KR101644722B1 - 증류/농축 방법 및 장치 - Google Patents

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로버트 아피치오넥
토마시 치오스카
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플라즈마트로니카 엔티 에스피. 쥐.오.오.
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Abstract

본 발명은 증류실(102) 내부와 전자기선 발생기(104)를 도파관(106)으로 연결하는 증류장치(100)에 관한 것이다. 이 장치에서, 도파관(106) 단부(110) 밑에 위치하는 채널(108)을 통해 유체가 이동하고, 이 채널(108)의 양단부가 유체의 입구(112)와 출구(114)로 되며, 채널(108)은 유체가 증류실(102)에 머무는 시간을 늘이는 형상을 갖는다. 본 발명은 전자기선 발생기(104)에서 생긴 전자기선의 영향을 받는 유체를 증류실(102)에 통과시켜 증류하거나 농축하는 방법에도 관련된다. 이 방법에서, 발생기(104)의 전자기선을 운반하는 도파관(106)의 일단부(110) 밑에 채널(108)이 위치하는 증류실에 유체를 통과시키고, 상기 채널(108)은 증류실에 유체가 머무는 시간을 늘이는 형상을 갖는다.

Description

증류/농축 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR DISTILLING OR THICKENING FLUIDS}
본 발명은 증류 또는 농축 방법과 장치에 관한 것이다.
기존에는 증류나 농출을 위해서는 각종 히터를 사용해 히터 표면과 액체 접촉면 사이의 열교환을 통해 유체를 가열한다. 효율을 높이려면, 열교환 면적을 높여 증발면적을 높인다.
천연개스와 같은 기체에서 물분자를 없애기 위해 사용하는 글리콜과 같은 각종 흡착 고체나 액체는 흡착이 끝나면 재생된다. 흡착액의 재생과정은 일반(대기압) 증류를 이용하고, 증류하는 동안 수증기와 하이드로카본(천연개스의 경우)가 증류된다. 대기압 증류가 널리 사용되지만, 물분자의 경우 글리콜은 공비(azeotropes)를 일으키고 최대 재생비는 중량 기준으로 96~97%에 이른다.
흡착액을 재생하는 기존의 방법과 장치에서는 천연개스를 태워 가열된 금속관 형태의 가열기에 흡착액을 접촉시켜 가열한다. 이런 가열방법의 단점은, 흡착액이 접촉식으로 가열되므로 국부적인 과열과 분해가 일어나고, 이때문에 후속 흡착재생 사이클에서의 흡착인자를 서서히 악화시킨다.
본 발명의 목적은 유체를 증류하고 열농축하는 장치와 방법의 단점을 없애고, 특히 효율을 높이는데 있다.
본 발명은 증류실 내부와 전자기선 발생기를 도파관으로 연결하는 증류장치에 관 한 것이다. 이 증류장치는 도파관 단부 밑에 위치하는 채널을 통해 유체가 이동하고, 이 채널의 양단부가 유체의 입구와 출구로 되며, 채널은 유체가 증류실에 머무는 시간을 늘이는 형상을 갖다.
본 발명은 전자기선 발생기에서 생긴 전자기선의 영향을 받는 유체를 증류실에 통과시켜 증류하거나 농축하는 방법에 관한 것이기도 하다. 이 방법에서, 발생기의 전자기선을 운반하는 도파관의 일단부 밑에 채널이 위치하는 증류실에 유체를 통과시키고, 이 채널은 증류실에 유체가 머무는 시간을 늘이는 형상을 갖는다.
도 1은 본 발명에 따른 증류장치의 평면도;
도 2는 이중나선 형태로 원형을 이루는 채널의 평면도;
도 3은 이중나선 형태로 사각형을 이루는 채널의 평면도;
도 4는 이중나선 형태로 삼각형을 이루는 채널의 평면도.
