KR101981045B1 - 유체 분리 장치 - Google Patents

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Abstract

유체 분리 장치가 제공된다. 유체 분리 장치는 유체 분리막을 포함하는 유체 분리막 모듈, 유체 분리막 모듈의 입력 측에 위치하는 공급 유로관, 유체 분리막 모듈의 출력 측에 위치하는 배출 유로관, 및 공급 유로관을 통해 유체 분리막 모듈과 연결되며, 유체를 가압하는 압축기를 포함하되, 공급 유로관의 적어도 일부와 배출 유로관의 적어도 일부는 인접 배치되어 열교환부를 구성한다.

Description

유체 분리 장치{Fluid separating device}
본 발명은 유체 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 이유로관 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.
아울러, 이산화탄소의 분리도를 증가시키기 위해서는 고압의 압축 가스가 필요한데, 이 과정에서 가스의 온도가 과도하게 상승하면 분리막이 손상될 수 있다. 또한, 이산화탄소의 분리가 완료된 잔여가스의 경우 온도가 너무 낮을 경우 배기 연돌을 통한 배출시 미세 먼지나 황산화물 등이 배기 연돌에 부착될 수 있어 그 온도를 다시 상승시킬 필요가 있다. 냉각기와 히터를 설치하여 가스의 온도를 조절할 수 있지만, 에너지 관점에서 비효율적이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 에너지 효율이 개선된 유체 분리 장치를 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 유체 분리 장치는 유체 분리막을 포함하는 유체 분리막 모듈, 상기 유체 분리막 모듈의 입력 측에 위치하는 공급 유로관, 상기 유체 분리막 모듈의 출력 측에 위치하는 배출 유로관, 및 상기 공급 유로관을 통해 상기 유체 분리막 모듈과 연결되며, 유체를 가압하는 압축기를 포함하되, 상기 공급 유로관의 적어도 일부와 상기 배출 유로관의 적어도 일부는 인접 배치되어 열교환부를 구성한다.
기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 유체 분리 장치에 의하면, 가스의 온도를 적절하게 상승 및 하강시키면서도 에너지 절감이 가능하다.
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 장치를 포함하는 화력 발전 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막 모듈의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리막 모듈의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리막 모듈의 개략도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막의 사시도이다.
도 7는 도 6의 VII-VII'선을 따라 자른 단면도이다.
도 8은 유체 분리막과 그 내부에 삽입된 이격재가 삽입된 형상을 나타내는 사시도이다.
도 9은 도 8의 이격재의 평면도이다.
도 10은 도 8의 X-X'선을 따라 자른 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리막과 이격재의 분해 사시도이다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치는 화력 발전소 등에 설치되어, 화력 발전소로부터 배출되는 배기 가스로부터 특정 유체, 예를 들어 이산화탄소를 분리 및 포집하는 데에 적용될 수 있다. 이하의 실시예에서는 유체 분리 장치가 화력 발전소에 설치된 경우를 예로 하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치를 포함하는 화력 발전 시스템의 개략도이다.
도 1을 참조하면, 화력 발전 시스템(1000)은 연소실(1200), 연소실(1200)로부터 배출된 배기 가스를 제공받는 유체 분리 장치(1100), 및 유체 분리 장치(1100)와 연결된 배기 연돌(1400)을 포함할 수 있다. 화력 발전 시스템(1000)은 연소실(1200)과 유체 분리 장치(1100) 사이에 배기 가스 정화 장치(1300)를 더 포함할 수 있다. 각 장치들 사이에는 배기 가스가 이동하는 유로관(1500)이 설치될 수 있다.
연소실(1200)은 화석 연료를 연소하고, 그 열에 의해 급수를 승온하여 증기를 생성한다. 생성된 증기는 발전 터빈으로 보내져 발전을 하게 된다. 연소실(1200)에서 배출된 배기 가스는 유로관(1500)을 통해 배출된다.
유로관(1500)을 통해 배출된 배기 가스는 배기 가스 정화 장치(1300)로 공급된다. 배기 가스 정화 장치(1300)는 배기 가스의 성분에 따라 적절한 장치가 선택될 수 있다. 예를 들어, 연소실에서 배출되는 배기 가스가 먼지, 질산화물과 황산화물을 포함할 경우, 배기 가스 정화 장치(1300)는 탈진 장치(1310), 탈질 장치(1320), 탈황 장치(1330)를 포함할 수 있다. 탈진 장치(1310)는 배기 가스에 혼합되어 있는 먼지를 제거한다. 탈질 장치(1320)는 배기 가스에 혼합되어 있는 질산화물을 제거한다. 탈황 장치(1330)는 배기 가스에 혼합된 황산화물을 제거한다. 탈진 장치(1310), 탈질 장치(1320), 탈황 장치(1330)는 각각 별개의 설비로 제공되고, 각각 유로관(1500)에 의해 직렬로 연결될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 상술한 2 이상의 장치가 하나의 설비에 통합될 수도 있다.
