KR101787942B1 - 분리막 접촉기용 중공사 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리막 접촉기용 중공사 모듈에 관한 것이다.
본 발명의 분리막 접촉기용 중공사 모듈은, 내부가 빈 중공 형상으로 이루어진 모듈하우징(10)과; 상기 모듈하우징 내부에 길이 방향을 따라 모듈하우징(10) 내벽면과 이격된 채 설치되어 쉘사이드(11)를 형성하고, 내부에 길이방향으로 튜브사이드(21)가 형성되어 있는 중공사(20)와; 상기 모듈하우징(10) 양단에 각각 설치되어 있고, 일측에 튜브사이드유입구(31)가 형성되어 있으며, 타측에 튜브사이드배출구(32)가 형성되어 있고, 내부공간(33)이 상기 튜브사이드(21)와 연통되고 쉘사이드(11)와 차단되도록 격벽(34)이 형성되어 있는 두 개의 캡(30)과; 상기 두 캡(30)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(10) 내부에 위치하도록 설치되어 있으며, 일측 단부에 쉘사이드유입구(41)가 형성되어 있고, 타측 단부에 쉘사이드배출구(42)가 형성되어 있는 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(43)가 설치되어 있고, 칸막이(43)를 기준으로 양측 외주면에 다수 개의 홀(44)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(41) 측 홀(44)로부터 액체가 중공사 접촉막과 접촉막사이의 댐( 54)으로 인해 접촉막과 평행한 흐름보다 십자형 흐름을 극대화시켜 쉘사이드(11)로 이동하고, 쉘사이드배출구(42) 측 홀(44)을 통해 쉘사이드(11) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(42)로 이동하도록 이루어진 유로제어튜브(40);를 포함하여 구성된다.
본 발명에 의해, 동일한 수량과 길이의 중공사를 사용한 종래의 접촉기 모듈에 비해 분리효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다. 보다 구체적으로, 일반적인 접촉기 모듈의 쉘사이드에서는 십자흐름(cross flow)이 발생하지 않아 혼합효과를 기대하기 어려우며, 경계층 형성에 따라 분리효율에 한계를 나타낸 반면 본 발명에 의한 접촉기 모듈은 쉘사이드의 십자흐름을 크게 유발하여 큰 혼합효과를 나타내며, 이에 따라 쉘사이드의 경계층 두께를 감소시켜 모듈의 성능이 극대화 된다.

Description

분리막 접촉기용 중공사 모듈{Membrane module for membrane contactor}

분리막 접촉기는 가스혼합물을 구성하는 성분들의 액체에 대한 용해도 차이를 이용하여 가스혼합물을 분리하는 장치이다.

본 발명은 분리막 접촉기의 핵심인 분리막 접촉기용 분리막 모듈이 최대의 분리효율을 나타낼 수 있도록 한, 분리막 접촉기용 중공사 모듈에 관한 것이다.

분리막 기술은 고분자 재료의 물질 선택투과 성질을 이용한 분리기술의 하나이다.

정수 처리 및 하수/오폐수 처리에서의 분리막의 사용은 1960년대 시작된 이래 지금까지 그 사용이 비약적으로 증가하고 있으며, 분리막은 고체와 액체, 액체와 액체, 기체와 기체 및 액체와 기체를 분리하는데 매우 유용한 장치로, 특별한 경우를 제외하고는 상변화를 수반하지 않으므로 에너지를 절약할 수 있고, 공정이 간단하므로 장치가 차지하는 공간이 적은 장점이 있다.

분리막은 폐수 처리, 용수 제조를 포함한 수처리, 식품과 제약부문에서의 농축, 그리고 공기 중에서의 산소와 질소의 분리, 암모니아의 회수 등 산업 전반에 널리 사용되고 있다.

이러한 분리막은 형태와 분리성능에 따라 여러 가지로 분류될 수 있는데, 우선 형태에 따라 평 막, 관형 막, 중공사막으로 분류되고, 분리성능에 따라 정밀 여과 막, 한외 여과 막, 역삼투막 등으로 분류될 수 있다. 이와 같이 특정 성분을 선택적으로 통과시킴으로써 혼합물을 분리시키는 분리막의 용도는 매우 광범위하여 각종 형태로 제조되어 이용되고 있다.

