KR102086472B1 - 하이브리드형 액적분리기 - Google Patents

Abstract

액적 분리 장치에 설치되어 기체 상 내에 미세 액적이 포함되어 있는 혼합물의 유로에 위치하는 액적분리기로서, 소정의 간격으로 이격되어 혼합물의 유로를 형성하는 복수의 플레이트를 포함하고, 상기 복수의 플레이트는 유입되는 혼합물의 유동방향을 변화시킬 수 있도록 굽혀진 형상을 가지는 것이며, 상기 복수의 플레이트의 일측 단부는 혼합물이 유입되는 유입구를 형성하고 타측 단부는 혼합물이 유출되는 유출구를 형성하며, 상기 복수의 플레이트 사이에는 메쉬(mesh)형태의 충전재가 채워져 있고, 상기 굽어진 형상의 복수의 플레이트에 의해 혼합물의 유로길이가 증가된 것을 특징으로 하는 액적분리기를 제공한다.

Description

하이브리드형 액적분리기{Hybrid Type Droplet Separator}

본 발명은 액적 분리 장치에 설치되어 기체 상 내에 미세 액적이 포함되어 있는 혼합물의 유로에 위치하는 액적분리기로서, 소정의 간격으로 이격되어 혼합물의 유로를 형성하는 복수의 플레이트를 포함하고, 상기 복수의 플레이트는 유입되는 혼합물의 유동방향을 변화시킬 수 있도록 굽혀진 형상을 가지는 것이며, 상기 복수의 플레이트의 일측 단부는 혼합물이 유입되는 유입구를 형성하고 타측 단부는 혼합물이 유출되는 유출구를 형성하며, 상기 복수의 플레이트 사이에는 메쉬(mesh)형태의 충전재가 채워져 있는 것을 특징으로 하는 액적분리기에 관한 것이다.

석유화학산업 공정은 기본적으로 컬럼(Column)과 드럼(Drum)이라 불리는 타워에서 정제와 분리를 거쳐 석유화학제품을 생산하는 공정으로 이루어진다.

원유는 고체, 액체 및 기체의 혼합물로 구성되고, 각 상 내에서 다수의 혼합물로 구성되어 있기 때문에, 휘발유, 경유 및 도시 가스 등과 같이 실생활에서 유통되는 형태의 석유화학연료는 원유를 정제와 분리함으로써 얻어진다.

원유를 분리하는 과정은 다음과 같은 장치를 거쳐 진행된다. 원유는 공급 장치(inlet device)를 거침으로써, 액체나 고체 상의 물질을 1차적으로 걸러내는 과정을 거친다.

여기에서 얻어진 액체와 고체는 밀도 차이에 따라 분리하거나, 여과를 거침으로써 분리할 수 있다. 공급 장치를 통과한 원료가스 내에는 미세한 크기의 액적이 포함되어 있으므로, 액적 제거기를 통해 가스 내의 액체를 걸러내는 과정을 거친다.

특히, 가스 내의 미세 액체를 걸러 내는 것은 최종 연료의 품질에도 직결된 문제이므로, 가스 내의 액적을 최대한 제거하면서도 연료 생산 비용이 크게 증가되지 않도록 하기 위한 연구가 계속되고 있다.

액적분리기는 크게 (와이어)메쉬형 액적분리기와 플레이트형 액적분리기로 나눌 수 있는데, 플레이트형 액적분리기는 와이어메쉬형 액적분리기와는 반대로 원료가스의 처리량이 많고, 고형물이나 점성이 있는 액적을 분리하기에 적합한 장점이 있으나, 반면, 액적 분리 효율은 메쉬형의 액적분리기에 비해 크게 떨어지는 문제가 있다.

메쉬형 액적분리기는 와이어로 짜인 메쉬를 적층한 형태로서 중량이 가벼운 편이고, 압력 손실이 작으면서도 비표면적이 커서 액적 분리 효율이 높으나, 그물형태의 와이어에 의한 저항이 생기므로 액적을 포함한 원료가스의 처리량이 현저히 적은 단점이 있다.

