KR101984553B1 - 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가압식 막모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되어 좁은 유입관으로부터 유입되는 강한 수압을 가진 유입수가 막에 도달하기 전에 균등하게 배분되어 유입되도록 함으로써 유입압력과 유입속도는 저하되지 않도록 하면서도 유입수를 분리막에 균등하게 배분되도록 하여 막의 단사 또는 부분적으로 막이 오염되는 것으로 최소화하도록 하기 위한 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치에 관한 것이다.
본 발명은 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설됨으로써 유입관을 통해 막 모듈로 유입되는 강한 압력을 가진 유입수가 막에 닿기 전에 균등하게 배분되도록 하면서도 장치 부설로 인한 유입수의 유속 상실이나 유입압력의 저하를 방지함으로써 막의 단사 혹은 부분적인 막오염을 미연에 방지할 있도록 한다는 장점이 있다.

Description

가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치{EQUI-FLOW DISTRIBUTION DEVICE}

본 발명은 가압식 막모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되어 좁은 유입관으로부터 유입되는 강한 수압을 가진 유입수가 막에 도달하기 전에 균등하게 배분되어 유입되도록 함으로써 유입압력과 유입속도는 저하되지 않도록 하면서도 유입수를 분리막에 균등하게 배분되도록 하여 막의 단사 또는 부분적으로 막이 오염되는 것으로 최소화하도록 하기 위한 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치에 관한 것이다.

막을 이용한 분리, 정제 및 분획은 산업 전반에 걸쳐 오늘날 광범위하게 이루어지고 있다. 특히, 처리액과 피처리액에 의하여 물질의 여과, 투석 등을 행하는 중공사막 모듈은 단위 용적당 유효 막 면적을 크게 할 수 있기 때문에 지금까지 정밀 여과, 한외 여과 등의 수처리, 가스분리, 의약품 및 바이오 분야에서 많이 사용되고 있다. 그러나 일반적으로 분리막을 이용하여 용액에 존재하는 입자성 물질이나 용질을 분리하고자 할 때 용액 내에 존재하여 제거하고자 하는 입자들은 확산 속도가 매우 작기 때문에 막의 중심부와 표면 사이의 농도 구배가 크더라도 쉽게 역 확산이 일어나지 않아 막의 표면 근처에서 용질의 농도가 증가되는 농도 분극 현상이 발생하거나 분리막 표면에서 용질 연속상으로 상전이가 발생하여 용질층이 형성되기도 하며, 작은 용질 입자는 큰 기공의 벽에 흡착되기도 하고 기공과 비슷한 크기의 입자에 의해 기공이 차폐되기도 하는 분리막 오염 현상이 발생하기도 한다.

한편, 중공사 분리막의 경우 실제 산업공정에 적용하기 위하여 많은 양의 중공사막을 다발 형태로 집속시키는 모듈을 사용하고 있다. 일반적인 가압식 모듈의 대표적인 형태는 도 1에서 도시한 바와 같이 원수가 주입되는 유입부가 모듈의 하단에 구비되어 있어 원수가 하단으로 유입되어 중공사 막들이 집속되어 있는 우레탄 포팅 사이의 중공사 막 내부로 이동하고, 여과된 여과수는 상부에 설치되어 있는 여과부로 유출되며, 중공사막을 통과하지 못한 농축수가 배출되는 농축부가 모듈 상단의 측부에, 공기주입부가 모듈의 하단에 설치되어 있는 구조이다. 이러한 일반적인 가압식 모듈은 그 구조상 유입된 원수가 처리된 후 생성된 농축수 및 역세 또는 공기 세정을 위하여 주입되는 역세수 및 공기가 모듈 아래쪽 유입부와 위쪽 측부의 농축부 간의 비대칭적인 이동경로를 따라서 지나게 되는 물과 공기의 흐름에 의하여 중공사 막들이 한쪽 방향으로 이동하기 때문에 압력 및 선속도가 모듈 내부에서 균일하지 않고, 막 모듈의 오염 발생시 수행하는 역세공정과 공기세정 공정시 농축부 주위에서 받게 되는 스트레스가 증가하게 되며, 그에 따라 분리막의 끊어짐이나 늘어짐 및 농축수의 병목현상(정체현상) 등이 발생하게 되는 문제점이 있었다.

