KR101791621B1

KR101791621B1 - 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치

Info

Publication number: KR101791621B1
Application number: KR1020160082404A
Authority: KR
Inventors: 김현주; 문덕수; 이호생; 지호; 김세철; 김영석; 임승택
Original assignee: 한국해양과학기술원
Priority date: 2016-06-30
Filing date: 2016-06-30
Publication date: 2017-11-20

Abstract

본 발명은 해수를 담수화시키면서 해수에 포함된 미네랄 입자를 추출하는 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치에 관한 것으로, 이물질이 여과되어 전처리된 해수가 공급되어 저장되면서 저장된 해수가 가열되어 고온의 해수를 공급하며, 증기 및 미네랄 성분이 분리된 농축해수가 재공급되는 원수공급조; 상기 원수공급조에 연결되어 고온의 해수가 공급되고, 고온의 해수를 관류시키면서 진공압력을 통해 증류시켜 증류된 증기를 배출하며, 증류되지 않은 농축해수를 배출하는 진공 막증류 모듈; 상기 진공 막증류 모듈에 진공압력을 제공하여 상기 진공 막증류 모듈에서 증기를 배출시키고, 배출된 증기를 냉각시켜 액체로 응축시키면서 응축된 담수를 회수하여 저장하는 담수회수모듈; 상기 진공 막증류 모듈에서 배출된 농축해수에서 미네랄 입자를 추출하여 회수하고, 미네랄 입자가 추출된 농축해수를 상기 원수공급조로 바이패스시키는 미네랄회수모듈; 및 상기 원수공급조에 고온의 열원을 제공하여 해수를 가열하는 동시에 상기 담수회수모듈에 저온의 열원을 제공하여 증기를 냉각시키는 냉온제공모듈을 포함하여 구성될 수 있다.

Description

히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치{APPARATUS OF MEMBRANE DISTILLATION DESALINATION AND CONCENTRATING EXTRACTION FROM SEAWATER USING HEAT PUMP}

본 발명은 해수를 담수화시키면서 해수에 포함된 미네랄 입자를 추출하는 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 해수를 가열하기 위한 고온을 제공하는 동시에 증기를 냉각시키기 위한 저온을 히트펌프의 구성을 통해 제공함으로써 장비가 간소화되고 에너지소모를 절감할 수 있는 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치에 관한 것이다.

최근 해양 심층수를 포함하는 다양한 해수를 담수화하는 기술과 이로부터 미네랄 워터를 제조하는 기술이 많이 개발되고 있다.

해양 심층수에 포함된 미네랄 성분은 수용성이므로 체내 흡수가 용이한 장점이 있으므로 현대인에게 매우 유용한 미네랄 공급원이 될 수 있다.

통상적인 해수의 담수화 방법으로는 막 증류(증발) 방식, 전기투석 방식, 역삼투(Reverse osmosis: RO) 방식 등이 주로 사용되고 있다. 여기서, 주로 사용되고 있는 역삼투 방식은 전처리 후 고압펌프를 이용하여 유입수에 삼투압 이상의 압력을 가하여 담수를 얻어 내는 공정으로서, 고압에 의해서 플럭스가 높아지기 때문에 오염이 크고, 그래서 더 압력을 높여 플럭스를 높여야 하기 때문에 소비동력이 크다는 단점이 있다.

막증류(Membrane Distillation: MD) 공정은 열을 이용하는 해수담수화 기술과 분리막을 이용한 해수담수화 기술을 결합함으로써 각각의 단점을 보완한 기술이다. 이러한 막증류 공정은 열에 의한 상변화와 분리막 기술을 결합한 기술로서, 소수성 분리막을 중심으로 온도차에 의한 증기압을 구동력으로 사용하는 공정이다.

이러한 막증류 공정은 냉각수가 분리막에 직접 접촉하여 흐르는 방식인 직접 접촉 막증류법(Direct Contact Membrane Distillation: DCMD), 분리막과 냉각판(Cold-plate) 사이에 공기층(air gap)이 존재하는 방식인 공기 간극 막 증류법(Air Gap Membrane Distillation: AGMD), 투과측에 진공압력을 인가하여 처리수를 얻는 방식인 진공 막 증류법(Vacuum Membrane Distillation: VMD), 분리막과 냉각판(Cold-plate) 사이에 동반 기체(Sweep Gas)가 흐르는 방식인 동반 기체식 막증류법(Sweep Gas Membrane Distillation: SGMD)이 사용되고 있다.

여기서, 진공 막증류(VMD) 공정은 진공펌프를 이용하여 투과측에 진공에 가까운 압력을 만들어주는 형태의 공정을 말하며, 이때, 유입 용액에서 증기화된 분자들을 분리해내기 위해서는 진공압력을 포화증기압보다 낮게 적용 해야 한다. 이에 따라 진공 막 증류법(VMD)은 진공에 가까운 압력을 적용함으로써 분리막 기공에서의 부분 압력을 없애줄 수 있고, 분자 확산저항을 제거해 주는 것과 같은 효과를 볼 수 있다.

