KR101454777B1 - 유체 분리장치 - Google Patents

Abstract

분리능력이 향상된 유체 분리장치가 제공된다. 유체 분리장치는, 혼합유체가 유입되는 유입관, 일 측에 유입관이 연결되어 혼합유체가 유입되며 내부에서 혼합유체를 회전운동시켜 밀도차에 의해 제1 유체와 제2 유체로 분리시키는 하이드로사이클론, 하이드로사이클론에 연결되어 제1 유체가 유출되는 제1 유출관, 하이드로사이클론에 연결되어 제2 유체가 유출되는 제2 유출관 및 일측은 제1 유출관과 연결되고 타측은 유입관과 연결되어 하이드로사이클론을 통과한 제1 유체 중 일부를 유입관으로 재순환시키는 순환관을 포함한다.

Description

유체 분리장치{Fluid separator}

본 발명은 이종(異種)의 유체가 서로 혼합된 혼합유체를 각각의 유체로 분리하는 유체 분리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 마이크로 버블 및 유체 재순환 구조를 이용하여 분리능력을 향상시킨 유체 분리장치에 관한 것이다.

유체 분리장치(Fluid separator)는 혼합된 상태로 제공된 서로 다른 종류의 유체를 각각의 유체로 분리하여 추출해 내는 장비이다. 유체 분리장치는 산업 현장에서 액체(Liquid)나 기체(Gas)등의 유체(Liquid) 상태로 공급된 제품으로부터 불순물을 제거하여 제품의 순도를 높이는 데 유용하게 사용될 수 있으며, 관련 연구분야의 연구실 등에서는 필요에 따라 개별 유체를 구분하여 포집하거나 역시 의도치 않게 생성된 불순물을 제거하여 순도 높은 반응물을 획득하는 데 유용하게 사용될 수 있다.

이러한 유체 분리장치는 예를 들어, 밀도차를 이용하여 유체를 분리하는 하이드로사이클론(Hydrocyclone) 장치 및 그 외의 부가장치로 구성될 수 있다. 하이드로사이클론 장치는 내부가 빈 콘(Cone) 형상의 실린더를 포함하며, 혼합된 유체에 회전력을 가해 이러한 실린더 내부로 통과시킴으로써, 원심력(Centrifugal force)에 의한 유체간의 상대적인 운동을 유발하고, 혼합유체로부터 밀도가 다른 각각의 유체를 자연스럽게 분리해 낼 수 있다. 대한민국 공개특허 제10-1993-7002078호에는 이러한 하이드로사이클론 장치의 일 례가 개시되어 있다.

그러나, 종래 하이드로사이클론 장치는, 대상 유체가 질량이 작은 액적(Droplet) 상태로 존재하거나 이러한 액적을 포함하고 있는 경우, 원심력에 의한 상대적인 움직임에 둔감하게 되어 이를 효과적으로 분리해 내지 못하는 단점이 있었다.

또한, 유체간 분리가 효과적으로 이루어지기 위해서는 유체의 속도 또는단위 시간당 유량이 일정수준 이상으로 유지되어야 하는 바, 종래 하이드로사이클론 장치는 실린더 내부를 통과하는 유체의 유량 변화에 따라 이를 조절하거나 보상하는 것이 여의치 않아, 분리 과정에서 변화하는 유체의 유량에 적절히 대응하지 못하고 분리능력이 예기치 않게 저하되는 또 다른 문제점을 가지고 있었다.

대한민국 공개특허 제10-1993-7002078호(1993.09.08)

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 이러한 문제상황에 기인한 것으로, 마이크로 버블 및 유체 재순환 구조를 이용하여 분리능력을 향상시킨 유체 분리장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 의한 유체 분리장치는, 제1 유체와 제2 유체가 혼합된 혼합유체가 유입되는 유입관; 일측에 상기 유입관이 연결되어 상기 혼합유체가 유입되며, 내부에서 상기 혼합유체를 회전운동시켜 밀도차에 의해 상기 제1 유체와 상기 제2 유체로 분리시키는 하이드로사이클론; 상기 하이드로사이클론에 연결되어 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유출관; 상기 하이드로사이클론에 연결되어 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유출관; 및 일측은 상기 제1 유출관과 연결되고 타측은 상기 유입관과 연결되어, 상기 하이드로사이클론을 통과한 상기 제1 유체 중 일부를 상기 유입관으로 재순환시키는 순환관; 을 포함한다.

상기 하이드로사이클론은, 상기 혼합유체를 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체로 분리하는 적어도 하나의 콘(cone) 형상 실린더와, 상기 실린더를 내부에 수용하는 하우징을 포함하되, 상기 하우징은, 상기 유입로와 연결되는 제1 영역, 상기 제1 유출관과 연결되는 제2 영역, 및 상기 제2 유출관과 연결되는 제3 영역으로 분리될 수 있다.

상기 유체 분리장치는, 상기 순환관과 상기 유입관 사이에 개재되며, 상기 혼합유체와, 상기 순환관을 통해 유입된 상기 제1 유체를 서로 혼합시키는 혼합부를 더 포함할 수 있다.

