KR101794885B1 - 이산화탄소 분리관 및 이를 포함하는 이산화탄소 분리 장치 - Google Patents

Abstract

이산화탄소 분리관 및 이를 포함하는 이산화탄소 분리 장치가 제공된다. 이산화탄소 분리 장치는 일 방향으로 연장되고, 단면이 폐곡선 형상을 가지며, 질소와 이산화탄소의 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리관으로서, 관벽의 두께가 0.1mm 내지 2mm이고, 단면을 원형으로 조정하였을 때, 외경이 60mm 내지 360mm이며, 연장 방향으로의 길이가 500mm 내지 5000mm이며, 실리콘 고무를 포함하는 이산화탄소 분리관을 포함한다.

Description

이산화탄소 분리관 및 이를 포함하는 이산화탄소 분리 장치{Carbon dioxide separating tube and fluid separating device including the same}

본 발명은 이산화탄소 분리관 및 이를 포함하는 이산화탄소 분리 장치에 관한 것이다.

현재 전 세계적으로 관심의 대상이 되는 지구 온난화는 이산화탄소와 메탄가스 등에 의한 온실효과가 큰 역할을 하고 있다. 이러한 온난화는 생태계를 교란시킬 뿐만 아니라 인간의 사회생활에 커다란 영향을 미치고 있어서 온실가스의 대기 중 방출을 줄이고자 하는 노력이 여러 방면에서 진행되고 있다.

이산화탄소는 최근 온실가스로 가장 주목을 받는 것 중 하나이다. 이산화탄소는 하수처리장, 폐수처리장 및 매립장 등에서는 폐기물 연소 시에 생성되는 것 외에도 화력 발전소 또는 제철소 등에서 다량 생성될 수 있다. 따라서, 폐가스 중에서 이산화탄소만을 분리하여 제거하는 기술이 연구되고 있다. 이산화탄소 이외에도, 수소 연료에 대한 관심이 증폭되면서, 수소 가스를 분리하는 기술도 많은 관심의 대상이 되고 있다. 또한, 순수하게 분리된 산소나 질소 등도 다양한 분야에 활용이 가능하기 때문에 그 분리 방법에 대한 연구가 지속되고 있다. 향후, 특정 기체나 액체의 활용 기술이 발전함에 따라, 더욱 다양한 유체에 대한 분리 기술이 필요할 것으로 전망된다.

특정 유체의 분리는 단순히 분리 이론을 정립하는 것만으로는 산업계에서 활용하기 어렵다. 일 예로, 이산화탄소 분리 기술은 흡수법, 흡착법, 심냉법 또는 막분리법 등이 오래 전부터 제시되어 왔지만, 막대한 에너지가 필요하다거나, 부작용이 있다든지, 대형화가 어렵다는 등의 현실적인 이유로 현재까지 상용화된 예는 극히 미미한 수준이다.

그나마, 막분리법이 다른 방법에 비해 상대적으로 저에너지를 사용하기 때문에, 상용화에 적합하다는 평가가 있다. 막분리법에서 지금까지 연구되고 있는 방향은 주로 분리막의 분리 효율을 높이는 데에 있다. 실험실 내에서 90% 이상의 분리 효율을 나타낼 수 있는 작은 사이즈(예컨대 1인치X1인치)의 분리막을 개발하는 것이 1차 목표이다. 대형화 및 상용화는 그 다음 과제로 여겨지고 있다.

실험실 내에서 90% 이상의 분리 효율을 얻어내기 위하여, 많은 연구자들은 분리막의 두께를 보다 얇게 만들고, 분리막 내외부의 압력 차이를 보다 높게 설정하고자 한다. 그러나, 두께가 얇고, 압력이 높을수록 분리막의 내구성이 취약해진다. 따라서, 일부의 연구자들은 위와 같은 조건에서도 내구성을 갖춘 분리막의 재질에 대한 연구도 병행한다.

그러나, 위와 같이 실험실 수준에서 고효율 분리막을 개발하였다 하더라도, 이를 상용화하는 것은 별개의 문제이다. 우선, 박막의 분리막은 대량으로 생산하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라 고가의 원재료를 사용하여야 하므로 생산 비용도 크게 증가한다. 또한, 박막의 분리막을 대형화된 장비에 적용하려면 수 많은 분리막을 조립하여야 하므로, 조립 시간 및 조립 비용이 증가한다. 또한, 고효율을 위해 높은 압력을 사용하므로 처리비용이 증가한다. 이론적으로 분리가 가능하더라도 생산 및 처리 비용 등이 과도하면, 현실적인 상용화는 불가능하다.

따라서, 낮은 처리 비용을 가지면서도 비용 대비 우수한 분리 효율을 갖고, 상업적인 규모로 적용가능한 유체 분리 기술의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분리 효율이 개선된 이산화탄소 분리 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 분리 효율이 개선된 이산화탄소 분리관을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 분리 장치는 일 방향으로 연장되고, 단면이 폐곡선 형상을 가지며, 질소와 이산화탄소의 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리관으로서, 관벽의 두께가 0.1mm 내지 2mm이고, 단면을 원형으로 조정하였을 때, 외경이 60mm 내지 360mm이며, 상기 연장 방향으로의 길이가 500mm 내지 5000mm이며, 실리콘 고무를 포함하는 이산화탄소 분리관을 포함하되, 상기 두께(d), 상기 외경(R1), 및 상기 길이(L)는 하기 식을 만족한다.
(식) d/(L x R1) ≥ 1/3000000

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상기 이산화탄소 분리관은 플렉시블한 재질로 이루어질 수 있다.