특히, 이러한 진공 막증류 공정은 폐열, 태양열과 같은 대체에너지가 사용가능한 경우, 기존의 가압식 분리막 공정에 비하여 운전에 사용되는 에너지가 적고, 거의 100%에 가까운 염 제거율을 가진다. 이때, 고농도의 유입수가 막 증류 공정에 들어가더라도 투과플럭스의 감소 및 염제거 효율의 변화가 거의 없다. 또한, 이러한 막증류 공정은 기존의 다단 증류법보다 열에너지가 적게 소비되고, 분리막과 공정수간의 화학반응이 적다는 장점이 있다.

한편, 종래에는 해수에서 미네랄 성분을 추출 및 분리하기 위하여 상기와 같은 담수화 공정을 통해 해수를 증발 농축하고, 용해도 차이를 이용하여 염의 형태로 칼슘과 마그네슘 등과 같은 미네랄 성분을 분리하는 방법을 사용하였다.

하지만, 상기와 같은 증발 농축방법 만을 이용하여 해수에 용존하는 미네랄 성분을 분리할 경우에는 미네랄 성분의 회수율이 낮고, 정상적인 분리가 어려울 뿐만 아니라 에너지 소비량 또한 매우 큰 문제점이 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1337110호 대한민국 등록특허공보 제10-1556915호

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위하여 창출된 것으로, 해수를 증발시키기 위한 고온과 증기를 냉각시켜 담수를 회수하기 위한 저온을 제공함에 있어 온열과 냉열을 하나의 장비로 제공함으로써 장치의 간소화와 함께 에너지소모를 절감할 수 있는 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치를 제공하는 것이 그 목적이다.

또한, 본 발명은 증기의 증발이 이루어진 농축해수에서 미네랄 성분을 용이하게 추출할 수 있으며, 추출된 미네랄 성분을 크기별로 추출함으로써 미네랄 성분의 회수율을 향상시킬 수 있는 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치를 제공하는 것이 그 목적이다.

또한, 본 발명은 증기의 응축을 통해 담수의 회수가 이루어지는 담수회수모듈을 간헐적으로 역세척할 수 있는 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치를 제공하는 것이 다른 목적이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치는, 해수를 담수화시키면서 해수에 포함된 미네랄 입자를 추출하는 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치로서, 이물질이 여과되어 전처리된 해수가 공급되어 저장되면서 저장된 해수가 가열되어 고온의 해수를 공급하며, 증기 및 미네랄 성분이 분리된 농축해수가 재공급되는 원수공급조; 상기 원수공급조에 연결되어 고온의 해수가 공급되고, 고온의 해수를 관류시키면서 진공압력을 통해 증류시켜 증류된 증기를 배출하며, 증류되지 않은 농축해수를 배출하는 진공 막증류 모듈; 상기 진공 막증류 모듈에 진공압력을 제공하여 상기 진공 막증류 모듈에서 증기를 배출시키고, 배출된 증기를 냉각시켜 액체로 응축시키면서 응축된 담수를 회수하여 저장하는 담수회수모듈; 상기 진공 막증류 모듈에서 배출된 농축해수에서 미네랄 입자를 추출하여 회수하고, 미네랄 입자가 추출된 농축해수를 상기 원수공급조로 바이패스시키는 미네랄회수모듈; 및 상기 원수공급조에 고온의 열원을 제공하여 해수를 가열하는 동시에 상기 담수회수모듈에 저온의 열원을 제공하여 증기를 냉각시키는 냉온제공모듈을 포함하여 구성될 수 있다.

예컨대, 상기 냉온제공모듈은, 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기로 구성되어 냉매를 순환시키면서 하나의 사이클을 이루며, 상기 응축기를 통해 고온의 열원을 발생시키고, 상기 증발기를 통해 저온의 열원을 발생시키는 히트펌프; 상기 히트펌프의 응축기와 상기 원수공급조를 폐루프상태로 연결하고, 상기 응축기에서 발생된 고온의 열원을 통해 상기 원수공급조의 해수를 가열하는 가열라인; 및 상기 히트펌프의 증발기와 상기 담수회수모듈을 폐루프상태로 연결하고, 상기 증발기에서 발생된 저온의 열원을 통해 상기 담수회수모듈의 증기를 냉각시키는 냉각라인을 포함하여 구성될 수 있다.

