KR102496562B1

KR102496562B1 - 멤브레인들에 의해 압력하에 있는 액체 혼합물들을 필터링 및 분리하기 위한 장치

Info

Publication number: KR102496562B1
Application number: KR1020200058390A
Authority: KR
Inventors: 랄프 파이가
Original assignee: 알.티.에스. 로쳄 테크니컬 서비스즈 게엠베하
Priority date: 2019-05-15
Filing date: 2020-05-15
Publication date: 2023-02-03
Also published as: WO2020233831A1; RU2771559C2; KR20200132764A; JP2020203282A; CA3080996A1; EP3738664C0; US20200391160A1; EP3738664A1; CA3080996C; JP7130698B2; RU2020115812A3; RU2020115812A; CN112243389A; EP3738664B1; CA3080786A1

Abstract

본 발명은 멤브레인들(12)에 의해 압력하에 있는 액체 혼합물들(11)을 필터링 및 분리하기 위한 장치(10)에 관한 것이다. 상기 장치(10)는 실질적으로 압력 밀봉 방식의 용기(13)를 포함하고, 상기 용기 내에 상기 멤브레인들(12)이 압력 밀봉 방식으로 수용된다. 상기 용기는 혼합물(11)을 위한 하나 이상의 유입구(14) 및 상기 멤브레인들(12)에 의해 상기 혼합물(11)로부터 분리된 투과물(16)을 위한 하나 이상의 배출구(15)를 포함하고, 그리고 농축물로도 언급된 잔류물(18)을 위한 하나 이상의 배출구(17)를 포함한다. 상기 압력 밀봉 방식의 용기(13)를 플라스틱으로 형성하도록 제안된다.

Description

멤브레인들에 의해 압력하에 있는 액체 혼합물들을 필터링 및 분리하기 위한 장치{DEVICE FOR FILTERING AND SEPARATING PRESSURIZED LIQUID MIXTURES USING MEMBRANES}

본 발명은 멤브레인들에 의해 압력하에 있는 액체 혼합물들을 필터링 및 분리하기 위한 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 압력 밀봉 방식의 용기를 포함하고, 상기 용기 내에 상기 멤브레인들이 압력 밀봉 방식으로 수용되고, 혼합물을 위한 하나 이상의 유입구 및 상기 멤브레인들에 의해 상기 혼합물로부터 분리된 투과물을 위한 하나 이상의 배출구를 포함하며, 그리고 잔류물을 위한 하나 이상의 배출구를 포함한다.

이와 같은 유형의 장치는 공지되어 있다(EP-A-3 437 724). 전술된 문서는 멤브레인들에 의해 압력하에 있는 액체 혼합물들을 필터링 및 분리하기 위한 장치들의 분야에 대해 존재하는 방대한 선행 기술의 단지 예시이다. 이와 같은 장치들은, 액체 혼합물들, 다시 말해 복수의 성분 또는 재료로 구성된 액체들, 그러나 가스 형태의 혼합물들도 자체 성분들에서 분리되어야 하는 모든 영역들에서 이용된다. 이와 같은 유형의 장치들은 예를 들어 해수 담수화에서 사용되는데, 다시 말해 해수로부터 식수가 생성되어야 하는 곳에서 사용된다. 그러나 이와 같은 유형의 장치들은 소위 침출수의 분리를 위해, 그리고 상기 침출수의 성분들에서의 분리를 위해 사용되기도 하며, 이때 이와 같은 침출수는 예를 들어 쓰레기 매립지에서 발생하고 즉시 주변으로 배출될 수 없는데, 그 이유는 상기 침출수의 성분들이 건강상 유해하고 심지어 독성을 지니기 때문이다. 마지막으로 이와 같은 유형의 장치들은, 제조 과정에서 화학제품들을 생성하고 마찬가지로 즉시 주변 환경 또는 지역 하수 시설로 유입될 수 없는 공정 용수를 정화 및 분리하기 위한 산업에서 이용된다. 앞에서 예시적으로 설명된 것과 같은, 거의 모든 액체 혼합물들은 이와 같은 멤브레인 지원 방법에 의해 분리 또는 필터링될 수 있고, 이때 분리될 액체 혼합물의 종류에 따라, 나노여과, 초여과 및 역삼투와 같은 다양한 멤브레인 분리 방법들이 사용되거나, 혹은 분리될 액체 혼합물 및 상기 혼합물과 관련하여 조정된 이용되는 멤브레인들의 구성에 따라, 이와 같은 분리 방법들의 혼합 형태들이 사용된다.

본 발명에 따른 장치에 의한 모든 이와 같은 분리 방법들은, 멤브레인 위로, 또는 멤브레인을 통해서, 분리될 액체 혼합물의 운반이 예를 들어 120bar를 훨씬 초과하는 범위까지의 매우 높은 압력들에 의해 이루어져야 한다는 특성을 갖는다. 이러한 이유에서, 장치들 또는 멤브레인들을 통과하는 분리될 액체 혼합물의 이와 같은 이송 압력을 상기 장치가 지속적으로 견딜 만큼 상기 장치는 압력에 대해 안정적이어야 하는데, 그 이유는 상기 장치의 작동 중에 발생하는 압력 손실은 상기 장치의 완전한 고장을 야기하기 때문이다. 이는 예를 들어 해양 시설물들에서의 신속한 수리 가능성 또는 설치된 이와 같은 유형의 장치들의 접근 가능한 장소들과 별개로 치명적인 결과들을 가질 수 있음으로써, 결과적으로 지속적 작동 안정성을 보장하기 위한 주요 초점은, 그 내부에 멤브레인들이, 멤브레인들의 종류(나선형 멤브레인, 플랫 멤브레인)와 관계없이, 압력 밀봉 방식으로 앞에서 언급된 매우 높은 혼합물- 또는 공급 압력들에서 수용되어야 하는 상기 장치의 용기에 맞춰져 있다.