메쉬형 액적분리기는 액적 분리 효율을 높이기 위해서는 더 촘촘한 그물 형태의 메쉬를 사용하거나 메쉬패드의 두께를 증가시키면 되나, 촘촘해지거나 메쉬패드의 두께가 증가할수록 액적 분리 효율은 증가하지만 이에 따라 가스의 처리량이 크게 적어지거나, 메쉬패드가 액적 분리 장치 내에서 차지하는 공간이 증가하는 문제가 있다.

따라서, 기존의 메쉬형 액적분리기와 동일한 그물구조 및 메쉬패드의 두께에서 기체의 처리량을 크게 저하시키지 않으면서도, 별도의 메쉬패드를 추가하거나 액적 분리 장치에서 차지하는 공간의 증가없이 액적의 분리 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 기술에 대한 요구가 계속되고 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점과 과거로부터 요청되어온 기술적 과제를 해결하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 기존의 메쉬형 액적분리기보다 액적 분리 효율이 우수하면서도, 액적과 기체가 혼합되어 있는 혼합가스의 처리량이 크게 저하되지 않아 동일한 두께와 비표면적을 갖는 메쉬형 액적분리기에서 얻어지는 기체의 양과 큰 차이가 없으면서도, 액적 제거율이 더욱 향상되도록 메쉬형 액적분리기에 플레이트형 액적분리기를 결합한 하이브리드형 액적분리기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

구체적으로, 본 발명은 액적 분리 장치에 설치되어 기체 상 내에 미세 액적이 포함되어 있는 혼합물의 유로에 위치하는 액적분리기로서, 소정의 간격으로 이격되어 혼합물의 유로를 형성하는 복수의 플레이트를 포함하고, 상기 복수의 플레이트는 유입되는 혼합물의 유동방향을 변화시킬 수 있도록 굽혀진 형상을 가지는 것이며, 상기 복수의 플레이트의 일측 단부는 혼합물이 유입되는 유입구를 형성하고 타측 단부는 혼합물이 유출되는 유출구를 형성하며, 상기 복수의 플레이트 사이에는 메쉬(mesh)형태의 충전재가 채워져 있어, 굽혀진 형상의 플레이트가 형성하는 유로는 기존의 메쉬형 액적분리기가 일방향으로 직선의 유로를 형성하던 것과 비교하여, 가스의 유로길이를 증가시킴으로써 메쉬형태의 충전재와의 상기 혼합물과의 접촉거리를 더욱 향상시켜 액적 분리 효율을 더욱 향상시키는 효과를 갖는 액적분리기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 액적분리기에 있어서 상기 충전재는 금속사를 그물형태로 제조한 것일 수 있다.

상기 충전재는 80 내지 300 kg/m³ 의 밀도와 150 내지 600 m²/m³의 비표면적을 갖는 것일 수 있고, 상기 충전재를 구성하는 금속사는 이웃한 두 나란한 금속사의 간격이 1 내지 10 mm인 것일 수 있다.

본 발명의 액적분리기를 구성하는 상기 복수의 플레이트는 동일한 형태로 굽혀진 형상을 가지며, 상기 복수의 플레이트는 인접한 두 플레이트의 간격이 10 내지 50 mm인 것일 수 있다.

본 발명에 따른 액적분리기는 기존의 메쉬형 액적분리기에서 액적을 포함하는 가스의 유로길이를 증가시킨 것으로서, 동일한 두께와 동일한 비표면적을 갖는 메쉬형의 액적분리기와 대비하여 액적 분리 효율이 현저히 우수하면서도, 액적이 포함된 가스의 처리량이 기존의 메쉬형 액적분리기와 동등한 수준으로 유지되는 효과를 가진다.

따라서, 액적 분리 효율은 크게 증가되면서도 액적이 포함된 가스의 처리량이 크게 저하되지 않는 장점이 있다.

또한, 본 발명은, 액적 분리 효율이 증가되면서도, 기존의 메쉬형 액적분리기와 동일한 크기를 가지므로, 메쉬형 액적분리기를 사용하는 일반 액적 분리장치에 적용이 가능하고, 액적분리장치에서 과다한 공간을 차지하지 않으므로, 공간효율성이 높은 액적분리기이다.