예컨대, 상기 미네랄회수모듈은, 상기 진공 막증류 모듈에 연결되어 농축해수가 공급되고, 농축해수를 회전시키면서 농축해수에 포함된 미네랄 입자를 분리시키거나 침전수조를 통해 중력으로 미네랄 입자를 분리시킨 후 상기 원수공급조로 농축해수를 공급하는 미네랄 세퍼레이터; 및 상기 미네랄 세퍼레이터에 연결되어 미네랄 입자가 공급되고, 미네랄 입자를 필터링하여 크기별로 분리하는 진동스크린을 포함하여 구성될 수 있다.

예컨대, 상기 담수회수모듈은, 상기 진공 막증류 모듈에 연결되어 증기가 공급되고, 상기 냉온제공모듈에서 제공되는 저온의 열원과 증기를 열교환시켜 증기를 응축시키는 냉각열교환기; 상기 냉각열교환기와 상기 진공 막증류 모듈을 연결하면서 증기의 이동경로를 이루는 증기공급라인; 상기 냉각열교환기에 연결되어 응축된 담수가 1차 저장되는 1차저장조; 상기 1차저장조 및 상기 냉각열교환기를 매개로 상기 진공 막증류 모듈에 진공압력을 제공하는 진공펌프; 및 상기 1차저장조에 연결되어 담수를 회수하여 저장하는 담수조를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 담수회수모듈은, 상기 증기공급라인으로 배출되는 증기를 상기 진공펌프로 공급하여 상기 1차저장조 및 상기 냉각열교환기로 역순환시키면서 역세척을 수행하는 역세유닛;을 더 포함하여 구성될 수 있다.

예컨대, 상기 역세유닛은, 상기 증기공급라인에서 분기되어 상기 증기공급라인과 상기 진공펌프를 연결하면서 상기 진공펌프, 상기 1차저장조 및 상기 냉각열교환기와 함께 역순환라인을 이루는 역세라인; 상기 역세라인과 상기 증기공급라인의 분기지점에 구비되어 증기의 공급방향을 전환시키는 삼방밸브; 및 상기 역세라인에 설치되어 증기의 역순환압력을 제공하는 역세펌프를 포함하여 구성될 수 있다.

예컨대, 상기 진공 막증류 모듈은, 관체형으로 이루어져 상기 원수공급조로부터 고온의 해수가 유입되는 유입포트 및 상기 미네랄회수모듈로 농축해수가 배출되는 배출포트가 구비되고, 상기 유입포트로 유입된 고온의 해수가 상기 배출포트로 이동하는 이동통로를 제공하며, 상기 이동통로에 진공압력을 공급하기 위한 적어도 하나의 진공포트가 구비되어 진공압력에 의해 증류된 증기를 상기 진공포트로 배출하면서 상기 담수회수모듈로 증기를 공급하는 모듈본체; 상기 모듈본체의 이동통로에 내장되어 상기 진공포트로 진공압력이 공급됨에 따라 해수에서 증기를 분리시키는 멤브레인; 및 상기 모듈본체의 유입포트로 공급되기 이전의 고온의 해수 또는 해수와는 다른 유체를 통해 상기 모듈본체의 외측면을 차폐하여 상기 모듈본체 내부의 열손실을 방지하는 인슐레이터를 포함하여 구성될 수 있다.

예컨대, 상기 인슐레이터는, 상기 모듈본체를 내부에 수용하여 상기 모듈본체의 외주면을 차폐하면서 상기 모듈본체의 외주면과 이격공간을 이루고, 상기 배출포트 및 상기 진공포트를 각각 외부로 연장시키는 배출포트공 및 진공포트공이 관통형성되며, 고온의 해수를 상기 이격공간을 통해 상기 유입포트로 소통시키면서 상기 모듈본체의 외주면을 보온하는 보온탱크; 및 상기 보온탱크의 일측에 구비되어 고온의 해수의 공급경로를 이루는 해수공급포트;를 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 인슐레이터는, 상기 보온탱크의 외주면을 피복하여 상기 보온탱크의 열손실을 방지하는 단열재;를 더 포함하여 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치에 따르면, 냉온제공모듈을 구성하는 히트펌프가 응축기를 통해 해수의 가열을 위한 온열을 제공하는 동시에, 증발기를 통해 증기의 응축을 위한 냉열을 제공함에 따라 하나의 장비로 온열과 냉열을 제공할 수 있으므로 설비의 구성 및 부피를 간소화할 수 있으며, 기존의 장비에 비해 에너지소모를 절감할 수 있다.

또한, 본 발명은 미네랄 회수모듈을 구성하는 미네랄 세퍼레이터가 농축해수를 원심분리하거나 침전수조를 통해 중력으로 미네랄 입자를 분리한 후 진동스크린이 미네랄 입자를 크기별로 필터링하므로 미네랄 성분의 회수율이 향상될 수 있다.