이러한 문제점을 해결하기 위해 처리수 또는 세정공기 등의 유체의 흐름을 용이하게 하거나 고른 분포를 갖도록 하는 배플 형태 등의 구조를 도입한 분리막 모듈에 대한 다양한 제안이 있었는데 이를 구체적으로 살펴보면, 대한민국특허출원 제10-2010-0129379호에서는 유입수가 모듈의 내부에서 회전하면서 중공사 분리막과 접촉하고 유입수 중 물과 비중이 다른 이물질들이 원심력에 의하여 분리되도록 유도하는 회전 분배판과 유입수가 모듈 내에서 불균등 흐름이 이루어지지 않도록 균등 분배를 구현하는 유입수 분배구에 대한 기술을 개시하고 있고, 대한민국특허출원 제10-2004-0034492호 및 일본국특허출원 제2009-195899호에서는 중공사막 모듈에 관한 것으로 중공사 분리막 모듈의 격벽에 케이싱통의 축에 대하여 경사진 방향으로 연장하는 슬릿을 구비한 배플통을 내재시킨 중공사 모듈로서 격벽부재가 케이싱 통으로부터 박리되거나 빠져나오는 것을 방지하며 처리액이 모듈 내로 유입되는 것을 방지하고자 하는 기술을 개시하고 있다. 한편, 분리막 모듈에 관한 일본국특허출원 제2010-247107호에서는 모듈 내부에 배플판을 가지고 이 배플판으로 중공사 분리막을 복수개 고정하는 것을 특징으로 하며 분리막의 표면에 공급액의 유속을 빠르고 난류인 상태로 유지하여 분리막 모듈 내의 유체의 흐름을 양호하도록 하는 기술로서 배플 구조가 이중관 구조의 모듈에 비하여 우수한 것이라는 내용을 개시하고 있었으나, 중공사 모듈의 운전시 중공사 막들이 한 쪽 방향으로의 쏠림과 내부 압력 및 선속도의 불균일성이 발생하고, 막 모듈의 오염 발생시 수행하는 역세 공정과 공기세정 공정 시 농축부 주위에서 중공사막들이 받는 스트레스가 증가하게 되며, 그에 따라 분리막의 끊어짐이나 늘어짐 및 농축수의 병목현상(정체현상) 등이 발생하게 되는 문제점을 해결하는 데 있어서는 그 기술적 한계가 있었다.

한편, 상술한 종래기술들의 문제점을 개선하기 위하여 대한민국특허공개 제10-2014-01114149호에서는 유입수의 흐름 방향을 길게 형성되어 있는 원통 형상의 중앙 배플을 제안한 바 있으나, 장치의 내구성 및 높은 압력이 부가되는 유입수로 인한 분리막의 손상이나 부분적인 오염 문제를 해결할 수 없다는 문제점은 여전히 남아 있었다. 아울러, 막 모듈 내부에서의 균일한 압력 및 유속을 유지하고 막 분리 효율을 높이기 위하여 대한민국특허공개 제10-2016-0039123호에서는 유체분배장치를 유입유닛과 유출유닛에 동시에 설치한 수처리 모듈에 대해 제안한 바 있었으나 유입압력을 저하하여 차압을 상승시키는 원인이 되어 막 분리 효능을 저하시킬 뿐만 아니라 기존 분리막 모듈에 복잡하고 추가적인 모듈을 설치하여야 하는 문제점 및 한계점은 여전히 남아 있었다.