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상기 이산화탄소 분리관은 압출 방식으로 제조된 것일 수 있다.

이산화탄소 분리 장치는 챔버로서, 상기 챔버의 내부에 상기 이산화탄소 분리관이 배치되는 챔버를 더 포함할 수 있다.

상기 챔버는 유체 투입구, 제1 유체 배출구 및 제2 유체 배출구를 포함할 수 있다.

상기 이산화탄소 분리관은 개방된 일단을 포함하고, 상기 이산화탄소 분리관의 일단은 상기 제1 유체 배출구와 공간적으로 연결되거나, 상기 제1 유체 배출구를 통해 챔버의 외부로 노출될 수 있다.

상기 유체 투입구 및 상기 제2 유체 배출구는 상기 이산화탄소 분리관과 공간적으로 연결되지 않을 수 있다.

이산화탄소 분리 장치는 상기 유체 투입구로 투입되는 유체 혼합물에 0 내지 4kgf/cm2의 압력을 가하는 제1 펌프, 및 상기 제1 유체 배출구를 통해 배출되는 유체에 0 내지 -1kgf/cm2의 압력을 가하는 제2 펌프를 더 포함할 수 있다.

상기 이산화탄소 분리관의 내외부의 압력차는 0.5kgf/cm2 내지 2kgf/cm2의 범위에서 유지될 수 있다.

상기 이산화탄소 분리관은 개방된 타단을 포함할 수 있다.

상기 이산화탄소 분리관의 타단은 상기 유체 투입구와 공간적으로 연결되거나, 상기 유체 투입구를 통해 챔버의 외부로 노출되고, 상기 제2 유체 배출구는 상기 이산화탄소 분리관과 공간적으로 연결되지 않을 수 있다.

상기 다른 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 이산화탄소 분리관은 일 방향으로 연장되고, 단면이 폐곡선 형상을 가지며, 질소와 이산화탄소의 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리관으로서,관벽의 두께가 0.1mm 내지 2mm이고, 단면을 원형으로 조정하였을 때, 외경이 60mm 내지 360mm이고, 상기 연장 방향으로의 길이가 500mm 내지 5000mm이며, 상기 두께(d), 상기 외경(R1), 및 상기 길이(L)는 하기 식을 만족하며, 실리콘 고무를 포함한다.
(식) d/(L x R1) ≥ 1/3000000

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상기 이산화탄소 분리관은 압출 방식으로 제조된 것일 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 이산화탄소 분리관 및 이산화탄소 분리 장치에 의하면, 낮은 처리 비용을 가지면서도 비용 대비 우수한 분리 효율을 갖고, 상업적인 규모로 적용가능한 이산화탄소 분리관 및 이산화탄소 분리 장치를 제공할 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리관의 사시도이다.
도 4는 도 3의 IV-IV'선을 따라 자른 단면도이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 유체 분리관의 단면도들이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 유체 분리 장치(1)는 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체를 분리하는 데에 사용되는 장치이다.

유체는 기체나 액체일 수 있다. 유체 혼합물(MF)은 서로 다른 복수의 유체를 포함한다. 예를 들어, 유체 혼합물(MF)은 화력발전소나 공장의 배기가스, 자동차 배기가스, 부생 가스, 폐기물 매립가스, 폐수 등일 수 있다.

복수의 기체는 상호 균일하게 완전히 혼합될 수도 있지만, 그에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 유체 혼합물이 배치된 공간 내에서 특정 부위에는 제1 유체만 존재하고, 다른 특정 부위에는 제2 유체만 존재할 수도 있다. 또한, 특정 부위에서의 제1 유체의 함량이 다른 특정 부위에서의 제1 유체의 함량보다 클 수도 있다.

특정 유체의 분리는 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체를 완전히 분리하는 것 뿐만 아니라, 입력된(제공된) 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체의 함량이 높아진 유체 혼합물(F1, F2)을 출력(생성)해내는 것을 포함한다. 입력되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 그 함량비가 3:1인 경우를 예로 하여 설명하면, 출력되는 유체(F1, F2)가 100% 이산화탄소인 경우 또는 출력되는 유체 혼합물(F1, F2)의 질소와 이산화탄소 함량비가 3:1보다 작은 경우에는 이산화탄소의 분리가 이루어진 것으로 해석된다. 출력되는 유체(F1, F2)가 100% 질소이거나 출력되는 유체 혼합물(F1, F2)의 질소와 이산화탄소 함량비가 3:1보다 큰 경우에는 질소의 분리가 이루어진 것으로 해석된다. 아울러, 특정 유체의 함량이 높아진 정도가 클수록 특정 유체 분리의 효율이 높은 것으로 해석된다.

분리되는 유체의 예로는 상술한 이산화탄소나 질소 이외에도 다양할 수 있다. 예를 들어, 아세톤, 암모니아, 아르곤, 벤젠, 부탄(n-C4H10), 이황화탄소(CS2), 일산화탄소, 에탄, 에틸렌, 헬륨, 헥산(n-C6H14), 수소, 황화수소, 메탄, 메탄올, 일산화질소, 이산화질소, 아산화질소(N2O), 옥탄, 산소, 펜탄, 프로판, 이산화황, 톨루엔, 수증기 등이 분리되는 대상 유체가 될 수 있으나, 그에 제한되는 것은 아니다.