따라서, 공간의 제한이 있는 타워 내에서 높은 액적 분리 효율이 요구될 경우, 동일한 크기의 액적분리기를 사용하면서도 높은 액적 분리 효율을 가지므로 타워 내부의 공간 수정 없이 요구 효율을 충족시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 액적분리기의 수직단면도이다;
도 2는 본 발명에 따른 액적분리기의 측면을 나타낸 도면이다;
도 3은 기존의 메쉬형 액적분리기와 본 발명에 따른 액적분리기의 수직단면도이다.

이하에서, 각 구성을 보다 상세히 설명하나, 이는 하나의 예시에 불과할 뿐, 본 발명의 권리범위가 다음 내용에 의해 제한되지 아니한다.

본 발명은 기존의 메쉬형 액적분리기와 비슷한 속도로 액적을 분리하되 액적 분리 효율이 더욱 향상된 효과를 가지는 하이브리드형 액적분리기에 관한 것이다.

액적분리기는 기체 상에 포함되어 있는 미세 액적을 제거하기 위한 것으로서, 와이어를 그물형태로 제조하여 일정한 두께의 패드모양을 가지는 메쉬형 액적분리기와 복수의 판을 일정한 간격으로 이격시켜 액적이 포함되어 있는 기체의 유로를 형성하는 플레이트형 액적분리기가 있다.

플레이트형 액적분리기는 액적분리기를 통과하는 액적이 포함된 가스의 처리량이 많은 편이지만, 더 큰 액적으로 성장하지 못한 미세 액적들은 유로를 통해 통과할 가능성도 높은 편이어서, 액적 분리 효율은 그다지 높지 않은 편이다. 이에 따라, 플레이트형 액적분리기는 고정밀 시스템이나, 거의 완전히 액적이 제거된 상태의 기체를 얻기 위해서는 사용하지 않고, 일정량의 미세 액적이 통과하더라도 무방한 시설에 사용된다.

한편, 메쉬형 액적분리기는 와이어를 그물형태로 제작하고 이를 층층이 두꺼운 패드 형태로 형성한 액적분리기로서, 액적이 포함된 가스가 플레이트에 충돌되는 것에 비해 촘촘한 그물의 와이어에 충돌함으로써 액적의 성장이 빠르게 일어나고, 층층이 형성되어 있는 메쉬형태를 가지기 때문에 미세 액적과 와이어 및 미세 액적들 간의 충돌 가능성이 더 커짐에 따라 액적의 제거 효과가 큰 장점은 있으나, 두께를 가지는 그물형태를 가지기 때문에 기체가 액적분리기를 통과할 때 큰 저항이 형성되어 액적이 포함된 가스의 처리량이 저하되는 문제가 있으므로, 액적분리과정에 시간이 과다하게 소요되는 문제가 있다.

본 발명은 메쉬형 액적분리기와 같이 액적 제거 효과가 큰 액적분리기의 액적 분리 효율을 더욱 향상시키기 위해, 플레이트형 액적분리기와 메쉬형 액적분리기를 결합한 하이브리드형 액적분리기에 관한 것이다.

구체적으로, 본 발명에 따른 하이브리드형 액적분리기는 소정의 간격으로 이격되어 혼합물의 유로를 형성하는 복수의 플레이트를 포함하고, 상기 복수의 플레이트는 유입되는 혼합물의 유동방향을 변화시킬 수 있도록 굽혀진 형상을 가지는 것이며, 상기 복수의 플레이트의 일측 단부는 혼합물이 유입되는 유입구를 형성하고 타측 단부는 혼합물이 유출되는 유출구를 형성하며, 상기 복수의 플레이트 사이에는 메쉬(mesh)형태의 충전재가 채워져 있는 구조를 가진다.

기존의 메쉬형 액적분리기는 일방향으로 액적을 포함하는 가스가 통과하도록 구성되어, 해당 가스가 직선의 유동경로를 가지도록 구성되었던 반면, 본 발명은 기존의 메쉬형 액적분리기와는 달리, 복수의 플레이트를 삽입하여 유로를 형성하되, 복수의 플레이트는 굽어진 형상을 가지도록 구성하여 굽어진 플레이트가 형성하는 유로의 길이가 향상되는 효과를 가진다.