선행특허 1 : 대한민국특허출원 제10-2010-0129379호 선행특허 2 : 대한민국특허공개 제10-2014-0114149호 (2014.09.26. 공개) 선행특허 3 : 대한민국특허공개 제10-2016-0039123호 (2016.04.08. 공개)

본 발명은 상술한 것과 같은 종래 기술의 문제점 및 한계점을 도출하기 위해 안출된 것으로서,

본 발명은 가압식 막분리 모듈의 유입부에 간편하게 부설되어 유입수의 유입압력 손실은 최소한으로 하되 좁은 유입관으로부터 유입된 강한 수압을 가진 유입수가 상대적으로 넓은 공간에 배치된 막 모듈의 내부로 유입 초기부터 균등하게 배분되어 막 모듈로 유입되도록 하여 유입압력이 일정 부분에 집중되는 현상을 방지하도록 하는 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명에 의한 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치는, 유입관과 상부로 갈수록 단면이 커지는 유입부본체로 구성되는 유입부, 유입부의 상부에 결합되는 막분리부 및 막분리부의 상부에 결합되는 유출부로 구성되는 가압식 막분리 모듈 중 유입부 본체의 중심부에 유입관과 이격되어 설치되며, 유입부의 길이방향으로 형성되는 본체; 본체의 하부에 형성되어 있으며 유입관을 통해 유입되는 유입수를 균등하게 분배시키는 균등배분부; 및 상기 본체에서 연장되어 형성되며 상기 유입부의 일측에 고정되도록 하는 고정부;가 포함되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 본체와 균등배분부의 형태는 전체적으로 상하로 장축인 타원구일 수 있으며, 상기 본체의 형태는 막분리부를 향하여 단면이 작아지는 원추이며 상기 균등분배부의 형태는 아래로 길게 형성되어 있는 반타원구일 수도 있다.

이때, 상기 고정부는 상기 유입부 본체의 상단면의 중심에 고정되는 것이 유입부로 유입되는 유입수의 유량을 막분리막에 전체적으로 균등하게 배분하면서도 압력 저하를 방지할 수 있다는 점에서 바람직하다.

아울러, 상기 본체와 균등배분부의 경계 부분의 단면의 폭과 상하 길이의 비는 1:1~1.3이며, 상기 본체와 균등배분부의 상하 길이의 비는 1:0.6~0.8인 것이 바람직하다.

본 발명은 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설됨으로써 유입관을 통해 막 모듈로 유입되는 강한 압력을 가진 유입수가 막에 닿기 전에 균등하게 배분되도록 하면서도 장치 부설로 인한 유입수의 유속 상실이나 유입압력의 저하를 방지함으로써 막의 단사 혹은 부분적인 막오염을 미연에 방지할 있도록 한다는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 간단하면서도 기존의 가압식 막분리 모듈에도 간편하게 추가적으로 설치할 수 있다는 점에 다른 장점이 있다.

도 1은 종래의 가압식 분리막 모듈의 구성을 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 의한 유량균등배분장치의 종류별 일실시예를 도시한 것이다.
도 3은 막 모듈을 구성하는 유입부에 본 발명에 의한 유량균등배분장치를 설치한 것을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 유량균등배분장치를 종류별로 유입부에 설치한 경우와 그렇지 않은 경우에 막분리 모듈 유입부의 상부를 9등분하여 각 위치별로 압력 및 유속을 측정하여 도시한 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 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.

이하, 첨부된 도면을 통하여 본 발명의 일실시예를 상세하기 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 가압식모듈의 구조도이며, 도 1에서 도시한 바와 같이 가압식모듈은 원수가 주입되는 유입부(10)가 모듈의 하단에 구비되어 있어 원수가 하단으로 유입되어 중공사 막들이 집속되어 있는 우레탄 포팅 사이의 중공사 막 내부로 이동하고, 여과된 여과수는 상부에 설치되어 있는 여과부로 유출되며, 중공사막을 통과하지 못한 농축수가 배출되는 농축부가 모듈 상단의 측부에, 공기주입부가 모듈의 하단에 설치되어 있는 구조이다.

도시된 도면의 경우, 세부 구성의 부호는 유입관(11)과 유입부본체(12), 그리고 막분리부(20)과, 유출부(30)을 도시한 것이다.