유체 분리 장치(1)는 챔버(20) 및 챔버(20) 내부에 배치된 유체 분리관(10)을 포함한다.

유체 분리관(10)은 튜브 형상으로 이루어진다. 유체 분리관(10)의 내부(10s1)와 유체 분리관(10)의 외부(10s2)는 유체 분리관 관벽(10w)을 기준으로 물리적으로 분리되어 있다. 적어도 일부의 유체는 유체 분리관 관벽(10w)을 통과하여 유체 분리관(10)의 내외부(10s1, 10s2)를 소통할 수 있고, 이것이 특정 유체 분리에 이용된다. 유체 분리관(10)의 내부(10s1)에는 이격재(미도시)가 배치될 수도 있다. 유체 분리관(10)에 대한 구체적인 설명은 후술된다.

챔버(20)는 제한된 공간을 제공한다. 챔버(20) 내부의 공간은 챔버(20) 외부의 공간과 물리적으로 구분된다. 챔버(20)는 내부에 공급되는 유체의 이동을 공간적으로 제한한다. 또한, 챔버(20)는 그 내부의 온도, 압력, 습도 등과 같은 다양한 공정 변수를 챔버(20) 외부와 상이하게 독립적으로 제어하도록 할 수 있다. 챔버(20)의 제한된 공간은 반드시 밀폐된 공간만을 의미하지는 않으며, 외부와 소통하는 개방 공간을 포함할 수 있다.

예를 들어, 챔버(20)는 적어도 3개의 유체 출입구(21, 22, 25)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 챔버(20)는 유체 투입구(25), 제1 유체 배출구(21), 및 제2 유체 배출구(22)를 포함한다.

제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)는 유체 혼합물 또는 유체(F1, F2)가 챔버 외부로 배출(출력)되는 통로가 된다. 유체 분리관(10)은 제1 유체 배출구(21)와 공간적으로 연결되거나, 제1 유체 배출구(21)를 통과하여 일단(10E1)이 챔버(20)의 외부로 노출된다. 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리관(10)과 공간적으로 연결되지 않는다.

유체 투입구(25)는 유체 혼합물(MF)이 챔버(20) 내부로 투입(입력)되는 통로가 된다. 일 실시예에서, 유체 투입구(25)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유체 분리관(10)과 공간적으로 연결되지 않는다. 이 경우, 유체 혼합물(MF)은 유체 투입구(25)를 통해 챔버(20) 내부이자 유체 분리관(10)의 외부(10s2)로 투입된다. 챔버(20) 내부에 투입된 유체 혼합물 중 유체 분리관(10)의 관벽(10w)을 통해 유체 분리관(10)의 내부(10s1)로 이동한 유체 성분들은 제1 유체 배출구(21) 측으로 배출('F1' 참조)되고, 유체 분리관(10) 외부(10s2)에 잔류한 유체 성분들은 제2 유체 배출구(22) 측으로 배출('F2' 참조)될 수 있다. 유체 투입구(25)를 통해 제공되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 유체 분리관(10)의 관벽(10w)을 통한 이산화탄소의 이동도가 질소보다 높을 경우, 유체 분리관(10) 외부(10s2)는 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮아지면서 질소의 농도는 상대적으로 높아지고, 유체 분리관(10) 내부(10s1)는 이산화탄소의 농도가 높아지면서 질소의 농도는 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 제2 유체 배출구(22)에서는 상대적으로 질소의 함량이 높은 유체 혼합물(F2)이 배출되고, 제1 유체 배출구(21)에서는 상대적으로 이산화탄소의 함량이 높은 유체 혼합물(F1)이 배출될 수 있다.

도 1에서는 유체 분리관(10)과 제1 유체 배출구(21)에 공간적인 연결을 위해 유체 분리관(10)의 일단(10E1)이 개방된 경우가 예시되어 있지만, 공간적인 연결이 반드시 일단(10E1)에서 이루어질 필요는 없고, 유체 분리관(10)의 단부가 아닌 길이 방향 중간 부분에서 이루어질 수도 있다. 이 경우, 상기한 유체 분리관(10)의 중간 부분에 개구가 형성될 것이며, 일단(10E1)은 폐쇄되어도 무방하다.

또한, 도 1에서는, 유체 분리관(10)의 타단(10E2)이 챔버(20) 내부에 배치되고 폐쇄되어 있는 경우가 예시되어 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 챔버(20)가 복수 개의 제1 유체 배출구(21)를 포함하는 경우, 유체 분리관(10)의 타단(10E2)은 개방될 수도 있다. 개방된 타단(10E2)은 다른 유체 배출구와 공간적으로 연결되거나, 그 유체 배출구를 통과하여 챔버(20)의 외부로 노출될 수 있다.

제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)를 통해 배출된 유체 혼합물(F1, F2)들은 각각 특정 성분들의 농도가 상대적으로 높아진 상태에 있게 되다. 제1 유체 배출구(21) 또는 제2 유체 배출구(22)에서 배출된 유체 혼합물(F1, F2)을 상기한 유체 분리 장치(1)에 다시 투입하거나, 다른 유체 분리 장치에 투입하는 것을 1회 이상 반복하면, 특정 성분의 농도를 더욱 높일 수 있다. 제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)에서 배출된 유체 혼합물(F1, F2)은 선택적으로 폐기되거나 탱크 등에 저장될 수 있고, 필요에 따라 다른 다양한 분야에 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리 장치(2)는 유체 혼합물(MF)이 유체 분리관(11)의 내부(11s1)로 투입되는 점에서 도 1의 실시예와 상이하다.

