KR101721849B1 - 기체분리막 모듈 - Google Patents

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KR101721849B1
KR101721849B1 KR1020160078956A KR20160078956A KR101721849B1 KR 101721849 B1 KR101721849 B1 KR 101721849B1 KR 1020160078956 A KR1020160078956 A KR 1020160078956A KR 20160078956 A KR20160078956 A KR 20160078956A KR 101721849 B1 KR101721849 B1 KR 101721849B1
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fluid
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전용우
신명섭
전미진
김환
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한국산업기술시험원
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Abstract

본 발명은 설치가 용이하고 여과 에너지 효율이 향상된 기체분리막 모듈에 관한 것이다.
구체적으로, 본 발명은, 기체분리막 모듈로서, 여과대상인 유입유체가 유입하는 상류파이프와, 상기 유입유체의 성분 중 기체분리막을 투과하지 못한 불투과 유출유체가 유출되는 하류파이프 사이에 구비되는 단일 케이싱부와; 상기 단일 케이싱부의 내부에 구비되고, 기체분리막 투과성 유무에 따라 상기 유입유체를 투과 유출유체와 불투과 유출유체로 분리시켜 상기 투과 유출유체를 상기 단일 케이싱부의 외부로 격리하도록 구성된 기체분리막 다발부;를 포함하고, 상기 단일 케이싱부는 상기 상류파이프의 하류 단부 및 상기 하류파이프의 상류 단부에 단일 결합부에 의해 탈착가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈에 관한 것이다.

Description

기체분리막 모듈{GAS SEPARATION MEMBRANE MODULE}
본 발명은 기체분리막 모듈에 관한 것으로서, 설치가 용이하고 여과 에너지 효율이 향상된 기체분리막 모듈에 관한 것이다.
기체분리를 위한 대표적인 기술로는 PSA, 흡착법, 심냉법 등이 있다. 하지만 기존공정은 제거물질의 상변화가 발생되며, 화학약품 사용으로 인한 2차처리와 환경문제의 발생, 고농도 기체분리에 적용이 불가능한 문제점을 가지고 있다. 따라서 이와 같은 기존 공정의 문제점을 보완하기 위하여 기체분리막을 사용하는 기체분리 기술이 주목 받고 있다. 기체분리막을 사용하는 기술은 타 기술에 비해 시설면적을 적게 요구하며, 기존 공정에 적용이 용이하고, 공정의 조작이 단순할 뿐만 아니라, 상변화 또는 화학약품의 사용이 없어 2차처리가 불필요하다는 장점이 있어, 질소-산소, 수소-일산화탄소, 메탄-이산화탄소의 분리뿐만 아니라, 최근에는 다중가스 분리에도 그 분야를 확장하며 다양한 곳에 사용되고 있다.
특히, 기체분리막 기술은 부지면적이 적고, 적용성이 우수하다는 특징을 적극적으로 수용하여, 기존공정의 배관라인에 적용할 수 있는 기체분리막 모듈을 개발한다면 사용분야가 더욱 확대될 것이다.
기체분리막의 원리는 각 기체 성분의 상대적인 용해-확산 속도의 차이를 이용하는 기술로서, 기체분리막 양단에 가해지는 특정 기체 성분에 대한 분압차에 의해 분리가 일어나게 된다. 따라서 기체분리막 모듈의 형태와 구조, 분리방식을 변화시킴에 따라 양단에 가해지는 기체 성분의 분압에 영향을 주고 이로 인해 기체 분리성능과 에너지 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 기체분리막 모듈(10)에 대한 개략적인 단면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 기체분리막 모듈(10)은, 기체분리막 다발(1)과, 상기 기체분리막 다발(1)을 둘러싸는 케이싱(4)과, 상기 케이싱(4)의 상류 단부에 구비되며 상류 배관으로부터 유입가스(G1)가 유입되는 유입구(4a)와, 상기 케이싱(4)의 측면에 구비되며 측면 배관으로 투과 유출가스(G2)를 유출시키는 제1 유출구(4b)와, 상기 케이싱(4)의 하류 단부에 구비되며 하류 배관으로 불투과 유출가스(G3)를 유출시키는 제2 유출구(4c)를 포함한다.
이때, 상기 유입가스(G1)는 상류 배관 쪽에 구비되는 펌프의 유동력에 의해 기체분리막 모듈 내부로 강제 유입될 수 있다.
이러한 종래기술에 따른 기체분리막 모듈(10)의 경우, 상류 배관의 하류 단부의 직경과 유입구(4a)의 직경이 상이하고 및/또는 하류 배관의 상류 단부의 직경과 제2 유출구(4c)의 직경이 상이하므로 두 단부를 연결하는 별도의 연결구를 필요로 하는 문제점이 존재하고, 기체분리막 모듈의 여과 효율을 향상시키기 위해서 상류 배관과 하류 배관 사이에 복수 개의 기체분리막 모듈을 연결하여야 하므로 역시 연결 및 결합이 용이하지 않은 문제점 또는 연결 및 결합을 위해 복잡한 중간 구조체를 필요로 하는 문제점이 존재하여 왔다.