도 2는 도 1의 가압식 모듈 유입부의 내부에 배치되는 본 발명에 의한 유량균등분배장치의 종류별 일실시예를 도시한 것이다. 도 3은 막 모듈을 구성하는 유입부에 본 발명에 의한 유량균등배분장치를 설치한 것을 도시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 유량균등분배장치는, 유입관과 상부로 갈수록 단면이 커지는 유입부 본체로 구성되는 유입부(10), 상기 유입부의 상부에 결합되는 막분리부(20) 및 막분리(20)부의 상부에 결합되는 유출부(30)로 구성되는 가압식 막분리 모듈 중 유입부 본체(12)의 중심부에 유입관(11)과 이격되어 설치되며, 유입부(10)의 길이방향으로 형성되는 본체(100), 본체의 하부에 형성되어 있으며 유입관(11)을 통해 유입되는 유입수를 균등하게 분배시키는 균등배분부가 배치될 수 있다. 나아가 상기 본체(100)에서 연장되어 형성되며 상기 유입부(10)의 일측에 고정되도록 하는 고정부(300)가 포함되는 구성으로 구현될 수 있다.

도 2에 도시된 다양한 실시예와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 상기 본체와 균등배분부의 형태는 전체적으로 상하로 장축인 타원구형태로 구현되거나, 막분리부를 향하여 단면이 작아지는 원추형태로 구현될 수 있다.

또는, 다른 형상으로, 상기 균등배분부는 아래로 길게 형성되어 있는 반타원구 구조로 구현될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 본체와 균등배분부의 경계 부분의 단면의 폭과 상하 길이의 비는 1:1~1.3의 범위로 구성될 수 있다.

나아가, 상기 본체와 균등배분부의 상하 길이의 비는 1:0.6~0.8의 범위로 구성될 수도 있다.

본 발명의 실시예에서의 상기 고정부(300)는 상기 유입부 본체(12)의 상단면의 중심에 고정되도록 구현할 수 있다.

상술한 것과 같이, 도 2의 도시구조처럼 본 발명에 의한 유량균등배분장치의 형태는 다양하게 구성될 수 있다.

본 발명에 따른 유량균등배분장치는 유입부본체의 중심부에 상하 길이방향으로 설치되며 본체 및 유량배분부의 형태는 다양하게 형성시킬 수 있다.

본 도에 의하면, 형상 1과 2는 본체와 유량배분부가 전체적으로 하부로 좁아지는 원뿔 형태인 것을 나타내고 있으며, 형상 3은 본체가 상하로 길게 형성된 파이프이며 본체의 하단에 유량배분부가 못의 끝 부분과 같이 형성되어 있는 것을 나타내고 있다. 형상 4는 본체와 유량분배부 전체의 형태가 상하가 장축인 타원구 형태로 형성되어 있으며 고정부가 본체부의 상단에 형성되어 있는 것을 나타내고 있으며, 형상 5는 본체와 유량배분부의 전체 형태가 구 형태이되 상단부분과 하단부분이 부분적으로 횡으로 제거된 형태를 가지고 있는 것을 나타내고 있다. 형상 6은 본체는 상부로 좁아지는 원추형태이며 유량배분부는 상하가 장축인 타원구의 하부 형태로 구성된 것을 나타내고 있다.

형상 3과 형상 6에서는 고정부가 구체적으로 나타나지는 않지만 유입부본체와 결합되는 끝단부가 고정부의 역할을 하게 된다. 한편 도 3에서는 상술한 유량균등배분장치가 유입부 내에 설치되었을 때의 상태를 각각 도시하였다.

	돌출부 없음	형상 1	형상 2	형상 3	형상 4	형상 5	형상 6
유속 (m/s)	0.310	0.309	0.173	0.397	0.469	0.229	0.456
압력 (Pa)	67.7	-15.2	45.3	94.4	175	-206	-53.2

표 1은 본 발명에 의한 유량균등배분장치를 종류별로 유입부에 설치한 경우와 그렇지 않은 경우의 단면에서의 평균 유체 속도 및 압력을 보여주고 있다.