이 중에서 중공사막은 중앙이 비어있는 실관 형태이므로 다른 형태의 막 보다 표면적이 커서 작은 용적으로도 많은 수율을 얻을 수 있어 매우 유용한 분리막으로 각광을 받고 있다.

한편, 분리막 기술 중 기체 혼합물을 분리하는 기술로는 기체분리막 공정과 분리막 접촉기 공정이 있다. 일반적인 기체분리막 공정에서는 비다공성의 선택층이 적용되며, 선택층에 사용된 기체분리막 고분자와 기체혼합물 중 각 기체성분의 용해도와 확산도 차이에 의해 기체혼합물이 분리된다. 따라서, 일반적인 기체분리막 공정에서는 분리막 선택층 내부의 물질전달속도가 가장 느려 분리막 선택층에서의 물질전달속도가 전체 공정의 율속단계가 된다.

막접촉기 공정에서는 소수성 다공성 분리막을 사용하여 기/액 계면을 형성시키며, 기/액 계면에서 각 기체성분의 액체에 대한 용해도 차이에 의해 기체혼합물을 분리한다. 즉, 용해도가 큰 기체성분이 액체에 빠르게 용해되기 때문에 막접촉기를 통과하면서 기체혼합물의 분리가 이루어진다. 분리막 접촉기에서는 소수성 다공성 분리막을 사용하기 때문에 기체측 물질전달 속도와 분리막 내부 물질전달 속도가 매우 빠르고, 액체측에서의 물질전달 속도가 가장 느려 액체측에서의 물질전달속도가 율속단계가 된다. 분리막 접촉기 공정은 일반적인 기체분리막 공정에 비해 물질전달 속도가 약 1,000배 이상 빠르게 때문에 효과적인 분리막 접촉기용 모듈이 적용되면, 매우 빠르고 경제적으로 기체혼합물을 분리할 수 있는 기술이다.

분리막 접촉기 공정에서는 액체측의 물질전달 속도를 높이는 것이 막접촉기 공정의 효율을 결정하게 된다. 막접촉기 모듈 운전에서는 액체를 모듈의 shell side로 공급하는 방식과 중공사 안쪽인 tube side로 공급하는 방식을 모두 사용할 수 있다. 액체측 물질전달 속도를 높이기 위해 액체측에서의 혼합효과가 큰 방식을 사용하여 혼합효과를 높여주면 기/액 계면에서 액체측의 기체 농도를 빠르게 낮추게 되어 기체측으로부터 액체측으로 전달되는 성분의 구동력을 증가시킬 수 있다.

분리막 접촉기 기술은 액체에 대한 용해도 차이에 의해 기체혼합물을 분리하는 용도로 사용될 수도 있지만, 기체 측에 진공을 가해 액체 중에 녹아 있는 기체 성분을 기체측으로 제거하여 순수한 액체를 제조하는 탈기 공정에도 응용될 수 있다.

분리막 접촉기용 중공사 모듈에 관한 종래 기술을 살펴보면, "고효율 기체/액체 막접기용 기체분리막 모듈"(한국 공개특허공보 제10-2010-0099530호, 특허문헌 1)에는 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 중공사(2) 다발이 플라스틱 또는 금속 하우징(1) 내에 포팅되어 고정된 예가 도시되어 있다.

중공사 내부 공간은 튜브사이드(tube side)라고 부르며, 중공사와 중공사 사이 공간, 중공사와 하우징 사이 공간은 쉘사이드(shell side)라고 부른다.

도 1과 같은 접촉기 모듈은 튜브사이드 인렛(5)에서 튜브사이드 아웃렛(6)으로 향하는 흐름과, 쉘사이드 인렛(3)에서 쉘사이드 아웃렛(4)으로 향하는 흐름이 향류(counter current)가 되거나 병류로 운전될 수 있다.

예를 들어 향류로 운전되는 경우 튜브사이드와 쉘사이드로 흐르는 유체는 서로 반대 방향으로 흐르게 된다.

쉘사이드로 액체를 튜브사이드로 용해시키고자 하는 혼합기체를 흐르게 하는 경우 중공사의 외벽인 쉘사이드 표면에서는 기/액 계면이 형성되고 이 계면을 통해 혼합기체 구성 성분들이 용해되어 기체 분리가 일어나게 된다.

