KR101672698B1 - 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치 - Google Patents

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    • B01D35/02Filters adapted for location in special places, e.g. pipe-lines, pumps, stop-cocks

Abstract

본 발명은 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치에 관한 것으로, 자유상과 용존상 유류의 오염수를 유입받아 공기와 휘발성 유기 화합물을 기체와 액체로 분리하고, 유입된 오염수의 맥동을 조정하는 유입수 조정조; 유입수 조정조로부터 오염수의 액체성분을 유입받는 유수분리기; 유수분리기에 유입된 오염수를 상향으로 흐르게 하는 이퀄리제이셔너; 이퀄리제이셔너에 의해 유수분리기의 내부에서 부상된 유류가 격막을 따라 부상되어 유입되며, 유수분리기의 내부 수압을 일정하게 유지하는 제1 스탠드형 파이프; 격막의 상부에 형성되어, 제1 스탠드형 파이프 내에 유류층이 소정 두께 이상으로 집적되면, 기벤헤르츠버그 원리에 의해 유면의 높이가 수면의 높이보다 높이 상승하여 제1 스탠드형 파이프를 월류하는 유류가 저장되는 회수유류 저장탱크; 유수분리기에서 유류가 분리된 후 지하수가 이퀄리제이셔너의 하부 공간에서 유입되는 방류수 조정조; 이퀄리제이셔너와 방류수 조정조를 연결하여 이퀄리제이셔너에서 방류수 조정조로 유류를 이동하게 하는 제2 스탠드형 파이프; 및 유입수 조정조에서 상승한 기체가 유입되는 활성탄 필터를 포함한다.

Description

기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치{APPARATUS FOR SEPARATING OIL AND WATER BY APPLICATION OF GHYBEN-ERZBERG PRINCIPLE}
본 발명은 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치에 관한 것으로, 특히 물과 유류의 분리는 물과 유류의 비중 차이에 의한 단순 부상원리를 이용하고 기벤헤르츠버그(Ghyben-Herzberg) 원리를 적용하여 별도의 동력을 활용하지 않고도 고 순도의 유류를 자동으로 분리하는 장치에 관한 것이다.
이 배경기술 부분에 기재된 사항은 발명의 배경에 대한 이해를 증진시키기 위하여 작성된 것으로서, 이 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래 기술이 아닌 사항을 포함할 수 있다.
유류는 경소수성 액체(LNAPL)이며, 비중이 물보다 작다. 대표적인 유류의 비중은 경유(0.83), 등유(석유 : 0.79), 부생연로 1호(0.81) 등이다. 이들 유류가 수면 위에 떠 있을 때, 그 경계면의 깊이는 기벤헤르츠버그 원리에 의해 구할 수 있다.
기벤헤르츠버그 원리(또는 이론)는 해안변 대수층에서 용존물질(dissolved solids)의 농도차에 의해 해수의 밀도가 담수의 밀도보다 크기 때문에 발생하는 경계면을 계산하기 위한 이론이었으며, 물과 유류의 경우 다음과 같은 수학식 1을 이용하여 그 경계면을 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112016061285834-pat00001
여기서, hw = 수면으로부터 경계면까지 깊이
ho = 수면으로부터 유면까지 높이
ρw= 물의 밀도
ρo= 유류의 밀도
물의 평균밀도인 ρw=1.0과 유류(경유)의 밀도인 ρo=0.83을 대입하면 hw= 4.88ho가 된다. ho=120mm로 설정한 경우 hw=586mm 정도로 산정된다. 따라서, 물과 유류의 경계면 깊이가 586mm 이상이 되면 수면보다 약 120mm 높이로 유면이 상승하게 되는데, 이러한 특성을 이용하여 물과 유류의 이동 경로 및 출구 높이를 조절하면 유수분리가 가능해진다.
물과 유류의 혼합물을 취급(양수 등)하거나, 지하에 유류가 유출되었을 경우 지하수에 유류가 미세한 유적 상태로 현탁되어 나타나는 경우가 많다. 현탁된 유적은 물속에서 중력작용에 의해 부상하게 되며, 그 부상속도는 스토크스(Stokes)법칙에 의해 다음과 같이 정리될 수 있다.