이와 같은 이유로 용기들은 지금까지, 그 비중량이 공지된 방식으로 매우 높은 상대적으로 두꺼운 벽의 급랭 및 뜨임(quenching and tempering)된 강철로 제조되었고, 이때 강철 재료는 용기가 혼합물 성분들에 의해 화학적으로 부식되지 않도록, 그리고 지속적으로 부식 안정성이 보장되도록 보장한다. 높은 중량과 별도로 지금까지 이용된 급랭 및 뜨임된 강철은 용기의 형성을 위해 매우 비싸고 기계적 가공에서도 매우 많은 비용이 든다.

본 발명에 따른 장치를 구비한 산업적으로 또는 상업적으로 구성된 설비들의 경우, 배터리 방식으로 선박 또는 해양 탐사 플랫폼에서 급랭 및 뜨임된 강철과 결부된 매우 높은 재료 비용은 물론이고, 급랭 및 뜨임된 강철과 같은 용기 재료로 인해 매우 높은 질량 또는 매우 높은 중량을 야기하는 복수의 장치를 포함하는 설비들이 필요하다.

본 발명의 과제는 지금까지와 동일한 작동 안정성에서 훨씬 더 낮은 질량 또는 중량으로, 그리고 지금까지보다 훨씬 더 저렴하게 구현될 수 있는 장치를 제조하는 것이고, 이때 상기 작동 안정성은 현재 상태와 비교해서 어떠한 손상도 입지 않고, 용기의 절대 압력 밀봉도는 120bar를 초과하는 매우 높은 작동 압력들에서도 지속적으로 보장되어 있다.

상기 과제는 본 발명에 따라, 상기 압력 밀봉 방식의 용기가 플라스틱 재료로 구성됨으로써 해결된다.

이와 같은 분야의 전문가들 사이에서는 지금까지 이론적인 모델들 및 계산들로 인해, 플라스틱이 일반적으로 압력 수용 능력에 대한 이와 같은 매우 높은 요구들을 충족시킬 수 없다는 의견이 지배적이었고, 심지어 상기 유형의 장치들의 압력에 대해 매우 안정적인 용기들을 인공적으로 제조된 재료들로 형성하려는 시도들은 무시되었다.

그러나 그런데도 이와 같은 용기들을 플라스틱으로 형성하는 것은, 플라스틱이 지금까지 사용된 급랭 및 뜨임된 강철과 비교해서 훨씬 더 가볍고(급랭 및 뜨임된 강철로 이루어진 용기의 20-30％의 중량), 적합하게 선택된 플라스틱이 급랭 및 뜨임된 강철과 동일하게 분리될 액체 혼합물과 관련해서 화학적으로 중성이며, 그리고 급랭 및 뜨임된 강철로부터 압력 밀봉 방식의 용기를 제조하는 경우보다 압력 밀봉 방식의 용기를 형성하기 위한 플라스틱의 가공 비용이 훨씬 더 낮다는 매우 큰 장점이 있다.

그에 따라 본 발명에 따라 제조 비용이 현저히 감소할 뿐만 아니라, 상기 장치의 새로운 이용 분야들이 구현되는데, 그 이유는 이와 같은 장치가 지금까지보다 훨씬 더 쉽게 형성될 수 있기 때문이고, 이로 인해 해상에서의 이용 범위도 매우 강하게 확장된다.

실험들 및 실제 이용에서의 사용 실험들도, 플라스틱 재료로서, 경화 상태에서 매우 높은 압력들을 견디는 에폭시수지를 사용하는 것이 대단히 바람직하다는 사실을 보여주었고, 이때 에폭시수지는 선행 기술에서의 매우 폭넓은 사용으로 인해, 그리고 비교적 낮은 중량에서 매우 저렴하게 제공될 수 있고, 추가로 비교적 간단하게 가공될 수 있다.

에폭시수지의 개념 아래에 통합되는 복수의 에폭시수지가 존재한다. 그러나 본 발명을 위한 에폭시수지의 집합으로부터 플라스틱 아라미드[폴리(1,4-페닐렌-테레프탈아라미드)]를 사용하는 것이 바람직한 것으로 밝혀졌다. 이와 같은 에폭시수지 변형예에서 중량, 강성 및 저렴한 제조 가능성은 매우 특히 바람직한데, 다시 말해 상기 에폭시수지 변형예의 달성 가능한 강성, 쉬운 가공 가능성 및 저렴한 제조 가능성에 대해 중량이 매우 특히 바람직하다.