이때, 기/액 계면 중 쉘사이드의 액체측 계면에 경계층(boundary layer)이 형성되며, 이 경계층에서는 물질전달속도가 매우 느리기 때문에 액체측에서의 물질전달이 분리막 접촉기 모듈 물질전달의 율속단계가 되며, 형성되는 경계층의 두께가 두꺼울수록 물질전달속도는 느려져 분리막 접촉기 모듈의 효율이 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 쉘사이드로 흐르는 액체의 흐름속도를 증가시켜 줄 수도 있으나, 이러한 흐름 속도를 증가시키는 데에는 물리적인 한계가 발생하게 된다.

한편, 일본 특허공보 특개2009-269023호(특허문헌 2)에는 도 11에 접촉막 모듈 중간 부위에 Baffle(격막)을 두어 접촉막 외벽인 쉘사이드 표면에서 크로스 플로우(Cross flow)를 유도하여 액체의 혼합효과를 발휘하도록 한 기술이 공개되어 있다.

그러나, 특허문헌 2 역시 쉘사이드 전체의 액체 혼합 효과를 극대화시키기에는 부족한 실정이다.

KR10-2010-0099530 (2010.09.13.) JP 2009-269023 (2009.11.19.)

본 발명의 분리막 접촉기용 중공사 모듈은 상기와 같은 종래 기술에서 발생하는 문제점을 해소하기 위한 것으로, 분리막 접촉기용 중공사 모듈의 내부 구조를 종래와 달리 함으로써 쉘사이드에서 액체의 흐름에 변화가 발생되도록 하여 분리막 접촉기의 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있게 하려는 것이다.

구체적으로, 종래의 중공사 분리막 접촉기 모듈의 쉘사이드에서 일어날 수 없는 크로스 플로우(Cross flow)가 분리막 모듈 쉘사이드에서 발생되도록 함으로써 경계층 두께를 감소시켜 혼합 효과가 높아질 수 있게 하려는 것이다.

특히, 인접한 중공사 사이에 댐을 설치하여 크로스 플로우를 극대화시켜 쉘사이드에서의 액체 흐름 변화를 극대화시킴으로써 혼합 효과를 최대화시킬 수 있게 하려는 것이다.

본 발명의 분리막 접촉기용 중공사 모듈은 상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 내부가 빈 중공 형상으로 이루어진 모듈하우징(10)과; 상기 모듈하우징 내부에 길이 방향을 따라 모듈하우징(10) 내벽면과 이격된 채 설치되어 쉘사이드(11)를 형성하고, 내부에 길이방향으로 튜브사이드(21)가 형성되어 있는 중공사(20)와; 상기 모듈하우징(10) 양단에 각각 설치되어 있고, 일측에 튜브사이드유입구(31)가 형성되어 있으며, 타측에 튜브사이드배출구(32)가 형성되어 있고, 내부공간(33)이 상기 튜브사이드(21)와 연통되고 쉘사이드(11)와 차단되도록 격벽(34)이 형성되어 있는 두 개의 캡(30)과; 상기 두 캡(30)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(10) 내부에 위치하도록 설치되어 있으며, 일측 단부에 쉘사이드유입구(41)가 형성되어 있고, 타측 단부에 쉘사이드배출구(42)가 형성되어 있는 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(43)가 설치되어 있고, 칸막이(43)를 기준으로 양측 외주면에 다수 개의 홀(44)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(41) 측 홀(44)로부터 액체가 쉘사이드(11)로 이동하고, 쉘사이드 배출구(42) 측 홀(44)을 통해 쉘사이드(11) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드 배출구(42)로 이동하도록 이루어진 유로제어튜브(40)와; 상기 모듈하우징(10) 내부의 쉘사이드(11)에 길이 방향으로 연속된 홀(44) 사이에 대응되는 위치에 설치되어 쉘사이드유입구(41) 측 홀(44)로부터 빠져나온 액체가 쉘사이드(11)의 길이 방향으로 이동하는 것을 방해하도록 이루어진 댐(54);을 포함하여 구성된다.