[수학식 2]
ν=g(ρow)D2/(18μ)
여기서, ν는 물에 대한 유적의 상대속도(m/sec)이며(ν가 -인 경우는 부상을 의미), g는 중력가속도(9.8m/sec2)이며, D는 유적의 직경(m)이며, μ는 물의 절대점도(1cp)이며, ρo는 유적의 밀도(kg/m3)이며, ρw는 물의 밀도(kg/m3)이다. 만약, 유적의 직경이 0.015cm이고 유적의 모양이 일정하다면 부상속도는 ν= 980cm/ses2(0.83-1.0)(g/cm3)(0.015cm)2/(18
Figure 112016061285834-pat00002
0.01g/cm sec)= -0.21cm/sec이다. 따라서, 유수분리기 내의 유수분리에서 유속은 가능한 한 작게 설계하여야 하며, 유적의 부상속도와 부상거리 및 오염수의 이동거리와 시간 등을 고려하여야 한다.
현재, 물과 유류의 분리는 물과 유류의 비중 차이에 의한 단순 부상원리를 이용하고 기벤헤르츠버그(Ghyben-Herzberg) 원리를 적용하여 별도의 동력을 활용하지 않고도 물리적인 현상을 이용하여 물과 유류를 효율적으로 분리할 수 있는 유수분리장치가 필요한 실정이다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1024970호(2011.03.18.) "유수분리장치"
상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 물과 유류의 분리는 물과 유류의 비중 차이에 의한 단순 부상원리를 이용하고 기벤헤르츠버그 (Ghyben-Herzberg) 원리를 적용하여 별도의 동력을 활용하지 않고도 물리적인 현상을 이용하여 물과 유류를 효율적으로 분리할 수 있는 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 회수된 유류의 유류와 물의 함량비를 제고하며 유수분리의 자동화를 실현할 수 있는 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 유수분리기와 회수유류 저장탱크를 일체화할 수 있는 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치는,자유상 및 용존상 유류의 오염수를 유입받아 공기 및 휘발성 유기 화합물을 기체와 액체로 분리하고, 유입된 오염수의 맥동을 조정하는 유입수 조정조; 유입수 조정조의 하부에 유입수 조정조와 절곡된 파이프로 연결되어, 유입수 조정조로부터 오염수의 액체성분을 유입받는 유수분리기; 유수분리기의 하부에 구비되어, 유수분리기에 유입된 오염수를 상향으로 흐르게 하는 이퀄리제이셔너(equalizationer); 콘 형태의 격막의 최상부에 연결되고, 이퀄리제이셔너에 의해 유수분리기의 내부에서 부상된 유류가 격막을 따라 부상되어 유입되며, 유수분리기의 내부 수압을 일정하게 유지하는 제1 스탠드형 파이프; 격막의 상부에 형성되어, 제1 스탠드형 파이프 내에 유류층이 소정 두께 이상으로 집적되면, 기벤헤르츠버그(Ghyben-Herzberg) 원리에 의해 유면의 높이가 수면의 높이보다 높이 상승하여 제1 스탠드형 파이프를 월류하는 유류가 저장되는 회수유류 저장탱크; 및 유수분리기에서 유류가 분리된 후 지하수가 취수스크린을 통과하여 이퀄리제이셔너의 하부 공간에서 유입되는 방류수 조정조; 이퀄리제이셔너와 방류수 조정조를 연결하여 이퀄리제이셔너에서 방류수 조정조로 유류를 이동하게 하는 제2 스탠드형 파이프; 및 유입수 조정조의 상부에 구비되어, 유입수 조정조에서 상승한 기체가 유입되는 활성탄 필터;를 포함하고, 유수분리기와 회수유류 저장탱크는 일체형이고, 상기 제1 스탠드형 파이프는 상기 유입수 조정조와 상기 방류수 조정조의 사이에 위치하며, 상기 제1 스탠드형 파이프는 상기 유입수 조정조와 상기 방류수 조정조의 사이에 위치하며, 방류수 조정조는 제2 스탠드형 파이프가 내부로 연장되고, 엘보우형 파이프를 내부에 구비하며, 제2 스탠드형 파이프와 엘보우형 파이프는 서로 분리되어 유수분리기의 내부 수압변화를 방지한다.
본 발명에 따르면, 물리적인 현상을 이용하여 물과 유류를 분리하여 저장하므로 별도의 분리장치가 필요하지 않으며, 물리적인 현상을 이용하여 물과 유류를 분리하므로 별도의 동력장치 및 유류감지 센서가 필요하지 않다.
또한, 본 발명에 따르면, 회수된 유류의 유류와 물의 함량비가 높고, 함량비 조절이 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 유류감지 센서 등 자동화기기를 부착하지 않고도 자동화가 실현 가능하며, 유수분리기와 유류 저장탱크의 일체화로 유수분리장치의 소형화 가능하다.