유체 분리관(11) 제1 유체 배출구(21)와 공간적으로 연결되거나, 제1 유체 배출구(21)를 통과하여 일단(11E1)이 챔버(20)의 외부로 노출되고, 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리관(11)과 공간적으로 연결되지 않는 점은 도 1의 실시예와 동일하다. 다만, 본 실시예의 경우, 유체 분리관(11)은 유체 투입구(25)와 공간적으로 연결되거나, 유체 투입구(25)를 통과하여 타단(11E2)이 챔버(20)의 외부로 노출될 수 있다.

유체 혼합물(MF)은 유체 투입구(25)를 통해 유체 분리관(11) 내부(11s1)로 투입된다. 유체 분리관(11) 내부(11s1)에 투입된 유체 혼합물 중 유체 분리관(11)의 관벽(11w)을 통해 유체 분리관(11)의 외부(11s2)로 이동한 유체 성분들은 제2 유체 배출구(22) 측으로 배출('F2' 참조)되고, 유체 분리관(11) 내부(11s1)에 잔류한 유체 성분들은 제1 유체 배출구(21) 측으로 배출('F1' 참조)될 수 있다. 유체 투입구(25)를 통해 제공되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 유체 분리관(11)의 관벽(11w)을 통한 이산화탄소의 이동도가 질소보다 높을 경우, 유체 분리관(11) 내부(11s1)는 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮아지면서 질소의 농도는 상대적으로 높아지고, 유체 분리관(11) 외부(11s2)는 이산화탄소의 농도가 높아지면서 질소의 농도는 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 제1 유체 배출구(21)에서는 상대적으로 질소의 함량이 높은 유체 혼합물이 배출되고, 제2 유체 배출구(22)에서는 상대적으로 이산화탄소의 함량이 높은 유체 혼합물이 배출될 수 있다.

이하, 유체 분리관에 대해 더욱 상세히 설명한다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리관의 사시도이다.

도 3을 참조하면, 유체 분리관(100)은 일 방향으로 연장된 형상을 가질 수 있다. 유체 분리관(100)은 챔버 내부에서 길이 방향으로 연장된 상태로 배치될 수도 있지만, 1회 이상 절곡되어 배치될 수도 있다.

유체 분리관(100)의 일단(100E1)은 개방되어 있다. 개방된 유체 분리관(100)의 일단(100E1)은 유체 분리 장치의 제1 유체 배출구와 공간적으로 연결되거나, 제1 유체 배출구를 통해 챔버의 외부로 노출된다. 유체 분리관(100)의 타단(100E2)은 폐쇄될 수도 있고, 개방될 수도 있다.

도 4는 도 3의 IV-IV'선을 따라 자른 단면도이다. 도 4를 참조하면, 유체 분리관(100)의 연장 방향(Z)에 수직으로 자른 단면은 폐곡선을 이룬다. 유체 분리관(100)의 단면 형상은 원형일 수 있다. 다른 실시예로서, 유체 분리관(100)의 단면은 원형에 비해 찌그러진 형상을 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 유체 분리관(101)의 단면 형상이 제1 방향의 외경(W1)이 제2 방향의 외경(W2)보다 큰 타원형일 수 있다. 그 밖에 도 6에 도시된 바와 같이, 유체 분리관(102)의 단면 형상이 직사각형 형상 또는 모서리가 둥근 직사각형 형상이나 일 방향이 길이가 상대적으로 긴 폐곡선 형상일 수 있다. 아울러, 유체 분리관(103)은 도 7에 도시된 바와 같이 관벽이 주름진 형상을 가질 수도 있다. 도 5 내지 도 7의 실시예들의 경우 유체 분리관(101, 102, 103)이 제공된 공간 대비 더욱 넓은 표면적을 가질 수 있는 장점이 있다.

유체 분리관(100)의 관벽(100w)은 외주를 따라서 일체형으로 이루어질 수 있다. 여기서, 일체형이라 함은, 복수의 분리막을 접합하여 튜브 형태로 이루어지거나, 하나의 분리막을 말아서 양단을 접합하여 튜브 형태로 이루어진 것이 아니고, 외주를 따라서 접합된 부분 없이 전체가 하나로 이루어진 경우를 의미한다. 압출 등의 방법으로 처음부터 튜브 형상으로 만들어진 경우가 일체형으로 형성된 예이다.

유체 분리관(100) 관벽(100w)의 두께(d)는 유체 분리관(100)의 제조 방식과 연관이 있다. 상술한 바와 같이, 유체 분리관(100)은 대량 생산이 용이한 압출 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 고무와 같은 고분자 물질은 압출 방식에 의해 튜브 형태로 제조될 때, 0.1mm 이상의 두께(d)를 가져야 용이한 제조가 가능하다. 0.4mm 이상의 두께(d)를 가질 경우, 상업적인 대량 생산도 할 수 있다. 한편, 유체 분리관(100)의 관벽(100w)의 두께(d)가 두꺼울수록 유체의 이동 거리가 길어져 분리 효율이 떨어진다. 유체 분리관(100) 관벽(w)의 두께가 2mm를 초과하면 저에너지를 사용하는 유체 분리 장치에서 유체 이동도가 급격히 저하될 뿐만 아니라, 공간 대비 유체 분리관(100)의 표면에 유체를 접촉시키는 면적도 감소하여 유체 분리 효율이 저하됨이 확인되었다. 따라서, 유체 분리관(100)의 두께(d)는 0.1mm 내지 2mm, 또는 0.4mm 내지 2mm의 범위 내에서 선택되는 것이 바람직하다.