상기 혼합부는, 상기 혼합유체와 상기 제1 유체가 내부로 이동하는 중공형 관체부, 및 상기 관체부에 삽입되는 나선형 블레이드를 포함할 수 있다.

상기 유체 분리장치는, 상기 유입관 및 상기 순환관 중 적어도 하나에 연결되어, 상기 혼합유체 및 상기 제1 유체 중 적어도 하나에 마이크로 버블을 형성하는 기포 발생부를 더 포함할 수 있다.

상기 유체 분리장치는, 상기 기포 발생부에 연결되어 상기 기포 발생부에 가스를 공급하는 가스 주입부를 더 포함할 수 있다.

상기 가스 주입부는, 상기 유입관의 상기 혼합유체 또는 상기 순환관의 상기 제1 유체의 유량에 따라 상기 가스의 공급량을 조절할 수 있다.

상기 기포 발생부는, 가스공급관에 연결된 몸체와, 상기 몸체 내부에 위치하여 상기 혼합유체 또는 상기 제1 유체 중 적어도 하나를 분사하는 노즐과, 상기 노즐이 향하는 방향에 형성된 디퓨저를 포함하여, 상기 혼합유체 또는 상기 제1 유체 중 적어도 하나가 상기 노즐을 통하여 분사되면 상기 가스공급관을 통해 공급된 가스가 상기 노즐과 상기 디퓨저 사이의 간격을 통해 상기 디퓨저로 흡입될 수 있다. 상기 유체 분리장치는, 상기 순환관에 연결되며 상기 제1 유체를 상기 유입관으로 순환시키는 순환펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 유체 분리장치는, 상기 유입관 및 상기 순환관 중 적어도 하나에 연결되어, 상기 혼합유체의 유량에 따라 순환관 내부의 상기 제1 유체의 유량을 조절하는 유량조절기를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 유체 분리장치는, 마이크로 버블의 부착력과 유체에 가해지는 원심력의 조합으로 액적 상태로 존재하는 유체를 종래에 비해 더욱 효과적으로 분리할 수 있다.

또한, 유체의 유량 변화에 따라 이를 재순환 시키는 순환 구조를 통해, 분리 과정이 진행되는 동안 유체의 유속 또는 단위시간당 유량을 적절히 유지하여 유체간 분리능력을 최상의 상태로 유지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 유체 분리장치의 구성도이다.
도 2는 도 1의 유체 분리장치의 하이드로사이클론의 절개사시도이다.
도 3은 도 2의 하이드로사이클론의 실린더의 단면도이다.
도 4는 도 1의 유체 분리장치의 기포 발생부의 절개사시도이다.
도 5는 도 1의 유체 분리장치의 혼합부의 절개사시도이다.
도 6은 도 1의 유체 분리장치의 작동과정을 도시한 도면이다.
도 7은 도 5의 혼합부의 유체 혼합과정을 도시한 작동도이다.
도 8은 도 3의 실린더의 유체 분리과정을 도시한 작동도이다.

본 발명의 이점 및 특징 그리고 그것들을 달성하는 방법들은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 단지 청구항에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조부호는 동일 구성요소를 지칭한다.

이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 유체 분리장치에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 유체 분리장치의 구성도이다.

우선, 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 유체 분리장치(1)는, 제1 유체와 제2 유체가 혼합된 상태로 제공된 혼합유체의 유입관(500), 유입관(500)과 연결되어 혼합유체를 회전시키고 원심력을 발생시킴으로써 밀도차를 이용하여 혼합유체를 상기 제1 유체 및 제2 유체로 분리시키는 하이드로사이클론(100), 하이드로사이클론(100)과 연결되어 분리된 제1 유체 및 제2 유체를 각각 유체 분리장치(1)의 외부로 유출시키는 제1 유출관(600) 및 제2 유출관(700), 그리고, 일 측은 제1 유출관(600)과 연결되고 타 측은 유입관(500)에 연결되는 순환관(400)을 포함한다. 분리된 제1 유체는 순환관(400)을 통해 그 일부가 유입관(500)으로 유입되고 재순환될 수 있다.

즉, 본 발명에 의한 유체 분리장치(1)는 하이드로사이클론(100)을 이용하여 혼합유체를 각각 제1 유체 및 제2 유체로 자연스럽게 분리하되, 순환관(400)을 이용하여, 분리 배출되는 유체의 일부를 하이드로사이클론(100)으로 재주입하는 순환 구조 또는 재순환 구조를 형성할 수 있는 것이다. 이로 인해, 하이드로사이클론(100)을 통과하는 유체의 유량이 적정 수준으로 유지되어 유체 분리장치(1)의 분리능력이 최상의 상태로 유지될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 유체 분리장치(1)에는 재순환하는 유체에 내부에 마이크로 버블(Micro bubble)을 형성하여 공급하기 위한 기포 발생부(200)가 마련되어 있다. 혼합유체의 내부에는 미세한 크기로 분산 분포하는 유체의 액적(Droplet)이 수시로 형성될 수 있는데, 이러한 유체 액적은 질량이 미미하고 유체 내부에서 임의적으로 운동하여 하이드로사이클론(100)의 회전운동에 민감하게 반응하지 못한다. 따라서, 종래의 하이드로사이클론 장치로는 이러한 유체 액적을 손쉽게 분리할 수 없었다.

