냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치.
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 냉각조는 그 일측 하단부에 배치되는 냉각수 유입구 및 타측 상단부에 배치되는 냉각수 배출구를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    냉각 및 충격파를 이용한 혼합물 분리 장치.
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