상기한 구성에 있어서, 길이 방향을 따라 내부에 다수 개의 차단벽(51)이 형성되어 차단벽(51)에 의해 분할된 다수 개의 유닛설치공간(52)이 형성되어 상기 모듈하우징(10), 중공사(20), 캡(30) 및 유로제어튜브(40)가 하나의 유닛(100)을 이룬 채 상기 유닛설치공간(52)에 각각 삽입되고, 벽면에는 각 유닛설치공간(52)을 연결하는 연결통로(53)가 형성되어 있고, 연결통로(53)는 인접한 유닛(100)의 캡(30) 내부공간(33)을 서로 연결하도록 이루어져 있으며, 인접한 유닛(100)의 유로제어튜브(40)는 내부가 서로 연통되도록 설치되는 외부케이스(50)가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 홀(44)은 직경이 0.5 ~ 50mm의 크기로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 상기 홀(44)은 유로제어튜브(40)의 축방향과 일직선이 되거나, 나선형으로 축방향으로 따라 형성된 단일 슬롯 형상인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 홀(44)은 유로제어튜브(40) 단면을 기준으로 외주면에 등분할된 위치에 복수 개 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

더불어, 상기 홀(44)은 유로제어튜브(40) 외주면을 따라 나선형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 홀(44)은 유로제어튜브(40)의 길이 방향을 따라 다수 개가 일정 간격으로 형성되어 있되, 칸막이(43)에 인접한 선단의 홀(44)은 격벽(34)으로부터 칸막이(43) 사이의 거리의 3/5 ~ 4/5 에 위치한 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 모듈하우징(10)의 내경/길이는 1/2 ~1/20인 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 댐(54)은 부직포, 섬유다발, 필름 중 어느 하나의 재질로 이루어진 막대 형상을 취하여 서로 인접한 중공사(20) 사이에 끼워져 설치되는 것을 특징으로 한다.

또, 상기 댐(54)은 모듈하우징(10) 내부의 유로제어튜브(40) 및 중공사(20)를 제외한 나머지 공간을 채워 설치되어 있되, 외주면 단부는 모듈하우징(10) 내주면과 일정한 틈을 이루도록 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의해, 동일한 수량과 길이의 중공사를 사용한 종래의 접촉기 모듈에 비해 분리효율을 보다 향상시킬 수 있게 된다.

보다 구체적으로, 일반적인 접촉기 모듈의 쉘사이드에서는 십자흐름(cross flow)이 발생하지 않아 혼합효과를 기대하기 어려우며, 경계층 형성에 따라 분리효율에 한계를 나타낸 반면 본 발명에 의한 접촉기 모듈은 쉘사이드의 십자흐름을 크게 유발하여 큰 혼합효과를 나타내며, 이에 따라 쉘사이드의 경계층 두께를 감소시켜 모듈의 성능이 향상된다.

특히, 인접한 중공사 사이에 댐을 설치하여 크로스 플로우를 극대화시켜 쉘사이드에서의 액체 흐름 변화를 극대화시킴으로써 혼합 효과를 최대화시킬 수 있게 된다.

도 1은 종래의 분리막 접촉기용 중공사 모듈의 일 예를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 분리막 접촉기용 중공사 모듈의 일 실시예를 나타낸 부분절단 사시도.
도 3은 도 2에서 일측 단부측을 확대하여 나타낸 부분절단 사시도.
도 4는 도 2에서 타측 단부측을 확대하여 나타낸 부분절단 사시도.
도 5는 본 발명에서 외부케이스가 추가로 구성되어 다단 연결된 형태를 나타낸 단면 개략도.
도 6은 본 발명에서 유로제어튜브의 일 실시예를 나타낸 평면도.
도 7은 본 발명에서 유로제어튜브의 또다른 실시예를 나타낸 평면도.

이하, 첨부된 도면을 통해 본 발명의 분리막 접촉기용 중공사 모듈에 대해 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 분리막 접촉기용 중공사 모듈은 크게 모듈하우징(10), 중공사(20), 캡(30) 및 유로제어튜브(40)로 구성되어 있다.

모듈하우징(10)은 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 내부가 빈 중공 형상을 이룬다.

모듈하우징(10)의 재질은 PVC, CPVC, PC, 아크릴, ABS, PET, PP, PE 등의 플라스틱 재질과 알루미늄, 스테인레스 스틸 등의 금속재질이 사용될 수 있지만, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

더불어, 모듈하우징(10)의 양측 단부는 캡(30)과 연결되기 위해 나사산이나 플랜지부 등이 형성될 수 있다 할 것이다.