배기 가스 정화 장치(1300)를 통해 유해 성분이 제거된 배기 가스는 배기 연돌(1400)로 방출되기 전, 유체 분리 장치(1100)에 제공된다. 유체 분리 장치(1100)는 배기 가스에 포함된 유체 중 특정 유체를 분리하고 잔여 기체를 배출한다. 유체 분리 장치(1100)로부터 배출된 잔여 기체는 유로관(1300)을 통해 배기 연돌(1400)로 전달되어 외부로 배출된다.
이하, 유체 분리 장치(1100)에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 유체 분리 장치(1100)는 유체 분리막 모듈(1110), 압축기(1120), 및 공급 및 배출 유로관(1510, 1520)을 포함한다.
유체 분리막 모듈(1110)은 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체를 분리하는 데에 사용되는 장치이다. 본 실시예에서, 유체 분리막 모듈(1110)은 유체 혼합물(MF)로서 이산화탄소와 질소 등을 함유하는 배기 가스를 공급받아, 그로부터 특정 유체인 이산화탄소를 분리할 수 있다. 유체 분리막 모듈(1110)은 유체 투입구 및 유체 배출구를 포함한다. 유체 배출구는 고농도의 이산화탄소가 배출되는 제1 유체 배출구 및 잔여 가스가 배출되는 제2 유체 배출구를 포함한다. 유체 분리막 모듈(1110)에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
한편, 유체 분리막 모듈(1110)은 공급되는 기체의 압력이 높을수록 분리도가 증가한다. 따라서, 압축기(1120)를 통해 배기 가스의 압력을 높임으로써, 유체 분리막 모듈(1110)의 분리 효율을 증가시킬 수 있다. 이를 위하여 유체 분리막 모듈(1110)을 기준으로 공급단에 압축기(1120)가 배치된다. 압축기(1120)는 유로관(1500)을 통해 전달된 배기 가스의 압력을 높이는 역할을 한다. 예를 들어, 배기 가스 정화 장치(1300)를 통해 정화된 배기 가스의 압력이 1bar인 경우, 압축기(1120)는 배기 가스의 압력을 4bar로 상승시킬 수 있다. 압축기(1120)에 의해 배기 가스의 압력이 올라가면 배기 가스의 온도도 상승한다. 예를 들어, 배기 가스 정화 장치(1300)를 통해 정화된 배기 가스의 온도가 60 내지 80℃인 경우, 압축기(1120)에 의해 가압된 배기 가스의 온도는 150 내지 200℃일 수 있다.
유로관(1500)은 유체 분리막 모듈(1110)을 기준으로 입력 측에 위치하는 공급 유로관(1510)과 출력 측에 위치하여 배출 유로관(1520)을 포함한다. 공급 유로관(1510)은 압축기(1120)와 유체 분리막 모듈(1110)을 연결할 수 있다. 배출 유로관(1520)은 유체 분리막 모듈(1110)과 배기 연돌 사이를 연결할 수 있다. 공급 유로관(1510)을 통해 흐르는 유체는 유체 분리막 모듈(1110)에서 일부가 분리되고, 나머지 일부가 배출 유로관(1520)을 통해 이동한다. 즉, 배출 유로관(1520)을 통해 흐르는 유체는 모두 공급 유로관(1510)을 통해 이동하였던 유체이다.
한편, 유체 분리막 모듈(1110)에 공급되는 배기 가스는 압력이 높은 것이 유리하지만, 온도가 너무 높을 경우 분리막이 손상될 수 있다. 따라서, 압축기(1120)의 가압에 의해 과도하게 온도가 상승한 배기 가스를 다시 냉각시키는 것이 바람직하다. 예를 들어, 150 내지 200℃인 배기 가스의 온도를 60 내지 80℃까지 하강시킨 후 유체 분리막 모듈(1110)에 제공할 수 있다.
아울러, 배기 연돌(1400)을 통해 배출되는 배기 가스는 온도가 낮으면 이동 속도가 낮아지므로, 결로 현상이 발생하거나 배기 가스에 잔류하는 미세먼지, 황산화물 등이 배기 연돌(1400)의 벽에 부착될 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 배기 가스의 온도가 외부의 대기 온도에 비해 충분히 높은 것이 바람직하다. 예를 들어, 유체 분리막 모듈(1110)로 공급되는 배기 가스의 온도가 60 내지 80℃인 경우, 유체 분리막 모듈(1110)을 통과하여 배출되는 배기 가스(잔여가스)의 온도는 더 낮아져 그 온도가 50 내지 70℃ 정도가 될 수 있다. 배출 유로관(1520)을 통과하면서 그 온도가 더욱 낮아져, 배기 가스의 온도는 40 내지 50℃ 정도가 될 수 있다. 그러나, 이 정도의 온도로는 상술한 결로 등의 문제를 해결하기에 충분하지 않다. 이에, 배기 연돌(1400)로 진입하기 전 그 온도를 예컨대, 90 내지 100℃ 수준으로 상승시키는 것이 바람직하다.
