KR102078591B1 - 가스분리용 평판형 분리막 모듈 - Google Patents

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한국전력공사
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Abstract

본 발명을 따르는 분리막 모듈은, 내부공간을 형성하는 함체, 상기 함체의 어느 일면을 관통하도록 형성되어 상기 내부공간에 가스 혼합물을 유입시키는 제1 배관, 분리공간을 형성하여 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 상기 분리공간으로 유입시키는 분리막 조립체, 상기 함체를 관통하도록 구비되며, 상기 분리공간과 연통되어 상기 분리공간에 유입된 제1 가스를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제2 배관 및 상기 함체를 관통하며, 상기 내부공간과 연통되어 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 제외한 나머지를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제3 배관을 포함하며, 상기 분리막 조립체는 평판 형상으로 형성되어 일 방향을 따라 복수개로 구비될 수 있다.

Description

가스분리용 평판형 분리막 모듈{MEMBRANE MODULE OF FLAT SHEET TYPE FOR GAS SEPARATION}
본 발명은 지구온난화 대응 방법으로서, 연소 후 배출되는 가스에서 이산화탄소를 포집하기 위한 분리막에 관한 것이다.
지구온난화 대응 방법으로서 이산화탄소를 포집 및 이용·저장하는 기술에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있다. 연소 후 이산화탄소를 포집하는 기술에 화학흡수, 흡착, 분리막 등이 있으며 이 중 분리막 기술은 화학물질이 사용되지 않는 친환경 공정으로 추가적인 스팀이 필요하지 않아 저에너지 사용 공정으로 각광받고 있다.
분리막은 일반적으로 내압용기에 간극제 등과 함께 조립하여 모듈의 형태로 제작하여 사용하며 그 형태에 따라 평판형(Flat sheet type), 나권형(spiral wound), 튜브형(tube type), 중공사막(hollow fiber)으로 나누어진다.
가스분리용 분리막 모듈은 주입된 가스 흐름으로부터 목표 성분을 선택적으로 투과시켜 투과부 흐름으로 배출하고 나머지는 잔여가스 흐름으로 배출하는 역할을 한다.
동일 공간 내 넓은 면적의 분리막 설치를 위해 나권형, 중공사막의 분리막 모듈이 선호되고 있으나 주 이산화탄소 배출원인 연소 배기가스의 경우, 배기가스 내 먼지가 분리막의 성능저하의 원인으로 작용하여 나권형 혹은 중공사막 형태의 분리막 모듈의 적용이 어렵거나 잦은 유지 보수 혹은 전단에 먼지 제거 설비가 요구된다.
또한, 기존 평판형 분리막은 대체로 수처리에 적용되며 가스분리에 적용할 경우 투과부 흐름을 음압상태로 운전하면서 분리막이 휘어지는 등 성능 저하가 되므로 분리막을 효과적으로 고정하기 위한 추가적인 장치를 필요로 하는 문제점이 발생한다.
본 발명의 일 목적은 전술한 문제점을 해소하는 것으로서, 음압 상태로 작동되는 분리막이 휘어지는 것을 방지하기 위한 가스분리용 편판형 분리막 모듈의 구조를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 다른 일 목적은 다수의 분리막을 효과적으로 고정하여 기체와 분리막의 접촉 면적을 효과적으로 향상시킬 수 있는 가스분리용 평판형 분리막 모듈의 구조를 제공하는 것이다.
본 발명을 따르는 분리막 모듈은 내부공간을 형성하는 함체, 상기 함체의 어느 일면을 관통하도록 형성되어 상기 내부공간에 가스 혼합물을 유입시키는 제1 배관, 분리공간을 형성하여 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 상기 분리공간으로 유입시키는 분리막 조립체, 상기 함체를 관통하도록 구비되며, 상기 분리공간과 연통되어 상기 분리공간에 유입된 제1 가스를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제2 배관 및 상기 함체를 관통하며, 상기 내부공간과 연통되어 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 제외한 나머지를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제3 배관을 포함하며, 상기 분리막 조립체는 평판 형상으로 형성되어 일 방향을 따라 복수개로 구비될 수 있다.