본 발명의 일 실시예에 의한 유체 분리장치(1)는 마이크로 버블을 이용하여 이와 같이 분산된 유체 액적이 마이크로 버블에 부착되도록 함으로써분산된 유체 액적이 밀도가 낮은 하나의 덩어리처럼 움직이도록 하여 하이드로사이클론(100)의 회전운동으로 이를 좀 더 손쉽게 분리해 낼 수 있는 것이다. 이로써, 유체 분리장치(1)의 분리능력이 더욱 향상될 수 있다.

이러한 특징을 갖는 유체 분리장치(1)의 구성을 살펴보면, 유입관(500), 제1 유출관(600), 및 제2 유출관(700)은 하이드로사이클론(100)에 연결되고, 순환관(400)은 일 측이 제1 유출관(600)에, 타 측은 유입관(500)에 연결된다. 이 때, 순환관(400)과 유입관(500)의 사이에는 재순환되는 제1 유체를 혼합유체와 혼합하는 혼합부(300)가 개재될 수 있으며, 혼합부(300)의 일 측으로는 유체 분리장치(1)의 외부로 연장되는 주입관(510)이 형성될 수 있다. 혼합유체는 주입관(510)을 통해 인도되어 유체 분리장치(1) 내부로 주입된다.

기포 발생부(200)는 순환관(400)에 연결될 수 있으며, 순환관(400)은 도시된 바와 같이 기포 발생부(200)를 사이에 두고 각각 제1 순환관(410) 및 제2 순환관(420)의 두 부분으로 나뉘어 질 수 있다. 이 때, 제1 순환관(410)은 제1 유출관(600)와 직접 연결되는 부분이고, 제2 순환관(420)은 유입관(500), 구체적으로는 유입관(500)과 순환관(400)의 사이에 개재되는 혼합부(300)에 직접 연결되는 부분일 수 있다. 이러한 경우, 제2 순환관(420) 및 제1 순환관(410)을 포함하는 순환관(400)의 일 지점에 순환펌프(430)가 연결되어, 제1 유체의 일부가 순환관(400)을 따라 용이하게 재순환하도록 할 수 있다.

순환펌프(430)는 제1 유체를 재순환 시키기 위한 적정압력보다 일정 정도 증가된 압력을 유지하여, 기포 발생부(200)에서 마이크로 버블이 좀 더 효과적으로 생성되도록 할 수 있다.

한편, 기포 발생부(200)는 도시된 바와 같이 순환관(400)에 연결되어야만 하는 것은 아니며, 유입관(500)에 직접 연결될 수도 있다. 이러한 경우, 기포 발생부(200)는 혼합유체 내부에 직접 마이크로 버블을 형성할 수 있다. 또한, 순환관(400) 및 유입관(500) 각각에 서로 다른 기포 발생부(200)를 복수로 형성하여 재순환하는 제1 유체 및 유입된 혼합유체 모두에 마이크로 버블을 형성하도록 할 수도 있는 것이다.

즉, 기포 발생부(200)는 순환관(400)에 연결되는 구성으로 한정되는 것이 아니며, 유입관(500) 및 순환관(400) 중 적어도 하나에 연결됨으로써, 혼합유체와 제1 유체 중 적어도 하나에 마이크로 버블을 형성하도록 구성될 수 있다. 이와 같은 구성으로 유체 분리장치(1)의 순환 구조 내에 마이크로 버블이 용이하게 공급된다.

기포 발생부(200)의 일 측에는 기포 발생부(200)에 연결되어 가스를 공급하는 가스 주입부(240)가 형성될 수 있다. 가스 주입부(240)는 기포 발생부(200)에 직접 연결된 가스 공급관(250)을 개폐하는 제어밸브(242)를 포함하며, 제어밸브(242)를 제어함으로써 가스의 공급량을 조절할 수 있다. 가스는 기포 발생부(200)에 주입되어 제1 유체 또는 혼합유체 내부에 마이크로 버블을 발생시키는 역할을 하는 것이며, 예를 들어, 질소, 탄화수소(Hydrocarbon) 등으로 이루어진 것일 수 있다.

가스 주입부(240)는 전술한 제어밸브(242) 외에 유체의 유량을 측정하는 플로우센서(241)를 포함하여 혼합유체 또는 제1 유체의 유량에 따라 가스의 공급량이 자동으로 조절되도록 할 수 있다. 즉, 플로우센서(241)를 혼합유체 또는 제1 유체의 통로에 설치하고, 이를 제어밸브(242)와 전기적으로 연결함으로써, 혼합유체 또는 제1 유체의 유량 변화에 대응하여 가스의 공급량이 증감되는 피드백 제어가 가능하다.

이 때, 플로우센서(241)가 위치하는 지점은 혼합유체 또는 제1 유체가 통과하는 관로의 어느 지점이라도 가능한 것으로, 도면상에 도시된 지점에 한정될 필요가 없다. 즉, 플로우센서(241)는 유입관(500)이나, 순환관(400) 위의 임의의 지점에 하나 또는 하나 이상이 자유롭게 형성되어, 유입관(500)을 통과하는 혼합유체의 유량이나 순환관(400)을 통과하는 제1 유체의 유량을 자유롭게 측정할 수 있는 것이다.