또한, 본 발명에 따르면, 기상의 휘발성분 포집이 용이하며, 대기의 교차오염을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치의 정단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 필터의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분배기의 우측면도이다.
그리고
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유입수 조정조와 방류수 조정조의 정단면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 단지 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치의 정단면도이다. 도 1을 참조하면, 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치는 회수유류 저장탱크(1), 유수분리기(2) 및 활성탄 필터(3), 분배기(4), 유입수 조정조(5), 이퀄리제이셔너(Equalizationer, 6), 취수 스크린(7), 격막(8), 방류수 조정조(9), 제1 스탠드형 파이프(10), 유류회수구(11), 역세수구(12), 보조유류회수구 (13), 드레인(drain, 14), 제2 스탠드형 파이프(20) 등을 구비한다. 회수유류 저장탱크(1)와 유수분리기(또는 유수분리실, 2)는 하나의 통으로 결합된 일체형으로 되어 있다.
회수유류 저장탱크(1)에는 격막(7)의 상부에 형성되어 제1 스탠드형 파이프(10) 내에 유류층이 소정 두께 이상으로 집적되면, 기벤헤르츠버그 원리에 의해 유면의 높이가 수면의 높이보다 높이 상승하여 제1 스탠드형 파이프(10)를 월류하는 유류가 저장된다. 회수유류 저장탱크(1)는 유류회수구(11)와 보조유류회수구(13)를 상하로 구비한다. 회수유류 저장탱크(1)는 분리된 유류가 저장되는 공간으로 회수된 유류 내에 물이 섞여 있을 수 있으나, 고여 있는 상태이므로 회수유류 저장탱크(1) 내부에도 물과 기름이 분리되어 있다. 수면의 높이가 유류회수구(11)보다 높게 형성되면, 보조유류회수구(13)를 이용하여 물을 먼저 회수하고 기름의 유면이 유류회수구(11) 높이보다 낮게 한 후 유류를 회수하면 보다 고 순도의 기름을 회수할 수 있다.
유수분리기(2)는 유입수 조정조(5)의 하부에 유입수 조정조(5)와 절곡된 파이프로 연결되어, 유입수 조정조(5)로부터 오염수의 액체성분을 유입받는다.
활성탄 필터(3)는 유입수 조정조(5)의 상부에 구비되어, 유입수 조정조(5)에서 상승한 기체가 유입된다.
유입수 조정조(5) 내부에 자유상(free product) 및 용존상 유류의 오염수가 분배기(4)를 유입되면, 1차로 공기 및 휘발성 유기화합물(VOCs)이 기체와 액체로 분리되는데, 기체는 활성탄 필터(3)에 유입되고, 액체는 유수분리기(2)에 유입된다. 유입수 조정조(5)는 약 39ℓ의 부피이며, 유입수의 맥동을 조정하며, 유수분리기(2)로 유입되는 오염수를 안정정으로 흐를 수 있게 한다. 유입수 조정조(5)는 300A 규격과 100A 규격의 파이프로 구성되며, 유입된 오염수 중에 기체가 포함되어 있는 경우 기체가 분리될 수 있도록 하고, 유입된 오염수가 내부로 유입될 때의 유입속도가 급격히 변화되지 않도록 한다.
이퀄리제이셔너(6)는 유수분리기(2)의 하부에 구비되어 유수분리기(2)에 유입된 오염수를 상향으로 흐르게 한다. 이퀄리제이셔너(6)는 직경 약 50cm, 높이 약 18cm의 공간으로 유수분리기(2)에 유입된 오염수를 상향으로 흐르게 하며, 이후에 물의 흐름 방향이 수평으로 변하게 하며, 물의 흐름이 일정하게 한다. 물의 흐름 방향이 수평으로 변한 이후에는 물이 방사상으로 흐르고 자유상 유류 및 미세 유적은 부력에 의해 부상하게 된다. 부상된 유류는 콘 형태의 격막(8)을 따라 부상 및 유리되어 제1 스탠드형 파이프(10)에 유입되고, 제1 스탠드형 파이프(10)의 내부에 유류층이 두껍게 집적되면 기벤헤르츠버그 원리에 의해 유면의 높이가 수면의 높이보다 높게 상승하여 제1 스탠드형 파이프(10)를 월류하여 회수유류 저장탱크(1)에 유류가 저장된다. 유류가 분리된 후 지하수는 흐름이 하향으로 바뀐 후 취수스크린(7)을 통과하여 이퀄리제이셔너(6)의 하부 공간에서 방류수 조정조(9)를 연결하는 제2 스탠드형 파이프(20)를 통해 방류수 조정조(9)로 흐른다.