그러나 용기의 낮은 질량 또는 낮은 중량에서 액체 혼합물의 최대 공정 압력들을 견딜 수 있는 압력 밀봉 방식의 용기들이 가정되는 경우에는 압력 밀봉 방식의 용기를 형성하기 위한 플라스틱 재료로서 케블러(kevlar)(Du Pont(社)의 국제 등록 상표)를 선택하는 것이 매우 바람직하다. 급랭 및 뜨임된 강철로 이루어진 용기와 비교해서 최대 1/5의 중량에서 케블러가 예를 들어 급랭 및 뜨임된 강철보다 더 높은 안정성을 갖는다는 사실이 공지되어 있다.

상기 압력 밀봉 방식의 용기를 플라스틱으로 형성하기 위해, 이와 같은 플라스틱을 섬유 보강하여 형성하는 것이 매우 바람직할 수 있고, 이때 이와 같은 보강 섬유들은 바람직하게, 상기 용기의 성형시 통합되는 유리 섬유들 또는 유리 직물들로 구성되지만, 바람직한 다른 하나의 형성예에 따르면, 플라스틱 재료의 안정성에 대해 더 높은 요구 조건들이 제기되는 경우에 상기 보강 섬유들을 탄소 섬유들로 형성하는 것도 바람직할 수 있고, 이때 상기 탄소 섬유들은 마찬가지로 상기 용기의 제조 과정에서, 섬유들 또는 직물 형태의 구조물들의 형태로 플라스틱 내에 삽입될 수 있다.

본 발명의 장치의 바람직한 하나의 실시 형태에 따르면, 플라스틱 재료는 폴리염화비닐(PVC)로 제조된다. 예를 들어 내압 기계 부품들을 위해 이용될 수 있는 것과 같은 공지된 플라스틱들의 집합으로부터 폴리염화비닐이 비교적 저렴하게 제조될 수 있고, 기계적으로 비교적 간단하게 가공될 수 있다. 상기 장치의 압력 밀봉 방식의 용기를 폴리염화비닐로 형성하는 것은, 예를 들어 액체 혼합물에 대해 최대 공정 압력들이 취해질 필요가 없는 경우에 선택된다.

상기 압력 밀봉 방식의 용기가 적용예에 따라, 서로 다르게 형성된 구조물들로 구현될 수 있음에도 불구하고, 상기 용기는 실질적으로 원형의 횡단면을 갖는 바람직하게 관 형태의 소자로서 형성되고, 이는 상기 용기의 제조의 관점에서 매우 바람직한데, 그 이유는 상기 용기가 본 발명에 따른 용기 관으로서 사전 구성되어 형성될 수 있고, 단지 상응하는 목표 길이만이 절단되기 때문이다.

본 발명의 장치의 바람직한 또 다른 하나의 형성예에 따르면, 분리될 혼합물의 유입구는 용기 내로 제1 개구측을 통해 삽입 가능한 제1 단부 소자 상에 형성되어 있는데, 다시 말해 이러한 유입구는 실제 압력 밀봉 방식의 용기와 구조적으로 독립적이고, 다른 말로 하면, 상기 용기는 상기 유입구의 제공을 위해 기계적으로 가공될 필요가 없는데, 그 이유는 상기 유입구가 상기 용기와 독립적으로 상기 제1 단부 소자 상에 형성되어 있고, 상기 제1 단부 소자를 조립 또는 분해 과정에서 용기 내부로 삽입하거나, 또는 상기 용기 내부로부터 외부로 꺼낼 수 있기 때문이다.

이와 같은 이유로, 멤브레인 소자를 통해, 또는 멤브레인 소자 내에서 생성된 투과물의 배출구가 상기 용기 내로 제2 개구측을 통해 수용 가능한 제2 단부 소자 상에 형성되어 있는 것도 마찬가지로 바람직하고, 이때 이 경우에도, 상기 배출구를 위해 실제 압력 밀봉 방식의 용기의 가공이 필요하지 않는다는 장점이 제공되는데, 다시 말해 상기 배출구를 상기 용기로부터 완전히 독립적으로 용기 내부로 상기 제2 단부 소자를 통해 제공하거나, 또는 이와 같은 용기 내부로부터 외부로 꺼낼 수 있다. 마지막으로, 멤브레인 소자들에 의해 형성된, 상기 장치를 벗어나는 축적된 잔류물의 배출구가 상기 용기 내로 제2 개구측을 통해 수용 가능한 제2 단부 소자 상에 형성되어 있는 것도 마찬가지로 바람직하고, 이때 상기 제2 단부 소자는 상기 멤브레인 소자들을 통해 생성된 투과물의 배출구와 마찬가지로 상기 잔류물의 이와 같은 배출구에 대해서도 구조적인 베이스를 형성한다. 그에 따라 이러한 용기는 기계적 가공에 의해 약화하지 않음으로써, 결과적으로 상기 용기가 액체 혼합물의 분리 공정에 대해 지속적으로 손상 없이 압력 밀봉성을 갖거나, 또는 압력 밀봉성을 유지할 수 있도록 보장된다.

급랭 및 뜨임된 강철로 이루어진 공지된 용기들의 경우, 축 방향으로의 지속적인 압착력 및 그에 따라 용기의 내벽과 상호작용하는 밀봉 소자의 방사 방향으로의 압착력을 보장하기 위해 보장되었는데, 다시 말해 상기 용기의 개구 영역 내에서 양측에 소위 암나사가 형성되어야 했고, 다른 말로 하면 상기 용기의 각각의 내부 단부 부분에 소위 너트(nut)가 형성되어야 했다. 상기 암나사의 형성은 매우 비싸고 상기 암나사를 형성하기 위한 정확도에서 매우 큰 복잡성을 요구한다. 이는 본 발명에 따라 완전히 방지된다.