한편, 유체 분리장치(1)는 유입관(500) 및 순환관(400) 중 적어도 하나에 연결되는 유량조절기(800)를 포함할 수 있으며, 유량조절기(800)를 이용하여 유입관(500)을 통과하는 혼합유체의 유량에 따라 순환관(400) 내부로 유입된 제1 유체의 유량을 조절할 수 있다. 이로써, 하이드로 사이클론(100) 내부의 유체 유동량이 적정 수준으로 유지된다.

유량조절기(800)는 예를 들어, 순환관(400) 일 측에 형성되어 순환관(400)을 개폐하는 유량조절밸브(810), 및 유입관(500) 일 측에 연결되어 유입관(500) 내부의 혼합유체의 유량을 측정하는 유량센서(820)로 이루어질 수 있으며, 유량센서(820)와 유량조절밸브(810)가 전기적으로 연결되는 방식으로 구성될 수 있다. 이 때, 유량센서(820)는 전술한 플로우센서(241)와 동일한 것일 수 있으며, 이러한 구성을 통해 혼합유체의 유량 변화에 대응하여 제1 유체의 유량이 증감되도록 조절할 수 있다.

이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여, 유체 분리장치(1)의 각 구성부에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 2는 도 1의 유체 분리장치의 하이드로사이클론의 절개사시도이고, 도 3은 도 2의 하이드로사이클론의 실린더의 단면도이다.

하이드로사이클론(100)은 원통형의 하우징(120)과, 하우징(120) 내부에 병렬 배치되는 적어도 하나의 실린더(110)를 포함한다. 하우징(120)의 외면에는 각각 유입관(500), 제1 유출관(600), 및 제2 유출관(700)이 연결된다.

하우징(120)은 실린더(110)를 하나 이상 수용하여 혼합유체를 대량으로 분리할 수 있도록 한 것이며, 따라서, 그 형상이 도시된 바와 같은 원통형상으로 한정될 필요가 없다. 하우징(120)은 실린더(110)를 수용할 수 있는 여타 여러 가지의 다른 형상으로 형성될 수 있으며, 내부의 공간구성에 따라 적어도 3 개의 영역으로 나뉘어질 수 있다.

하우징(120)은 유입관(500)과 연결되는 제1 영역(120a), 제1 유출관(600)과 연결되는 제2 영역(120b), 및 제2 유출관(700)과 연결되는 제3 영역(120c)으로 나뉘어진다. 이로 인해 유입관(500)으로 유입된 혼합유체는 제1 영역(120a)에, 하이드로사이클론(100)의 분리작용에 의해 분리된 제1 유체는 제2 영역(120b)에, 그리고 나머지 제2 유체는 제3 영역(120c)에 수용되고, 각각은 실린더(110) 내부로 유입되거나, 제1 유출관(600) 및 제2 유출관(700)을 통해 유체 분리장치(1)의 외부로 유출될 수 있는 것이다.

제1 영역(120a)과 제2 영역(120b)의 사이, 및 제2 영역(120b)과 제3 영역(120c)의 사이에는 혼합유체와 그로부터 분리된 제1 유체 및 제2 유체가 서로 분리된 상태를 유지하도록 격벽(121)이 형성된다.

하우징(120) 내부에는 콘(Cone) 형상의 실린더(110)가 하나 이상 병렬로 배치된다. 각각의 실린더(110)에는 제1 영역(120a) 내부로 개방되는 유입구(113), 제2 영역(120b) 내부로 개방되는 제1 토출구(111) 및 제3 영역(120c) 내부로 개방되는 제2 토출구(112)가 형성되어 있다. 실린더(110)는 유입구(113)를 통해 혼합유체를 내부로 유입하고, 이를 제1 유체 및 제2 유체로 분리하여 제1 토출구(111) 및 제2 토출구(112)로 나누어 토출하게 되는 것이다. 실린더(110)의 개수가 증가할수록 유체 분리장치 전체의 분리용량은 증가하게 된다.

이어서, 도 3을 참조하면, 실린더(110)는 유입구(113) 및 제2 토출구(112)가 형성된 일단부로부터, 제1 토출구(111)가 형성된 타단부를 향해 점차로 직경이 감소하는 콘(Cone) 형상으로 형성된다. 유입구(113)는 실린더(110)의 외주부를 따라 하나 이상이 형성되어 유체 유입량을 적정 수준이상으로 유지할 수 있으며 실린더(110)의 최외곽 접선방향에 배치되어 실린더(110) 내측으로 유입되는 유체에 자연스럽게 회전력을 제공할 수 있다. 또한, 실린더(110)는 도시된 바와 같이 상대적으로 직경이 작고 길이가 긴 좁은 관로 형상으로 형성되어 유입량에 대응하여 빠른 속도로 유체를 배출할 수 있다.