여기서, 상기 분리막 조립체는, 서로 결합하여 상기 분리공간을 형성하는 제1 분리막과 제2 분리막, 상기 분리공간이 유지되도록 상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막 사이에 배치되는 간극제, 및 상기 분리공간에 구비되며, 상기 간극제 양측에 각각 배치되어 상기 분리공간에 유입된 상기 제1 가스를 안내하는 도류관, 및 상기 제1 가스를 외부로 배출시키도록 일측이 상기 분리공간을 연통하여 상기 도류관의 일단에 결합되며, 타측이 상기 제2 배관과 연결되는 토출관을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 분리막은 다공성으로 형성되어, 혼합가스의 투과속도 또는 분자크기에 따라 상기 가스 혼합물을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
또한, 상기 간극제는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성되며, 상기 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 도류관은 상기 함체의 높이 방향으로 연장되는 원통 형상으로 형성되며, 상기 도류관의 상기 간극제를 바라보는 방향의 외주면은 개방되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 토출관은, 형상의 변형이 가능한 재질로 이루어지며, 상기 제1 가스가 통과하는 유로가 유지되도록 상기 토출관 내부에 설치되는 토출관 스프링을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 분리막 모듈은, 상기 내부공간에 구비되며, 복수의 프레임으로 형성되는 카세트를 더 포함하며, 상기 복수의 분리막 조립체는 각각 상기 카세트에 장착될 수 있다.
여기서, 상기 분리막 모듈은, 상기 카세트에 장착되며, 상기 토출관과 상기 제2 배관 사이에 구비되는 집합관을 더 포함하며, 상기 집합관은 상기 일 방향을 따라 연장되어, 상기 복수의 분리막 조립체의 토출관과 각각 연결될 수 있다.
또한, 상기 집합관의 외주면에는 상기 토출관과 결합되는 복수의 튜브가 형성되며, 상기 복수의 튜브는 상기 일 방향을 따라 엇갈리며 형성될 수 있다.
또한, 상기 집합관은 상기 간극제 양측에 구비되는 상기 도류관과 각각 연결되는 제1 및 제2 집합관을 포함하며, 상기 제2 배관은 상기 제1 및 제2 집합관과 동시에 결합될 수 있다.
또한, 상기 분리막 모듈은, 상기 분리막 조립체를 상기 카세트에 고정시키도록 형성되는 클립을 더 포함하며, 상기 클립에는 적어도 하나 이상의 분리막 조립체가 서로 기 설정된 간격을 두고 장착될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 함체는 육면체 형상으로 형성되며, 상기 제1 배관은 상기 함체의 어느 일면을 관통하며, 상기 제2 및 제3 배관은 상기 일면과 마주하는 면을 관통할 수 있다.
또한, 상기 제1 배관은 상기 일 방향을 따라 연장되며, 상기 제1 배관의 외주면에는 상기 가스 혼합물이 유입되는 복수의 관통홀이 상기 일 방향을 따라 형성될 수 있다.
또한, 상기 제3 배관은 상기 일 방향을 따라 연장되며, 상기 제3 배관의 외주면에는 복수의 관통홀이 상기 일 방향을 따라 형성되어, 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 제외한 나머지가 유입될 수 있다.
또한, 상기 제1 배관은 상기 분리막 조립체 상측에 구비되며, 상기 제2 배관은 상기 분리막 조립체 하측에 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 및 제2 분리막은 일체로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르는 분리막 장치는 상기 분리막 모듈은 복수개로 구비되며, 상기 복수개로 구비되는 분리막 모듈은 함체의 어느 일면을 공유할 수 있다.
본 발명을 따르는 분리막 조립체는 다공성으로 형성되어 투과속도 또는 분자의 크기에 따라 가스 혼합물을 선택적으로 투과시키며, 내부공간을 형성하는 분리막, 상기 내부공간을 유지되도록 상기 내부공간에 구비되는 간극제, 상기 내부공간에 구비되며, 상기 간극제 양측에 각각 배치되어 상기 가스 혼합물 중 상기 내부공간에 유입된 가스를 안내하는 도류관, 및 상기 분리막을 관통하도록 형성되며, 일단이 상기 도류관과 결합되어 상기 도류관에 의해 안내된 가스가 외부로 통과하도록 형성되는 유로를 형성하는 토출관을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 간극제는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성되며, 상기 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 가질 수 있다.
여기서, 상기 토출관은 형상의 변형이 가능한 재질로 이루어지며, 상기 유로가 유지되도록 상기 토출관 내부에 설치되는 토출관 스프링을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르는 가스분리용 평판형 분리막 모듈은 내부에 평판 형상의 복수의 분리막 조립체가 구비되어, 주입된 가스와의 접촉면적이 넓어져 혼합물의 분리가 용이해질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 분리막 조립체는 내부에 간극제 및 도류관이 구비되어 분리막이 휘어짐에 따라 발생하는 성능 저하를 방지할 수 있다.