또한, 본 발명은 증기의 응축을 통해 담수의 회수가 이루어지는 담수회수모듈에 역세유닛이 마련됨에 따라 냉각열교환기 및 담수저장조의 역세척이 간헐적으로 이루어지므로 양질의 담수가 회수될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치의 전체 구성을 나타내는 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 진공 막증류 모듈의 실시예를 나타내는 종단면도.
도 3은 진공 막증류 모듈의 다른 실시예를 나타내는 종단면도.

이하에서 첨부 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대해서 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지의 범용적인 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에 따른 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치는 해수를 담수화시키면서 해수에 포함된 미네랄 성분을 추출하기 위한 것으로, 도 1에 도시된 바와 같이 원수공급조(5), 진공 막증류 모듈(10), 담수회수모듈(20), 미네랄회수모듈(30) 및 냉온제공모듈(40)을 포함하여 구성될 수 있다.

원수공급조(5)는 해수의 가열이 이루어지는 구성요소이다. 이러한 원수공급조(5)는 모래여과나 정밀여과막(MF) 또는 한외여과막(UF) 등으로 전처리된 해수 또는 해양심층수가 공급되어 저장되며, 후술되는 냉온제공모듈(40)의 온열이 제공되어 가열된 고온의 해수를 공급한다.

또한, 원수공급조(5)는 후술되는 진공 막증류 모듈(10) 및 미네랄회수모듈(30)에 의해 증기 및 미네랄 성분이 분리된 후의 농축해수가 바이패스되면서 재공급된다.

이러한 원수공급조(5)는 도 1에 도시된 바와 같이 해수펌프(5b)의 펌핑압력을 통해 고온의 해수를 공급할 수 있다.

진공 막증류 모듈(10)은 원수공급조(5)에서 공급되는 고온의 해수에 진공압력을 통해 증류시켜 증류된 증기를 배출하면서 증류되지 않은 농축해수를 배출하는 구성요소이다.

이러한 진공 막증류 모듈(10)은 관체형의 본체 내부에 내장된 멤브레인으로 고온의 해수를 관류시키면서 진공압력을 제공하여 해수의 수분을 증류시켜 증기를 배출하는 통상의 구성이 적용될 수 있다.

담수회수모듈(20)은 전술한 진공 막증류 모듈(10)에 진공압력을 제공하여 증기를 배출시키면서 배출된 증기를 냉열로 냉각시켜 액체로 응축시킴으로써 응축된 담수를 회수하는 구성요소이다.

구체적으로, 담수회수모듈(20)은 도 1에 도시된 바와 같이 냉각열교환기(21), 증기공급라인(22), 1차저장조(23), 진공펌프(24) 및 담수조(25)를 포함하여 구성될 수 있다.

냉각열교환기(21)는 진공 막증류 모듈(10)에서 배출된 증기를 냉각시켜 액체상태로 응축시키는 구성요소이다.

이러한 냉각열교환기(21)는 증기공급라인(22)을 통해 진공 막증류 모듈(10)에 연결되어 진공 막증류 모듈(10)에서 배출된 증기를 저장하고, 후술되는 냉온제공모듈(40)에서 공급되는 냉열을 통해 증기를 냉각시켜 응축시킨다.

증기공급라인(22)은 진공 막증류 모듈(10)과 냉각열교환기를 연결하면서 증기의 이동경로를 이룬다.

1차저장조(23)는 냉각열교환기(21)에서 응축된 담수를 1차로 저장한다.

진공펌프(24)는 1차저장조(23)의 후방에 설치되어 작동하면서 1차저장조(23) 및 냉각열교환기(21)를 매개로 진공 막증류 모듈(10)에 진공압력을 제공하여 진공 막증류 모듈(10)로부터 증기를 배출시킨다.

담수조(25)는 1차저장조(23)에 연결되어 담수를 회수하여 저장한다.

한편, 본 발명의 담수회수모듈(20)은 도 1에 도시된 바와 같이 역세유닛(26)을 더 포함하여 구성될 수 있다.

역세유닛(26)은 진공펌프(24)와 1차저장조(23) 및 냉각열교환기(21)의 역세척을 수행하는 구성요소로서, 역세라인(26a)과 삼방밸브(26b) 및 역세펌프(26c)를 포함하여 구성될 수 있다.

역세라인(26a)은 도 1에 도시된 바와 같이 증기공급라인(22)에서 분기되어 진공펌프(24)로 연결되면서 진공펌프(24), 1차저장조(23) 및 냉각열교환기(21)와 함께 역순환라인을 이룬다.

삼방밸브(26b)는 역세라인(26a)의 분기지점에 설치되어 진공 막증류 모듈(10)에서 배출되는 증기의 공급방향을 냉각열교환기(21) 방향 또는 진공펌프(24) 방향으로 전환시킨다.