실린더(110)의 단부에는 주입부(114)가 삽입된다. 주입부(114)는 실린더(110) 보다는 길이가 짧은 콘 형상 또는 원통형상으로 형성되되, 도시된 바와 같이 유입구(113)와 제1 토출구(111)의 사이, 구체적으로는 유입구(113)와 제1 토출구(111) 사이의 유입구(113)와 인접한 지점에 위치할 수 있다. 주입부(114)의 둘레에는 나선형의 가이드 홈(115)이 형성될 수 있다.

따라서, 유입구(113)로 유입된 혼합유체는, 주입부(114)와 주입부(114)의 가이드 홈(115)을 따라서 회전하면서 주입부(114)를 통과하여 제1 토출구(111) 측으로 진행할 수 있다. 이로써, 원심력(Centrifugal force)이 발생하고 유체간의 상대적인 운동이 유발되며, 실린더(110) 내부로 유입된 혼합유체가 상대적으로 밀도가 큰 고밀도의 제1 유체와, 상대적으로 밀도가 작은 저밀도의 제2 유체로 자연스럽게 분리되는 것이다. 분리과정에서, 제1 유체는 실린더(110) 중심부로부터 바깥 방향으로, 제2 유체는 반대로 실린더(110)의 중심부를 향해 이동한다.

한편, 실린더(110)가 제1 토출구(111)를 향해 직경이 감소하는 콘 형상으로 형성됨으로써, 실린더(110) 내부에 형성된 회전유동이 벽면 마찰이나 내부 유동 마찰에 의해서 감소하여 제1 토출구(111)로 갈수록 원심력이 감소하는 것을 보상해준다. 실린더(110) 외주부의 경사는 도 3에 도시된 바와 같이 일정하게 유지되어야만 하는 것은 아니다. 실린더(110)는 외주부의 경사각이 제2 토출구(112)와 제1 토출구(111) 사이의 일 지점에서 변화할 수 있으며, 이를 통해 실린더(110)에 제1 토출구(111)를 향해 직경이 더욱 급격히 감소하는 영역을 형성할 수 있다. 원심력에 의해 실린더(110) 바깥 방향으로 이동된 제1 유체는 회전하면서 제1 토출구(111)로 배출되고 실린더(110) 중심 방향으로 이동된 제2 유체는 회전하면서 제2 토출구(112)로 각각 나뉘어 배출된다. 이 때, 주입부(114)에는 주입부(114)의 중앙을 관통하는 관통공(미도시)이 형성될 수 있으며, 제2 유체는 제1 토출구(111)의 반대편을 향해 이동한 후, 이러한 관통공을 통과하여 제2 토출구로 용이하게 배출될 수 있다. 혼합유체의 분리과정에 대해서는 후술하여 좀 더 상세히 설명한다.

도 4는 도 1의 유체 분리장치의 기포 발생부의 절개사시도이고, 도 5는 도 1의 유체 분리장치의 혼합부의 절개사시도이다.

도 4를 참조하면, 기포 발생부(200)는 내부에 수용공간이 형성된 몸체(230)와, 몸체(230) 내부에 위치하여 유체를 분사하는 노즐(210) 및 노즐(210)이 향하는 방향에 형성된 디퓨저(220)를 포함한다. 노즐(210) 및 디퓨저(220)는 도시된 바와 같이 이격되어 서로간의 사이에 좁은 간격(221)을 형성한다.

몸체(230)는 내부에 수용공간이 형성된 어떠한 형태로든 형성될 수 있으며, 원통형상과 같은 도시된 바와 같은 형상에 한정되지 않는다. 몸체(230)는 제1 순환관(410) 및 제2 순환관(420)에 각각 연결되어 재순환하는 제1 유체를 내부로 통과시킬 수 있으며, 제1 순환관(410) 및 제2 순환관(420)이 연결되지 않은 타 측에는 가스 공급관(250)이 연결되어 가스, 구체적으로는 마이크로 버블을 형성하기 위한 질소, 탄화수소 등의 가스를 몸체(230) 내부로 공급할 수 있다. 그러나 전술한 바와 같이 기포 발생부(200)는 유입관(500)과 연결될 수도 있는 것이며, 이와 같이 기포 발생부(200)가 순환관(400)에 연결된 경우로 한정될 필요는 없다.

몸체(230) 내부에는 노즐(210)과 디퓨저(220)가 나란히 놓여 이를 테면, 서로 일직선상에 배치된다. 따라서, 제1 순환관(410)을 통해 유입된 제1 유체는 노즐(210)을 통해 압축된 후 고속으로 분사되고, 디퓨저(220) 내측으로 용이하게 흡입되는 것이다. 이 때, 노즐(210)과 디퓨저(220) 사이를 고속으로 유동하는 제1 유체에 의해 노즐(210)과 디퓨저(220) 사이의 간격(221)에 음압(Negative pressure)이 발생하고, 이로 인해 몸체(230) 내부에 공급된 가스 역시 디퓨저(220) 내측으로 흡입된다. 흡입된 가스는 고압상태에서 제1 유체에 용해되었다가 오리피스(미도시)나 밸브(미도시)를 통과하여 압력이 낮아지면서 직경 수십 마이크로 미터의 크기를 갖는 마이크로 버블(Micro bubble)을 형성한다.