나아가, 도류관에는 형상이 변형 가능하도록 연성 재질로 형성된 토출관을 결합시키며, 토출관 내부에 스프링이 구비되어 가스가 이동하는 유로를 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 토출관을 용이하게 변형시킬 수 있어 집합관과의 결합이 용이해질 수 있다. 이에 따라, 분리막 모듈의 조립이 용이해질 수 있다.
또한, 다수의 분리막 조립체를 클립을 이용해 카세트에 일정 간격으로 이격시키도록 배열시키므로, 주입된 가스 혼합물와 분리막과의 접촉을 용이하게 할 수 있다.
나아가, 클립에 의해 분리막 조립체가 복수개 단위로 구비될 수 있어, 유지보수가 용이할 수 있다. 이에 따라, 먼지 등이 포함된 가스 혼합물이 주입되어 먼지 등이 분리막 조립체에 부착되는 경우, 용이하게 세척 등 유지보수를 할 수 있다. 이로 인하여, 먼지 등이 분리박 조립체에 부착되어 발생하는 성능 저하를 최소화시킬 수 있다. 또한, 분리막 조립체의 고정을 클립으로 수행함으로써 제작 비용 및 모듈 무게를 저감할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 배관이 내부에서 연장되어 복수의 관통홀을 통해 가스를 분출/유입시킬 수 있으므로, 함체 내부에 가스 혼합물이 고르게 분포시킬 수 있다. 이에 따라, 주입된 가스 혼합물와 분리막과의 접촉이 용이해질 수 있다.
도 1은 본 발명을 따르는 분리막 모듈를 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 분리막 조립체의 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 분리막 조립체의 분해 사시도.
도 4은 본 발명에 따르는 카세트를 나타내는 도면.
도 5는 도 1에 도시된 분리막 조립체와 클립의 결합된 상태는 나타내는 도면.
도 6a와 도 6b는 본 발명을 따르는 클립을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따르는 집합관을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명을 따르는 함체를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명에 따르는 분리막 장치를 나타내는 도면.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따르는 분리막 모듈은, 주입된 배기가스와 같은 다양한 가스가 혼합된 가스 혼합물에 있어서, 각각의 가스의 투과속도 또는 분자의 크기에 따라 가스를 선택적으로 투과시켜 가스 혼합물의 분리 및 목표 물질을 포집할 수 있다.
이와 같은 분리막 모듈은 이산화탄소의 분리 및 포집은 물론 수소, 질소 화합물 등 다양한 분야에 적용이 가능할 수 있다.
이하, 본 발명에 관련된 분리막 모듈에 대해, 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명을 따르는 분리막 모듈를 나타내는 도면이다.
도면을 참고하면, 본 발명을 따르는 분리막 모듈(100)은 분리막 모듈(100)의 외형을 이루는 함체(110), 상기 함체(110) 내부에 구비되어 주입된 혼합가스를 분리하는 분리막 조립체(120), 상기 함체(110)에 장착되는 제1 내지 제3 배관(130, 140, 150), 상기 함체(110) 내부에서 분리막 조립체(120)를 고정시키는 카세트(160)를 포함할 수 있다.
상기 함체(110)는 상기 분리막 모듈(100)의 외관을 이루며, 내부에 각각의 구성을 수용하는 내부공간을 형성한다. 도시된 바에 따르면, 상기 함체(110)는 육면체 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한하지 않으며, 필요 및 설계에 따라 다양한 형상으로 구비될 수 있다.
상기 함체(110)에는 상기 함체(110)의 외부 및 내부공간을 연통하도록 결합되는 상기 제1 내지 제3 배관(130, 140, 150)이 결합될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 배관(130, 140, 150)은 내부가 빈 원통형 관으로 구비될 수 있으며, 상기 가스 혼합물 또는 상기 분리막 조립체(120)에 의해 분리된 각각의 가스가 흐르는 유로를 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 배관(130)은 배기가스 등 분리시키려는 가스 혼합물을 상기 함체(110)의 내부공간에 주입시키도록 형성되며, 상기 제2 및 제3 배관(140)은 상기 분리막 조립체(120)에 의해 분리된 각각의 가스들이 배출되도록 형성될 수 있다.
한편, 분리막 조립체(120)는 상기 함체(110) 내부에 구비되어 상기 함체(110) 내부에 유입된 가스 혼합물 중 적어도 어느 하나의 가스, 제1 가스를 선택적으로 투과시켜 가스 혼합물을 다른 가스들과 분리시킬 수 있다. 이하, 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 분리막 조립체의 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 분리막 조립체의 분해 사시도이다.