즉, 유체 분리막 모듈(1110)에 공급되는 배기 가스는 온도를 하강시키고, 유체 분리막 모듈(1110)에서 배출되는 배기 가스는 온도를 상승시키는 것이 바람직하다. 하나의 해결 방안은 공급 유로관(1510)에 냉각기를 설치하고, 배출 유로관(1520)에 히터를 설치하는 것이다. 그러나, 냉각기와 히터를 동시에 설치하는 것은 에너지 관점에서 비효율적이다.
효과적인 온도 상승과 하강을 동시에 달성하기 위해, 공급 유로관(1510)의 적어도 일부와 배출 유로관(1520)의 적어도 일부가 인접하도록 배치된다. 인접 배치된 공급 유로관(1510) 및 배출 유로관(1520)은 열교환부를 구성한다. 즉, 공급 유로관(1510)을 통과하는 높은 온도의 배기 가스는 인접한 배출 유로관(1520)을 통과하는 상대적으로 낮은 온도의 배기 가스 측으로 열에너지를 빼앗겨 온도가 낮아지고, 반대로 배출 유로관(1520)을 통과하는 낮은 온도의 배기 가스는 인접한 공급 유로관(1510)을 통과하는 상대적으로 높은 온도의 배기 가스로부터 열에너지를 얻어 온도가 높아진다. 상술한 바와 같이, 배출 유로관(1520)을 통과하는 배기 가스는 모두 공급 유로관(1510)을 지나온 것으로서, 해당 배기 가스는 승온 역할 및 냉각 역할을 모두 수행하는 셈이 된다.
공급 유로관(1510)을 통과하는 배기 가스의 온도 하강 목표치가 배출 유로관(1520)을 통과하는 배기 가스의 온도 상승 목표치보다 큰 경우에는 열교환부 내에 머루르는 배기 가스의 양을 조절함으로써, 원하는 목표치를 맞출 수 있다. 예를 들어, 열교환부에서 배출 유로관(1520)의 직경을 공급 유로관(1510)의 직경보다 더 크게 설치하면, 열교환부를 통과한 공급 유로관(1510)의 배기 가스 온도가 더 낮아질 수 있다.
열교환 효율을 더욱 높이기 위해, 열교환부의 공급 유로관(1510)에서 배기 가스의 이동 방향과 배출 유로관(1520) 배기 가스의 이동 방향은 반대일 수 있다.
도면으로 도시하지는 않았지만, 열교환부는 인접 배치된 공급 유로관(1510)과 배출 유로관(1520) 이외에, 열 손실을 방지하기 위한 챔버를 더 포함할 수 있다. 또한, 열교환부 이외에 바람직한 온도 도달을 보조하기 위해 냉각기 및/또는 히터가 더 설치될 수도 있다. 이 경우에도, 에너지 효율이 증가함은 물론이다.
유체 분리막 모듈(1110)과 열교환부 사이의 배출 유로관(1520)에는 압력 조절기(1130)가 설치될 수 있다. 압력 조절기는 배기 가스의 압력을 조절함으로써, 열교환부로 진입하는 유체의 속도를 제어하는 한편, 동력을 회수하여 재활용할 수 있도록 한다. 압력 조절기(1130)는 예컨대 터보 익스팬더일 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 상술한 유체 분리 장치에 적용가능한 다양한 실시예에 따른 유체 분리막 모듈에 대해 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막 모듈의 개략도이다. 도 3을 참조하면, 유체 분리막 모듈(1)은 챔버(20), 챔버(20) 내부에 배치된 유체 분리막(10), 및 이격재(미도시)를 포함한다. 설명의 편의를 위해 도 3에서는 이격재의 도시를 생략하였다.
유체 분리막(10)은 튜브 형상으로 이루어질 수 있다. 유체 분리막(10)의 내부(10s1)와 유체 분리막(10)의 외부(10s2)는 유체 분리막(10)을 기준으로 물리적으로 분리되어 있다. 즉, 유체 분리막(10)을 기준으로 공간이 분할된다. 적어도 일부의 유체는 유체 분리막(10)의 벽(10S1)을 통과하여 유체 분리막(10)의 내외부(10s1, 10s2)를 소통할 수 있고, 이것이 특정 유체, 예컨대 이산화탄소의 분리에 이용된다.
유체 분리막(10) 내부에는 이격재(미도시)가 배치될 수 있다. 이격재는 유체 분리막(10)의 내벽이 상호 밀착하는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 이격재에 대한 상세한 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.