유체 분리관(100)의 크기(폭)는 유체 분리관(100)의 단면 외주의 길이에 따라 달라진다. 유체 분리관(100)의 단면 외주의 길이는 유체 분리관(100)의 단면을 원형으로 조정하였을 때의 유체 분리관(100)의 외경(외부 직경)(R1)의 π배이다. 이하에서는 편의상 유체 분리관(100)의 실제 단면 형상과 무관하게, 그 단면 형상을 원형으로 조정하였을 때의 유체 분리관(100) 외경(R1)을 설명함으로써, 유체 분리관(100)의 크기에 대한 설명을 갈음하기로 한다.

유체 분리관(100) 외경(R1)이 너무 작을 경우, 유체 분리관(100)의 두께(d) 대비 유체 분리관(100)의 내경(내부 직경)(R2)이 지나치게 작아지게 되어 유체 이동 효율이 작아진다. 한편, 유체 분리관(100)의 외경(R1)이 너무 크면, 공간 대비 유체에 노출되는 유체 분리관(100)의 표면적이 감소하여 유체 이동 효율이 작아진다. 상기와 같은 관점에서, 유체 분리관(100)의 외경(R1)은 60mm 내지 360mm인 것이 바람직하다.

연장 방향으로의 유체 분리관(100)의 길이(L)는 너무 짧으면 설치 회수가 증가하여야 하므로 취급성에 불리하다. 따라서, 유체 분리관(100)의 길이(L)는 500mm 이상인 것이 바람직하다. 한편, 유체 분리관(100)의 길이가 너무 길면 저에너지 사용만으로는 유체 분리관(100)으로 진입한 유체를 배출하기가 어렵고, 유체 분리관(100) 내부의 특정 유체의 농도를 균일하게 제어하기 어렵다. 따라서, 유체 분리관의 길이는 5000mm 이하인 것이 바람직하다.

한편, 유체 분리관(100)의 기구적 강도는 제조시와 완성 후가 상이할 수 있다. 예를 들어, 유체 분리관(100)을 압출 방식으로 제조하는 경우, 제조시에는 튜브 재료가 용융 또는 반용융 상태일 수 있다. 이 경우, 완전히 응고된 후보다 기구적 강도가 약하다. 절대적인 기구적 강도가 약하면 자중, 압출 압력, 기타 외력이나 국부적으로 스트레스 등에 의해 유체 분리관(100)이 파괴될 수 있다.

따라서, 제조시 튜브의 파괴를 방지하기 위해서는 충분한 기구적 강도를 확보할 필요가 있다.

제조시의 유체 분리관(100)의 기구적 강도(S)는 유체 분리관 두께(d)가 클수록 커지고, 유체 분리관(100)의 외경(R1)과 길이(L)가 커질수록 작아진다. 튜브의 파괴를 방지하기 위한 충분한 제조시 유체 분리관(100)의 기구적 강도(S)를 확보하기 위해 유체 분리관의 두께, 외경, 길이는 다음의 관계식을 만족시킬 수 있다.

[식 1]

S ∝ d/(L x R1) ≥ 1/3000000

챔버의 내부에는 복수의 유체 분리관(100)이 배치될 수 있다. 각 유체 분리관(100)은 상호 근접하여 배치될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 이웃하는 유체 분리관(100)의 간격은 유체 분리관(100)의 관벽(100w) 두께(d) 이상이고, 유체 분리관(100)의 외경(R1)의 π/2배 이하일 수 있다. 예컨대, 이웃하는 유체 분리관(100)의 간격은 대체로 0.1mm 내지 500mm의 범위를 가질 수 있다. 이웃하는 유체 분리관(100)의 간격이 0.1mm 이상 확보되면, 이웃하는 유체 분리관(100) 사이에 상호 밀착됨으로써, 유체가 소통하는 유체 분리관(100)의 실효적인 표면적이 감소하는 것이 방지될 수 있다. 이웃하는 유체 분리관(100)의 간격을 500mm 이하로 함으로써, 챔버의 한정된 공간 내에서 유체가 유체 분리관(100)의 표면에 접하는 면적을 충분하게 늘릴 수 있다.

복수의 유체 분리관(100)은 하나의 열을 이룰 수 있다. 또한, 챔버 내부에는 유체 분리관(100) 열이 행 방향으로 복수개 배치되는 것도 가능하다.

유체 분리관(100)은 특정 유체의 소통을 허용한다. 유체 분리관(100)은 특정 유체를 유체 분리관(00)의 내부(100s1)와 외부(100s2)를 양 방향으로 소통시킬 수 있다. 유체 분리관(100)은 미세 기공을 포함함으로써, 그 미세 기공을 통하여 특정 유체를 통과시킬 수 있다. 그러나, 이에 제한되지는 것은 아니며, 다른 다양한 관벽 통과 기전이 작용할 수 있다. 예를 들어, 특정 유체가 유체 분리관(100)의 관벽(100w)에 용해, 흡수 또는 흡착되어 관벽(100w) 내부를 이동함으로써 소통될 수도 있고, 화학적인 결합과 분해를 통해 유체 분리관(100)을 통과할 수도 있을 것이다. 유체는 크누센 확산(Knudsen diffusion), 분자 확산(molecular diffusion), 표면 확산(surface diffusion), 초미세기공 확산(super micropore diffusion) 등과 같은 확산 방식이나, 여과, 삼투 등의 방식으로 이동할 수 있다.