도 1과 함께 본 도면들을 참고하면, 상기 분리막 조립체(120)는 일 방향을 따라 복수개로 구비될 수 있다. 또한, 상기 분리막 조립체(120) 각각은 분리막 조립체(120)는 제1 분리막(121), 제2 분리막(122), 간극제(123), 도류관(124) 및 토출관(125)을 포함할 수 있다.
상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 서로 결합하여 상기 함체(110)의 내부공간으로부터 밀폐되는 분리공간을 형성할 수 있다. 상기 분리공간에는 상기 가스 혼합물 중 제1 가스가 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)을 투과하여 유입될 수 있다.
이러한, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 고분자막, 제올라이트, 그라파이트 또는 이들의 복합체로 이루어질 수 있다. 다만, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)의 소재는 이에 한정되지 않으며, 분자의 크기 및 분리막 표면의 용해도 등을 기작으로 기체 혼합물에서 일부 물질을 선택적으로 투과시킬 수 있는 소재의 경우 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)로 사용될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 분리막은 다공성으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 고분자 실리콘(silicone)막으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 분리막 조립체(120)가 평판 형상을 이루도록 평판 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 각각 사각형 형상을 지닐 수 있다.
한편, 분리막 조립체(120)는 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)에 의해 형성된 상기 분리공간을 유지시키도록 형성되는 간극제(123)를 포함할 수 있다. 상기 간극제(123)는 상기 분리공간에 구비되며, 연성재질로 형성되는 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)이 휘어지지 않도록 지지하는 지지대 역할을 수행할 수 있다.
또한, 간극제(123)는 상기 함체(110)의 사익 내부공간으로 유입되는 상기 가스 혼합물과 상기 분리공간으로 분리되어 유입된 상기 제1 가스간의 압력차에 의하여 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)이 수축, 팽창하는 경우, 이를 지지하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 간극제(123)는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성될 수 있다. 이러한 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 간극제(123)에 의하여, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 상기 함체(110)의 상기 내부공간과 분리공간의 압력 차이에 의해 분리막이 과하게 팽창되거나 압착되는 현상을 방지하여, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)을 상기 분리공간이 유지되도록 일정한 간격을 갖도록 유지시킬 수 있다.
한편, 상기 간극제(123)의 양측에는 분리공간으로 유입된 제1 가스를 배출시키도록 안내하는 도류관(124)을 더 포함할 수 있다.
상기 도류관(124)은 어느 일 방향을 따라 연장되는 원통형 관 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 일 방향을 따라 어느 일측이 개방되도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 도류관(124)을 위에서 바라본 경우, C형상을 이루도록 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 도류관(124)의 상기 간극제(123)를 바라보는 방향의 외주면은 개방되도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 일 방향이란, 평판형 형상으로 형성되는 상기 분리막 조립체(120)의 면을 따르는 방향일 수 있다.
상기 도류관(124)은 2개로 구비되어 상기 간극제(123)를 사이에 두고 배치될 수 있다. 다만, 이에 한하지 않으며, 어느 일측에만 구비될 수 있다. 또한, 상기 도류관(124)은 개방된 영역에 상기 간극제(123)가 끼워질 수 있다.
상기 도류관(124)은 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)의 면을 투과하여 상기 분리공간으로 유입된 제1 가스를 후술할 토출관(125)으로 안내하는 안내 유로를 이룰 수 있다.
또한, 상기 도류관(124)의 일 단부에는 토출관(125)이 결합될 수 있다. 상기 토출관(125)은 상기 분리공간으로 유입되는 제1 가스를 상기 함체(110)의 외부로 배출시키도록 상기 제2 배관(140)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 토출관(125)은 상기 제1 가스의 배출 유로의 일부를 형성할 수 있다.
상기 토출관(125)은 상기 분리공간과 상기 내부공간을 연통하도록 상기 제1 및 제2 분리막(121, 123) 사이에 구비될 수 있다.
상기 토출관(125)은 상기 도류관(124) 및 후술할 집합관(180)과의 결합이 용이하도록 연질의 재질로 형성될 수 있다. 즉, 상기 토출관(125)은 형상 변형 가능한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 토출관(125)은 고무 소재, 고분자 소재, 테프론 등의 연질의 튜브로 형성될 수 있다.
한편, 상기 토출관(125)의 내부에는 토출관 스프링(126)이 구비될 수 있다. 상기 토출관 스프링(126)은 연질의 재질로 형성되는 상기 토출관(125)이 눌리거나 꺽임 등에 따라 막히는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 토출관 스프링(126)은 상기 제1 가스의 배출 유로를 유지할 수 있다.