유체 투입구(25)는 배기 가스와 같은 유체 혼합물(MF)이 챔버(20) 내부로 투입(입력)되는 통로가 된다. 예를 들어, 유체 투입구(25)는 공급 유로관과 연결된다. 일 실시예에서, 유체 투입구(25)는 도 3에 도시된 바와 같이, 유체 분리막(10)의 내부 공간과 연결되지 않는다. 이 경우, 유체 혼합물(MF)은 유체 투입구(25)를 통해 챔버(20) 내부이자 유체 분리막(10)의 외부(10s2)로 투입된다.
제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)는 분리된 유체(MF1, MF2)가 챔버 외부로 배출(출력)되는 통로가 된다. 제1 유체 배출구(21)는 유체 분리막(10)의 내부 공간과 공간적으로 연결되고, 외부의 이산화탄소 저장 장치와 연결될 수 있다. 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(10)의 내부 공간과 연결되지 않으며, 배출 유로관과 연결된다.
챔버(20) 내부에 투입된 유체 혼합물 중 유체 분리막(10)을 통해 유체 분리막(10)의 내부(10s1)로 이동한 유체 성분들은 제1 유체 배출구(21) 측으로 배출('MF1' 참조)되어 그에 연결된 이산화탄소 저장 장치에 수집될 수 있다. 유체 분리막(10) 외부(10s2)에 잔류한 유체 성분들은 제2 유체 배출구(22) 측으로 배출('MF2' 참조)되어 그에 연결된 배출 유로관을 통해 배기 연돌로 전달될 수 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리막 모듈의 개략도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리막 모듈(2)는 유체 혼합물(MF)이 유체 분리막(11)의 내부(11s1)로 투입되고, 특정 유체가 유체 분리막(11)의 벽(11W)을 통해 유체 분리막(11)의 외부로 분리되는 점에서 도 1의 실시예와 상이하다.
본 실시예의 경우, 제1 유체 배출구(21)에서 상대적으로 이산화탄소의 농도가 낮아진 유체 혼합물(MF1)(잔여 가스)이 배출되고, 제2 유체 배출구(22)에서 상대적으로 이산화탄소의 농도가 높은 유체 혼합물(MF2)이 배출된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리막 모듈의 개략도이다.
도 5를 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리막 모듈(3)는 유체 분리막(12)이 판상형으로 형성된 점이 도 1의 실시예와 다른 점이다.
판상형의 유체 분리막(12)은 챔버(20) 내부를 막아 공간을 분리한다. 본 실시예의 경우, 유체 분리막(12)의 일측이 도 1의 유체 분리막(10)의 외부 공간에 대응되고, 유체 분리막(12)의 타측이 도 1의 유체 분리막(10) 내부 공간에 대응된다. 유체 투입구(25)과 제1 유체 배출구(21)는 유체 분리막(12)의 일측에 형성되고, 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(12)의 타측에 형성된다. 도면으로 도시하지는 않았지만, 유체 분리막(12)이 챔버(20)의 내부 공간을 완전히 분할하지 않고, 대신 모듈화되어 제공될 수도 있다. 상기 모듈은 챔버(20) 내부에 배치되고, 해당 모듈 내에서 유체 분리막(12)이 공간을 분할하는 구조를 가질 수 있다. 상기 모듈은 외곽 공간을 한정하고 밀폐하는 최외곽 커버를 포함할 수 있고, 이 경우 챔버(20)는 생략될 수도 있다.
상술한 도 3 내지 도 5의 실시예에서, 유체 분리막(10, 11, 12)은 챔버(20) 내에 복수개가 배치될 수 있다. 튜브형 유체 분리막(10, 11)의 경우 복수의 유체 분리막(10, 11)이 인접 배치될 수 있다. 판상형 유체 분리막(12)의 경우, 복수의 유체 분리막(12)이 소정 간격을 가지며 나란하게 배치되어 챔버(20) 내부의 공간을 복수로 구분하거나, 복수의 유체 분리막(12)이 적층된 형태로 모듈화되어 제공될 수도 있다. 이 경우, 유체 분리막(12) 사이에는 유체 분리막(12)들의 밀착을 방지하는 이격재(미도시)가 배치될 수 있다.
이하, 상술한 유체 분리막 및 이격재에 대해 더욱 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리막의 사시도이다. 도 6은 튜브형 유체 분리막을 예시한다. 도 7은 도 6의 VII-VII'선을 따라 자른 단면도이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 튜브형 유체 분리막(100)은 일 방향(Z)으로 연장된 형상을 가질 수 있다. 유체 분리막(100)은 챔버 내부에서 길이 방향으로 연장된 상태로 배치될 수도 있지만, 1회 이상 절곡되어 배치될 수도 있다.