개별적인 개구측의 방향으로 상기 제1 단부 소자 및 상기 제2 단부 소자 앞에 각각 제1 압착 소자 및 제2 압착 소자가 배치되어 있고, 상기 제1 압착 소자 및 상기 제2 압착 소자는 각각 상기 제1 단부 소자 및 제2 단부 소자에 접촉한다는 사실이 매우 특히 바람직하다. 이와 같은 압착 소자들은, 상기 단부 소자들이 상기 용기의 내부에 필요한 밀봉성을 위해, 그 내부에 멤브레인들이 상기 용기 내에 배치되어 있는 공간의 축 방향으로, 그리고 방사 방향으로 필요한 밀봉도를 갖는 상황이 보장되도록 보장한다. 상기 압착 소자들의 과제는 단지, 그 내부에 상기 멤브레인들이 상기 용기의 내부 공간에 배치되어 있는 실제 공간이 외부 또는 주변에 대해 밀폐 방식으로 밀봉되도록, 상기 용기의 축에 대해 평행하게 향하는 적합한 축 방향 힘을 생성하는 것이다.

상기 장치의 신속한 조립 및 분해를 보장하기 위해, 그리고 복잡한 조립- 및 분해 단계들을 제거하기 위해, 상기 용기의 내부로 삽입 및 수용 가능한 멤브레인 소자들로 이루어진 패키지(package)가 상기 용기의 개구측들에서 각각, 둘레 방향으로 상기 용기의 내부에 형성된 개별적인 홈 내로 각각 해제 가능하게 맞물리는 고정 링에 의해 해제 가능하게 위치 설정될 수 있다는 사실이 대단히 바람직하다. 상기 멤브레인 소자들로 이루어진 패키지를 안전하게 상기 용기의 내부에 수용하고 수리 또는 유지 관리 과정에서도 상기 용기로부터 외부로 이동할 수 있기 위해, 상기 용기에서 그 밖에 다른 기계적인 예방 조치들이 취해질 필요가 없다는 것이 장점이다. 단지 적합하게 형성된 플라이어(plier) 또는 상기 고정 링을 파지하기 위한 장치 및 함께 약간 압축되는 방식으로 이와 같은 고정 링이 상기 개별적인 홈 내로 맞물리도록 함께 구부리기 위한 장치만이 필요하다.

본 발명의 장치의 바람직한 또 다른 하나의 형성예에 따르면, 한편으로 용기의 형성시 제작 공차들을 보상할 수 있기 위해, 그러나 멤브레인 소자 패키지에 대해 축 방향 압력을 지속적으로 보장할 수 있기 위해서도, 상기 용기의 제1 개구측에 있는 고정 링과 제1 압착 소자 사이에, 압착 소자 상으로, 그리고 단부 소자 위로 의도적인 축 방향 압력 성분을 가하는 디스크 형태의 조정 플랜지를 배치하는 것이 바람직하고, 이때 상기 조정 플랜지는 상기 용기의 축에 대해 축 방향으로, 상기 제1 개구측에 의해 작동 가능한 나사들을 수용하는 복수의 나선 구멍을 포함하고, 그리고 이때 그 내부에 상기 멤브레인들로 이루어진 패키지가 배치되어 있는 내부 공간의 밀봉도를 외부 환경에 대해 밀폐 방식으로 밀봉 유지하기 위해, 상기 나사들은 축 방향 이동에 의해 상기 단부 소자 및 그에 따라 상기 압착 소자를 축 방향으로 이동시킬 수 있다. 상기 나사들은, 상기 용기의 내부 공간에 의도적으로 놓이는 개별 장치 구성 부품들의 조립시 조정을 위해서도 이용된다.

주변에 대해 용기 내부 공간의 지속적인 밀봉도를 보장하기 위해, 양측의 압착 소자들 및 그 사이에 배치된 멤브레인들로 이루어진 상기 패키지는 용기의 개구측들에 있는 언급된 암나사들에 의해 형성된 너트들의 선행 기술에 공지된 구성 및 압착 소자들 등에서 상기 용기의 암나사 내로 맞물리는 방사 방향 외부에 설치된 자체 나선에서 상기 유형의 장치의 작동 동안에 때때로 재인장되어야 한다. 이는 대단히 복잡한데, 그 이유는 상기 암나사가 자체적으로 역방향으로 진행하고 매우 높은 복잡성의 재인장이 필요하기 때문이다. 상기 용기의 축에 대해 축 방향으로 복수의 나선 구멍을 포함하는 본 발명에 따른 조정 플랜지에 의해 전적으로 용기 내부 공간에서 상기 압착 소자 또는 상기 패키지의 축 방향으로의 간단한 재인장이 매우 수월해지고, 이러한 재인장은 용기의 양측 개구들에 암나사들을 구비한 선행 기술에 공지된 구성들의 경우보다 더 정확하게 실시될 수 있다.