노즐(210)과 디퓨저(220) 사이의 간격(221)은 필요에 따라 적절히 조절될 수 있으며, 경우에 따라서는 도시된 바와 같이 디퓨저(220) 끝단부의 직경이 노즐(210) 끝단부의 직경보다 크게 형성될 수 있다. 이러한 경우, 노즐(210)은 디퓨저(220) 내로 그 일부분이 삽입될 수 있다.

도 5는 도 1의 유체 분리장치의 혼합부의 절개사시도이다.

도 5를 참조하면, 혼합부(300)는 중공형의 관체부(320) 및 관체부(320) 내부에 삽입되는 나선형 블레이드(310)를 포함한다. 관체부(320)의 일 측은 순환관(도 1의 400 참조), 구체적으로는 제2 순환관(420)에 연결되고, 제2 순환관(420)과 연결되지 않은 양 단부는 각각 주입관(510) 및 유입관(500)에 연결된다. 따라서, 관체부(320) 내부로 혼합유체 및 순환관(400)을 통과한 제1 유체가 함께 이동할 수 있다.

나선형 블레이드(310)는 나선형으로 비틀린 형태로 형성되되, 나선 부분이 분할되어 불연속적으로 형성된다. 따라서, 혼합유체 및 제1 유체는 관체부(320) 내부에서 나선형 블레이드(310)를 따라 이동하되, 나선이 분할된 지점에서 서로 교차하게 되는 것이다. 혼합유체 및 제1 유체는 관체부(320)를 따라 이동하면서 반복적으로 교차되어 서로 혼합되고, 혼합된 후 유입관(500)을 통해 전술한 하이드로사이클론(도 1의 100 참조)에 재주입된다.

이하, 도 6 내지 도 8을 참조하여, 유체 분리장치의 작동과정 및 혼합유체의 분리과정에 대해 좀 더 상세히 설명한다.

도 6은 도 1의 유체 분리장치의 작동과정을 도시한 도면이고, 도 7은 도 5의 혼합부의 유체 혼합과정을 도시한 작동도이며, 도 8은 도 3의 실린더의 유체 분리과정을 도시한 작동도이다.

도 6을 참조하면, 우선, 유체 분리장치(1)가 가동되는 때, 주입관(510)을 통해 혼합유체가 유체 분리장치(1) 내부로 인도되고, 혼합유체는 혼합부(300)및 유입관(500)을 통과하여 하이드로사이클론(100)으로 유입된다.

유입된 혼합유체는 전술한 바와 같이 하이드로사이클론(100) 내부의 콘형 실린더(도 3 참조) 내부에서 회전 유동하며, 밀도차에 의해 제1 유체 및 제2 유체로 분리된 후 각각 제1 유출관(600) 및 제2 유출관(700)을 통해 유출된다. 제1 유출관(600) 및 제2 유출관(700) 각각은 유체 분리장치(1) 외부에 마련된 수용 용기 등에 연결될 수 있다.

이 때, 상대적으로 밀도가 큰 제1 유체는 예를 들어, 물일 수 있으며, 상대적으로 밀도가 작은 제2 유체는 예를 들어, 기름일 수 있다. 즉, 유체 분리장치(1)는 해상에서 시추작업을 통해 원유를 채취하는 과정에서, 원유와 함께 유입된 해수를 바다에 투기하기 전, 해수에 섞인 원유를 분리하여 해수의 원유 함유량을 해양 투기 허용치 이하로 낮추는 등에 용이하게 이용될 수 있는 것이다.

이 때, 분리되어 배출된 제1 유체의 일부는 순환펌프(430)에 의해 순환관(400)측으로 유입되고, 제1 유체는 제1 순환관(410), 기포 발생부(200), 제2 순환관(420), 및 혼합부(300) 차례로 통과한 후 유입관(500)에 재주입된다. 이로써 분리된 유체의 일부가 유체 분리과정에 재합류하는 재순환과정이 완료된다(각각 도면상의 실선 화살표 참조).

이러한 재순환과정을 통해, 유입관(510)에서 혼합유체의 유입량이 변동될 때 유량 조절기(800)를 통해서 재순환되는 순환관(400) 유량을 조절함으로써 하이드로사이클론(100) 내부의 유체 유동량을 적정수준으로 유지할 수 있는 것이다. 따라서, 하이드로사이클론(100) 내부의 회전유동이 원활하게 이루어져 유체 분리장치(1)의 분리능력이 최상으로 유지될 수 있다.

한편, 제1 유체가 순환관(400)을 통해 이동할 때, 순환관(400)에 연결된 기포 발생부(200)는 가스를 공급하여 제1 유체 내부에 마이크로 버블을 형성한다. 가스는 제어밸브(242)가 개방된 상태에서, 가스 공급관(250)을 통해 기포 발생부(200) 내측으로 공급될 수 있다.