본 발명은 천연개스에 쓰이는 흡착액의 재생에 있어 기초가 되는 증류나 농축 장치와 방법에 관한 것이다. 배경기술에서 설명한 것처럼, 이런 처리과정에서 흡착액은 천연개스에서 다양한 액체나 기체 오염물을 캡처하면서 자체 소비(오염)되어, 재사용이 불가능하게 된다. 이렇게 오염된 흡착액을 재생하려면, 본 발명에서 설명한 방법과 장치를 이용한다.
본 발명과 같은 장치를 증류과정에 이용할 수 있다. 이런 과정의 목적은 농축과정에 따라 다를 수 있지만, 증류과정의 경우 오염물을 제거하면서 솔벤트를 제거(증발)시키는 것이다.
이하의 설명은 예를 든 것일 뿐이고, 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아님을 알아야 한다. 본 발명은 어떤 경우에도 물이나 다른 극성 액체가 다른 유체의 오염물이고 이런 액체를 증발시켜 유체를 농출하는 것을 필요로 하는 모든 곳에 적용될 수 있다.
도 1의 증류장치(100)는 무엇보다도 천연개스에서 오염물을 제거하는 흡착액을 재생하는데 적용된다. 이렇게 개스산업에 사용된 흡착액으로는 글리콜이 있다. 그러나, 전술한 바와 같이, 본 발명에서 소개한 장치와 방법은 개스산업이나 글리콜에 한정되지 않는다. 흡착액의 다른 예로는 기체탈황에 사용되는 아민, 염화리튬 용액, 무수나 농축(98~96%) 황산(H2SO4)이 있다.
본 발명의 장치의 작동원리는 전자기선으로 극성유체를 가열하는데 있다. 극성유체는 분자를 이루는 원자의 원자가전자가 불균일하게 분산되고 전자기성이 불균형을 이루는 액체를 말한다. 극성 유체의 대표적인 일례인 물의 경우, 산소원자가 2개의 수소원자와 결합하여 산소원자측에는 전자가 남고 수소원자측에는 전자가 모자르게 된다. 이렇게 물분자내에서 전자가 비대칭 분산되면 물이 쌍극성이 되어 극성액체로 된다.
일정 범위의 주파수의 전자기선이 극성액체에 흡수되면 온도가 상승한다는 것은 잘 알려져 있는 사실이다. 이런 현상을 이용한 것이 마이크로파 히터이다. 마이크로파 히터나 오븐은 주파수 2.45GHz 정도의 전자기선으로 작용한다. 이런 전자기선은 식품의 주성분인 물에 잘 흡수되고, 이때문에 물을 가열한다. 그러나, 극성액체를 전자기선을 가열하는 현상은 2.45GHz의 마이크로파에 한정된 것이 아니다. 이런 효과를 액체 형태에 따라 적외선부터 RF 범위까지 다양한 주파수에 활용할 수 있다. 광범위한 범위로 전자기선을 사용할 수 있지만, 목적에 맞게 스펙트럼의 할당을 규제하는 법규정에 의해 다른 주파수는 제한될 수 있다.
본 발명에 따른 증류장치는 2.45GHz의 전자기선을 방출하는 발생기를 이용한다. 이런 주파수는 자유롭게 사용되는 ISM(Industrial Scientific Medical) 대역도 가능하다. 폴란드 지역에서 가능한 ISM 주파수대역은 6.765~6.795 MHz, 13.553~13.567 MHz, 26.957~27.283 MHz, 40.66~40.70 MHz, 2400~2483 MHz, 5725~5875 MHz, 24000~24250 MHz, 61.00~61.50 GHz, 122.00~123.00 GHz, 244.00~246.00 GHz이다. 이런 주파수값은 예를 든 것일 뿐이고 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다. 본 발명의 장치의 전용 목적에 따라 다른 주파수에도 동작할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따라 흡착액과 같은 유체를 증류하는 장치(100)의 일례이다. 증류장치(100)의 증류실(102)에서 유동 유체(예; 흡착액)가 가열된다. 증류실 윗부분 중앙에 전자기선 발생기(104)가 배치되는데, 이 발생기는 증류실 안이나 밖에 위치할 수 있다. 발생기를 증류실 밖에 두면 유지관리가 필요할 때 쉽게 접근할 수 있어 유리하다. 마찬가지로, 증류실 상부 중앙에 발생기를 두는 것이 바람직하지만, 반드시 이에 한정되는 것도 아니다. 발생기를 중앙에 두지 않고, 적절한 형상의 도파관(106)으로 증류실(102) 내부의 원하는 곳에 전자기선을 보내기도 한다. 전자기선 손실을 최소화하려면 직선형 도파관(106)을 사용해(도 1 참조), 전자기선 발생기(104)를 증류실(102)에 연결하는 것이 좋다. 도파관은 전자기선을 분산시키지 않고 증류실 안으로 안내한다. 발생기(104)와 도파관(106)의 디자인은 잘 알려져 있으므로 더이상의 설명은 생략한다.