뿐만 아니라, 상류 배관의 하류 단부의 직경과 유입구의 직경이 상이하고 및/또는 하류 배관의 상류 단부의 직경과 제2 유출구의 직경이 상이하여 차압이 발생하므로, 상류 배관 쪽의 펌프의 구동을 위해 공급되는 에너지(예를 들어, 전력량 등)에 비해 두 구성요소(즉, 상류 배관 및 기체분리막 모듈) 사이의 직경 차이로 인한 유동 저항이 발생하여 지속적으로 에너지손실이 발생하는 문제점이 존재하여 왔다.
이에, 본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하는 기체분리막 모듈을 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명의 목적은 설치가 용이한 기체분리막 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 에너지 효율이 향상된 기체분리막 모듈을 제공하는 것이다.
전술한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은, 기체분리막 모듈로서, 여과대상인 유입유체가 유입하는 상류파이프와, 상기 유입유체의 성분 중 기체분리막을 투과하지 못한 불투과 유출유체가 유출되는 하류파이프 사이에 구비되는 단일 케이싱부와; 상기 단일 케이싱부의 내부에 구비되고, 기체분리막 투과성 유무에 따라 상기 유입유체를 투과 유출유체와 불투과 유출유체로 분리시켜 상기 투과 유출유체를 상기 단일 케이싱부의 외부로 격리하도록 구성된 기체분리막 다발부;를 포함하고, 상기 단일 케이싱부는 상기 상류파이프의 하류 단부 및 상기 하류파이프의 상류 단부에 단일 결합부에 의해 탈착가능하게 결합되는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 단일 결합부는 상기 단일 케이싱부의 양단부의 제1 플렌지부와, 상기 제1 플렌지부에 대향하는 상기 상류파이프의 제2 플렌지부 및 상기 하류파이프의 제2 플렌지부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 기체분리막 다발부는, 기체분리막 투과성 유무에 따라 상기 유입유체를 투과 유출유체와 불투과 유출유체로 분리하여 투과시키며 서로 평행하게 배치되는 복수 개의 기체분리막과; 상기 복수 개의 기체분리막 각각의 일단부를 폐쇄하도록 상기 복수 개의 기체분리막의 일단부를 둘러싸도록 구비되는 밀폐형 지지부와; 상기 복수 개의 기체분리막 각각의 타단부를 개방하도록 상기 복수 개의 기체분리막의 타단부를 둘러싸도록 구비되는 개방형 지지부와; 상기 복수 개의 기체분리막을 투과한 투과 유출유체를 상기 단일 케이싱부의 외부로 안내하도록 상기 개방형 지지부를 둘러싸는 추출 가이드부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 단일 케이싱부는 상기 단일 케이싱부의 내경이 상기 상류파이프의 내경과 동일하도록 구성되며, 상기 추출 가이드부의 유출구에는, 상기 복수 개의 기체분리막에 대해 상기 유출구 방향으로의 진공흡입력을 제공하는 진공펌프가 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 기체분리막 다발부는, 상기 단일 케이싱부의 내부에서 상기 밀폐형 지지부가 상기 단일 케이싱부의 상류 내측단부에 위치하도록 그리고 상기 개방형 지지부가 상기 단일 케이싱부의 하류 내측단부에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 단일 케이싱부는, 상기 밀폐형 지지부가 탈착가능하게 결합되도록 상기 단일 케이싱부의 상류 내측단부에 구비되는 복수 개의 상류 마운트와; 상기 추출 가이드부가 탈착가능하게 결합되도록 상기 단일 케이싱부의 하류 내측단부에 구비되는 복수 개의 하류 마운트;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 추출 가이드부는 상기 추출 가이드부의 내부에 투과 유출유체들의 합류 공간을 형성하도록 상기 개방형 지지부를 수용하고, 상기 추출 가이드부는 상기 합류 공간이 유지되도록 상기 개방형 지지부의 하류면을 지지하는 스토퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 추출 가이드부는 상기 추출 가이드부의 내부에 투과 유출유체들의 합류 공간을 형성하도록 상기 개방형 지지부를 수용하고, 상기 추출 가이드부는 상기 합류 공간이 유지되도록 그리고 상기 합류 공간으로 불투과 유출유체가 유입되는 것을 방지하도록 쐐기형 기밀용 스토퍼를 포함하고, 상기 개방형 지지부는 상기 쐐기형 기밀용 스토퍼에 대응되는 형상의 쐐기형 측면형상을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 추출 가이드부는, 상기 복수 개의 하류 마운트의 하류 부분에 구비되는 복수 개의 유출구와, 상기 복수 개의 유출구 각각에 일단부가 연결되는 복수 개의 유출 파이프를 포함하고, 상기 단일 케이싱부는, 상기 복수 개의 하류 마운트의 하류 부분에서 상기 복수 개의 유출구와 반경 방향으로 일직선 상으로 상기 복수 개의 유출 파이프의 타단부가 관통하여 외부로 인출되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 기체분리막 다발부는, 상기 단일 케이싱부의 내부에서 상기 기체분리막 다발부의 길이방향이 상기 단일 케이싱부의 길이방향과 직각이 되도록 상하 방향으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 기체분리막 다발부는 상기 단일 케이싱부의 길이방향을 따라서 복수 개 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 복수 개의 기체분리막 다발부는, 적어도 하나 이상의 기본 기체분리막 다발부의 길이방향과 상기 기본 기체분리막 다발부에 이웃하는 적어도 하나 이상의 인접 기체분리막 다발부의 길이방향이 소정 각도를 형성하도록, 배치되는 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 소정 각도는 90°인 것을 특징으로 한다.