이러한 모듈하우징(10)은 내경/길이가 1/2 ~1/20인 것이 바람직하다.

내경 길이의 비가 상기한 최소 비율보다 작을 경우 도 5와 같은 직렬 배치를 통한 분리에 부적합하고, 공간 활용이 잘 이루어지지 않게 되며, 반대로 최대 비율보다 클 경우에는 유로제어튜브(40)보다 멀리 떨어진 부분이 형성되고 이 부분에서는 원할한 분리가 이루어지지 않게 된다.

중공사(20)는 익히 알려진 바와 같이 내부에 길이 방향으로 중공인 튜브사이드(21)가 형성되어 있는 것으로, 상기한 모듈하우징(10) 내부에 길이 방향을 따라 설치되어 있다.

이때, 중공사(20)는 모듈하우징(10) 내벽면과 이격된 채 설치되어 쉘사이드(11)를 형성하게 된다.

또, 모듈하우징(10) 내부에 다수의 중공사(20)가 서로 이격된 채 설치됨으로써 이격된 공간인 쉘사이드(11)를 형성하게 된다.

캡(30)은 도 1 내지 3에 도시되어 있는 바와 같이 두 개로 구성되어 상기 모듈하우징(10) 양단에 각각 설치되어 있다.

이러한 두 캡(30) 중 일측의 캡(30)에는 가스가 유입되는 튜브사이드유입구(31)가 형성되어 있으며, 타측의 캡(30)에는 유입된 가스가 배출되는 튜브사이드배출구(32)가 형성되어 있다.

더불어, 캡(30)과 모듈하우징(10) 내부 공간 사이에는 격벽(34)이 형성되어 공간을 분리시키되, 상기한 중공사(20)가 격벽(34)에 연결됨으로써 캡(30) 내부공간(33)은 중공사(20) 내부공간인 상기 튜브사이드(21)와 연통되고 쉘사이드(11)와는 차단되게 된다.

유로제어튜브(40)는 본 발명에서 주요한 구성요소로, 상기 두 캡(30)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(10) 내부에 위치하도록 설치되어 있다.

아울러, 일측 단부에는 액체가 유입되는 쉘사이드유입구(41)가 형성되어 있고, 타측 단부에는 유입된 액체가 배출되는 쉘사이드배출구(42)가 형성되어 있다.

이러한 유로제어튜브(40)는 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(43)가 설치되어 있다.

이로 인해 쉘사이드유입구(41)로 유입된 액체가 다이랙트로 쉘사이드배출구(42)로 배출되지 못하게 된다.

아울러, 칸막이(43)를 기준으로 양측 외주면에는 다수 개의 홀(44)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(41) 측 홀(44)로부터 액체가 쉘사이드(11)로 이동하고, 쉘사이드배출구(42) 측 홀(44)을 통해 쉘사이드(11) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드배출구(42)로 이동하도록 이루어져 있다.

홀(44)의 크기는 직경이 0.5 ~ 50mm로 이루어짐이 바람직하다.

직경이 0.5mm 미만일 경우 홀(44)을 통과하는 액체 입자의 원할한 이동이 어려워 홀(44)을 통한 액체 이동이 어려울 수 있으며, 50mm를 초과하는 경우에는 액체가 고르게 홀(44)을 통해 이동하기에 많은 압력을 필요로 하게 되어 분리막 접촉기 분리 효율이 저하될 수 있다.

더불어, 홀(44)은 다양하게 배치될 수 있는데, 도 6에 도시되어 있는 바와 같이 유로제어튜브(40)의 축방향과 일직선을 이루도록 하거나, 유로제어튜브(40)의 축방향을 따라 나선형으로 형성될 수 있다.

또, 홀(44)은 상술한 직경을 가진 채 각각 유로제어튜브(40)의 축방향을 따라 서로 이격된 채 형성될 수도 있으나, 상기한 직경 또는 너비를 가진 채 단일 슬롯 형상으로 형성될 수도 있다.

아울러, 홀(44)은 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 유로제어튜브(40) 단면을 기준으로 외주면에 등분할된 위치에 복수 개 형성되어 고르게 분산되어 분리 효율이 일정하게 유지되도록 할 수 있다.