이와 같이 유로의 길이가 향상됨에 따라, 메쉬형태의 충전재와 액적이 포함된 가스의 접촉시간이 증가되어 액적의 성장속도가 빨라지고, 이에 따라 액적 분리 효율이 향상되는 효과가 있다.

일반적인 메쉬형 액적분리기의 액적 분리 효율을 향상시키기 위해서는 그물형태의 메쉬의 밀도를 더 증가시키거나 패드의 두께를 두껍게 제조함으로써 액적 분리 효율을 향상시킬 수 있지만, 밀도의 증가는 액적을 포함하는 가스의 처리량이 줄어드는 문제가 있고 패드의 두께 증가는 액적분리기를 설치하는 공간이 증가되므로, 제한된 공간에 액적분리기를 설치하는 경우에는 적용될 수 없는 문제가 있으므로, 이러한 문제를 방지하고자, 동일한 두께의 패드와 동일한 그물구조와 밀도를 갖는 메쉬를 사용하되, 중간 중간에 플레이트형 액적분리기를 삽입한 구조를 도입하였다.

특히, 이러한 효과는 기존의 메쉬형 액적분리기는 액적 분리 효율을 증가시키기 위해, 메쉬형 액적분리기의 밀도를 증가시키거나, 패드의 두께를 증가시켜야 했던 것과 비교하여, 액적분리기의 중량이나, 부피에는 큰 차이가 없으면서도, 액적 분리 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 가지므로, 제한된 공간에 액적분리기를 설치해야 하는 경우에 사용하기 적합하다는 장점이 있다.

상기 충전재는 금속사를 그물형태로 제조한 것으로서, 충전재를 구성하는 금속사는 이웃한 두 금속사의 간격이 1 내지 10 mm일 수 있다.

이보다 더 좁은 간격으로 설정할 수도 있으나, 액적이 포함된 가스의 처리량을 고려하여 적절히 조절하는 것이 가능하다. 다만, 상기 간격보다 넓은 간격으로 설정하는 경우에는, 플레이트형 액적분리기와 액적 분리 효율 상 큰 차이가 없고, 이는 본 발명이 메쉬형 액적분리기를 더 보완하여 개발하기 위한 것이라는 점에서, 상기 간격보다 넓은 간격의 충전재를 사용하지 않는 것이 바람직하다.

또한, 상기 충전재는 80 내지 300 kg/m³ 의 밀도와 150 내지 600 m²/m³의 표면적을 갖는 것일 수 있다.

이는 마찬가지 취지에서, 충전재의 밀도와 비표면적은 액적이 포함된 가스의 처리량과 액적 분리 효율을 고려하여 적절히 조절하는 것이 가능하다. 다만, 상기 밀도와 표면적보다 크거나 작은 경우에는 메쉬형 액적분리기가 갖는기체처리량 또는 액적 분리 효율이 떨어지는 문제가 있으므로, 상기 범위 내로 구성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 액적분리기를 구성하는 복수의 플레이트의 소재는 제한되지 않고 사용이 가능하다. 다만, 플레이트형 액적분리기와 마찬가지로, 소정의 간격으로 이격되어 액적이 포함된 가스가 통과할 수 있는 유로를 형성하고, 유입되는 액적이 포함된 가스의 유동방향을 변화시킬 수 있도록 굽혀진 형상을 가지도록 구성된다. 굽혀진 형상을 가짐으로써, 액적이 포함된 가스의 유동방향이 변화함에 따라 액적분리기를 통과하는 기체 내부의 미세 액적들이 서로 충돌하고, 플레이트의 표면과 메쉬의 와이어에도 충돌하도록 구성되어 미세 액적의 성장이 더욱 빠르고 효율적으로 일어나게 될 뿐만 아니라, 액적이 포함된 가스의 유로길이가 증가되어 메쉬 와이어와의 접촉시간이 증가됨으로써 액적이 더욱 많이 형성되어 제거된다.