재생과정중에 증류실에 흡착액이나 다른 유체를 통과시키는 채널(108)은 도파관(106)의 단부(110) 밑에 둔다. 채널(108)의 양단부가 흡착액의 입구(112)와 출구(114)이다. 이 채널은 증류실(102)에 흡착액이 머무는 시간을 늘이는 형상을 갖는다.
발생기(104)의 전자기선을 흡수하지 않는 재료로 된 배플(122)로 도파관(106)의 칼라형 단부(110)를 막는 것이 좋다. 도 1의 실시예에서는 도파관(106) 끝에 칼라형 단부(110)를 달고, 이곳에 석영유리창을 둔다. 배플(122)을 이루는 다른 재료로는 폴리테트라플루오로에틸렌이나 일반 유리가 있는데, 이에 한정되지도 않는다. 단부를 도 1과 같은 원추형이 아닌 원통형 등의 다른 형상으로도 할 수 있다.
도파관(106)을 막은 배플(122)은 증기가 전자기선 발생기(104)의 전자관에 들어가는 것을 방지한다. 석영유리는 내열성이 아주 좋기 때문에 이런 임무에 특히 적당하다. 본 발명자들은 석영유리를 최대 2000℃의 온도로 테스트했다. 석영유리의 다른 장점은 도파관(106)을 막는데 특히 좋아서, 전자기선에 대한 전달율이 아주 양호하다(흡착율이 낮다).
채널(108)을 흐르는 유체를 전자기선 처리하면 온도가 상승한다. 입출구의 온도차는 무엇보다도 전자기선을 유체에 얼마나 오래 작용시켰는가에 달려있다. 또, 전자기선은 증류실(102)의 벽으로 막힌 구역 안에 존재한다. 전자기선을 가능한한 효율적으로 이용하기 위해, 챔버의 벽으로 제한된 채널(108) 안에 액체(흡착액)를 흐르게 하고, 채널(108)을 이중나선형으로 하며, 이중나선의 중심(202)에서 이중나선형 채널(108)의 단부끼리 서로 연결되도록 한다(도 2 참조).
도 2에 도시된 바와 같이, 채널은 페르마의 나선 형태를 갖는다. 증류실(102)의 단면이 원형이면, 페르마의 나선 형태의 채널이 증류실을 완전히 채우게 되므로, 모든 전자기선이 채널(108)에 흐르는 액체에 영향을 준다. 채널벽은 가열 효율에 약간의 악영향을 준다. 채널벽이 위치한 곳에는 액체가 없다. 그러나, 이런 악영향은 채널벽을 가능한한 얇게 하거나 채널 재료를 전자기선 흡수 물질로 하면 최소화할 수 있다. 전자기선을 흡수하는 재료로 채널을 만들면 비극성 액체를 가열할 수 있기 때문에 더 유리하다. 이 경우, 개스산업에서 흡착액을 재생하는데는 물론, 다른 화학업, 음식업, 건설업, 자동차 분야에서 유체를 증류하는데에도 본 발명을 광범위하게 적용할 수 있다.