유체 분리막(100)의 연장 방향(Z)에 수직으로 자른 단면은 폐곡선을 이룬다. 유체 분리막(100)의 단면은 원형에 비해 찌그러진 형상을 갖는다. 유체 분리막(100)의 예시적인 단면 형상은 타원형이다. 타원과 원의 외주가 동일하다고 가정할 때, 타원은 원에 비해 차지하는 공간이 작다. 따라서, 동일한 공간 내에 원보다 타원이 더 많이 배치될 수 있다. 유체의 이동은 유체 분리막(100)을 통해 유체 분리막(100)의 두께 방향으로 이루어지므로, 유체가 유체 분리막(100) 표면에 노출되는 면적이 넓을 수록 유체의 이동량은 증가하게 된다. 유체 분리막(100)의 외주가 동일하다면 단면 형상이 원형이든 타원형이든 동일한 표면적을 갖기 때문에 유체의 이동량은 이론적으로 동일하다. 다만, 유체 분리막(100)의 단면 형상이 타원형이면 동일한 공간 내에 더 많은 수가 배치될 수 있으므로, 전체 표면적은 증가할 수 있다. 또한, 동수의 유체 분리막(100)을 적용하더라도, 동일한 공간 내에서 타원형의 경우가 원형의 경우에 비해 더 큰 외주, 다시 말하면 더 넓은 표면적을 가질 수 있다. 따라서, 타원형이 원형에 비해 공간 대비 유체 이동 효율은 더 큰 것으로 이해할 수 있다.
유체 분리막(100)의 단면 형상은 타원 이외에도 직사각형 또는 모서리가 둥근 직사각형 형상이나 일 방향이 길이가 상대적으로 긴 폐곡선 형상일 수 있다. 이 경우에도 원형에 비해 공간 대비 유체 이동 효율이 개선될 수 있다. 아울러, 유체 분리막(100)은 주름진 형상을 가질 수도 있다. 유체 분리막(100)이 주름진 형상을 가지면, 유체 분리막(100)은 제공된 공간 대비 더욱 넓은 표면적을 가질 수 있다.
이하의 실시예에서, 유체 분리관의 단면 형상은 타원형인 것을 예로 하여 설명하기로 한다. 또한, 단면 형상의 폭이 가장 큰 방향을 제1 방향(장경 방향, X)으로 정의하고, 그에 수직한 방향을 제2 방향(Y)으로 정의한다. 도 6을 참조하면, 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭(W1)은 제2 방향(Y)의 폭(W2)보다 크다. 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭(W1)은 이론적으로 유체 분리막(100)의 단면 외주 길이의 1/2π 보다 크고, 단면 외주 길이의 1/2이하이다. 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭(W1)이 유체 분리막(100)의 단면 외주 길이의 1/2π인 경우는 유체 분리막(100) 단면이 원인 경우이고, 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭(W1)이 유체 분리막(100)의 단면 외주 길이의 1/2인 경우는 유체 분리막(100)의 내벽이 실질적으로 밀착된 경우에 해당된다. 일 실시예에서, 유체 분리막(100) 제1 방향(X)의 폭(W1)과 유체 분리막(100) 단면 외주 길이의 비는 1/4 내지 49/100의 범위 내에서 설정될 수 있다. 상기 비율이 1/4 이상이 되어야 공간 대비 실효적인 유체 이동 효율이 개선될 수 있다. 상기 비율이 49/100 이하로 유지하는 것이 유체 분리막(100)의 내벽이 완전히 밀착되어 유체 분리막(100)의 내부(100s1)가 폐쇄되는 것을 방지하는 데에 도움을 준다.
유체 분리막(100)의 단면을 원형으로 조정하였을 때의 유체 분리막(100)의 외경은 60mm 내지 300mm인 것이 바람직하다. 상기 외경이 60mm보다 작으면 유체 분리막(100)의 두께 대비 내경이 지나치게 작아지게 되어 유체 이동 효율이 작아질 수 있다. 한편, 유체 분리막(100)의 외경이 너무 크면, 공간 대비 유체에 노출되는 유체 분리막(100)의 표면적이 감소하여 유체 이동 효율이 작아진다.
유체 분리막(100)은 특정 유체의 소통을 허용한다. 유체 분리막(100)은 특정 유체를 유체 분리막(100)의 일측과 타측의 양 방향으로 소통시킬 수 있다. 특정 유체는 유체 분리막(100)의 표면에 용해, 흡수 또는 흡착되어 매질(110) 내부를 이동함으로써 소통될 수도 있고, 화학적인 결합과 분해를 통해 유체 분리막(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 분리막(100)을 통과하기 위한 에너지는 이에 제한되는 것은 아니지만, 유체 분리막(100) 일측과 타측(튜브 형상에서는 내외부)의 압력이나 유체의 농도 차이, 유체들이 갖는 운동 에너지, 유체와 유체 분리막(100) 사이에 상호 작용하는 물리적, 화학적 에너지 등에 의해 제공될 수 있다.