방류수 조정조(9)에는 유수분리기(2)에서 분리된 지하수가 취수스크린(7)을 통과하여 이퀄리제이셔너(6)의 하부 공간에서 유입된다. 방류수 조정조(9)의 내부에는 제2 스탠드형 파이프(20)와 엘보우 파이프(21)가 분리되어 유수분리기(2)의 내부 수압변화를 방지한다. 구체적으로, 제2 스탠드형 파이프(20)가 내부로 연장되고, 엘보우형 파이프(21)를 내부에 구비한다.
제2 스탠드형 파이프(20)는 고정되어 있어 유수분리기(2)의 내부 수압을 일정하게 유지하며, 제2 스탠드형 파이프(20)와 엘보우 파이프(21)가 분리되어 있기 때문에 방류되는 물에 의한 싸이펀(sipon) 작용이 유수분리기(2)에 미치지 않게 하여 내부 수압변화를 방지하였다. 방류수 조정조(9)는 300A 규격(약 39 ℓ 부피)과 100A 규격의 파이프로 구성되며, 서로 분리된 제2 스탠드형 파이프(20)와 엘보우 파이프(21)는 유수분리기(2) 내부의 수압을 일정하게 유지한다.
제1 스탠드형 파이프(10)는 콘 형태의 격막(7)의 최상부에 연결되고, 이퀄리제이셔너에 의해 유수분리기(2)의 내부에서 부상된 유류가 격막(8)을 따라 부상되어 유입되며, 유입수 조정조(5)와 방류수 조정조(9)의 사이에 위치하여 유수분리기(2)의 내부 수압을 일정하게 유지한다. 유수분리기(2)의 내부수위는 100A 규격(단면적 87.1cm2)의 파이프에 물이 흐르는 경우 방류수량 10m3/hr 이면 약 0.5cm, 방류수량 20m3/hr 이면 약 2.1cm, 방류수량 48m3/hr이면 약 12cm 등의 수위 상승이 발생한다. 따라서, 수면과 유면의 차이를 약 12cm로 하는 경우 방류수량 48m3/hr를 초과하면 물이 제1 스탠드파이프(10)를 월류하여 회수유류저장탱크(1) 내부로 유입되어 물과 유류가 분리되지 않는다.
제2 스탠드형 파이프(20)는 이퀄리제이셔너(6)와 방류수 조정조(9)를 연결하여 이퀄리제이셔너(6)에서 방류수 조정조(9)로 유류를 이동하게 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 활성탄 필터의 평면도이다. 도 2를 참조하면, 활성탄 필터(3)에는 하부로부터 휘발성분이 공기와 혼합된 상태로 유입되어 휘발성 유기 화합물이 포집되고 정화된 공기는 상부의 방류구로 배출된다.
활성탄 필터(3)는 활성탄의 저장 및 오염 공기와의 접촉공간을 제공하며, 유지관리가 필요할 때에는 분해하여 회수유류 저장탱크로 접근할 수 있는 맨홀 (manhole) 기능을 갖는다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분배기의 우측면도이다. 도 3을 참조하면, 분배기(4)는 오염된 지하수를 정화하는 지하수 정화 시스템(예: Multy-Phase Extraction, Dual Pump Recovery, Bioslurping 등)의 한 구성품으로 활용될 수 있도록 하였으며, 이에 따라 다수의 유류로 오염된 지하수 추출정과 분배기(4)와 직접 연결하여 다수의 추출정으로부터 오염지하수를 분배기(4)에 유입시킬 수 있도록 하였다.
분배기(4)는 100A 규격의 파이프에 32A 구격의 파이프 연결구 5개를 부착하여 구성하였다. 따라서 분배기에 최대 5개의 오염원으로부터 오염수를 유입시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 유입수 조정조와 방류수 조정조의 정단면도이다.