전술한 바와 같이, 가스는 기포 발생부(200) 내에서 제1 유체에 용해되었다가 압력강하에 의해서 마이크로 버블을 형성하며, 형성된 마이크로 버블은 제1 유체와 함께 제2 순환관(420), 혼합부(300), 및 유입관(500)을 통과하는 재순환과정에 참여하게 되는 것이다(도면상의 점선 화살표 참조). 마이크로 버블은 혼합유체 내부의 액적에 작용하며, 이를 통해 최종적으로 액적 형태로 존재하는 유체가 하이드로사이클론(100) 내부의 회전운동에 좀 더 민감하게 반응하도록 할 수 있다. 이로써 유체 분리장치(1) 내에서 이를 효과적으로 분리해 낼 수 있는 것이다. 이하, 이에 대해 설명한다.

우선 도 7을 참조하면, 제1 유체(A)와 함께 혼합부(300)내로 유입된 마이크로 버블(C)은 관체부(320) 내측을 따라 이동하면서, 제2 유체(B) 및 그의 액적(BB)과 혼합된다. 이 때, 관체부(320)의 일 측은 제1 유체(A) 및 제2 유체(B)의 혼합유체가 주입되는 주입관(510)에 연결되어 있으며, 그와 인접한 타 측은 분리과정을 거친 제1 유체(A) 및 마이크로 버블(C)이 함께 재순환되는 순환관(400)에 연결되어 있다. 각각의 유체가 유동하는 유동로는 관체부(320) 내부에서 서로 합류되되, 도시된 바와 같이 나선형 블레이드(310)에 의해 그 경로가 교차된다.

따라서, 혼합유체 내부에 분포하는 제2 유체(B)의 액적(BB)과 마이크로 버블(C)이 서로 인접하게 유지될 수 있으며, 결국, 도시된 바와 같이 계면 사이의 부착력에 의해 복수의 액적(BB)이 마이크로 버블(C)에 포집된 액적 포집체(D)가 형성되는 것이다. 혼합유체 내부에 분산 분포하던 제2 유체(B)의 액적(BB)들은 혼합부(300)를 통과하면서 대부분 이러한 액적 포집체(D)의 형태로 전환되고, 혼합유체와 함께 유입관(500) 내부로 유입된다.

이 때, 도면상에 도시된 마이크로 버블(C)은 마이크로 버블(C)의 유동 및 그에 의한 액적(BB) 포집 과정을 좀 더 쉽게 설명하기 위해 약간 과장하여 표현된 것으로, 그 크기가 도면에 도시된 바와 같이 한정될 필요는 없다. 마이크로 버블(C)의 크기는 수십 마이크로 미터 사이의 직경을 가질 수 있으며, 역시 수십 마이크로 미터 사이의 직경을 갖는 액적(BB)과 거의 동일한 크기로 형성될 수 있다. 이어서, 도 8을 참조하면, 유입관(500)을 따라 하이드로사이클론(100) 내부로 유입된 혼합유체는 전술한 바와 같이 실린더(110) 내부에서 회전운동을 하게 되며, 원심력에 의해 고밀도의 제1 유체(A)는 실린더(110) 중심으로부터 바깥 부분으로, 저밀도의 제2 유체(B)는 실린더(110)의 중심부로 이동하여 분리되는 것이다. 분리과정 동안 제1 유체(A)는 나선형으로 회전하면서 제1 토출구(111)를 향해 고속으로 배출되고(화살표 참조), 제2 유체(B)는 제1 토출구(111)의 반대편으로 (화살표 참조) 역시 나선형으로 회전하면서 상대적으로 저속으로 자연스럽게 배출된다. 이에 따라 제2 유체(B)는 도시된 바와 같이 실린더(110) 중앙부를 따라 실린더(110)의 길이방향으로 분포할 수 있다.

이 때, 액적 포집체(D) 역시 제2 유체(B)와 함께 실린더(110) 중앙부로 이동하고, 제2 유체(B)와 함께 제1 토출구(111)의 반대편으로 배출될 수 있다. 액적 포집체(D)는 액적이 전술한 마이크로 버블(도 7의 C 참조)과 합쳐져 전체적으로 밀도가 저하된 것이다. 따라서, 액적 포집체(D)는 상대적으로 회전운동에 민감하게 반응하고, 밀도차에 의해 제1 유체(A)가 이동하는 방향의 반대방향 즉, 제2 유체(B)가 분포하는 실린더(110)의 중심부를 향해 이동한 후, 제2 유체(B)와 함께 배출되는 것이다. 이를 통해 유체의 일부가 액적 형태로 분포하는 경우라 하더라도, 본 발명에 의한 유체 분리장치를 이용하여 혼합유체로부터 이를 용이하게 분리하여 배출할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 유체 분리장치 100: 하이드로사이클론
110: 실린더 111: 제1 토출구
112: 제2 토출구 113: 유입구
114: 주입부 115: 가이드 홈
120: 하우징 120a: 제1 영역
120b: 제2 영역 120c: 제3 영역
121: 격벽 200: 기포 발생부
210: 노즐 220: 디퓨저
221: 간격 230: 몸체
240: 가스 주입부 241: 플로우 센서
242: 제어밸브 250: 가스 공급관
300: 혼합부 310: 나선형 블레이드
320: 관체부 400: 순환관
410: 제1 순환관 420: 제2 순환관
430: 순환펌프 500: 유입관
510: 주입관 600: 제1 유출관
700: 제2 유출관 800: 유량 조절기
810: 유량제어밸브 820: 유량센서
A: 제1 유체 B: 제2 유체
BB: 액적 C: 마이크로 버블
D: 액적 포집체