특정 유체가 유체 분리관(100)을 통과하기 위한 에너지는 이에 제한되는 것은 아니지만, 유체 분리관(100) 내외부(100s1, 100s2)의 압력이나 유체의 농도 차이, 유체들이 갖는 운동 에너지, 유체와 유체 분리관(100) 사이에 상호 작용하는 물리적, 화학적 에너지 등에 의해 제공될 수 있다.

유체 분리관(100)은 셀롤로스 아세테이트, 폴리술폰, 실리콘 고무 등과 같은 고분자 물질이나 실리카계 세라믹스, 실리카계 유리, 알루미나계 세라믹스, 스텐레스 다공체, 티탄 다공체, 은 다공체 등의 무기 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 유체 분리(100)관을 구성하는 물질의 선택에는 혼합 유체의 종류와 분리하고자 하는 대상 및 유체의 선택도 뿐만 아니라, 제조 방법의 용이성, 대량 생산 가능성, 내구성 등이 함께 고려될 수 있다. 일반적으로 고분자 물질은 무기 물질보다 상대적으로 제조가 간편하다. 예를 들어 실리콘 고무의 경우, 압출 방식으로 원하는 형상을 만들기 쉽고, 대량 생산 또한 용이하다. 실리콘 고무는 그 종류 및 제조 방식에 따라 상이하긴 하지만, 이산화탄소와 질소의 선택비가 대략 3:1 이상이고, 5:1 이상인 것도 제조하기가 어렵지 않아서, 이산화탄소와 질소의 혼합 기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 데에 용이하게 사용될 수 있다.

유체 분리관(100)은 플렉시블한 물질로 이루어질 수 있다. 유체 분리관(100)의 구성 물질이 플렉시블하면, 구부리기가 쉬워서 다양한 형상으로 설치하기 용이하다. 또한, 유체 분리관(100)은 신축성과 탄성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 유체 분리관(100)이 신축성과 탄성이 있으면, 유체 분리관(100) 내부(100s1)에 이격재(도 8의 '150')를 삽입하였을 때, 이격재의 폭 방향으로 잘 늘어나고, 복원력에 의해 이격재의 유동을 억제할 수 있다. 실리콘 고무는 위와 같은 특성들을 모두 갖고 있어, 우수한 유체 분리관(100) 재료가 될 수 있다.

유체 분리관(100)은 위와 같은 구성 물질 이외에도 나노 세라믹 물질을 더 포함할 수 있다. 나노 세라믹 물질은 유체 분리관(100)의 강도를 높이고, 특정 유체의 친화도를 개선하는 역할을 할 수 있다.

나노 세라믹 물질로서 Fe계, Pd계, Ti계, Al계 산화물은 이산화탄소 친화물질로서, 이산화탄소를 분리하는 유체 분리관에 적용될 수 있다. 예를 들어, 나노 세라믹 물질로서, Fe2O3, TiO2, PdO, Al2O3, MgO, NiO, Y2O3, SiO2, ZrO2, Zeolite 중 선택된 어느 하나 또는 혼합물이 적용될 수 있다.

나노 세라믹 물질은 실리콘 고무 등과 같은 고분자 물질의 총 중량에 대해 0.001 내지 10중량%의 양이 사용될 수 있다.

나노 세라믹 물질은 실리콘 고무 등과 같은 고분자 물질과의 혼합물 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 고무와 나노 세라믹 물질을 혼합한 혼합물을 압출하여 유체 분리관(100)을 제조할 수 있다. 이 경우, 나노 세라믹 물질은 고분자 물질 내부에 퍼져서 배치될 것이다.

나노 세라믹 물질은 코팅층의 형태로 제공될 수도 있다. 예를 들어, 고분자 물질을 압출하여 튜브 형태를 제조한 후, 나노 세라믹 분말을 희석한 현탁액에 튜브를 디핑(dipping)하여 코팅할 수 있다. 다른 방법으로서, 튜브에 상기 현탁액을 스프레이 코팅, 플로우 코팅, 롤 코팅 등의 방식으로 코팅하거나, 나노 세라믹 물질을 튜브에 직접 증착하여 코팅할 수도 있다.

나노 세라믹 코팅층은 튜브의 내벽에만 형성되거나, 외벽에만 형성되거나, 내외벽 모두에 형성될 수 있다. 이와 같은 나노 세라믹 코팅층의 형성 위치는 유체 혼합물의 투입 공간과 제조 용이성 등에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소와 질소의 혼합물을 유체 분리관(100)의 외부(100s2)에 제공하는 경우에는 튜브의 외벽에 이산화탄소 친화성이 높은 나노 세라믹 코팅층을 형성하는 것이 이산화탄소의 선택적 분리에 유리하다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 분리 효율과 제조 용이성을 종합 고려하여 튜브의 내외벽에 나노 세라믹 물질을 코팅하는 것도 가능하다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.

도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리 장치(300)는 챔버(200), 챔버(200) 내부에 배치된 유체 분리관(100), 챔버(200)의 일측에 배치된 유체 투입구(251), 챔버(200)의 타측에 배치된 제1 유체 배출구(211) 및 제2 유체 배출구(211) 이외에도, 챔버(200) 외부에 배치된 유체 혼합물 제공 탱크(250), 제1 유체 저장 탱크(210), 제2 유체 저장 탱크(220), 및 복수의 펌프(231, 232, 233)를 더 포함한다.