실질적으로 플레이트 형태로 형성된 상기 제1 단부 소자 및 상기 제2 단부 소자는 밀봉 소자를 수용하기 위해 자체 방사 방향 둘레에서 둘러싸는 홈을 포함하고, 이때 이와 같은 밀봉 소자는 소위 주변을 둘러싸는 밀봉 립으로서, 그 내부에 멤브레인 소자들이 배치되어 있는 상기 용기의 내부 공간을 내벽에 대해 밀봉하는데, 다시 말해 적합하게 형성된 축 방향 압력에서 상기 밀봉 소자는 상기 홈 내에서 방사 방향 외부로 변형된다. 바람직하게 밀봉 소자들은 횡단면에서 엘라스토머 플라스틱으로 이루어진 립 시일들(lip seals)로서 형성되어 있다.

본 발명에 따른 장치는 임의의 적합한 그리고 성형된 멤브레인 소자들을 수용하기 위해 적합하지만, 그러나 용기 내에 있는 멤브레인들을, 조립 또는 분해 과장에서 단지 상기 용기의 내부로 삽입해야만 하거나, 혹은 수리 또는 유지 관리 과정에서 방사 방향으로 이와 같은 용기의 내부로부터 외부로 끄집어낼 수 있는 나선형 멤브레인 유닛의 형태로 구성하는 것이 바람직하다.

그러나 특정 적용예들을 위해 플랫 멤브레인들도 바람직하게 사용되고, 이때 이와 같은 경우에 용기 내에 있는 상기 멤브레인들은 플랫 멤브레인 유닛의 형태로 구성되어 있고, 그리고 이때 상기 플랫 멤브레인들은 스택(stack)의 형태로 서로 겹쳐 있다. 유사한 종류의 장치에서 전형적인 플랫 멤브레인 스택은 이미 위에서 언급된 EP-A-3 437 724에 기술되어 있는데, 이 경우 분리될 액체 혼합물이 혼합물의 유입구에서 잔류물의 배출구로 곡류 형태로 멤브레인 스택을 통해 미끄러지고, 이때 상기 혼합물은 각각의 멤브레인을 하나의 측면에서 다른 측면까지 스쳐 지나가거나, 또는 멤브레인 소자들의 특정 구성에서 경우에 따라 병렬 회로에서 평행하게 순환한다.

본 발명의 장치의 바람직한 하나의 실시예에 따르면, 용기 내에 플랫 멤브레인 유닛이 사용되는지, 또는 나선형 멤브레인 유닛이 사용되는지와 관계없이, 멤브레인 소자들 자체는 쿠션 멤브레인(cushion membrane)으로서 형성되어 있는데, 그 이유는 나선형 멤브레인들도 쿠션 멤브레인들로서 형성될 수 있기 때문이다.

상기 용기 내로 삽입하거나, 또는 이와 같은 용기로부터 외부로 꺼낼 수 있는 상기 장치 내부의 전체 유닛은 전체적으로 바람직하게 인장 볼트에 의해 압력하에 결합할 수 있고, 이때 상기 멤브레인 유닛 자체도 바람직하게 상기 인장 볼트에 의해 축 방향으로 횡단됨으로써, 결과적으로 인장 볼트, 멤브레인 유닛 그리고 단부 소자들, 압착 소자들 및 조정 플랜지는, 상기 용기 외부에서 완전히 효과적으로 구성될 수 있는 하나의 유닛을 형성한다.

마지막으로 상기 인장 볼트는, 멤브레인들로부터 분리된 투과물이 상기 인장 볼트를 통해 투과물 배출구로 안내되도록 설계될 수 있고, 이는 투과물 흐름을 멤브레인 소자들로부터 수집하고 상기 장치로부터 외부로 유도하기 위해 구조적인 방식의 추가 예방 조치들이 취해질 필요가 없다는 장점이 있는데, 예를 들어 상기 인장 볼트가 자체 둘레에 걸쳐서 분포한 축 방향 홈들을 포함하고, 상기 홈들을 통해 상기 멤브레인 소자들로부터 비롯되는 투과물이 수집되고 상기 장치로부터 외부로 유도될 수 있다.

본 발명은 이제 실시예들을 참조한 다음의 개략적인 도면들과 관련하여 상세하게 기술된다.
도 1은 멤브레인들이 나선형 멤브레인 유닛의 형태로 배치되어 있는 장치의 단면도이고,
도 2는 고정 링 및 조정 플랜지가 삽입된 용기의 제1 개구측의 평면도이며,
도 3은 고정 링이 삽입된 용기의 다른 제2 개구측의 평면도이고,
도 4는 용기 내에 어떻게 위치 설정될 수 있는지 보여주는 실제 나선형 멤브레인 유닛의 단면도이며,
도 5는 도 4의 나선형 멤브레인 유닛의 상부(정면)에서 바라본 정면도이고, 그리고
도 6은 제1 단부 소자 또는 제2 단부 소자의 사시도이다.

우선 장치(10)를 단면도로 도시하는 도 1이 인용된다. 앞서, 이와 같은 유사한 유형의 장치들(10)이 선행 기술에서 자체적으로, 다시 말해 기본 구조에서 공지되어 있다는 사실이 참조됨으로써, 결과적으로 본 출원서에서 특수한 특징들은 장치(10)의 설명과 관련하여 언급될 필요가 없다. 이와 같은 장치들(10)은 액체 혼합물들을 필터링 및 분리하기 위해 이용되고, 이때 이와 같은 액체 혼합물들은 액체일 수 있지만 가스 형태의 혼합물들일 수도 있다. 상기 혼합물(11)의 분리는 상기 장치(10) 내부에서 멤브레인들(12)에 의해 성취되고, 이때 이와 같은 멤브레인들(12)은 자체적으로 선행 기술에서 공지된, 예를 들어 나노여과, 초여과 또는 역삼투 방법들을 위해 형성되어 있는 폴리머 멤브레인들(polymer membrane)이다.