Claims (10)

1. 제1 유체와 제2 유체가 혼합된 혼합유체가 유입되는 유입관;
   일측에 상기 유입관이 연결되어 상기 혼합유체가 유입되며, 내부에서 상기 혼합유체를 회전운동시켜 밀도차에 의해 상기 제1 유체와 상기 제2 유체로 분리시키는 하이드로사이클론;
   상기 하이드로사이클론에 연결되어 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유출관;
   상기 하이드로사이클론에 연결되어 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유출관;
   일측은 상기 제1 유출관과 연결되고 타측은 상기 유입관과 연결되어,
   상기 하이드로사이클론을 통과한 상기 제1 유체 중 일부를 상기 유입관으로 재순환시키는 순환관; 및
   상기 순환관과 상기 유입관 사이에 개재되며,
   상기 혼합유체와 상기 제1 유체가 내부로 이동하는 중공형 관체부, 및 상기 관체부에 삽입되는 나선형 블레이드를 포함하여, 상기 혼합유체와 상기 순환관을 통해 유입된 상기 제1 유체를 서로 혼합시키는 혼합부를 포함하는 유체 분리장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 하이드로사이클론은,
   상기 혼합유체를 상기 제1 유체 및 상기 제2 유체로 분리하는 적어도 하나의 콘(cone) 형상 실린더와, 상기 실린더를 내부에 수용하는 하우징을 포함하되,
   상기 하우징은, 상기 유입관과 연결되는 제1 영역, 상기 제1 유출관과 연결되는 제2 영역, 및 상기 제2 유출관과 연결되는 제3 영역으로 분리되는 유체 분리장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1 유체와 제2 유체가 혼합된 혼합유체가 유입되는 유입관;
   일측에 상기 유입관이 연결되어 상기 혼합유체가 유입되며, 내부에서 상기 혼합유체를 회전운동시켜 밀도차에 의해 상기 제1 유체와 상기 제2 유체로 분리시키는 하이드로사이클론;
   상기 하이드로사이클론에 연결되어 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유출관;
   상기 하이드로사이클론에 연결되어 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유출관;
   일측은 상기 제1 유출관과 연결되고 타측은 상기 유입관과 연결되어,
   상기 하이드로사이클론을 통과한 상기 제1 유체 중 일부를 상기 유입관으로 재순환시키는 순환관;
   상기 유입관 및 상기 순환관 중 적어도 하나에 연결되어, 상기 혼합유체 및 상기 제1 유체 중 적어도 하나에 마이크로 버블을 형성하는 기포 발생부; 및
   상기 기포 발생부에 연결되어 상기 기포 발생부에 가스를 공급하는 가스 주입부를 포함하고,
   상기 가스 주입부는, 상기 유입관의 상기 혼합유체 또는 상기 순환관의 상기 제1 유체의 유량에 따라 상기 가스의 공급량을 조절하는 유체 분리장치.
8. 제1 유체와 제2 유체가 혼합된 혼합유체가 유입되는 유입관;
   일측에 상기 유입관이 연결되어 상기 혼합유체가 유입되며, 내부에서 상기 혼합유체를 회전운동시켜 밀도차에 의해 상기 제1 유체와 상기 제2 유체로 분리시키는 하이드로사이클론;
   상기 하이드로사이클론에 연결되어 상기 제1 유체가 유출되는 제1 유출관;
   상기 하이드로사이클론에 연결되어 상기 제2 유체가 유출되는 제2 유출관;
   일측은 상기 제1 유출관과 연결되고 타측은 상기 유입관과 연결되어,
   상기 하이드로사이클론을 통과한 상기 제1 유체 중 일부를 상기 유입관으로 재순환시키는 순환관; 및
   상기 유입관 및 상기 순환관 중 적어도 하나에 연결되어, 상기 혼합유체 및 상기 제1 유체 중 적어도 하나에 마이크로 버블을 형성하는 기포 발생부를 포함하고,
   상기 기포 발생부는,
   가스공급관에 연결된 몸체와, 상기 몸체 내부에 위치하여 상기 혼합유체 또는 상기 제1 유체 중 적어도 하나를 분사하는 노즐과, 상기 노즐이 향하는 방향에 형성된 디퓨저를 포함하여,
   상기 혼합유체 또는 상기 제1 유체 중 적어도 하나가 상기 노즐을 통하여 분사되면 상기 가스공급관을 통해 공급된가스가 상기 노즐과 상기 디퓨저 사이의 간격을 통해 상기 디퓨저로 흡입되는 유체 분리장치.
9. 제 1항에 있어서, 상기 순환관에 연결되며 상기 제1 유체를 상기 유입관으로 순환시키는 순환펌프를 더 포함하는 유체 분리장치.
10. 제 1항에 있어서, 상기 유입관 및 상기 순환관 중 적어도 하나에 연결되어, 상기 혼합유체의 유량에 따라 순환관 내부의 상기 제1 유체의 유량을 조절하는 유량조절기를 더 포함하는 유체 분리장치.
    

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