또한, 바람직하게는, 상기 단일 케이싱부는, 복수 개의 밀폐형 지지부를 둘러싸는 복수 개의 상부 수용지지부를 구비하며 상기 단일 케이싱부의 상부 내측단부에 구비되는 상부 마운트와; 복수 개의 추출 가이드부를 형성하도록 구성되며 상기 상부 마운트와 대향되게 상기 단일 케이싱부의 하부 내측단부에 구비되는 하부 마운트;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 과제의 해결수단에 의하면, 본 발명은 단일 케이싱부와 단일 결합부를 통하여 상류파이프 및 하류파이프에 결합되므로 종래기술에 비해 결합 용이성 및 교체용 분해 용이성이 현저히 향상된다.
또한, 본 발명은 관 형상의 단일 케이싱부로 구성됨으로써, 단일 케이싱부의 단면적 범위 내에서 기체분리막 면적을 다양하게 조절할 수 있고 대용량의 여과성능도 손쉽게 구현가능한 장점이 있다.
또한, 본 발명은 단일 케이싱부의 내경과 상류파이프의 내경이 동일하도록 구성됨으로써 유입유체 공급시의 유동 단면적의 변화가 없어 유동 압력손실을 최소화할 수 있고, 뿐만 아니라 상류파이프(즉, 유입유체 공급방향)에서 기체분리막 다발 쪽으로 압력을 가하는 방식이 아니라 투과 유출유체 유출 방향으로 기체분리막 다발 쪽의 압력을 빼내는 방식이므로, 압력공급에 소요되는 에너지 대비 여과성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상류 마운트와 하류 마운트(또는 상부 마운트 및 하부 마운트)를 구비함으로써 기체분리막 다발부의 교체를 용이하게 할 수 있어 유지보수작업의 편의성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 추출 가이드부에 쐐기형 기밀용 스토퍼를 구비하고 이에 대응되게 개방형 지지부에 쐐기형 측면형상을 구비함으로써, 유체의 유동력에 의해 추출 가이드부와 개방형 지지부 사이에 가압력 및 밀착력이 작용하게 되므로 투과 유출유체에 불투과 유출유체가 혼합되어 유출되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 본 발명은 투과 유출유체(예를 들어, 추출 목표 유체)의 순도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 추출 가이드부의 유출구 및 유출 파이프가 하류 마운트의 하류 부분에(즉, 유동 방향 기준으로 하류 마운트의 뒷부분에) 배치함으로써, 기체분리막 모듈 내부의 유동으로 인해 유출 파이프가 받는 유동저항을 최소화할 수 있어 유출 파이프의 위치 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 복수 개의 기체분리막 다발부를 단일 케이싱부의 상하에 배치함으로써, 필요에 따라 기체분리막 다발부의 여과 용량 또는 여과 성능을 고객 맞춤형으로 호환하여 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 복수 개의 기체분리막 다발부를 서로 상이한 각도로 배치함으로써 기체분리막 다발부의 여과 사영역(dead zone)을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 기체분리막 모듈에 대한 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체분리막 모듈에 대한 개략도이다.
도 3은 도 2의 B-B선에 따른 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 2의 부분 확대도이다.
도 5는 본 발명의 추가 실시예에 따른 도 2의 부분 확대도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 추가 실시예에 따른 기체분리막 모듈에 대한 개략도이다.
도 7은 도 6의 C-C선에서 바라본 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체분리막 모듈에 대한 개략도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 첨부된 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되게 도시되어 있을 수 있다.
또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 판례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 하여 내려져야 할 것이다.
참고로, 이하에서 사용되는 "상류" 또는 "상류부분" 또는 "상류방향"은 유체의 흐름을 기준으로 상대적으로 유체가 유입되는 쪽에 위치하는 부분 또는 유입되는 쪽을 향하는 방향을 의미하고, 이하에서 사용되는 "하류" 또는 "하류부분" 또는 "하류방향"은 유체의 흐름을 기준으로 상대적으로 유체가 유출되는 쪽에 위치하는 부분 또는 유출되는 쪽을 향하는 방향을 의미하며, "상부" 또는 "상부부분" 또는 "상부방향"과 "하부" 또는 "하부부분" 또는 "하부방향"은 도면을 기준으로 상대적인 높낮이를 반영한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 기체분리막 모듈(1000)에 대한 개략도이고, 도 3은 도 2의 B-B선에 따른 개략적인 단면도이고, 도 4는 도 2의 부분 확대도이고, 도 5는 본 발명의 추가 실시예에 따른 도 2의 부분 확대도이다.