일반적으로, 폐수 중에 현탁되어 있는 유류 방울은 지름이 고르게 분포되어 있는 경우는 드물고 0.2~0.05mm의 유류방울이 골고루 섞여 있다고 하였으며, 약 0.15mm 정도의 기름방울을 주 대상으로 설계하는 것이 보통이다(허태준, 2015.2, 부상형 유수분리 장치에 관한 연구). 단면(a)는 24.8cm×50cm×3.14 = 3894cm2, 단면(b)는 17.5cm×90cm×3.14 = 4946cm2이다. 따라서, 경유 유적의 직경이 0.015cm 이고 밀도가 0.83g/cm3라면 부상속도는 0.21cm/sec가 되므로 17.5 cm를 부상하기 위해서는 소요시간은 83sec로 산정된다. 따라서, 유수분리기(2)는 오수가 단면 (b)를 통해 18.8cm를 이동하는데 83sec 이상의 흐름 시간을 유지하여야 유적이 높이 17.5cm를 부상하여 격막 (8)에 도달할 수 있다.
그러므로, 본 유수분리기(2)를 자유상 유류를 분리하는 기능 이외에 용존된 미세 유적까지 분리하고자 할 경우의 유수처리량은 3984cm2×18.8cm÷83sec = 902 cm3/sec(3.2m3/hr) 이하인 경우에 효과적이다. 따라서, 시간당 3.2m3 이하로 운영시 직경 0.15mm 정도의 유적(경유 기준)을 회수할 수 있으며, 0.15mm 보다 더 미세한 유적을 분리하려면 유입속도를 감소시키거나 유수분리장치의 규격을 키우거나 가압(또는 감압)에 의한 공기 부상방식이 필요하다.
전술한 본 발명의 실시예는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 회수유류 저장탱크 2 : 유수분리기
3 : 활성탄 필터 4 : 분배기
5 : 유입수 조정조 6 : 이퀄리제이셔너
7 : 취수 스크린 8 : 격막
9 : 방류수 조정조 10 : 제1 스탠드형 파이프
11 : 유류회수구 12 : 역세수구
13 : 보조유류회수구 14 : 드레인(drain, 14)
20 : 제2 스탠드형 파이프 21 : 엘보우 파이프

Claims (1)

  1. 자유상과 용존상 유류의 오염수를 유입받아 공기와 휘발성 유기 화합물을 기체와 액체로 분리하고, 유입된 오염수의 맥동을 조정하는 유입수 조정조;
    상기 유입수 조정조의 하부에 상기 유입수 조정조와 절곡된 파이프로 연결되어, 상기 유입수 조정조로부터 오염수의 액체성분을 유입받는 유수분리기;
    상기 유수분리기의 하부에 구비되어, 상기 유수분리기에 유입된 오염수를 상향으로 흐르게 하는 이퀄리제이셔너(equalizationer);
    콘 형태의 격막의 최상부에 연결되고, 상기 이퀄리제이셔너에 의해 상기 유수분리기의 내부에서 부상된 유류가 상기 격막을 따라 부상되어 유입되며, 상기 유수분리기의 내부 수압을 일정하게 유지하는 제1 스탠드형 파이프;
    상기 격막의 상부에 형성되어, 상기 제1 스탠드형 파이프 내에 유류층이 소정 두께 이상으로 집적되면, 기벤헤르츠버그(Ghyben-Herzberg) 원리에 의해 유면의 높이가 수면의 높이보다 높이 상승하여 상기 제1 스탠드형 파이프를 월류하는 유류가 저장되는 회수유류 저장탱크;
    상기 유수분리기에서 유류가 분리된 후 지하수가 취수스크린을 통과하여 상기 이퀄리제이셔너의 하부 공간에서 유입되는 방류수 조정조;
    상기 이퀄리제이셔너와 상기 방류수 조정조를 연결하여 상기 이퀄리제이셔너에서 상기 방류수 조정조로 유류를 이동하게 하는 제2 스탠드형 파이프; 및
    상기 유입수 조정조의 상부에 구비되어, 상기 유입수 조정조에서 상승한 기체가 유입되는 활성탄 필터; 를 포함하고,
    상기 유수분리기와 상기 회수유류 저장탱크는 일체형이고,
    상기 제1 스탠드형 파이프는 상기 유입수 조정조와 상기 방류수 조정조의 사이에 위치하며,
    상기 방류수 조정조는 상기 제2 스탠드형 파이프가 내부로 연장되고, 엘보우형 파이프를 내부에 구비하며,
    상기 제2 스탠드형 파이프와 상기 엘보우형 파이프는 서로 분리되어 상기 유수분리기의 내부 수압변화를 방지하는 것을 특징으로 하는 기벤헤르츠버그 원리를 적용한 유수분리장치.
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