특히, 도 7에 상기 홀(44)은 유로제어튜브(40) 외주면을 따라 나선형으로 형성되어 액체의 이동 경로상에서 각기 다른 각도에 형성된 홀(44)을 통해 배출 또는 유입되도록 함으로써 분리 효율을 높일 수 있다.

아울러, 상기 홀(44)은 유로제어튜브(40)의 길이 방향을 따라 다수 개가 일정 간격으로 형성되어 있되, 칸막이(43)에 인접한 선단의 홀(44)은 격벽(34)으로부터 칸막이(43) 사이의 거리의 3/5 ~ 4/5 에 위치하는 것이 좋다.

상기 범위를 벗어나 칸막이(43)에 너무 인접할 경우 칸막이(43)에서 인접한 상태에서 액체가 유입 및 배출될 경우 분리 효율이 저하될 수 있으며, 반대로 칸막이(43)에서 너무 멀 경우 칸막이(43)와 인접한 부분의 공간에서는 원할한 분리가 이루어지지 않고 경계층 두께가 두꺼워져 분리 효율이 저하될 수 있다.

댐(54)은 상기 모듈하우징(10) 내부의 쉘사이드(11)에 길이 방향으로 연속된 홀(44) 사이에 대응되는 위치에 설치되어 쉘사이드유입구(41) 측 홀(44)로부터 빠져나온 액체가 쉘사이드(11)의 길이 방향으로 이동하는 것을 방해하도록 이루어져 있다.

이러한 댐(54)은 서로 인접한 중공사(20) 사이에 끼워져 위치하여 설치된 위치에서 모듈하우징(10) 단면 구조상 쉘사이드(11)에 부분적으로 개방된 부분과 폐쇄된 부분이 형성되도록 형성될 수도 있고, 쉘사이드(11) 전체를 막는 형태로 형성될 수 있다.

쉘사이드(11)에 부분적으로 개방된 부분과 폐쇄된 부분이 형성되도록 하기 위한 방안으로는 댐(54)을 막대 형상으로 형성하여 서로 인접한 중공사(20) 사이에 끼워져 설치할 수 있다.

이 경우에는 모듈하우징(10) 내부에 중공사(20), 댐(54)이 위치하고 부분적으로 개방된 공간이 형성된다.

이때, 댐(54)의 두께는 기본적으로 중공사(20)의 직경과 같거나 중공사(20) 직경의 1.1배 이하로 구성됨이 바람직하다.

만약 1.1배를 초과할 경우 중공사(20) 모듈의 막 면적이 감소하고 액체의 혼합 효과가 미비해질 수 있다.

쉘사이드(11) 전체를 막는 형태로 이루어질 경우 댐(54) 재질은 쉘사이드(11)를 통과하는 액체가 통과할 정도의 다공성을 가진 것으로 구성됨이 바람직하다.

이 경우는 단지 흐름만을 크로스 플로우로 제어하기 위한 것이고, 액체가 쉘사이드(11)를 통과하는 것은 가능하게 할 수 있다.

또는 도면에 나타난 바와 같이 쉘사이드(11) 전체를 막는 형태로 설치되되 외주면 측이 모듈하우징(10) 내단면과 소량의 틈만을 형성하도록 할 수도 있다.

여러 실시예 중에서 크로스 플로우의 효과는 마지막 실시예가 바람직하다 할 것이다.

이를 위한 댐(54)은 부직포, 섬유다발, 필름형태로 제작가능하며 모듈 제작시 접촉막과 함께 번들형태로 제작이 가능하며, 댐의 간격은 홀(44)과 홀 사이에 일정한 간격으로 설치하는 것이 액체의 혼합효과를 극대화할 수 있다.

중공사(20)들 사이에 설치되는 댐(54)의 두께는 기본적으로 중공사(20)의 직경과 같거나 직경의 1.1배 이하로 하는 것이 바람직하다. 1.1배보다 클 경우 모듈의 막면적이 감소하고 액체의 혼합효과가 미비할 수 있다.

상기와 같은 구성에서 도 5에 도시되어 있는 바와 같이 본 발명의 분리막 접촉기용 중공사 모듈은 외부케이스(50)가 더 구비될 수 있다.