역세펌프(26c)는 역세라인(26a)에 설치되어 증기의 역순환압력을 제공하여 증기를 역순환시킨다.

즉, 담수회수모듈(20)은 삼방밸브(26b)의 제어를 통해 증기를 냉각열교환기(21) 측으로 공급하여 담수를 회수하고, 역세척을 수행할 경우에는 삼방밸브(26b)의 제어를 통해 증기를 진공펌프(24)측으로 공급하면서 역세펌프(26c)를 작동시켜서 진공펌프(24), 1차저장조(23) 및 냉각열교환기(21)를 역세척한다.

미네랄 회수모듈(30)은 진공 막증류 모듈(10)에서 배출되는 농축해수에서 미네랄 입자를 회수한 후 농축해수를 전술한 원수공급조(5)로 바이패스시키는 구성요소이다.

이러한 미네랄 회수모듈(30)은 도 1에 도시된 바와 같이 미네랄 세퍼레이터(31) 및 진동스크린(32)을 포함하여 구성될 수 있다.

미네랄 세퍼레이터(31)는 농축해수에서 미네랄 입자를 분리시키는 것으로, 예컨대, 도 1에 도시된 바와 같이 볼텍스 세퍼레이터로 구성되어 농축해수에 와류를 형성하여 회전시키면서 농축해수에서 미네랄 입자를 분리할 수 있으며, 이와 달리, 침전수조로 구성되어 중력을 통해 미네랄 입자를 침전시켜 분리할 수도 있다.

진동스크린(32)은 미네랄 입자를 크기별로 분리하는 것으로, 설정된 크기의 투과구멍을 갖는 필터스크린으로 구성되어 미네랄 세퍼레이터(31)에서 공급된 미네랄 입자에 진동을 제공하면서 필터링하여 크기별로 분리 및 포집한다.

냉온제공모듈(40)은 원수공급조에 고온의 열원을 제공하여 해수를 가열하는 동시에 담수회수모듈(20)을 구성하는 냉각열교환기(21)에 저온의 열원을 제공하여 증기를 냉각 및 응축시키는 구성요소이다.

구체적으로, 냉온제공모듈(40)은 도 1에 도시된 바와 같이 히트펌프(41)와 가열라인(42) 및 냉각라인(43)을 포함하여 구성될 수 있다.

히트펌프(41)는 냉매의 냉동사이클을 이루면서 응축열 및 증발열을 제공하는 것으로, 압축기(41a), 응축기(41b), 팽창변(41c) 및 증발기(41d)로 구성되며, 응축기(41b)를 통해 냉매를 응축시키면서 고온의 온열을 발생시키고, 증발기(41d)를 통해 냉매를 증발시키면서 저온의 냉열을 발생시킨다.

가열라인(42)은 도 1에 도시된 바와 같이 응축기(41b)와 원수공급조(5)를 폐루프상태로 연결하면서 응축기(41b)의 온열을 원수공급조(5)로 공급하여 해수를 가열한다.

냉각라인(43)은 증발기(41d)와 냉각열교환기(21)를 폐루프상태로 연결하면서 증발기(41d)의 냉열을 냉각열교환기(21)로 공급하여 증기를 액체상태로 응축시킨다.

한편, 전술한 진공 막증류 모듈(10)은 통상적인 구성 이외에도 도 2에 도시된 바와 같이 모듈본체(100), 멤브레인(200) 및 인슐레이터(300)를 포함하여 구성될 수 있다.

모듈본체(100)는 원수공급조(5)에서 고온으로 공급되는 해수의 이동통로를 이루면서 막증류 공간을 제공하는 구성요소로서, 도 2에 도시된 바와 같이 관체형으로 형성되면서 원수공급조(5)와 연결되는 유입포트(110) 및 미네랄회수모듈(30)과 연결되는 배출포트(120)가 구비되며, 담수회수모듈(20)에 연결되는 적어도 하나의 진공포트(130)가 구비되어 진공압력이 공급된다.

여기서, 모듈본체(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 유입포트(110) 및 배출포트(120)가 길이방향의 양단부에 각각 구비되면서 진공포트(130)가 길이방향에 직교하는 방향으로 구비될 수 있으며, 이와 달리 진공포트(130)가 길이방향의 양단부에 각각 구비되면서 유입포트(110) 및 배출포트(120)가 길이방향에 직교하는 방향으로 구비될 수도 있다.

좀 더 구체적으로, 모듈본체(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 모듈관(100a)과 유입커버(100b) 및 배출커버(100c)를 포함하여 구성될 수 있다.

모듈관(100a)은 양단부가 개구된 관체형으로 형성되어 해수의 이동통로를 이루며, 진공포트(130)가 길이방향에 직교하는 방향으로 구비된다.