도 1에서는 상기 멤브레인들(12)이 용기(13) 내에, 예를 들어 도 4 및 도 5에 도시되어 있는 것과 같은, 나선형 멤브레인 유닛(34)의 형태로 구성되어 수용되어 있다. 그러나 상기 장치에 플랫 멤브레인 유닛(35)이 수용되도록 상기 장치(10)를 구성하는 것도 가능하다. 플랫 멤브레인들(35)은 스택의 형태로 서로 겹쳐 있고, 이때 규칙적으로 상기 분리될 액체 혼합물(11)이 곡류 형태로 서로 겹쳐 있는 멤브레인 소자들을 스쳐 지나가고, 스택의 단부에서 농축물로도 언급된 잔류물(18)로서 상기 장치(10)를 벗어난다.

상기 용기(13) 내에 나선형 멤브레인 유닛(34)을 사용하는 경우, 상기 분리될 혼합물(11)은 축 방향으로 멤브레인 나선의 전체를 통해 내부 방해 없이 나선형 멤브레인의 전체 영역에 걸쳐서 평행하게 이송되고, 이 경우에도 잔류물(18)은 전체적으로 축 방향으로 상기 나선형 멤브레인 유닛(34)을 벗어나고 상기 장치(10)로부터 외부로 배출된다.

그 내부에서 상기 나선형 멤브레인 유닛(34) 또는 상기 플랫 멤브레인 유닛(35)이 제1 개구측(130)으로부터 조립 과정에서 축 방향으로 삽입되는 상기 용기(13)는, 예를 들어 압력하에 있는 상기 액체 혼합물(11)을 유입구를 통해 공급하는 상기 용기(13)의 내부 공간(25)의 내부 압력들, 즉 120bar를 초과하는 압력들을 견딜 수 있도록 압력 밀봉 방식으로 형성되어 있다. 이와 같은 높은 작동 압력들은 상기 장치(10)의 용도에 따른 작동에서 지속적으로 상기 용기(13)의 내부 공간(25)에서 작용하고, 이때 상기 공급된 액체 혼합물(11)은 이와 같은 압력에 의해 상기 멤브레인 소자들(12) 위로 전달된다. 상기 용기(13)로부터 상기 잔류물(18)은 배출구(21)를 통해 외부로 배출된다.

상기 용기(13)는 관 형태의 소자로서 구현되고 실질적으로 원형의 횡단면을 가지며, 이때 상기 원형의 횡단면은 상기 용기(13)의 우수한 방사 방향 안정성을 보장한다.

원칙적으로 모든 공지된 멤브레인 구성들이 본 발명에 따른 장치(10)에서 이용되기 위해 적합함에도 불구하고, 멤브레인 소자들(12)로서 소위 쿠션 멤브레인들이 사용되는데, 다시 말해 나선형 멤브레인 유닛을 형성하기 위해서, 그리고 플랫 멤브레인 유닛을 형성하기 위해서도 쿠션 멤브레인들이 사용되고, 다른 말로 하면 상기 멤브레인 유닛에 개별적인 쿠션 멤브레인들이 사용된다. 상기 쿠션 멤브레인들은 방출 개구를 포함하고, 상기 방출 개구를 통해 쿠션 내에서 수집된, 생성된 투과물이 배출되고, 이는 나선형 멤브레인 유닛으로서 멤브레인뿐만 아니라 플랫 멤브레인 유닛의 쿠션 멤브레인들에 대해서도 적용된다.

도 1에 따른 상기 장치(10)의 실시 형태의 경우, 투과물(16)은 중앙에서 수집되고 배출구(15), 즉 투과물 배출구로 안내되며, 이때 투과물(16)은 추가 사용을 위해 상기 장치(10)로부터 외부로 유도된다.

도시된 장치(10)에 대해 특수하게, 상기 분리될 혼합물(11)의 유입구는 상기 용기(13)를 통해 제1 개구측(130)을 통해 수용 가능한 제1 단부 소자(19) 상에 형성되어 있고, 이때 상기 멤브레인 소자들을 통해, 또는 상기 멤브레인 소자들 내에서 생성된 투과물의 배출구(15)는 상기 용기(13) 내로 제2 개구(131)를 통해 수용 가능한 제2 단부 소자(20) 상에 형성되어 있다. 마찬가지로 상기 멤브레인 소자들(12) 및 그에 따라 상기 장치(13)를 벗어나는 상기 잔류물(18)의 배출구(22)는 상기 용기(13) 내로 제2 개구측(131)을 통해 수용 가능한 제2 단부 소자(20) 상에 형성되어 있다.

축 방향으로 상기 2개의 단부 소자의 실제 밀봉 작용하는 압착력은 제1 압착 소자 및 제2 압착 소자(23, 24)에 의해 형성되고, 이때 축(132)은 상기 멤브레인 유닛(34, 35)의 축 또는 상기 용기(13)를 축 방향으로 관통하는 인장 볼트(37)를 형성하는 상기 용기(13)를 통과하는 가상의 축이고, 이때 개별적인 개구측들(130, 131)의 방향으로 상기 제1 단부 소자 및 상기 제2 단부 소자(19, 20) 앞에 상기 2개의 압착 소자가 배치되어 각각 상기 제1 단부 소자 및 상기 제2 단부 소자(19, 20)에 접촉한다.