이와 같은 상기 토출관(125)의 내부에 구비되는 상기 토출관 스프링(126)에 의하여 형상이 변형되면서도 제1 가스 배출유로를 유지할 수 있으므로, 분리막 모듈(100)의 조립이 용이해질 수 있다.
도시된 바에 따르면, 상기 토출관(125)은 상기 분리막 조립체(120)의 하측에 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한하지 않으며, 측면 또는 상측에 구비될 수 있다.
이러한, 상기 토출관(125)은 후술한 집합관(180)에 결합될 수 있으며, 상기 집합관(180)은 상기 제2 배관(140)과 연결되어 상기 제1 가스를 상기 함체(110) 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 이와 같은 상기 분리막 조립체(120)는 제작시, 별개의 부재로 이루어진 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)을 접합하여 제작할 수 있다. 구체적으로, 전술한 바와 같이 각각 사각형 형상으로 이루어진 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122) 사이에 간극제(123)를 배치하며, 상기 간극제(123)의 양측에 상기 도류관(124)을 접합시킨다.
이후, 상기 도류관(124)의 일 단부에 상기 토출관(125)을 결합시키며, 상기 토출관(125)의 적어도 일부가 상기 제1 및 제2 분리막(121, 122)의 외측이 위치하도록 배치시킨 상태에서 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)의 테두리를 따라서 접착시킨다.
여기서, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 사각형 형상으로 이루어지므로, 4측 테두리를 모두 접합시켜야 된다. 이와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 일체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 및 제2 분리막(121, 122)는 일측 및 타측이 개방된 원통형 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 간극제(123), 상기 도류관(124) 및 상기 토출관(125)을 내부에 배치시킨 상태에서 일측 및 타측을 접합시킴으로써 상기 분리막 조립체(120)를 형성할 수 있다.
한편, 이와 같은 분리막 조립체(120)는 카세트(160)에 의해 상기 함체(110) 내부에서 고정될 수 있다.
도 4은 본 발명에 따르는 카세트를 나타내는 도면이다. 상기 카세트(160)는 복수개로 구비되는 상기 분리막 조립체(120)를 고정시키는 구조로서 활용될 수 있다. 상기 카세트(160)는 경량화를 위하여 복수의 프레임(161)으로 형성되는 프레임 구조로 형성될 수 있으며, 도면을 참고하면, 상기 카세트(160)는 육면체 형상의 프레임 구조를 이루도록 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 분리막 조립체(120)를 고정시킬 수 있는 다양한 구조를 포함할 수 있다.
상기 분리막 조립체(120)는 클립(170)에 의해 상기 카세트(160)에 결합될 수 있다. 도 5는 도 1에 도시된 분리막 조립체와 클립의 결합된 상태는 나타내는 도면. 도 6a와 도 6b는 본 발명을 따르는 클립을 나타내는 도면이다.
도 1과 함께 본 도면을 참고하면, 상기 분리막 조립체(120)는 클립(170)에 의해 상기 카세트(160)에 결합된다. 한 개의 상기 클립(170)에는 복수개의 상기 분리막 조립체(120)가 결합되도록 복수개의 집게가 형성될 수 있다. 상기 클립(170)은 서로 이격되는 복수개의 집게가 형성된다. 상기 집게는 탄성 변형 가능한 재질로 형성되어, 상기 분리막 조립체(120)가 상기 집게 사이 형성된 틈에 끼워지도록 결합될 수 있다. 상기 집게는 일방향을 따라 복수개가 구비되어, 복수개의 분리막 조립체(120)가 결합될 수 있다.
상기 틈은 일 방향을 따라 나란하게 형성될 수 있으며, 이에 따라, 복수개의 상기 분리막 조립체(120)는 기 설정된 거리 만큼 이격된 상태로 상기 클립(170)에 결합된다.
도시된 바에 따르면, 상기 클립(170)에는 4개의 분리막 조립체(120)가 결합될 수 있으나, 이에 한하지 않으며, 도 6b와 같이 2개의 분리막 조립체(120)가 결합될 수 있다.
또한, 도시된 바에 따르면, 상기 클립(170)은 상기 카세트(160)의 상측에 구비되는 지지봉(162)에 결합되어, 상기 분리막 조립체(120)를 상기 카세트(160)에 결합시킨다. 다만, 이에 한하지 않으며, 상기 클립(170)은 상측 뿐만 아니라, 하측에서도 상기 분리막 조립체(120)를 상기 카세트(160)에 결합시킬 수 있다. 이에 따라, 외부 충격에도 복수개의 상기 분리막 조립체(120)가 서로간의 간격이 달라지는 것을 방지할 수 있으며, 상기 분리막 조립체(120)의 외부 즉, 상기 함체(110)의 상기 내부공간에 흐르는 가스 혼합물의 유로가 일정하게 유지될 수 있다.