구체적으로, 상기 복수의 플레이트는 동일한 형태로 굽혀진 형상을 가지고 나란하게 나열되며, 인접한 두 플레이트의 간격이 10 내지 50mm이 되도록 구성될 수 있다. 상기 간격보다 좁은 간격으로 형성하는 경우에는, 액적이 포함된 가스의 처리량이 줄어는 문제가 있고, 상기 간격보다 넓은 간격으로 형성하는 경우에는, 기존의 메쉬형 액적분리기와 비교하여, 액적이 포함된 가스가 통과하는 유로길이의 차이가 크지 않아, 액적 분리 효율 상 큰 차이가 없는 문제가 있다. 따라서, 상기 범위 내로 구성하는 경우에 본 발명이 목적하는 기존의 메쉬형 액적분리기와 동일한 두께와 밀도의 메쉬 충전재를 사용하되, 액적 분리 효율을 향상시키는 효과를 달성할 수 있으므로, 상기 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하나 이는 하나의 예시에 불과할 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하지 아니한다.

도 1은 본 발명에 따른 액적분리기의 수직단면을 나타낸 사진이다.

도 1을 참고하면, 복수의 플레이트가 동일한 형상으로 굽혀진 형태를 가지며, 소정의 간격으로 이격된 상태에서 플레이트의 사이에 그물형태의 메쉬 충전재가 채워져 있다.

기체가 플레이트 사이의 유로를 통과하며 유동방향이 변함에 따라, 메쉬의 와이어와의 충돌 수도 크게 증가되며, 액적들의 상호 충돌도 증가될 뿐만 아니라 플레이트의 표면에서 충돌하고 서로 만난 액적들과 다른 액적들 사이의 결합도 많아지므로 액적이 더욱 빠르게 성장하는 장점이 있다.

도 2는 본 발명에 따른 액적분리기의 일부를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 액적분리기를 구성하는 가장 기본단위를 나타낸 것으로서, 동일한 형태의 플레이트와 메쉬 충전재로 이루어진 상기 기본단위의 액적분리기를 복수개 결합함으로써, 본 발명에 따른 액적분리기를 제조할 수 있다. 해당 도면은 하나의 예시에 불과하며, 다양한 형태의 플레이트와 메쉬 충전재를 사용하여 상기 기본단위의 액적분리기를 구성하는 것도 가능하다.

도 1에서의 플레이트와는 조금 다른 형태를 가지는 플레이트를 포함하고 있으나, 이는 플레이트형 액적분리기 중 C-profile 타입에 해당되는 것이나, 어떠한 형태의 플레이트를 사용하더라도 무방하고 그 사이에 메쉬 충전재로 채워진 구성은 동일하다.

플레이트의 형상은 도 1 또는 도 2의 형상이든 크게 제한되지 않으나, 필요에 따라 적합한 형태로 선택하는 것이 가능하다.

도 3은 기존의 메쉬형 액적분리기와 본 발명에 따른 액적분리기의 수직단면도이다.

도 3에서는 기존의 메쉬형 액적분리기의 경우, 일방향으로 직선유로만이 형성되어 있는 반면, 본 발명에 따른 액적분리기의 경우, 굽어진 형상의 플레이트에 의해 유로길이가 더욱 향상된 것을 확인할 수 있다. 유로의 길이가 길어짐에 따라, 두께가 더 두꺼운 메쉬형 액적분리기를 사용하는 것과 동일한 수준으로 액적 분리 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 액적분리기(25 mm, C-profile 플레이트)의 유로길이(인접한 두 플레이트가 형성하는 유로의 가상의 중앙선길이)와 기존의 메쉬형 액적분리기(UD-960)의 유로길이(패드의 상단면과 하단면까지의 수직직선거리=액적분리기의 두께)를 계산한 값과 액적 분리 효율을 계산한 값을 다음과 같이 나타냈다.

표 2에는 본 계산에서 사용된 메쉬형 액적분리기와 하이브리드형 액적분리기에 삽입된 충전재의 스펙을 나타냈다.