도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 기체분리막 모듈(1000)은, 상기 기체분리막 모듈(1000)의 외부 형상을 한정하며 상류파이프(P1) 및 하류파이프(P2)에 관 결합하는 단일 케이싱부(100)와, 상기 단일 케이싱부(100)의 내부에서 유입유체(G1)를 투과 유출유체(G2)와 불투과 유출유체(G3)로 분리 및 여과시키는 기체분리막 다발부(200)를 포함한다.
특히, 본 실시예에 따르면, 상기 기체분리막 다발부(200)는 상기 기체분리막 다발부(200)의 길이방향과 단일 케이싱부(100)의 길이방향이 서로 평행하도록 배치된다. 즉, 상기 기체분리막 다발부(200)는, 상기 단일 케이싱부(100)의 내부에서 후술할 밀폐형 지지부(220)가 상기 단일 케이싱부(100)의 상류 내측단부에 위치하도록 그리고 후술할 개방형 지지부(230)가 상기 단일 케이싱부(100)의 하류 내측단부에 위치하도록 배치된다.
여기서, 상류파이프(P1)는 유입유체(G1)(즉, 분리 전 또는 여과 전 여과 대상 유체)가 공급되는 배관이고, 하류파이프(P2)는 유입유체(G1)에 포함되는 성분가스 중에서 기체분리막(210)을 투과하지 못한 불투과 유출유체(G3)가 토출되는 배관이다.
상기 단일 케이싱부(100)는 상류파이프(P1)와 하류파이프(P2) 사이에 구비되며, 전체적으로 양단부가 모두 개방된 중공 원통형 관형상을 구비한다. 이때, 상기 단일 케이싱부(100)는 상류파이프(P1) 및 하류파이프(P2)와 관이음 방식으로 결합된다.
상기 단일 케이싱부(100)는 상기 단일 케이싱부(100)의 내경이 상기 상류파이프(P1)의 내경과 동일하도록 구성되는 것이 바람직하다. 이로 인해, 상류파이프(P1)를 통하는 유입유체(G1)의 유동에 대한 단일 케이싱부(100)의 유동 단면적 변화가 없어 유입유체(G1)의 유동 저항이 최소화될 수 있다.
바람직하게는, 상기 단일 케이싱부(100)는 상기 상류파이프(P1)의 하류 단부 및 상기 하류파이프(P2)의 상류 단부에 단일 결합부에 의해 탈착가능하게 결합될 수 있다.
여기서, 더욱 바람직하게는, 상기 단일 결합부는 상기 단일 케이싱부(100)의 양단부에 형성되는 제1 플렌지부(110)(120)와, 상기 제1 플렌지부(110)(120)에 대향하는 상기 상류파이프(P1)의 하류 단부에 형성되는 제2 플렌지부(F1) 및 상기 하류파이프(P2)의 상류 단부에 구비되는 제2 플렌지부(F2)를 포함한다. 도면에 도시되진 않았지만, 상기 제1 플렌지부와 상기 제2 플렌지부는 복수 개의 관통구를 포함하고, 상기 복수 개의 관통구에는 볼트가 관통하며, 볼트의 일단부에는 너트가 결합된다.
그리고, 상기 제1 플렌지부와 상기 제2 플렌지부 사이에는 개스킷 또는 오링이 구비되는 것이 바람직하다.
추가 실시예로서, 상기 단일 케이싱부(100)의 측면에는, 상기 단일 케이싱부의 내부를 개폐하도록 구성된 도어(미도시)가 구비될 수 있다. 이렇게 도어를 구비함으로써, 기체분리막 다발부의 교체를 용이하게 할 수 있어 유지보수작업의 편의성을 향상시킬 수 있다.
상기 기체분리막 다발부(200)는 실질적인 여과부재로서, 상기 단일 케이싱부(100)의 내부에 구비된다.
상기 기체분리막 다발부(200)는 유체에 따른 기체분리막(210) 투과성 유무 또는 투과성 속도 차이에 따라 유입유체(G1)를 투과 유출유체(G2)와 불투과 유출유체(G3)로 분리시켜 상기 투과 유출유체(G2)를 상기 단일 케이싱부(100)의 외부로 격리하도록 구성된다.
구체적으로, 상기 기체분리막 다발부(200)는, 병렬로 또는 서로 평행하게 배치되는 복수 개의 기체분리막(210)과, 상기 기체분리막(210)의 일단부에 구비되는 밀폐형 지지부(220)와, 상기 기체분리막(210)의 타단부에 구비되는 개방형 지지부(230)와, 개방형 지지부(230)를 지지하도록 구성되는 추출 가이드부(300)를 포함한다.
상기 복수 개의 기체분리막(210)은 기체분리막(210) 투과성 유무 또는 투과 속도차이에 따라 상기 유입유체(G1)를 투과 유출유체(G2)와 불투과 유출유체(G3)로 분리하여 투과시키도록 구성된다. 상기 기체분리막(210)은 중공형(hollow) 원기둥 형상을 구비할 수 있다.
상기 밀폐형 지지부(220)는 경화성 수지로 구성되고, 상기 복수 개의 기체분리막(210) 각각의 일단부를 폐쇄하도록 상기 복수 개의 기체분리막(210)의 일단부를 둘러싸도록 구비된다. 즉, 상기 밀폐형 지지부(220)로 인해 기체분리막(210)의 일단부는 폐쇄되므로, 유입유체(G1)는 기체분리막(210)으로 유입될 수 없다.