다만, 도시된 클립(170)의 형상은 예시적인 것일 뿐, 복수개의 상기 분리막 조립체(120)를 고정시키기 위한 각종 실시예도 본 발명에 포함될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 분리막 조립체(120)의 상기 토출관(125)은 상기 제2 배관(140)에 연결된다. 이 경우, 상기 토출관(125)은 상기 집합관(180)에 의해 상기 제2 배관(140)에 연결될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따르는 집합관을 나타내는 도면이다. 본 도면을 도 1과 함께 참고하면, 상기 집합관(180)에는 복수개의 상기 토출관(125)이 결합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 분리막 모듈(100)은 복수개의 상기 분리막 조립체(120)를 구비하므로, 상기 토출관(125) 역시 상기 분리막 조립체(120)에 대응되는 숫자로 구비될 수 있다.
이 경우, 복수개의 토출관(125)은 각각 상기 집합관(180)에 결합될 수 있으며, 각각의 상기 분리막 조립체(120)에서 분리된 제1 가스는 상기 집합관(180) 및 제2 배관(140)을 통해 상기 함체(110)의 외부로 배출될 수 있다.
한편, 상기 집합관(180)의 외주면에는 상기 토출관(125)이 결합될 수 있도록 튜브(181)가 형성될 수 있다. 즉, 연성 재질로 형성되는 토출관(125)이 상기 집합관(180)에 끼워져 결합될 수 있도록 상기 집합관(180)의 외주면는 복수개의 튜브(181)가 형성된다.
상기 튜브(181)는 상기 집합관(180)이 연장되는 방향을 따라 복수개로 형성될 수 있다. 또한, 상기 튜브(181)는 상기 분리막 모듈(100)의 조립이 용이해지도록 서로 엇갈리게 형성될 수 있다. 도시된 바에 따르면, 하나의 상기 집합관(180)에는 20개의 상기 튜브(181)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 집합관(180)은 상기 카세트(160)에 결합되어 고정될 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 분리막 조립체(120)에는 상기 토출관(125)이 상기 간극제(123)의 양측에 2개로 구비될 수 있다. 이에 따라, 상기 집합관(180)은 일측 및 타측에 구비되는 상기 토출관(125)에 각각 연결될 수 있도록 제1 및 제2 집합관(180a, 180b)을 구비할 수 있다.
상기 제1 집합관(180a)과 제2 집합관(180b)은 하나의 상기 제2 배관(140)에 동시에 결합되어 상기 제1 가스를 상기 함체(110) 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명을 따르는 함체를 나타내는 도면이다.
전술한 바와 같이 상기 함체(110)는 육면체 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 배관(130), 상기 제2 배관(140) 및 상기 제3 배관(150)이 각각 상기 함체(110)에 결합될 수 있다.
상기 제1 배관(130)은 상기 함체(110)의 어느 일면(111)을 관통하도록 결합된다. 제1 배관(130)은 분리하고자 하는 가스 혼합물을 주입시키는 배관으로서, 상기 함체(110)의 상측에 치우치게 결합될 수 있다.
한편, 상기 제2 배관(140)과 상기 제3 배관(150)은 분리된 제1 가스와 제2 가스가 배출되는 배관으로서, 상기 제1 배관(130)이 결합된 상기 일면(111)과 마주하는 상기 타면(112)을 관통하도록 결합될 수 있다. 아울러, 상기 제2 배관(140)과 상기 제3 배관(150)은 상기 함체(110)의 하측에 치우치게 결합될 수 있다.
상기 제1 배관(130)은 상기 함체(110)의 내부공간에 상기 가스 혼합물을 골고루 퍼트리도록 상기 함체(110)의 내부공간에서 일 방향을 따라 연장될 수 있다. 또한, 상기 제1 배관(130)의 외주면에는 상기 일 방향을 따라 복수개의 관통홀이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 일 방향이란, 복수개의 상기 분리막 조립체(120)가 배치, 정렬되는 방향일 수 있다.
여기서, 상기 제1 배관(130)은 상기 함체(110)의 상측에 치우치게 배치될 수 있으므로, 상기 함체(110)의 상기 내부공간에서 상기 분리막 조립체(120)의 상측에 배치될 수 있다.