채널(108)이 개방된채 U형이나 V형은 물론 다른 단면 형상을 가질 수도 있다.
또, 채널(108)이 이중나선형이어서, 전자기선이 작용하는 구역에 유체가 오래 머물 수 있다. 유체가 채널(102)의 이중나선 중의 한쪽 나선을 따라 채널 중심(102)까지 가서 이 채널의 다른쪽 나선으로 들어간 다음 다시 동일 경로를 거쳐 채널 출구(114)를 향한다.
페르마의 나선이 바람직한 채널 형상이지만, 이런 이중나선 형상이 도 3의 사각형이나 도 4의 삼각형과 같이 다른 형태의 이중나선 구조를 갖는 것도 가능하다.
채널(108)의 중심(202)은 도파관(106)의 축선에 위치한다. 이렇게 되면 전자기선이 대칭적으로 분포되어 장치의 효율이 상승한다. 또, 도파관(106)에서 비롯된 전자기장의 분포를 검사했더니, 전자기장의 최대 충격은 도파관의 출구 앞에서 집중적으로 일어남이 밝혀졌다. 전자기장 이론과 많은 이론가들의 보고에 의하면, 도파관 벽면에 최대 전자기장이 형성되고 중심에서는 0이라고 했기 때문에 이런 결과는 의외이다. 그러나, 실제로는 증류실(102) 벽에 가열효과를 주는 전자기장의 영향은 거의 없다. 도 1과 같은 구성에서 도파관의 축선을 따른 출구 바로 밑에서 전자기장이 최대로 되는 놀라운 효과를 얻게되었고, 이때문에 도 2~4와 같은 채널(108)을 채택하여 장치의 효율을 크게 개선할 수 있다.
증류장치(100)는 증류실 내부의 압력을 제어하는 시스템(118)을 갖는다. 알려진대로 압력을 낮추면 액체의 비등점도 낮아지고, 흡착액에서 오염물을 더 낮은 온도에서 증발시킬 수 있다. 이것은 흡착액이 고온에서 안정적이지 않을 때 특히 중요하다. 또, 제거할 오염물이 용제이면, 증발에 의한 농축과정에도 이용할 수 있다. 한편, 압력이 높아지면 비등점도 높아지고, 이렇게 되면 대기압보다 높은 온도로 액체를 가열할 수 있다. 증류실 내부 압력을 제어하는데는 진공펌프, 송풍기 등을 이용할 수 있다.
도파관(106)을 수정유리로 막고, 증류실에서 증기를 빼내기 위한 송풍기나 다른 장치를 설치하는 것이 좋다. 이렇게 하면, 송풍후드에 의해 증류실(102) 밖으로 증기를 내보내는 바람이 생긴다. 따라서, 석영유리판의 증기침착이 줄어들거나 완전히 없어진다.
증류장치(100)는 깨끗한 유체를 시스템에 되돌리도록 증발분을 분리하는 분리기(120)를 구비한다. 글리콜과 같은 흡착액에 관련된 실시예에서, 증류실(102)에서 약간의 글리콜의 증발이 일어난다. 이렇게 증발된 흡착액은 분리기(120)에서 분리되고 깨끗한 흡착액으로서 시스템에 되돌아간다. 분리기(120)의 출구는 배출채널(114)에 연결된다. 설명의 편의상 도 1에는 분리기(120)의 출구가 하나만 도시되었지만, 출구는 더 많을 수도 있고, 하나만 있을 수도 있으며, 증발된 오염물을 분리하지 않고 배출하는 제2 출구가 있을 수도 있다.
채널(108)내에서의 유체의 유량은 증류실 입구의 밸브로 조절하지만, 입출구의 높이차로 조절할 수도 있다.
증류장치(100)는 발생기(104)에서 방출된 전자기선의 출력을 제어하는 전자기선 출력제어시스템(116)을 더 구비한다.