상기 개방형 지지부(230)는 경화성 수지로 구성되고, 상기 복수 개의 기체분리막(210) 각각의 타단부를 개방하도록 상기 복수 개의 기체분리막(210)의 타단부를 둘러싸도록 구비된다. 즉, 상기 개방형 지지부(230)를 통하여, 투과 유출유체(G2)가 기체분리막 다발부(200)의 외부로 추출될 수 있는 것이다.
상기 추출 가이드부(300)는 상기 복수 개의 기체분리막(210)을 투과한 투과 유출유체(G2)를 상기 단일 케이싱부(100)의 외부로 안내하도록 상기 개방형 지지부(230)를 둘러싼다.
상기 추출 가이드부(300)는 투과 유출유체(G2)들을 합류시키는 부분인 동시에 개방형 지지부(230)를 수용 및 고정하는 부분이며 나아가 개방형 지지부(230)를 후술할 하류 마운트(420)를 통하여 단일 케이싱부(100)에 탈착가능하게 결합되도록 하는 부분이다.
그리고, 상기 추출 가이드부(300)는 상기 추출 가이드부(300)의 내부에 투과 유출유체(G2)들의 합류 공간(310)을 형성하도록 상기 개방형 지지부(230)를 수용한다.
또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 추출 가이드부(300)는 상기 합류 공간(310)이 유지되도록 상기 개방형 지지부(230)의 하류면을 지지하는(즉, 개방형 지지부(230)가 하류 방향으로 이동되는 것을 저지하는) 스토퍼(340)를 포함한다.
상기 추출 가이드부(300)는 합류 공간(310)에서 합류된 투과 유출가스가 추출되도록 상기 합류 공간(310)과 연통되는 유출구(320)와, 상기 유출구(320)에 일단부가 연결되는 유출 파이프(330)를 포함한다. 상기 유출 파이프(330)의 타단부는 단일 케이싱부(100)의 측면을 기밀 방식으로 관통하여 투과 유출유체(G2)를 외부로 안내한다.
상기 추출 가이드부(300)의 유출구(320) 및/또는 유출 파이프(330)의 타단부에는, 상기 복수 개의 기체분리막(210)에 대해 상기 유출구(320) 방향으로의 진공흡입력을 제공하는 진공펌프(500)가 연결된다. 즉, 본 발명에 따르면, 상류파이프(P1)(즉, 유입유체(G1) 공급방향)에서 기체분리막(210) 다발 쪽으로 압력을 가하는 방식이 아니라 투과 유출유체(G2) 유출 방향으로 기체분리막(210) 다발 쪽의 압력을 빼내는 방식이므로, 본 발명은 기체분리막(210) 투과력을 제공하기 위한 압력의 손실을 최소화할 수 있다.
상기 기체분리막 다발부(200)는 상류 마운트(410)와 하류 마운트(420)를 통하여 상기 단일 케이싱부(100)에 결합된다.
구체적으로, 상기 상류 마운트(410)는 상기 밀폐형 지지부(220)가 탈착가능하게 결합되도록 상기 단일 케이싱부(100)의 상류 내측단부에 복수 개 구비된다. 이때, 상기 복수 개의 상류 마운트(410)는 상기 밀폐형 지지부(220)가 유동에 의해 하류 방향으로 흘러가지 않도록 스토퍼(미도시) 또는 메쉬형 수용부(미도시)를 포함한다.
상기 복수 개의 상류 마운트(410)는 단일 케이싱부(100)의 내부에 복수 개의 유동공간(S)이 형성되도록 상기 단일 케이싱부(100)의 내측면에서 반경 방향으로 등간격으로 이격되게 배치된다.(도 3 참고) 여기서, 복수 개의 유동공간(S)이랑 상류파이프(P1)에서 공급되는 유입유체(G1)가 기체분리막(210) 쪽으로 유동할 수 있는 공간이다.
상기 하류 마운트(420)는 상기 추출 가이드부(300)가 탈착가능하게 결합되도록 상기 단일 케이싱부(100)의 하류 내측단부에 복수 개 구비된다. 이때, 상기 복수 개의 하류 마운트(420)는 상기 추출 가이드부(300)가 유동에 의해 하류 방향으로 흘러가지 않도록 스토퍼(미도시) 또는 메쉬형 수용부(미도시)를 포함한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 복수 개의 하류 마운트(420)는 단일 케이싱부(100)의 내부에 복수 개의 유동공간(S)이 형성되도록 상기 단일 케이싱부(100)의 내측면에서 반경 방향으로 등간격으로 이격되게 배치된다. 여기서, 복수 개의 유동공간(S)이랑 기체분리막(210)을 투과하지 못한 불투과 유출유체(G3)가 하류파이프(P2) 쪽으로 유동할 수 있는 공간이다.