상기 제3 배관(150)은 상기 가스 혼합물 중 상기 분리막 조립체(120)의 분리 공간으로 투과되지 못한 제2 가스를 상기 함체(110)의 외부로 배출시키도록 형성된다.
상기 제3 배관(150) 역시 상기 함체(110)의 내부공간에서 일 방향을 따라 연장될 수 있으며, 상기 제3 배관(150)의 외주면에는 상기 일 방향을 따라 복수개의 관통홀이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제3 배관(150)은 상기 함체(110)의 하측에 치우치게 배치될 수 있으므로, 상기 함체(110)의 상기 내부공간에서 상기 분리막 조립체(120)의 하측에 배치될 수 있다.
다만, 상기 제1 배관(130), 상기 제2 배관(140) 및 상기 제3 배관(150)의 결합 위치는 본 발명의 예시에 해당하는 것으로서 전술한 기재에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이 구성된 상기 분리막 모듈(100)의 작동 메커니즘은 다음과 같다. 상기 제1 배관(130)을 통해 유입된 상기 가스 혼합물이 상기 함체(110)의 상기 내부공간에 채워진다. 여기서, 상기 내부공간에 채워진 상기 가스 혼합물 중 특정 가스 예를 들어, 이산화탄소 등과 같은 제1 가스와 이를 제외한 나머지 제2 가스들은 분자의 투과 속도 또는 분자의 크기가 서로 다르다.
한편, 상기 제1 가스는 상기 분리막 조립체(120)의 상기 제1 분리막(121) 또는 상기 제2 분리막(122)을 투과하여 상기 분리막 조립체(120)의 상기 분리공간으로 유입되며, 상기 분리공간으로 유입되지 않은 상기 제2 가스들은 상기 제3 배관(150)을 통해 상기 함체(110)의 외부로 배출된다. 상기 분리공간으로 유입된 상기 제1 가스는 상기 도류관(124), 상기 토출관(125), 상기 집합관(180) 및 상기 제2 배관(140)을 순차적으로 통과하여 상기 함체(110)의 외부로 배출된다.
이로 인하여, 상기 분리막 모듈(100)은 상기 가스 혼합물을 선택적으로 분리시킬 수 있게 된다. 이와 같은 상기 분리막 모듈(100)은 이산화탄소의 분리 및 포집, 수소의 분리 및 포집을 비롯하여 다양한 분야에 활용될 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명에 따르는 분리막 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따르면, 분리막 장치(1000)는 상기 분리막 모듈(100)을 복수개 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 분리막 모듈(100)의 외형은 육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 분리막 모듈(100)은 상기 함체(110)의 어느 일면을 공유하도록 형성될 수 있다.
즉, 복수개의 상기 분리막 모듈(100)은 서로 마주하는 일면이 접촉하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막 모듈(100)은 상기 제1 배관(130), 상기 제2 배관(140) 및 상기 제3 배관(150)이 형성되지 않는 상면, 하면 및 측면이 서로 접하도록 배치될 수 있다.
도시된 바에 따르면, 분리막 장치(1000)는 3개의 상기 분리막 모듈(100)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 설계 및 필요에 따라 더 많은 개수의 상기 분리막 모듈(100)을 포함할 수 있다.