구체적으로, 외부케이스(50)는 길이 방향을 따라 내부에 다수 개의 차단벽(51)이 형성되어 차단벽(51)에 의해 분할된 다수 개의 유닛설치공간(52)이 형성되어 있다.

더불어, 상기 모듈하우징(10), 중공사(20), 캡(30) 및 유로제어튜브(40)가 하나의 유닛(100)을 이룬 채 상기 유닛설치공간(52)에 각 유닛(100)이 삽입되도록 구성될 수 있다.

이때, 외부케이스(50)의 벽면에는 각 유닛설치공간(52)을 연결하는 연결통로(53)가 형성되어 있고, 연결통로(53)는 인접한 유닛(100)의 캡(30) 내부공간(33)을 서로 연결하도록 이루어질 수 있다.

이때, 외부케이스(50) 내부에 연속으로 설치되는 유닛(100)들은 인접한 유닛(100)의 유로제어튜브(40)들이 내부가 서로 연통되도록 설치된다.

아울러, 외부케이스(50)와 각 유닛(100) 사이에는 인슐레이션이 설치될 수 있다 할 것이다.

상기와 같은 구성에서 액체와 기체의 이동은 서로 반대 즉, 튜브사이드로 액체가 이동하고, 쉘사이드로 가스가 이동되도록 활용될 수도 있다 할 것이나, 바람직하기로는 전술한 바와 같이 튜브사이드로 가스가, 쉘사이드로 액체가 이동하는 것이 좋다.

<실험예 1> 질소농도 측정

도 2와 같이 댐을 구비한 구조를 가지면서 유로제어튜브(40)의 형상은 각각 도 6, 7과 같은 형태를 갖는 실시예 1 및 실시예 2의 분리막 접촉기용 중공사 모듈을 제조한 후,

튜브사이드유입구(31)로 질소/이산화탄소(50 vol.%/50 vol.%)의 혼합기체를 360sccm(5.5bar)으로 공급하고, 쉘사이드유입구(41)로 수돗물을 2.5L/min(6.0bar)으로 공급하여 혼합가스 중의 이산화탄소의 용해 정도를 측정하였다.

도 6의 유로제어튜브(40)는 직경 2mm의 홀을 유로제어튜브(40) 외주면을 사등분하여 배치하고, 길이 방향을 따라 서로 이격되되 축심과 평행하게 배치하였다.

도 7의 유로제어튜브(40) 역시 직경 2mm의 홀을 유로제어튜브(40) 외주면을 사등분하여 배치하고, 길이 방향을 따라 서로 이격되되, 축심을 따라 나선형으로 배치하여 제조하였다.

이산화탄소의 용해도가 질소에 비해 약 100배 크기 때문에 모듈 내부에서 이산화탄소가 더 많이 용해되어 모듈을 통과하면 질소가 농축되어 높은 농도의 질소를 얻을 수 있는 점을 이용하여 쉘사이드배출구(42)로 배출되는 질소의 농도를 측정하여 비교하였다.

더불어, 비교예1로 도 2와 같은 구조를 취하되, 다만 댐이 없는 모듈을 준비하여 동일한 혼합기체 및 수돗물을 공급하여 질소 농도를 측정하여 표 1에 나타냈다.

모듈형태	비교예1	실시예1	실시예2
댐	없음	댐이 있음	댐이 있음
쉘사이드배출구 질소농도(%)	90.2%	98.0%	98.6%

상기 표 1에 나타난 바와 같이 동일한 크기 및 중공사 수를 갖는 모듈을 기준으로 할 때 실시예 1, 2의 경우 댐(54)이 구비된 모듈하우징(10)은 내부의 쉘사이드에서 크로스 플로우(cross flow)가 형성됨에 따라 혼합 효과가 더욱 증대되어 최종 질소 농도가 비교예 1보다 우수한 것을 알 수 있다.

아울러, 상기 실험 결과에서 실험 값의 차이는 기존의 모듈을 통과한 후의 질소농도가 95.3%로 이미 높은 상태의 데이터를, 100%에 근접되도록 높인 것으로 별도의 화학적 처리와 같은 수단 없이 순수하게 유로제어튜브(40)의 설치를 통해 달성한 것으로 높은 수준의 효과라 할 것이다.