유체 분리막(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 분리막(100)을 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 질소를 포함하는 공기로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 데에 용이하게 사용될 수 있다.
유체 분리막(100)은 플렉시블한 물질로 이루어질 수 있다. 유체 분리막(100)의 구성 물질이 플렉시블하면, 구부리기가 쉬워서 다양한 형상으로 설치하기 용이하다. 또한, 유체 분리막(100)은 신축성과 탄성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 튜브 형상의 유체 분리막(100)이 신축성과 탄성이 있으면, 유체 분리막(100) 내부에 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 분리막(100) 재료가 될 수 있다.
본 명세서에서, 유체 분리막(100)의 두께는 일측 표면으로부터 타측 표면 사이의 거리로 정의된다. 유체 분리막(100)에 표면 홈(112)이 형성된 경우에도, 유체 분리막(100)의 두께는 표면을 지나는 가상의 평면이 기준이 되어 측정된다.
유체 분리막(100)의 두께(d1, d2)는 외주를 따라 균일할 수 있지만, 이에 제한되지 않는다. 예를 들어, 유체 분리막(100)의 두께(d1, d2)는 대체로 제1 방향(X)을 따라 전반적으로 균일('d1' 참조)하다가 제1 방향(X)의 양 끝단에서 상대적으로 작은 각도로 꺾이는 부분(101F)에서 그 두께(d2)가 상대적으로 더 크거나 작을 수 있다.
유체 분리막(100)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 분리막(100)의 평균 두께는 유체 분리막(100)의 제조 방식과 연관이 있다. 상술한 바와 같이, 유체 분리막(100)은 대량 생산이 용이한 압출 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 고무와 같은 고분자 물질은 압출 방식에 의해 튜브 형태로 제조될 때, 0.05mm 이상의 평균 두께를 가져야 용이한 제조가 가능하며, 상업적인 대량 생산도 할 수 있다. 한편, 유체 분리막(100)의 평균 두께가 두꺼울수록 유체의 이동 거리가 길어져 분리 효율이 떨어진다. 유체 분리막(100)의 평균 두께가 2mm를 초과하면 저에너지를 사용하는 유체 분리막 모듈에서 유체 이동도가 급격히 저하될 뿐만 아니라, 공간 대비 유체 분리막(100)의 표면에 유체를 접촉시키는 면적도 감소하여 유체 분리 효율이 저하됨이 확인되었다. 따라서, 유체 분리막(100)의 평균 두께는 0.05mm 내지 2mm의 범위 내에서 선택되는 것이 바람직하다.
챔버의 내부에는 복수의 유체 분리막(100)이 배치될 수 있다. 각 유체 분리막(100)은 제2 방향(Y)을 따라 상호 근접하여 배치될 수 있다. 근접 배치된 유체 분리막(100)의 장경 방향은 상호 실질적으로 평행할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 제2 방향(Y)으로 이웃하는 유체 분리막(100)의 간격은 유체 분리막(100)의 두께 이상이고, 유체 분리막(100)의 최대폭(W1) 이하일 수 있다. 예컨대, 이웃하는 유체 분리막(100)의 간격은 0.1mm 내지 500mm의 범위를 가질 수 있다. 이웃하는 유체 분리막(100)의 간격이 0.1mm 이상 확보되면, 이웃하는 유체 분리막(100) 사이에 상호 밀착됨으로써, 유체가 소통하는 유체 분리막(100)의 실효적인 표면적이 감소하는 것이 방지될 수 있다. 이웃하는 유체 분리막(100)의 간격을 500mm 이하로 함으로써, 챔버의 한정된 공간 내에서 유체가 유체 분리막(100)의 표면에 접하는 면적을 충분하게 늘릴 수 있다.
복수의 유체 분리막(100)은 제2 방향(Y)을 따라 하나의 열을 이룰 수 있다. 또한, 챔버 내부에는 유체 분리막(100) 열이 행 방향으로 복수개 배치되는 것도 가능하다.
유체 분리막 모듈은 상술한 유체 분리막(100) 외에, 유체 분리막(100) 내에 삽입된 이격재를 더 포함할 수 있다.
도 8은 유체 분리막과 그 내부에 삽입된 이격재가 삽입된 형상을 나타내는 사시도이다. 도 9는 도 8의 이격재의 평면도이다. 도 10은 도 8의 X-X'선을 따라 자른 단면도이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 튜브 형상의 유체 분리막(100)의 내부(100s1)에는 이격재(150)가 배치될 수 있다. 이격재(150)는 유체 분리막(100) 내부(100s1)에 배치되어 유체 분리막(100)의 내벽이 밀착되어 폐쇄되는 것을 방지한다.