또한, 모듈관(100a)은 도 2에 도시된 바와 같이 진공포트(130)와 분리된 상태를 이루는 추가진공포트(130a)가 구비되어 담수회수모듈(20)에 연결될 수도 있다.

여기서, 추가진공포트(130a)는 도 2에 도시된 바와 같이 진공포트(130)의 반대편 측에 형성되면서 진공포트(130)의 연장방향과 반대방향을 향해 연장되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 모듈관(100a)은 해수의 이동방향과 직교하는 방향으로 진공압력이 걸리면서 양단부의 반대방향을 향해 진공압력이 각각 걸림에 따라 해수가 원활하게 증류될 수 있다.

유입커버(100b)는 모듈관(100a)의 일단부를 차폐하면서 유입포트(110)가 구비되어 원수공급조(5)로부터 고온의 해수가 유입된다.

배출커버(100c)는 모듈관(100a)의 타단부를 차폐하면서 배출포트(120)가 구비되어 증류가 이루어지지 않은 농축해수를 미네랄회수모듈(30)로 배출한다.

멤브레인(200)은 해수로부터 증기를 분리하는 것으로, 도 2에 도시된 바와 같이 모듈본체(100)를 구성하는 모듈관(100a)의 이동통로에 내장되어 진공압력이 진공포트(130)로 공급될 경우 해수에서 증기를 분리하여 진공포트(130)로 배출시킨다.

이러한 멤브레인(200)은 진공압력을 통해 해수에서 증기를 분리할 수 있는 구성이라면, 본 발명이 속하는 분야에 알려진 임의의 구성이 적용될 수 있다.

인슐레이터(300)는 모듈본체(100)의 열손실을 방지하기 위하여 모듈본체(100)의 외주면을 고온의 해수 또는 고온의 다른 유체를 통해 차폐하여 모듈본체(100)를 보온하는 구성요소이다.

이러한 인슐레이터(300)는 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이 보온탱크(310) 및 해수공급포트(320)를 포함하여 구성될 수 있다.

보온탱크(310)는 유입포트(110)로 유입되기 이전의 해수로 모듈본체(100)의 외주면을 차폐하기 위한 것으로, 모듈본체(100)의 외주면과 이격공간을 이루면서 모듈본체(100)의 외주면을 차폐한다.

이러한 보온탱크(310)는 도 2에 도시된 바와 같이 포트공(311)들이 관통형성되어 배출포트(120)와 진공포트(130) 및 추가진공포트(130a)를 외부로 연장시키며, 후술되는 해수공급포트(320)로 공급되는 고온의 해수를 모듈본체(100)와의 이격공간을 통해 유입포트(110)로 소통시킨다.

해수공급포트(320)는 도 2에 도시된 바와 같이 보온탱크(310)의 일측에 구비되어 원수공급조(5)에 연결되면서 고온의 해수를 보온탱크(310)에 공급한다.

즉, 고온의 해수는 해수공급포트(320)를 통해 보온탱크(310)로 유입된 후, 모듈본체(100)의 외주면과의 이격공간을 통해 이동하여 유입포트(110)로 유입된다.

이에 따라, 모듈본체(100)는 유입포트(110)로 공급되기 이전의 해수에 의해 외주면이 차폐됨에 따라 열손실이 최소화될 수 있다.

여기서, 해수공급포트(320)는 도 2에 도시된 바와 같이 모듈본체(100)의 배출포트(120)와 동일방향에 구비되면서 유입포트(110)와 반대방향에 형성되는 것이 바람직하다.

이에 따라, 고온의 해수는 해수공급포트(320)로 유입된 후 유입포트(110)까지 이동경로가 최대화되면서 모듈본체(100)를 원활하게 보온할 수 있다.

한편, 본 발명의 인슐레이터(300)는 도 2에 발췌 도시된 바와 같이 단열재(370) 및 보호커버(380)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

단열재(370)는 보온탱크(310)의 외주면에 결합되어 보온탱크(310)을 피복하면서 보온탱크(310)의 열손실을 차단한다. 이러한 단열재(370)는 본 발명이 속하는 분야에 알려진 소재로 이루어질 수 있다.

보호커버(380)는 단열재(370)의 외주면을 커버링하면서 단열재(370)를 보호한다.

즉, 보온탱크(310)는 보호커버(380)와 함께 이중형태로 구성되면서 내부에 단열재(370)가 충전될 수 있다.

한편, 본 발명의 인슐레이터(300)는 유입포트(110)로 공급되기 이전의 해수로 모듈본체(100)를 보온하지 않고, 고온의 해수와는 다른 별도의 유체를 통해 모듈본체(100)를 보온할 수도 있다.

구체적으로, 본 발명의 인슐레이터(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 보온탱크(310), 유체공급포트(350) 및 유체배출포트(360)를 포함하여 구성될 수도 있다.