유체 혼합물 제공 탱크(250)는 유체 혼합물을 저장하고, 이를 챔버(200) 내부로 제공한다. 유체 혼합물 제공 탱크(250)는 제1 유체 이동관(252)을 통해 유체 투입구(251)와 연결된다. 제1 유체 이동관(252)에는 제1 펌프(231)가 설치되어 있다.

제1 유체 저장 탱크(210)는 유체 분리관(100)으로 유입된 유체를 저장하는 역할을 한다. 제1 유체 저장 탱크(210)는 제2 유체 이동관(212)을 통해 유체 분리관(150)의 내부와 공간적으로 연결된다. 제2 유체 이동관(212)에는 제2 펌프(232)가 설치된다.

도 8의 실시예에서는 챔버(200)에 2개의 제1 유체 배출구(211)가 마련되어 있고, 양단이 개방된 유체 분리관(100)이 1회 절곡된 경우가 예시되어 있다. 제2 유체 이동관(212)은 챔버(200) 부근에서 2개의 분지관으로 분지하고, 제2 유체 이동관(212)의 각 분지관은 각 제1 유체 배출구(211)에 삽입된다. 유체 분리관(100)의 일단과 타단은 각각 제2 유체 이동관(212)의 서로 다른 분지관에 결합된다.

제2 유체 저장 탱크(220)는 유체 분리관(150)의 외부이자 챔버(200) 내부에 잔류된 유체를 저장하는 역할을 한다. 제2 유체 저장 탱크(220)는 제3 유체 이동관(222)을 통해 제2 유체 배출구(221)와 연결된다. 제3 유체 이동관(222)에는 제3 펌프(233)가 설치될 수 있다.

몇몇 실시예에서, 제2 유체 배출구(221)는 유체 투입구(251)에 비해 상부에 배치된다. 이 경우, 혼합 유체의 흐름이 아래에서 위쪽을 향하게 된다.

제1 펌프(231)는 챔버(200) 내부로 투입되는 유체 혼합물의 압력을 높이는 역할을 한다. 챔버(200) 내부의 압력을 높이게 되면 유체 분리관(100) 내외부에 압력 차이가 발생하여 유체 분리관(100) 관벽을 통해 유체의 흐름이 촉진된다. 그러나, 너무 높은 압력을 가하게 되면, 공정 비용이 증가할 뿐만 아니라, 유체의 이동 속도가 과도하게 빨라져 유체가 유체 분리관(100) 관벽을 통과하는 양이 오히려 줄어들 수도 있다. 이와 같은 점들을 고려할 때, 제1 펌프(231)에 의해 챔버(200) 내부로 가해지는 적합한 유체 압력은 0 내지 4kgf/cm2이다.

제2 펌프(232)는 유체 분리관(100) 내부에 음압이 걸리도록 하여 유체 분리관(100) 내외부 압력차를 유지하는 한편, 유체 분리관(100)에 존재하는 유체를 제1 유체 저장 탱크(210)로 효율적으로 배출시키는 역할을 한다. 유체 분리관(100)에 존재하는 유체를 신속하게 배출하면, 공정 속도가 증가할 뿐만 아니라, 유체 분리관(100) 내부에서의 특정 유체의 농도를 낮게 유지할 수 있다. 유체 분리관(100) 내부에서 특정 유체의 농도를 낮게 유지하는 것은 확산이나 삼투압 등에 의한 유체 이동 효율을 높이는 데에 유리하다. 제2 펌프(232)에 의해 가해지는 압력은 0 내지 -1kgf/cm2의 수준이 적당하다.

유체 분리관(100) 내외부의 압력차는 0.5kgf/cm2 정도만 되더라도 상업적으로 이용가능한 분리 효율을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 제1 펌프(231)에 의한 압력을 0.5kg/cm2로 하고, 제2 펌프(232)에 의한 음압을 -0.5kg/cm2 정도로 유지하면, 상업적으로 이용가능한 분리 효율을 얻을 수 있다. 유체 분리관(100) 내외부의 압력차가 더 커지면 분리 효율이 증가할 수는 있지만, 고에너지 사용에 따른 처리 비용 증가가 수반될 수 있다. 처리비용을 감안하여 상업적으로 이용가능하면서 효과적인 분리가 가능한 유체 분리관(100) 내외부 압력차는 0.5kgf/cm2 내지 2kgf/cm2의 범위에서 유지될 수 있다.

제3 펌프(233)는 챔버(200) 내부에 잔류하는 유체를 외부로 신속하게 배출시키는 역할을 한다. 챔버(200) 내부에 혼합된 유체 혼합물에서 유체 분리관(100)을 통한 특정 유체의 이동이 이루어지면, 잔류 유체 혼합물에는 특정 유체의 농도가 낮아지게 된다. 그 상태로 챔버(200) 내부에 장시간 방치되면 유체 분리관(100)으로의 분리 효율이 낮아질 뿐만 아니라, 유체 분리관(100) 내부에서 챔버(200) 내부로 특정 유체가 다시 이동할 가능성도 높아진다. 잔류 유체를 적절한 시기에 신속 배출하는 것은 공정 효율에 많은 영향을 끼친다. 따라서, 제3 펌프(233)에서 0 내지 2kgf/cm2 수준의 압력을 가하면, 잔류 유체가 적절하게 배출될 수 있다. 다만, 본 실시예가 이에 제한되는 것은 아니며, 제3 펌프(233)는 생략되거나, 밸브로 대체될 수도 있다.