	하이브리드형 액적분리기	메쉬형 액적분리기
분리 대상 액적 크기 (Micron)	5	5
유로길이(mm)	150	100
분리효율(%)	91.427	80.557

액적분리기 두께	100mm
밀도(kg/m3)	192
비표면적(m2/m3)	377

표 1을 참고하면, 본 발명에 따른 하이브리드형 액적분리기를 사용하는 경우, 동일한 두께와 밀도 및 비표면적을 가지는 메쉬형 액적분리기를 사용하는 경우와 대비하여 유로길이가 1.5배 증가하여, 액적이 포함된 가스가 메쉬의 와이어와 충돌 가능성이 더욱 증가될 것으로 예상된다.

해당 유로길이에 기초하여, 동일한 그물구조, 밀도, 두께 및 비표면적을 갖는 메쉬 충전재를 사용하는 경우의 액적 분리 효율을 계산한 결과 약 11% 가량 증가된 액적 분리 효율을 갖는 것으로 확인되었다.

이는 설치공간이 제한적인 액적 분리 장치나 액적분리기가 설치되는 플랜트 내에 설치가 가능하면서도, 액적 분리 효율만을 증가시키는 효과를 가져, 비용이나 시간 등의 제약으로, 변경이 어려운 액적 분리 장치나 플랜트를 재설계하거나, 변형시키지 않고 단순히 본 발명에 따른 액적분리기를 사용하는 것만으로 액적 분리 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

액적 분리 효율을 비교하면, 본 발명의 액적분리기는 기존의 메쉬형 액적분리기와 비교할 때 약 11% 가량 액적 분리 효율이 증가되었으나, 이는 동일한 그물구조, 밀도, 두께 및 비표면적을 갖는 액적분리기의 성능과 비교하여 약 13% 가량 성능이 향상된 것이다.

일반적으로 액적분리기를 통과하는 경우, 가장 높은 효율의 액적 분리 효율이 99.9%로서 거의 대부분의 미세 액적이 제거된 상태를 의미하는 것으로서, 본 발명에 따른 액적분리기는 80% 가량의 액적 분리 효율을 갖는 메쉬형 액적분리기의 조건을 그대로 유지하면서 91% 이상의 액적 분리 효율로 향상시킬 수 있음을 확인할 수 있었는 바, 액적 분리 효율이 매우 우수한 것으로 확인되었다.

따라서, 본 발명에 따른 액적분리기는 기존의 메쉬형 액적분리기와 비교하여 액적분리기 자체의 크기에 큰 차이가 없고, 동일한 수준의 메쉬를 사용함에도 불구하고 보다 많은 양의 액적을 제거할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (5)

1. 액적 분리 장치에 설치되어 기체 상 내에 미세 액적이 포함되어 있는 혼합물의 유로에 위치하는 액적분리기로서,
   소정의 간격으로 이격되어 혼합물의 유로를 형성하는 복수의 플레이트를 포함하고,
   상기 복수의 플레이트는 유입되는 혼합물의 유동방향을 변화시킬 수 있도록 굽혀진 형상을 가지는 것이며,
   상기 복수의 플레이트의 일측 단부는 혼합물이 유입되는 유입구를 형성하고 타측 단부는 혼합물이 유출되는 유출구를 형성하며,
   상기 복수의 플레이트 사이에는 메쉬(mesh)형태의 충전재가 채워져 있고,
   상기 굽어진 형상의 복수의 플레이트에 의해 혼합물의 유로길이가 증가된 것이며,
   상기 충전재는 금속사를 그물형태로 제조한 것이되, 상기 충전재를 구성하는 금속사는 이웃한 두 나란한 금속사의 간격이 1 내지 10 mm이며, 상기 충전재는 80 내지 300 kg/m³ 의 밀도와 150 내지 600 m²/m³의 비표면적을 가지는 것이고,
   상기 복수의 플레이트는 동일한 형태로 굽혀진 형상을 가지며, 상기 복수의 플레이트는 인접한 두 플레이트의 간격이 10 내지 50 mm인, 것을 특징으로 하는 액적분리기.
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