이격재(150)는 유체 분리막(100)과 동일한 길이를 가져 유체 분리막(100)의 연장 방향 전체에 걸쳐 배치될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니고, 이격재(150)가 유체 분리막(100)의 일부분, 예컨대 중앙부에 배치되고, 유체 분리막(100)의 일 단부 또는 양 단부 부근에는 배치되지 않을 수도 있다. 또한, 길이 방향으로 복수의 이격재(150)가 배치될 수도 있다. 복수의 이격재(150)는 상호 이격되어 배치될 수도 있다.
이격재(150)의 폭(W3) 방향은 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)에 대응되고, 이격재(150)의 두께 방향은 유체 분리막(100)의 제2 방향(Y)에 대응될 수 있다. 이격재(150)의 폭(W3)은 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경(=W1-2*d2)보다 작거나 같다. 이격재(150)의 폭(W3)이 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경과 동일하거나 그에 근접할수록, 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 이격재(150)의 유동이 억제되고, 폭(W3) 방향으로 이격재(150)가 배치되지 않은 공간에서 유체 분리막(100)의 내벽이 밀착되는 정도를 줄일 수 있다. 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경의 0.5배 이상이면, 이격재(150)의 유동과 유체 분리막(100)의 내벽의 밀착 방지에 관한 유의미한 효과가 있는 것으로 확인된다. 이러한 관점에서, 이격재(150)의 폭(W3)은 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경의 0.5 내지 1배의 범위를 가질 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이격재(150)는 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 길이 방향으로 1회 이상 구부러지거나 접힌 구조로 배치될 수 있다. 예를 들어, 이격재(150)를 펼쳤을 때의 최대 폭이 유체 분리막(100)의 최대 폭(W1)보다 클 경우, 이격재(150)는 길이 방향으로 1회 이상 구부러지거나 접혀야 유체 분리막(100) 내부(100s1)로 삽입될 수 있다. 다만, 이 경우에도 본 명세서에서는 이격재(150)의 폭(W3)은 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 구부러지거나 접힌 상태의 제1 방향(X)의 폭으로 정의하기로 한다.
이격재(150)는 두께 방향(제2 방향)으로 유체가 소통할 수 있는 복수의 개구(152)를 갖는다. 예시적인 실시예에서, 이격재(150)는 그물망 형상을 가질 수 있다. 복수의 개구(152)는 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 유체가 머무르거나 이동할 수 있는 공간을 제공한다.
이격재(150)는 길이 방향(Z)으로 유체 이동 통로(154)를 제공할 수 있다. 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 길이 방향(Z)으로의 유체 이동 통로(154)는 분리된 유체를 유체 분리막(100)의 일단으로 전달하기 위해 필요하다. 만약, 유체 분리막(100)의 내외부(100s1, 100s2)간 압력차이 등에 의해 유체 분리막(100)이 이격재(150)에 완전히 밀착되는 경우, 이격재(150)에 두께 방향으로의 개구(152)만 존재한다면, 유체는 이격재(150)의 개구(152) 내부에 갖히게 되어 유체 분리막(100)의 일단으로 전달되기 어렵다. 이를 방지하기 위해, 이격재(150)는 길이 방향(Z)으로의 유체 이동 통로(154)를 제공하는 구성을 포함할 수 있다. 상기 구성의 예로서, 꼬인 그물망 구조의 이격재(150)가 적용될 수 있다.
꼬인 그물망 구조는, 도 9의 확대도에 예시된 바와 같이, 그물을 구성하는 일 방향의 실(150a)들과 타 방향의 실(150b)들이 서로 교차할 때, 아래로 교차와 위로 교차를 반복하여 이루어진 구성이다. 따라서, 유체 분리막(100)의 내표면이 이격재(150)에 밀착되더라도, 실들(150a, 150b)의 교차 영역에 틈이 유지될 수 있다. 이러한 틈이 길이 방향(Z)의 유체 이동 통로(154)를 제공할 수 있다.
몇몇 실시예에서, 이격재(150)는 폭(W3) 방향(제1 방향)으로도 유체 이동 통로를 제공할 수 있다. 도 9의 꼬인 그물망 구조는 실들(150a, 150b)의 교차 영역에 틈이 유지되므로, 길이 방향(Z)의 유체 이동 통로(154) 뿐만 아니라, 폭(W3) 방향의 유체 이동 통로도 제공할 수 있다.
이격재(150)는 합성 수지, 나일론, 폴리 에스테르 등의 고분자 물질이나, 금속 재질로 이루어질 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리막과 이격재의 분해 사시도이다. 도 11은 판상형 유체 분리막을 예시한다.