10 : 모듈하우징 11 : 쉘사이드
20 : 중공사 21 : 튜브사이드
30 : 캡 31 : 튜브사이드유입구
32 : 튜브사이드배출구 33 : 내부공간
34 : 격벽 40 : 유로제어튜브
41 : 쉘사이드유입구 42 : 쉘사이드배출구
43 : 칸막이 44 : 홀
50 : 외부케이스 51 : 차단벽
52 : 유닛설치공간 53 : 연결통로
54 : 댐 100 : 유닛

Claims (10)

1. 분리막 접촉기용 중공사 모듈에 있어서,
   내부가 빈 중공 형상으로 이루어진 모듈하우징(10)과;
   상기 모듈하우징 내부에 길이 방향을 따라 모듈하우징(10) 내벽면과 이격된 채 설치되어 쉘사이드(11)를 형성하고, 내부에 길이방향으로 튜브사이드(21)가 형성되어 있는 중공사(20)와;
   상기 모듈하우징(10) 양단에 각각 설치되어 있고, 일측에 튜브사이드유입구(31)가 형성되어 있으며, 타측에 튜브사이드배출구(32)가 형성되어 있고, 내부공간(33)이 상기 튜브사이드(21)와 연통되고 쉘사이드(11)와 차단되도록 격벽(34)이 형성되어 있는 두 개의 캡(30)과;
   상기 두 캡(30)을 관통한 채 중간 부분이 상기 모듈하우징(10) 내부에 위치하도록 설치되어 있으며, 일측 단부에 쉘사이드유입구(41)가 형성되어 있고, 타측 단부에 쉘사이드배출구(42)가 형성되어 있는 내부가 빈 관 형태로 이루어져 있되, 중간 부분 내측에 칸막이(43)가 설치되어 있고, 칸막이(43)를 기준으로 양측 외주면에 다수 개의 홀(44)이 형성되어 있어 쉘사이드유입구(41) 측 홀(44)로부터 액체가 쉘사이드(11)로 이동하고, 쉘사이드 배출구(42) 측 홀(44)을 통해 쉘사이드(11) 측의 액체가 내부로 유입된 채 쉘사이드 배출구(42)로 이동하도록 이루어진 유로제어튜브(40)와;
   상기 모듈하우징(10) 내부의 쉘사이드(11)에 길이 방향으로 연속된 홀(44) 사이에 대응되는 위치에 설치되어 쉘사이드유입구(41) 측 홀(44)로부터 빠져나온 액체가 쉘사이드(11)의 길이 방향으로 이동하는 것을 방해하도록 이루어진 댐(54)과;
   길이 방향을 따라 내부에 다수 개의 차단벽(51)이 형성되어 차단벽(51)에 의해 분할된 다수 개의 유닛설치공간(52)이 형성되어 상기 모듈하우징(10), 중공사(20), 캡(30) 및 유로제어튜브(40)가 하나의 유닛(100)을 이룬 채 상기 유닛설치공간(52)에 각각 삽입되고, 벽면에는 각 유닛설치공간(52)을 연결하는 연결통로(53)가 형성되어 있고, 연결통로(53)는 인접한 유닛(100)의 캡(30) 내부공간(33)을 서로 연결하도록 이루어져 있으며, 인접한 유닛(100)의 유로제어튜브(40)는 내부가 서로 연통되도록 설치되는 외부케이스(50);를 포함하여 구성되며,
   상기 홀(44)은 직경이 0.5 ~ 50mm의 크기로 이루어져 있고,
   상기 홀(44)은 유로제어튜브(40)의 축방향을 따라 나선형으로 형성된 단일 슬롯 형상이며,
   상기 홀(44)은 유로제어튜브(40)의 길이 방향을 따라 일정 간격으로 형성되어 있되, 칸막이(43)에 인접한 선단의 홀(44)은 격벽(34)으로부터 칸막이(43) 사이의 거리의 3/5 ~ 4/5 에 위치하고,
   상기 모듈하우징(10)의 내경/길이는 1/2 ~1/20이며,
   상기 댐(54)은 쉘사이드(11) 전체를 막는 다공성 구조를 취하고,
   상기 댐(54)의 두께는 중공사(20)의 직경과 동일하게 이루어져 있는 것을 특징으로 하는,
   분리막 접촉기용 중공사 모듈.
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