보온탱크(310)는 전술한 바와 같이 모듈본체(100)의 외주면을 이격상태로 차폐하면서 이격공간에 별도의 유체를 소통시키기 위한 구성요소이다.

구체적으로, 보온탱크(310)는 모듈본체(100)의 외주면을 이격상태로 차폐하고, 유입포트(110)와 배출포트(120) 및 진공포트(130)를 외부로 연장시키는 포트공(311)들이 관통형성된다.

여기서, 보온탱크(310)는 고온의 해수와는 다른 유체, 예컨대 해수나 물이 아닌 열매, 고온의 열풍 등이 공급되어 보온될 수 있다.

유체공급포트(350)는 보온탱크(310)의 일측에 구비되어 고온의 유체를 보온탱크(310)의 이격공간으로 공급한다.

유체배출포트(360)는 보온탱크(320)의 타측에 구비되어 유체의 배출경로를 제공한다.

여기서, 유체공급포트(350)와 유체배출포트(360)는 도 3에 도시된 바와 같이 서로 반대방향에 구비되어 유체의 이동경로가 최대화되도록 하는 것이 바람직하며, 해수의 이동방향과 대응되는 방향으로 유체를 이동시키는 것이 바람직하다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명에 따른 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치에 의하면, 냉온제공모듈(40)을 구성하는 히트펌프(41)가 응축기(41b)를 통해 해수의 가열을 위한 온열을 제공하는 동시에, 증발기(41d)를 통해 증기의 응축을 위한 냉열을 제공함에 따라 하나의 장비로 온열과 냉열을 제공할 수 있으므로 설비의 구성 및 부피를 간소화할 수 있으며, 기존의 장비에 비해 에너지소모를 절감할 수 있다.

또한, 진공 막증류 모듈(10)에 인슐레이터(300)가 구비될 경우에는 모듈본체(100)의 외주면이 인슐레이터(300)에 의해 차폐되어 보온됨에 따라 열손실이 억제되므로 공급되는 해수의 온도가 진공 상태의 온도보다 낮게 되어 증발이 안정적으로 진행될 수 있다.

이상에서 본 발명의 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하였으나, 이들은 단지 설명의 목적을 위한 것으로 본 발명의 보호 범위를 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

5 : 원수공급조
10 : 진공 막증류 모듈
20 : 담수회수모듈
21 : 냉각열교환기
22 : 증기공급라인
23 : 1차저장조
24 : 진공펌프
25 : 담수조
26 : 역세유닛
26a : 역세라인
26b : 삼방밸브
26c : 역세펌프
30 : 미네랄회수모듈
31 : 미네랄 세퍼레이터
32 : 진동스크린
40 : 냉온제공모듈
41 : 히트펌프
42 : 가열라인
43 : 냉각라인
100 : 모듈본체
100a : 모듈관
100b : 유입커버
100c : 배출커버
110 : 유입포트
120 : 배출포트
130 : 진공포트
130a : 추가진공포트
200 : 멤브레인
300 : 인슐레이터
310 : 보온탱크
311 : 포트공
320 : 해수공급포트
350 : 유체공급포트
360 : 유체배출포트
370 : 단열재
380 : 보호커버