말하자면 상기 용기(13)의 하나의 개구측 또는 다른 개구측(130, 131)을 통해 개별적인 단부 소자들 및 압착 소자들을 포함하는 패키지가 상기 내부 공간(25)으로 삽입된 이후에, 상기 용기의 내부(25)에서 멤브레인 소자들로 구성된 나선형 멤브레인 유닛(34) 또는 플랫 멤브레인 유닛(35) 패키지의 고정은, 상기 내부 공간(25)에서 해제 가능하게 고정될 수 있는 개별적인 고정 링(26, 27)에 의해 이루어지는데, 말하자면 상기 고정 링이 각각 둘레 방향으로 상기 용기(13)의 내부(25)에 형성된 개별적인 둘레 홈(28, 29) 내로 맞물림으로써 이루어진다. 상기 고정 링들(26, 27)에 의해 간단한 방식으로 압착 소자들, 단부 소자들 및 멤브레인 유닛들로 이루어진 상기 패키지가 사용된 멤브레인 유닛들의 종류와 관계없이, 간단한 방식으로 안전하게 상기 용기(13)의 내부 공간(25)으로 해제 가능하게 고정된다.

도 1의 상기 장치(10)의 도시 내용에 따르면, 상기 용기(13)의 제1 개구측에 있는 상기 고정 링(26)과 제1 압착 소자(23) 사이에는 디스크 형태로 형성된 조정 플랜지(30)가 배치되어 있다. 상기 조정 플랜지(30)는 상기 용기(13)의 축(132)에 대해 축 방향으로 복수의 나선 구멍(31)을 포함하고, 상기 나선 구멍들 내로 상응하게 이동 가능한 조정 나사들이 맞물린다. 그에 따라 상기 조정 나사들을 작동시킴으로써 상기 압착 소자들(23, 24) 및 그에 따라 상기 제1 단부 소자 및 제2 단부 소자(19, 20)의 약간의 축 방향 이동이 야기될 수 있는데, 그 이유는 상기 나선형 멤브레인 유닛(34)의 중앙의 축 방향 관을 통해, 그러나 플랫 멤브레인 유닛(35)을 사용하는 경우, 유사하게 배치된 중앙의 축 방향 관 소자를 통해서도 상기 제2 단부 소자(20) 및 상기 제2 압착 소자(24)에 대한 축 방향 힘이 나사들의 작동시 상기 나사들의 축 방향 이동에 의해 보장되기 때문이다.

상기 조정 소자(31)는 상기 용기(13) 내에 있는 내부의 제1 둘레 홈(28)에서 지지 된다. 이는, 제1 개구측(130)(도 2) 및 다른 제2 개구측(131)(도 3)의 도면을 도시하는 도 2 및 도 3에서 상부 또는 하부 홈(28, 29)이다.

실질적으로 플레이트 형태로 형성되어 있는 단부 소자들(19, 20)(도 6에 따른 사시도 참조)은 자체 방사 방향 둘레를 둘러싸는 홈(32)을 포함하고, 이때 이와 같은 홈(32)은 개별적인 밀봉 소자(33)(도 1 참조)를 수용하기 위해 이용된다. 상기 밀봉 소자들(33)은 횡단면에서 립 시일들로서 형성되어 있지만, 상기 밀봉 소자들의 다른 횡단면 형태들도 사용될 수 있다. 본 도면에 도시되어 있지는 않지만, 나선형 멤브레인 유닛(34) 또는 유사하게 플랫 멤브레인 유닛(35)을 축 방향으로, 그리고 중앙에서 횡단하는 인장 볼트(27)는 축 방향으로 진행하는 홈들을 포함할 수 있고, 상기 홈들을 통해 중앙에서 수집된 투과물(16)이 전달되고 상기 장치(10)로부터 외부로 유도된다. 도 4 및 도 5에 따른 나선형 멤브레인 유닛(34)의 도시 내용의 경우, 도 5에 의해 쉽게 확인할 수 있는 것처럼, 상기 홈들은 직접 상기 나선형 멤브레인 유닛(34)의 중앙 인장 관 내에 형성되어 있음으로써, 결과적으로 상기 장치(10)의 이와 같은 형성예에서 상기 인장 볼트(27) 자체는 둘레에 홈 없이 평탄하게 형성될 수 있다. 상기 투과물(16)의 흐름은 도 1에서 화살표에 의해 상징적으로 도시된다.