본 발명의 추가 실시예에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 추출 가이드부(300)는 상기 합류 공간(310)이 유지되도록 그리고 상기 합류 공간(310)으로 불투과 유출유체(G3)가 유입되는 것을 방지하도록 쐐기형 기밀용 스토퍼(350)를 포함하고, 상기 개방형 지지부(230)는 상기 쐐기형 기밀용 스토퍼(350)에 대응되는 형상의 쐐기형 측면형상(231)을 구비한다. 이때, 상기 쐐기용 기밀용 스토퍼(350)는 멈춤턱(351)과, 상기 멈춤턱(351)의 전방에 구비되는 쐐기형 패킹부(352)를 포함하고, 상기 쐐기형 기밀용 스토퍼(350)는 상류에서 하류 방향으로 갈수록 내경이 작아지도록 구성된다.
이렇게, 본 발명은 추출 가이드부에 쐐기형 기밀용 스토퍼를 구비하고 이에 대응되게 개방형 지지부에 쐐기형 측면형상을 구비함으로써, 유체의 유동력에 의해 추출 가이드부와 개방형 지지부 사이에 가압력 및 밀착력이 작용하게 되므로 투과 유출유체에 불투과 유출유체가 혼합되어 유출되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 본 발명은 투과 유출유체(예를 들어, 추출 목표 유체)의 순도를 향상시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 추가 실시예에 따른 기체분리막 모듈(1000)에 대한 개략도이고, 도 7은 도 6의 C-C선에서 바라본 개략도이다.
본 실시예에 따른 기체분리막 모듈(1000)은 도 1 내지 도 5에 따른 기체분리막 모듈(1000)의 기술적 특징 및 구성요소를 모두 포함하되, 추출 가이드부(300)의 유출구(320)에 대한 특징만 상이하다. 따라서, 중복되는 부분에 대한 설명은 가급적 생략하기로 한다.
상기 추출 가이드부(300)는, 상기 복수 개의 하류 마운트(420)의 하류 부분에 구비되는 복수 개의 유출구(320)와, 상기 복수 개의 유출구(320) 각각에 일단부가 연결되는 복수 개의 유출 파이프(330)를 포함한다. 즉, 본 실시예에 따르면, 추출 가이드부(300)의 유출구(320) 및 유출 파이프(330)는 모두 하류 마운트(420)의 바로 후방에 배치된다.
그리고, 상기 단일 케이싱부(100)는, 상기 복수 개의 하류 마운트(420)의 하류 부분에서 상기 복수 개의 유출구(320)와 반경 방향으로 일직선 상으로 상기 복수 개의 유출 파이프(330)의 타단부가 관통하여 외부로 인출되도록 구성된다.
이로 인해, 상기 유출 파이프(330)에 가해지는 불투과 유출유체(G3)의 유동으로 인한 유동저항을 최소화할 수 있다.
바람직하게는, 상기 상류 마운트(410) 및/또는 하류 마운트(420)는 상류에서 하류방향으로 형성되는 유선형 형상을 구비할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 기체분리막 모듈(1000)에 대한 개략도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 기체분리막 모듈(1000)은, 상기 기체분리막 모듈(1000)의 외부 형상을 한정하며 상류파이프(P1) 및 하류파이프(P2)에 관 결합하는 단일 케이싱부(100)와, 상기 단일 케이싱부(100)의 내부에서 유입유체(G1)를 투과 유출유체(G2)와 불투과 유출유체(G3)로 분리 및 여과시키는 기체분리막 다발부(200)를 포함하며; 상기 기체분리막 다발부(200)는 상기 단일 케이싱부(100)의 내부에서 상기 기체분리막 다발부(200)의 길이방향이 상기 단일 케이싱부(100)의 길이방향과 직각이 되도록 상하 방향으로 배치된다.
즉, 본 실시예에서, 기체분리막 다발부(200)의 밀폐형 지지부(220)는 단일 케이싱부(100)의 원주방향 내측면 부분에 수용 및 결합되고, 기체분리막 다발부(200)의 개방형 지지부(230)는 상기 밀폐형 지지부(220)가 위치하는 내측면 부분에 대향되는 내측면 부분에 수용 및 결합된다.
바람직하게는, 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 기체분리막 다발부(200)는 상기 단일 케이싱부(100)의 길이방향을 따라서 복수 개 배치될 수 있다. 이로 인해, 기체분리막 모듈(1000)의 여과용량 또는 여과성능을 용이하게 조절할 수 있고, 또는 용이하게 대용량의 여과성능을 구현할 수 있다.
본 실시예에 따른 단일 케이싱부(100)는 밀폐형 지지부(220) 및 개방형 지지부(230)를 수용 및 결합시키기 위하여 상부 마운트(101)와 하부 마운트(102)를 포함한다. 상기 상부 마운트(101)와 상기 하부 마운트(102)는 상기 단일 케이싱부(100)의 내경이 상류 파이프의 내경과 동일하게 유지되도록 반경 방향 외측으로 돌출 형성되는 것이 바람직하다.
상부 마운트(101)는 복수 개의 밀폐형 지지부(220)를 둘러싸는 복수 개의 상부 수용지지부(151)를 구비하며 상기 단일 케이싱부(100)의 상부 내측단부에 구비된다.