Claims

해수를 담수화시키면서 해수에 포함된 미네랄 입자를 추출하는 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치로서,
모래여과나 정밀여과막(MF) 또는 한외여과막(UF)으로 이물질이 여과되어 전처리된 해수가 공급되어 저장되면서 저장된 해수가 가열되어 고온의 해수를 공급하며, 증기 및 미네랄 성분이 분리된 농축해수가 재공급되는 원수공급조;
상기 원수공급조에 연결되어 고온의 해수가 공급되고, 고온의 해수를 관류시키면서 진공압력을 통해 증류시켜 증류된 증기를 배출하며, 증류되지 않은 농축해수를 배출하는 진공 막증류 모듈;
냉각열교환기(21), 증기공급라인(22), 1차저장조(23), 진공펌프(24) 및 담수조(25)를 포함하고, 상기 진공 막증류 모듈에 진공압력을 제공하여 상기 진공 막증류 모듈에서 증기를 배출시키고, 배출된 증기를 냉각시켜 액체로 응축시키면서 응축된 담수를 회수하여 저장하는 담수회수모듈;
상기 진공 막증류 모듈에서 배출된 농축해수에서 미네랄 입자를 추출하여 회수하고, 미네랄 입자가 추출된 농축해수를 상기 원수공급조로 바이패스시키는 미네랄회수모듈; 및
상기 원수공급조에 고온의 열원을 제공하여 해수를 가열하는 동시에 상기 담수회수모듈에 저온의 열원을 제공하여 증기를 냉각시키는 냉온제공모듈을 포함하고,
상기 냉온제공모듈은,
압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기로 구성되어 냉매를 순환시키면서 하나의 사이클을 이루며, 상기 응축기를 통해 고온의 열원을 발생시키고, 상기 증발기를 통해 저온의 열원을 발생시키는 히트펌프;
상기 히트펌프의 응축기와 상기 원수공급조를 폐루프상태로 연결하고, 상기 응축기에서 발생된 고온의 열원을 통해 상기 원수공급조의 해수를 가열하는 가열라인; 및
상기 히트펌프의 증발기와 상기 담수회수모듈을 폐루프상태로 연결하고, 상기 증발기에서 발생된 저온의 열원을 통해 상기 담수회수모듈의 증기를 냉각시키는 냉각라인을 포함하고,
상기 미네랄회수모듈은,
상기 진공 막증류 모듈에 연결되어 농축해수가 공급되고, 농축해수를 회전시키면서 농축해수에 포함된 미네랄 입자를 분리시키거나 침전수조를 통해 중력으로 미네랄 입자를 분리시킨 후 상기 원수공급조로 농축해수를 공급하는 미네랄 세퍼레이터; 및
상기 미네랄 세퍼레이터에 연결되어 미네랄 입자가 공급되고, 미네랄 입자를 필터링하여 크기별로 분리하는 진동스크린을 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 담수회수모듈은,
상기 진공 막증류 모듈에 연결되어 증기가 공급되고, 상기 냉온제공모듈에서 제공되는 저온의 열원과 증기를 열교환시켜 증기를 응축시키는 냉각열교환기;
상기 냉각열교환기와 상기 진공 막증류 모듈을 연결하면서 증기의 이동경로를 이루는 증기공급라인;
상기 냉각열교환기에 연결되어 응축된 담수가 1차 저장되는 1차저장조;
상기 1차저장조 및 상기 냉각열교환기를 매개로 상기 진공 막증류 모듈에 진공압력을 제공하는 진공펌프; 및
상기 1차저장조에 연결되어 담수를 회수하여 저장하는 담수조를 포함하고,
상기 담수회수모듈은,
상기 증기공급라인으로 배출되는 증기를 상기 진공펌프로 공급하여 상기 1차저장조 및 상기 냉각열교환기로 역순환시키면서 역세척을 수행하는 역세유닛;을 더 포함하고,
상기 역세유닛은,
상기 증기공급라인에서 분기되어 상기 증기공급라인과 상기 진공펌프를 연결하면서 상기 진공펌프, 상기 1차저장조 및 상기 냉각열교환기와 함께 역순환라인을 이루는 역세라인;
상기 역세라인과 상기 증기공급라인의 분기지점에 구비되어 증기의 공급방향을 전환시키는 삼방밸브; 및
상기 역세라인에 설치되어 증기의 역순환압력을 제공하는 역세펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치.
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청구항 1에 있어서,
상기 진공 막증류 모듈은,
관체형으로 이루어져 상기 원수공급조로부터 고온의 해수가 유입되는 유입포트 및 상기 미네랄회수모듈로 농축해수가 배출되는 배출포트가 구비되고, 상기 유입포트로 유입된 고온의 해수가 상기 배출포트로 이동하는 이동통로를 제공하며, 상기 이동통로에 진공압력을 공급하기 위한 적어도 하나의 진공포트가 구비되어 진공압력에 의해 증류된 증기를 상기 진공포트로 배출하면서 상기 담수회수모듈로 증기를 공급하는 모듈본체;
상기 모듈본체의 이동통로에 내장되어 상기 진공포트로 진공압력이 공급됨에 따라 해수에서 증기를 분리시키는 멤브레인; 및
상기 모듈본체의 유입포트로 공급되기 이전의 고온의 해수를 통해 상기 모듈본체의 외측면을 차폐하여 상기 모듈본체 내부의 열손실을 방지하는 인슐레이터를 포함하고,
상기 인슐레이터는,
상기 모듈본체를 내부에 수용하여 상기 모듈본체의 외주면을 차폐하면서 상기 모듈본체의 외주면과 이격공간을 이루고, 상기 배출포트 및 상기 진공포트를 각각 외부로 연장시키는 배출포트공 및 진공포트공이 관통형성되며, 고온의 해수를 상기 이격공간을 통해 상기 유입포트로 소통시키면서 상기 모듈본체의 외주면을 보온하는 보온탱크; 및
상기 보온탱크의 일측에 구비되어 고온의 해수의 공급경로를 이루는 해수공급포트;를 포함하고,
상기 인슐레이터는,
상기 보온탱크의 외주면을 피복하여 상기 보온탱크의 열손실을 방지하는 단열재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 막증류식 해수 담수화 및 농축추출 장치.
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