10 장치
11 액체 혼합물(공급물)
12 멤브레인/멤브레인 소자
13 용기
130 제1 개구측
131 제2 개구측
132 용기 축
14 유입구(혼합물 유입구)
15 배출구(투과물 배출구)
16 투과물
17
18 잔류물(농축물)
19 제1 단부 소자
20 제2 단부 소자
21 배출구(잔류물 배출구)
23 제1 압착 소자
24 제2 압착 소자
25 내부 공간(용기)
26 고정 링
27 고정 링
28 (제1) 내부 둘레 홈
29 (제2) 내부 둘레 홈
30 조정 플랜지
31 나선 구멍
32 홈
33 밀봉 소자
34 나선형 멤브레인 유닛
35 플랫 멤브레인 유닛
36 멤브레인 스택
37 인장 볼트

Claims

멤브레인들(12)에 의해 압력하에 있는 액체 혼합물들(11)을 필터링 및 분리하기 위한 장치(10)로서,
상기 장치는 압력 밀봉 방식의 용기(13)를 포함하고, 상기 용기 내에 상기 멤브레인들(12)이 압력 밀봉 방식으로 수용되며, 혼합물(11)을 위한 하나 이상의 유입구(14) 및 상기 멤브레인들(12)에 의해 상기 혼합물(11)로부터 분리된 투과물(16)을 위한 하나 이상의 배출구(15)를 포함하고, 그리고 잔류물(18)을 위한 하나 이상의 배출구(21)를 포함하는 장치에 있어서,
상기 압력 밀봉 방식의 용기(13)는 플라스틱 재료로 구성되며,
상기 용기(13) 내로 제1 개구측(130)을 통해 제1 단부 소자(19)가 수용 가능하고 제2 개구측(131)을 통해 제2 단부 소자(20)가 수용 가능하며,
상기 용기(13)의 내부(25)에서 삽입 및 수용 가능한 멤브레인들(12)로 이루어진 패키지(package)가, 상기 용기(13)의 제1 개구측 및 제2 개구측(130, 131)에서 각각, 둘레 방향으로 상기 용기(13)의 내부(25)에 형성된 개별적인 둘레 홈(28, 29) 내로 각각 해제 가능하게 맞물리는 고정 링(26, 27)에 의해, 해제 가능하게 위치 설정될 수 있고,
상기 용기(13)의 제1 개구측(130)에 있는 상기 고정 링(26)과, 상기 제1 단부 소자(19)에 접촉하고 상기 제1 개구측(130)의 방향으로 상기 제1 단부 소자 앞에 배치된 제1 압착 소자(23) 사이에, 디스크 형태의 조정 플랜지(30)가 배치되어 있으며,
상기 조정 플랜지(30)는 상기 용기(13)의 축(132)에 대해 축 방향으로 복수의 나선 구멍(31)을 포함하는, 장치.
제1 항에 있어서,
상기 플라스틱은 에폭시수지로 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1 항에 있어서,
상기 플라스틱은 아라미드[폴리(1,4-페닐렌-테레프탈아라미드)]로 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1 항에 있어서,
상기 플라스틱 재료는 케블러(kevlar)로 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 플라스틱은 섬유 보강되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
제5 항에 있어서,
상기 보강 섬유들은 유리 섬유들로 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제5 항에 있어서,
상기 보강 섬유들은 탄소 섬유들로 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1 항에 있어서,
상기 플라스틱은 폴리염화비닐(PVC)로 구성되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 용기(13)는 원형의 횡단면을 갖는 관 형태의 소자로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1 항에 있어서,
분리될 상기 혼합물(11)의 유입구(14)는 상기 용기(13) 내에서 제1 개구측(130)을 통해 수용 가능한 제1 단부 소자(19) 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
제10 항에 있어서,
상기 멤브레인 소자들(12)을 통해, 또는 상기 멤브레인 소자들(12) 내에서 생성된 상기 투과물(16)의 배출구(15)는 상기 용기(13) 내로 제2 개구측(131)을 통해 수용 가능한 제2 단부 소자(20) 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
제10 항에 있어서,
멤브레인 소자들(12)을 통해 전달되고, 상기 장치(10)를 벗어나는 축적된 잔류물(22)의 배출구(21)는 상기 용기(13) 내로 제2 개구측(131)을 통해 수용 가능한 제2 단부 소자(20) 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
제11 항 또는 제12 항에 있어서,
제2 개구측(131)의 방향으로 제2 단부 소자(20) 앞에 제2 압착 소자(24)가 배치되어 있고, 상기 제2 압착 소자(24)는 제2 단부 소자(20)에 접촉하는 것을 특징으로 하는, 장치.
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제11 항 또는 제12 항에 있어서,
플레이트 형태로 형성된 상기 제1 단부 소자 및 상기 제2 단부 소자(19, 20)는 밀봉 소자(33)를 수용하기 위해 자체 방사 방향 둘레를 둘러싸는 홈(32)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1 항에 있어서,
상기 용기(13) 내에 있는 상기 멤브레인들(12)은 나선형 멤브레인 유닛(34)의 형태로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1 항에 있어서,
상기 용기(13) 내에 있는 상기 멤브레인들(12)은 플랫 멤브레인 유닛(35)의 형태로 구성되어 있고, 플랫 멤브레인들(35)은 스택(stack)(36)의 형태로 서로 겹쳐 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 멤브레인 소자들(12)은 쿠션 멤브레인들(cushion membranes)로서 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 장치.
제18 항 또는 제19 항에 있어서,
상기 멤브레인 유닛(34, 35)은 인장 볼트(37)에 의해 축 방향으로 횡단되는 것을 특징으로 하는, 장치.
제21 항에 있어서,
상기 인장 볼트(37)를 통해 상기 멤브레인들(12)로부터 분리된 상기 투과물(16)이 상기 투과물 배출구(15)로 안내되는 것을 특징으로 하는, 장치.