유체 분리 장치(300)의 제1 유체 배출구(211)나 제2 유체 배출구(221)를 통해 분리되는 유체가 저장의 대상이 아니라면 해당 저장 탱크는 생략될 수도 있다. 예를 들어, 질소와 이산화탄소의 혼합 가스 중 이산화탄소를 분리해내는 것이 목적이고, 유체 분리관(100)으로서 이산화탄소에 대한 선택비가 높은 물질을 사용한 경우라면, 제1 유체 배출구(211)를 통해 전달되는 이산화탄소 함량이 높은 유체는 제1 유체 저장 탱크(210)에 저장하지만, 제2 유체 배출구(221)를 통해 전달되는 질소 함량이 높은 유체는 굴뚝 등을 통해 외부로 배출시킬 수 있다. 이 경우, 제2 유체 저장 탱크(220)가 생략 가능함은 물론이다.

유체의 분리 공정시, 챔버(200) 내부의 온도는 0 내지 60℃의 범위로 유지될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 챔버(200) 내부의 온도는 20 내지 40℃의 범위로 유지된다. 이와 같이 상대적으로 낮은 온도의 공정 조건은 비용을 절감하면서도, 챔버(200) 내부와 유체 분리막(100)의 내구성을 유지하고, 내부 유체의 불필요한 반응을 억제하는 데에 도움을 줄 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 유체 분리 장치
10: 유체 분리관
20: 챔버
21: 제1 유체 배출구
22: 제2 유체 배출구
23: 유체 투입구

Claims (18)

1. 일 방향으로 연장되고, 단면이 폐곡선 형상을 가지며, 질소와 이산화탄소의 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리관으로서,
   관벽의 두께가 0.1mm 내지 2mm이고,
   단면을 원형으로 조정하였을 때, 외경이 60mm 내지 360mm이며,
   상기 연장 방향으로의 길이가 500mm 내지 5000mm이며,
   실리콘 고무를 포함하는 이산화탄소 분리관을 포함하되,
   상기 두께(d), 상기 외경(R1), 및 상기 길이(L)는 하기 식을 만족하는 이산화탄소 분리 장치.
   (식) d/(L x R1) ≥ 1/3000000
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1 항에 있어서,
   상기 이산화탄소 분리관은 플렉시블한 재질로 이루어지는 이산화탄소 분리 장치.
5. 삭제
6. 제1 항에 있어서,
   상기 이산화탄소 분리관은 압출 방식으로 제조된 것인 이산화탄소 분리 장치.
7. 제1 항에 있어서,
   챔버로서, 상기 챔버의 내부에 상기 이산화탄소 분리관이 배치되는 챔버를 더 포함하는 이산화탄소 분리 장치.
8. 제7 항에 있어서,
   상기 챔버는 유체 투입구, 제1 유체 배출구 및 제2 유체 배출구를 포함하는 이산화탄소 분리 장치.
9. 제8 항에 있어서,
   상기 이산화탄소 분리관은 개방된 일단을 포함하고,
   상기 이산화탄소 분리관의 일단은 상기 제1 유체 배출구와 공간적으로 연결되거나, 상기 제1 유체 배출구를 통해 챔버의 외부로 노출되는 이산화탄소 분리 장치.
10. 제9 항에 있어서,
    상기 유체 투입구 및 상기 제2 유체 배출구는 상기 이산화탄소 분리관과 공간적으로 연결되지 않는 이산화탄소 분리 장치.
11. 제10 항에 있어서,
    상기 유체 투입구로 투입되는 유체 혼합물에 0 내지 4kgf/cm2의 압력을 가하는 제1 펌프; 및
    상기 제1 유체 배출구를 통해 배출되는 유체에 0 내지 -1kgf/cm2의 압력을 가하는 제2 펌프를 더 포함하는 이산화탄소 분리 장치.
12. 제10 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분리관의 내외부의 압력차는 0.5kgf/cm2 내지 2kgf/cm2의 범위에서 유지되는 이산화탄소 분리 장치.
13. 제9 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분리관은 개방된 타단을 포함하는 이산화탄소 분리 장치.
14. 제13 항에 있어서,
    상기 이산화탄소 분리관의 타단은 상기 유체 투입구와 공간적으로 연결되거나, 상기 유체 투입구를 통해 챔버의 외부로 노출되고,
    상기 제2 유체 배출구는 상기 이산화탄소 분리관과 공간적으로 연결되지 않는 이산화탄소 분리 장치.
15. 일 방향으로 연장되고, 단면이 폐곡선 형상을 가지며, 질소와 이산화탄소의 혼합물로부터 이산화탄소를 분리하는 이산화탄소 분리관으로서,
    관벽의 두께가 0.1mm 내지 2mm이고,
    단면을 원형으로 조정하였을 때, 외경이 60mm 내지 360mm이고,
    상기 연장 방향으로의 길이가 500mm 내지 5000mm이며,
    상기 두께(d), 상기 외경(R1), 및 상기 길이(L)는 하기 식을 만족하며,
    실리콘 고무를 포함하는 이산화탄소 분리관.
    (식) d/(L x R1) ≥ 1/3000000
16. 삭제
17. 삭제
18. 제15 항에 있어서,
    압출 방식으로 제조된 것인 이산화탄소 분리관.
    

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