표 1에 의하면 돌출부를 형상 4와 6의 유량균등배분장치를 유입부에 설치하였을 때 돌출부 즉 유량균등배분장치를 설치하지 않았을 때보다 막분리 모듈 내에서 빠른 유속을 보임으로써 유량균등배분장치를 설치하였다 하더라도 유입수의 유속 저하가 나타나지 않고 오히려 형상 4나 6을 설치하였을 때에는 유량균등배분장치의 역할로 인하여 유량균등배분장치를 설치하지 않았을 때보다도 유속이 증가됨으로써 유량배분장치로 인한 유속저하 때문에 막분리의 효율 저하가 발생되지 않음을 확인할 수 있다.

	돌출부 없음	형상 1	형상 2	형상 3	형상 4	형상 5	형상 6
유속 (m/s)	0.519	0.097	0.041	0.063	0.081	0.014	0.204
압력 (Pa)	302	173	64.3	550	528	-142	77.1

표 2는 본 발명에 의한 유량균등배분장치를 종류별로 유입부에 설치한 경우와 그렇지 않은 경우에 막분리 모듈 유입부의 상부에서 본 유체의 평균 유속 및 압력을 보여주고 있다.

표 2에 의하면 형상 4 및 6을 유입부에 설치하였을 때 막분리 모듈 유입부의 상부에서 가장 균등한 유량배분을 보이고 있으며, 특히 형상 4의 유량균등배분장치의 유량 분배가 가장 우수함을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명에 의한 유량균등배분장치를 종류별로 유입부에 설치한 경우와 그렇지 않은 경우에 막분리 모듈 유입부의 상부를 9등분하여 각 위치별로 압력 및 유속을 측정하여 도시한 그래프이다.

도 4에 의하면 형상 4와 6을 가진 유량균등분배장치를 설치했을 때 각 위치별로 가장 작은 유속 및 압력 차이를 나타냄으로써 유량균등배분 역할을 잘 하는 것으로 확인할 수 있었으며, 특히 유형 4의 형태를 가진 유량균등배분장치의 효능이 가장 우수함을 확인할 수 있었다.

이상에서는 본 발명을 바람직한 실시예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.

10 : 유입부 11 : 유입관
12 : 유입부본체
20 : 막분리부
30 : 유출부
100 : 본체 200 : 유량배분부
300 : 고정부

Claims (5)

1. 유입관과 상부로 갈수록 단면이 커지는 유입부 본체로 구성되는 유입부(10), 유입부(10)의 상부에 결합되는 막분리부(20) 및 막분리부(20)의 상부에 결합되는 유출부(20)로 구성되는 가압식 막분리 모듈을 구성하되,
   상기 유입부 본체(12)의 중심부에 유입관과 이격되어 설치되며, 상기 유입부(10)의 길이방향으로 형성되는 본체(100);
   상기 본체(100)의 하부에 형성되어 있으며 유입관(11)을 통해 유입되는 유입수를 균등하게 분배시키는 균등배분부; 및
   상기 본체(100)에서 연장되어 형성되며 상기 유입부(10)의 일측에 고정되도록 하는 고정부(300);를 포함하고,
   상기 본체(100)의 형태는 막분리부를 향하여 단면이 작아지는 원추이며,
   상기 균등배분부는 아래로 길게 형성되어 있는 반타원구인 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 청구항 1에서,
   상기 본체(100)와 균등배분부의 경계 부분의 단면의 폭과 상하 길이의 비는 1:1~1.3이며, 상기 본체와 균등배분부의 상하 길이의 비는 1:0.6~0.8인 것을 특징으로 하는 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치
   
5. 청구항 1에서,
   상기 고정부는 상기 유입부 본체의 상단면의 중심에 고정되는 것을 특징으로 하는 가압식 막분리 모듈의 유입부에 부설되는 유량균등배분장치.

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