하부 마운트(102)는 복수 개의 추출 가이드부(300)를 형성하도록 구성되며 상기 상부 마운트(101)와 대향되게 상기 단일 케이싱부(100)의 하부 내측단부에 구비된다.
상기 하부 마운트(102)는 개방형 지지부를 수용 및 지지하는 하부 수용지지부(161)와, 상기 하부 수용지지부 내부에서 상기 개방형 지지부가 하부 방향으로 이동하지 못하도록 저지하는 하부 스토퍼(163)와, 상기 하부 스토퍼에 의해 상기 하부 수용지지부의 하부에 형성되는 하부 합류공간(165)를 포함한다.
하부 마운트(102)에는 복수 개의 추출 가이드 각각에 구비되는 복수 개의 유출구(170)가 구비된다.
상기 복수 개의 유출구(170) 각각에는 복수 개의 유출 파이프(180)의 일단부가 연결되며, 상기 복수 개의 유출 파이프(180)의 타단부는 매니폴드(600)에 연결되며, 상기 매니폴드(600)는 하나의 진공펌프(500)에 의해 진공흡입력을 기체분리막(210) 쪽으로 전달한다.
이렇게 매니폴드(600)를 구비함으로써, 복수 개의 기체분리막 다발부(200)에 균일하고 신속한 진공흡입력을 간편한 구조로 공급할 수 있다.
도면에 도시되진 않았지만, 변형 실시예로서, 복수 개의 기체분리막 다발부(200)는, 적어도 하나 이상의 기본 기체분리막 다발부(200)의 길이방향과 상기 기본 기체분리막 다발부(200)에 이웃하는 적어도 하나 이상의 인접 기체분리막 다발부(200)의 길이방향이 소정 각도를 형성하도록, 배치될 수 있다. 이로 인해, 앞 서의 실시예에서는 복수 개의 기체분리막 다발부(200)가 서로 평행하게 배치됨으로써 유입유체(G1)를 여과하지 못하는 여과 사영역(dead zone)이 발생할 우려가 존재하나, 본 변형 실시예에 따르면 여과 사영역(dead zone)을 최소화할 수 있다.
여과 사영역의 최소화와 동시에 상부 마운트(101) 및 하부 마운트(102)의 구조 단순화 측면에서, 상기 소정 각도는 90°인 것이 바람직하다.
전술한 바에 의하면, 본 발명은 단일 케이싱부와 단일 결합부를 통하여 상류파이프 및 하류파이프에 결합되므로 종래기술에 비해 결합 용이성 및 교체용 분해 용이성이 현저히 향상된다.
또한, 본 발명은 단일 케이싱부의 내경과 상류파이프의 내경이 동일하도록 구성됨으로써 유입유체 공급시의 유동 단면적의 변화가 없어 유동 압력손실을 최소화할 수 있고, 뿐만 아니라 상류파이프(즉, 유입유체 공급방향)에서 기체분리막 다발 쪽으로 압력을 가하는 방식이 아니라 투과 유출유체 유출 방향으로 기체분리막 다발 쪽의 압력을 빼내는 방식이므로, 압력공급에 소요되는 에너지 대비 여과성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상류 마운트와 하류 마운트(또는 상부 마운트 및 하부 마운트)를 구비함으로써 기체분리막 다발부의 교체를 용이하게 할 수 있어 유지보수작업의 편의성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 추출 가이드부에 쐐기형 기밀용 스토퍼를 구비하고 이에 대응되게 개방형 지지부에 쐐기형 측면형상을 구비함으로써, 유체의 유동력에 의해 추출 가이드부와 개방형 지지부 사이에 가압력 및 밀착력이 작용하게 되므로 투과 유출유체에 불투과 유출유체가 혼합되어 유출되는 것을 방지할 수 있다. 이로 인해, 본 발명은 투과 유출유체(예를 들어, 추출 목표 유체)의 순도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 추출 가이드부의 유출구 및 유출 파이프가 하류 마운트의 하류 부분에(즉, 유동 방향 기준으로 하류 마운트의 뒷부분에) 배치함으로써, 기체분리막 모듈 내부의 유동으로 인해 유출 파이프가 받는 유동저항을 최소화할 수 있어 유출 파이프의 위치 안정성 및 내구성을 향상시킬 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 복수 개의 기체분리막 다발부를 단일 케이싱부의 상하에 배치함으로써, 필요에 따라 기체분리막 다발부의 여과 용량 또는 여과 성능을 고객 맞춤형으로 호환하여 제공할 수 있다.