이와 같이 복수개로 구비되는 상기 복수의 분리막 모듈(100)이 집약됨에 따라, 상기 가스 혼합물의 시간당 분리할 수 있는 용량을 크게 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 분리막 모듈을 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
100: 분리막 모듈 110: 함체
120: 분리막 조립체 121: 제1 분리막
122: 제2 분리막 123: 간극제
124: 도류관 125: 토출관
126: 토출관 스프링 130: 제1 배관
140: 제2 배관 150: 제3 배관
160: 카세트 161: 프레임
162: 지지봉 170: 클립
180: 집합관 181: 튜브
1000: 분리막 장치

Claims (20)

  1. 내부공간을 형성하는 함체;
    상기 함체의 어느 일면을 관통하도록 형성되어 상기 내부공간에 가스 혼합물을 유입시키는 제1 배관;
    분리공간을 형성하여 상기 가스 혼합물 중에서 제1 가스를 상기 분리공간으로 유입시키는 분리막 조립체;
    상기 함체를 관통하도록 구비되며, 상기 분리공간과 연통되어 상기 분리공간에 유입된 상기 제1 가스를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제2 배관; 및
    상기 함체를 관통하며, 상기 내부공간과 연통되어 상기 가스 혼합물 중에서 상기 제1 가스를 제외한 나머지를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제3 배관을 포함하며,
    상기 분리막 조립체는 서로 결합하여 상기 분리공간을 형성하는 제1 분리막과 제2 분리막;
    상기 분리공간이 유지되도록 상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막 사이에 배치되는 간극제;
    상기 분리공간에 구비되며, 상기 간극제의 양측에 각각 배치되어 상기 분리공간에 유입된 상기 제1 가스를 안내하는 도류관; 및
    상기 제1 가스를 외부로 배출시키도록 일측이 상기 분리공간을 연통하여 상기 도류관의 일단에 결합되며, 타측이 상기 제2 배관과 연결되는 토출관을 포함하고,
    상기 토출관은 형상의 변형이 가능한 재질로 이루어지며, 상기 제1 가스가 통과하는 유로가 유지되도록 상기 토출관 내부에 설치되는 토출관 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 분리막 조립체는 평판 형상으로 형성되어 일 방향을 따라 복수개로 구비되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분리막은 다공성으로 형성되어, 혼합가스의 투과속도 또는 분자크기에 따라 상기 가스 혼합물을 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 간극제는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성되며,
    상기 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 도류관은 상기 함체의 높이 방향으로 연장되는 원통 형상으로 형성되며,
    상기 도류관의 상기 간극제를 바라보는 방향의 외주면은 개방되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 내부공간에 구비되며, 복수의 프레임으로 형성되는 카세트를 더 포함하며,
    복수개로 구비되는 상기 분리막 조립체는 각각 상기 카세트에 장착되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 카세트에 장착되며, 상기 토출관과 상기 제2 배관 사이에 구비되는 집합관을 더 포함하며,
    상기 집합관은 상기 일 방향을 따라 연장되어, 복수개로 구비되는 상기 분리막 조립체의 토출관과 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 집합관의 외주면에는 상기 토출관과 결합되는 복수의 튜브가 형성되며,
    상기 복수의 튜브는 상기 일 방향을 따라 엇갈리며 형성되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 집합관은 상기 간극제의 양측에 구비되는 상기 도류관과 각각 연결되는 제1 및 제2 집합관을 포함하며,
    상기 제2 배관은 상기 제1 및 제2 집합관과 동시에 결합되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 분리막 조립체를 상기 카세트에 고정시키도록 형성되는 클립을 더 포함하며,
    상기 클립에는 적어도 하나 이상의 분리막 조립체가 서로 기 설정된 간격을 두고 장착되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 함체는 육면체 형상으로 형성되며,
    상기 제1 배관은 상기 함체의 어느 일면을 관통하며,
    상기 제2 및 제3 배관은 상기 일면과 마주하는 면을 관통하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 배관은 상기 내부공간에서 상기 일 방향을 따라 연장되며,
    상기 제1 배관의 외주면에는 상기 가스 혼합물이 유입되는 복수의 관통홀이 상기 일 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제3 배관은 상기 내부공간에서 상기 일 방향을 따라 연장되며,
    상기 제3 배관의 외주면에는 복수의 관통홀이 상기 일 방향을 따라 형성되어, 상기 가스 혼합물 중에서 상기 제1 가스를 제외한 나머지가 유입되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 배관은 상기 분리막 조립체 상측에 구비되며, 상기 제2 및 제3 배관은 상기 분리막 조립체 하측에 구비되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분리막은 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따르는 분리막 모듈을 포함하며,
    상기 분리막 모듈은 복수개로 구비되며,
    상기 복수개로 구비되는 분리막 모듈은 함체의 어느 일면을 공유하는 것을 특징으로 하는 분리막 장치.
  18. 다공성으로 형성되어 투과속도 또는 분자의 크기에 따라 가스 혼합물을 선택적으로 투과시키며, 내부공간을 형성하는 분리막;
    상기 내부공간을 유지되도록 상기 내부공간에 구비되는 간극제;
    상기 내부공간에 구비되며, 상기 간극제의 양측에 각각 배치되어 상기 가스 혼합물 중에서 상기 내부공간에 유입된 가스를 안내하는 도류관; 및
    상기 분리막을 관통하도록 형성되며, 일단이 상기 도류관과 결합되어 상기 도류관에 의해 안내된 가스가 외부로 통과하도록 형성되는 유로를 형성하고, 타측이 제2 배관과 연결되는 토출관을 포함하며,
    상기 토출관은, 형상의 변형이 가능한 재질로 이루어지며, 상기 유로가 유지되도록 상기 토출관 내부에 설치되는 토출관 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막 조립체.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 간극제는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성되며,
    상기 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 분리막 조립체.
  20. 삭제
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