판상형 유체 분리막(102)은 직사각형 형상으로 형성될 수 있다. 판상형 유체 분리막(102)은 여러 장이 겹치도록 적층될 수 있다. 이웃하는 판상형 유체 분리막(102) 사이의 공간은 혼합 유체가 제공되는 입력 공간(SP_IN)과 혼합 유체로부터 유체 분리막(102)을 통해 분리된 유체가 진입하는 분리 공간(SP_OUT)으로 구분될 수 있다. 입력 공간(SP_IN)과 분리 공간(SP_OUT)은 교대로 배치될 수 있다. 분리 공간(SP_OUT)에 음압이 걸리는 경우, 이웃하는 유체 분리막(102)이 상호 밀착되어 폐쇄되는 것을 방지하기 위해 이격재(150)는 분리 공간(SP_OUT)에 선택적으로 배치될 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.
1000: 화력 발전 시스템
1100: 유체 분리 장치
1200: 연소실
1300: 배기 가스 정화 장치
1400: 배기 연돌
1500: 유로관

Claims (8)

  1. 유체 분리막을 포함하는 유체 분리막 모듈;
    상기 유체 분리막 모듈의 입력 측에 위치하는 공급 유로관;
    상기 유체 분리막 모듈의 출력 측에 위치하며, 상기 유체 분리막 모듈과 배기 연돌 사이를 연결하는 배출 유로관; 및
    상기 공급 유로관을 통해 상기 유체 분리막 모듈과 연결되며, 유체를 가압하는 압축기를 포함하되,
    상기 공급 유로관의 적어도 일부와 상기 배출 유로관의 적어도 일부는 인접 배치되어 열교환부를 구성하며,
    상기 열교환부에서 상기 배출 유로관의 직경은 상기 공급 유로관의 직경보다 크고,
    상기 열교환부에서 상기 공급 유로관을 이동하는 유체는 상기 배출 유로관을 이동하는 유체보다 고온이며,
    상기 열교환부의 상기 공급 유로관에서 이동하는 유체의 이동 방향은 상기 열교환부의 상기 배출 유로관을 이동하는 유체의 이동 방향과 반대인 유체 분리 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 배출 유로관을 이동하는 유체는 상기 공급 유로관을 이동한 유체인 유체 분리 장치.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 열교환부에 보조하여 상기 공급 유로관 또는 배출 유로관의 온도를 조절하는 냉각기 또는 히터를 더 포함하는 유체 분리 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 분리막은 실리콘 고무를 포함하는 유체 분리 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 분리막은 일 방향으로 연장되고, 단면 형상이 제1 방향의 폭이 제2 방향의 폭보다 큰 폐곡선 형상을 갖는 튜브형 분리막인 유체 분리 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 유체 분리막은 폭 방향이 상기 제1 방향에 대응되도록 상기 유체 분리막의 내부에 배치된 이격재를 더 포함하는 유체 분리 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 분리막은 판상형 분리막이고, 상기 유체 분리막 모듈은 적층된 복수의 상기 유체 분리막을 포함하는 유체 분리 장치.

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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR200368690Y1 (ko) * 2004-08-16 2004-12-03 김정학 침지형 평막 여과장치
JP3974616B2 (ja) * 2002-07-26 2007-09-12 デーウー・エレクトロニクス・コーポレイション 空調システムの酸素富化空気供給装置
KR100766749B1 (ko) * 2006-08-16 2007-10-12 주식회사 에코프로 과불화화합물 가스를 포함하는 대용량 배기가스 처리방법및 그 처리장치
JP2009101311A (ja) * 2007-10-24 2009-05-14 Sumitomo Electric Fine Polymer Inc 濾過用分離膜エレメント及び濾過用膜モジュール
JP2016500570A (ja) * 2012-10-31 2016-01-14 メンブレン テクノロジー アンド リサーチ インコーポレイテッドＭｅｍｂｒａｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｉｎｃ． ガス燃焼発電及びｃｏ２回収と統合した掃引ベースの膜ガス分離

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101483734B1 (ko) * 2013-06-27 2015-01-21 한국에너지기술연구원 혼합가스 분리방법 및 분리장치

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3974616B2 (ja) * 2002-07-26 2007-09-12 デーウー・エレクトロニクス・コーポレイション 空調システムの酸素富化空気供給装置
KR200368690Y1 (ko) * 2004-08-16 2004-12-03 김정학 침지형 평막 여과장치
KR100766749B1 (ko) * 2006-08-16 2007-10-12 주식회사 에코프로 과불화화합물 가스를 포함하는 대용량 배기가스 처리방법및 그 처리장치
JP2009101311A (ja) * 2007-10-24 2009-05-14 Sumitomo Electric Fine Polymer Inc 濾過用分離膜エレメント及び濾過用膜モジュール
JP2016500570A (ja) * 2012-10-31 2016-01-14 メンブレン テクノロジー アンド リサーチ インコーポレイテッドＭｅｍｂｒａｎｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄ Ｒｅｓｅａｒｃｈ， Ｉｎｃ． ガス燃焼発電及びｃｏ２回収と統合した掃引ベースの膜ガス分離

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