특히, 본 발명은 복수 개의 기체분리막 다발부를 서로 상이한 각도로 배치함으로써 기체분리막 다발부의 여과 사영역(dead zone)을 최소화할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1000 : 기체분리막 모듈
100 : 단일 케이싱부
200 : 기체분리막 다발부
300 : 추출 가이드부
410 : 상류 마운트
420 : 하류 마운트
500 : 진공펌프
600 : 매니폴드

Claims (14)

  1. 기체분리막 모듈로서,
    여과대상인 유입유체가 유입하는 상류파이프와, 상기 유입유체의 성분 중 기체분리막을 투과하지 못한 불투과 유출유체가 유출되는 하류파이프 사이에 구비되는 단일 케이싱부와;
    상기 단일 케이싱부의 내부에 구비되고, 기체분리막 투과성 유무에 따라 상기 유입유체를 투과 유출유체와 불투과 유출유체로 분리시켜 상기 투과 유출유체를 상기 단일 케이싱부의 외부로 격리하도록 구성된 기체분리막 다발부;를 포함하고,
    상기 단일 케이싱부는 상기 상류파이프의 하류 단부 및 상기 하류파이프의 상류 단부에 단일 결합부에 의해 탈착가능하게 결합되는 기체분리막 모듈에 있어서,
    상기 기체분리막 다발부는,
    기체분리막 투과성 유무에 따라 상기 유입유체를 투과 유출유체와 불투과 유출유체로 분리하여 투과시키며 서로 평행하게 배치되는 복수 개의 기체분리막과;
    상기 복수 개의 기체분리막 각각의 일단부를 폐쇄하도록 상기 복수 개의 기체분리막의 일단부를 둘러싸도록 구비되는 밀폐형 지지부와;
    상기 복수 개의 기체분리막 각각의 타단부를 개방하도록 상기 복수 개의 기체분리막의 타단부를 둘러싸도록 구비되는 개방형 지지부와;
    상기 복수 개의 기체분리막을 투과한 투과 유출유체를 상기 단일 케이싱부의 외부로 안내하도록 상기 개방형 지지부를 둘러싸는 추출 가이드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단일 결합부는 상기 단일 케이싱부의 양단부의 제1 플렌지부와, 상기 제1 플렌지부에 대향하는 상기 상류파이프의 제2 플렌지부 및 상기 하류파이프의 제2 플렌지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 단일 케이싱부는 상기 단일 케이싱부의 내경이 상기 상류파이프의 내경과 동일하도록 구성되며,
    상기 추출 가이드부의 유출구에는, 상기 복수 개의 기체분리막에 대해 상기 유출구 방향으로의 진공흡입력을 제공하는 진공펌프가 연결되는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기체분리막 다발부는, 상기 단일 케이싱부의 내부에서 상기 밀폐형 지지부가 상기 단일 케이싱부의 상류 내측단부에 위치하도록 그리고 상기 개방형 지지부가 상기 단일 케이싱부의 하류 내측단부에 위치하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단일 케이싱부는,
    상기 밀폐형 지지부가 탈착가능하게 결합되도록 상기 단일 케이싱부의 상류 내측단부에 구비되는 복수 개의 상류 마운트와;
    상기 추출 가이드부가 탈착가능하게 결합되도록 상기 단일 케이싱부의 하류 내측단부에 구비되는 복수 개의 하류 마운트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 추출 가이드부는 상기 추출 가이드부의 내부에 투과 유출유체들의 합류 공간을 형성하도록 상기 개방형 지지부를 수용하고,
    상기 추출 가이드부는 상기 합류 공간이 유지되도록 상기 개방형 지지부의 하류면을 지지하는 스토퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 추출 가이드부는 상기 추출 가이드부의 내부에 투과 유출유체들의 합류 공간을 형성하도록 상기 개방형 지지부를 수용하고,
    상기 추출 가이드부는 상기 합류 공간이 유지되도록 그리고 상기 합류 공간으로 불투과 유출유체가 유입되는 것을 방지하도록 쐐기형 기밀용 스토퍼를 포함하고,
    상기 개방형 지지부는 상기 쐐기형 기밀용 스토퍼에 대응되는 형상의 쐐기형 측면형상을 구비하는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 추출 가이드부는, 상기 복수 개의 하류 마운트의 하류 부분에 구비되는 복수 개의 유출구와, 상기 복수 개의 유출구 각각에 일단부가 연결되는 복수 개의 유출 파이프를 포함하고,
    상기 단일 케이싱부는, 상기 복수 개의 하류 마운트의 하류 부분에서 상기 복수 개의 유출구와 반경 방향으로 일직선 상으로 상기 복수 개의 유출 파이프의 타단부가 관통하여 외부로 인출되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기체분리막 다발부는, 상기 단일 케이싱부의 내부에서 상기 기체분리막 다발부의 길이방향이 상기 단일 케이싱부의 길이방향과 직각이 되도록 상하 방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 기체분리막 다발부는 상기 단일 케이싱부의 길이방향을 따라서 복수 개 배치되는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    복수 개의 기체분리막 다발부는, 적어도 하나 이상의 기본 기체분리막 다발부의 길이방향과 상기 기본 기체분리막 다발부에 이웃하는 적어도 하나 이상의 인접 기체분리막 다발부의 길이방향이 소정 각도를 형성하도록, 배치되는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 소정 각도는 90°인 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 단일 케이싱부는,
    복수 개의 밀폐형 지지부를 둘러싸는 복수 개의 상부 수용지지부를 구비하며 상기 단일 케이싱부의 상부 내측단부에 구비되는 상부 마운트와;
    복수 개의 추출 가이드부를 형성하도록 구성되며 상기 상부 마운트와 대향되게 상기 단일 케이싱부의 하부 내측단부에 구비되는 하부 마운트;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기체분리막 모듈.
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