가열기술을 통해 마이크로파를 적용하기 때문에, 본 발명의 유체 증류농축 장치는 재생 흡착액을 전체적으로 가열한다. 재생 흡착액의 총 체적이 동시에 가열되므로, 오염물을 더 빨리 가열하고 증발을 가속화할 수 있다. 천연개스를 정제하는데 사용되는 흡착액의 재생에 마이크라파 가열법을 적용하면 공비결합을 파괴할 수 있어, 99wt% 이상의 고농축 글리콜을 얻을 수 있음이 실험으로 확인되었다. 본 발명의 다른 장점은 비극성 액체인 흡착액의 경우, 물을 증류하거나 극성액체인 다른 오염물을 증류할 수 있는데, 이는 전자기선(마이크로파)이 물분자에 영향을 주지만 흡착액 분자가 물의 온도를 높여 증발시키되, 흡착액 자체는 가열할 필요가 없기 때문이다. 이때문에, 흡착액에서 물을 제거할 수 있고, 고온이 흡차액에 직접적인 영향을 주는 기술분야에서 알려진 장치와 방법으로 가열하여 흡착액의 수명이 감소된다.

Claims (18)

  1. 증류실(102) 내부와 전자기선 발생기(104)를 도파관(106)으로 연결하는 증류장치(100)에 있어서:
    도파관(106)의 단부(110) 밑에 위치하는 채널(108)을 통해 유체가 이동하고, 이 채널(108)의 양단부가 유체의 입구(112)와 출구(114)로 되며, 이 채널(108)은 페르마의 이중나선형이고, 채널(108)의 중심(202)에서 채널(108)의 이중나선 중의 한쪽 나선과 나머지 나선이 단부끼리 연결되어 유체가 통하도록 된 것을 특징으로 하는 증류장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서, 상기 도파관(106)의 단면이 원형인 것을 특징으로 하는 증류장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 채널(108)이 전자기선 발생기(104)에서 방출된 전자기선을 흡수하는 재료로 된 것을 특징으로 하는 증류장치.
  6. 제1항에 있어서, 증류실 내부압력을 제어하는 시스템(118)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  7. 제1항에 있어서, 발생기(104)에서 방출된 전자기선의 출력을 제어하는 전자기선 출력제어시스템(116)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 채널(108)이 개방형으로서 U형이나 V형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 채널(108)의 나선의 중심이 도파관(106)의 축선상에 위치하는 것을 특징으로 하는 증류장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 상기 유체가 천연개스에서 오염물을 제거하는 과정중에 오염된 흡착액인 것을 특징으로 하는 증류장치.
  13. 제1항에 있어서, 도파관(106)의 일단부(110)가 전자기선을 투과하는 석영유리를 포함한 재료로 이루어진 배플(122)로 막힌 것을 특징으로 하는 증류장치.
  14. 제1항에 있어서, 증발된 오염물로부터 유체를 분리하는 분리기(120)가 증류실(102)에 연결되고, 분리기의 출구는 증류실(102)의 출구(114)에 연결된 것을 특징으로 하는 증류장치.
  15. 전자기선 발생기(104)에서 생긴 전자기선의 영향을 받는 유체를 증류실(102)에 통과시켜 증류하거나 농축하는 방법에 있어서:
    발생기(104)의 전자기선을 운반하는 도파관(106)의 단부(110) 밑에 채널(108)이 위치하는 증류실에 유체를 통과시키고, 상기 채널(108)은 페르마의 이중나선형이며, 채널(108)의 중심(202)에서 채널(108)의 이중나선 중의 한쪽 나선과 나머지 나선이 단부끼리 연결되어 유체가 통하도록 된 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 삭제
  17. 제15항에 있어서, 증류실 내부압력을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제15항에 있어서, 천연가스에 쓰이는 흡착액을 재생하기 위해 증류를 실행하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020147008491A 2012-02-15 2013-02-15 증류/농축 방법 및 장치 KR101644722B1 (ko)

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