KR102587567B1 - 가스 용해 반응기 - Google Patents

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Abstract

다양한 실시 예에 따른 가스 용해 반응기는, 공급수를 공급하는 체크 밸브, 가스를 공급수에 공급하는 인젝터, 인젝터로부터 전달받은 가스 및 공급수를 선회시켜, 버블화된 용해수를 형성하는 제1 선회 노즐, 제1 선회 노즐로부터 용해수를 전달받는 제1 선회 반응기, 제1 선회 반응기로부터 전달받은 용해수를 선회시켜 버블화하는 제2 선회 노즐 및 제1 선회 노즐에 연통되는 제1 펌프 및 제2 선회 노즐에 연통되는 제2 펌프를 포함하는 복수의 펌프를 포함하고, 복수의 펌프는, 제1 펌프의 압력인 제1 기준압은 제2 펌프의 압력인 제2 기준압보다 높게 형성되고, 제1 선회 반응기가 제1 선회 노즐보다 상대적으로 저압 상태가 될 수 있다.

Description

가스 용해 반응기{GAS EMULSION REACTOR}
본 개시는 가스 용해 반응기에 관한 것으로, 상세하게는, 복수의 펌프를 포함하고, 용액을 버블화하여 용해시키는 가스 용해 반응기에 관한 것이다.
가스 용해 반응기는 가스에 용해 반응을 진행시키기 위한 기구로서, 공급수에 가스를 용해시키거나, 공급수에 상반되는 성질의 물질의 공급수에 용해시키는 설비로, 예를 들면 물 또는 유류의 공급수에 산소, 수소, 질소 또는 이산화탄소와 같은 가스를 대량으로 용해하거나, 물성이 상반되는 다른 물질을 용해 결합시키는 반응기에 관한 것이다.
일반적으로, 산업계에서 일컫는 산소수, 산화질소수 또는 수소수와 같은 용액은 일반적인 상태에서 용해 가능한 기준치보다 많은 가스가 용해된 용해수를 일컫는 용어이다. 이처럼 가스를 물에 대량으로 용해시키기 위하여는 다양한 환경 요소를 조성해야 하며, 용해수를 제조하기 위하여는 비용과 시간이 소요된다. 이는, 안정화되어있는 물질에 가스를 더 주입하여 불안전 물질을 제조하는 것으로, 상당한 기술이 필요하기 때문이다.
가스 용해 반응기는 산소와 같은 가스를 액상에 용해하여 양액 제조, 화학 반응, 미생물 배양, 약품 제조, 화장품 제조, 탈취 시스템 등의 공정에 적용하여, 시간 단축과 고효율의 제품 생산에 기여할 수 있다.
예를 들면, 대량 양식에 있어서 수조 내부의 산소가 빠른 속도로 고갈되기에, 용존산소량을 증가시킨 산소수를 수조 내부로 공급할 수 있다. 또는, 오염물을 정화하기 위하여 오존과 같은 반응성 기체를 용해시켜, 정화 효과를 향상시킬 수 있다.
가스 용해 반응기는, 가스의 용해도를 향상시킨 용해수를 생성하기 위하여, 멤브레인 방식으로 압축된 고압의 공기를 제공하여 인젝터 용해 방식을 취하거나, 직경이 마이크로미터 내지 나노미터 단위를 갖는 미세 기포인 마이크로 내지 마이크로 나노 버블(이하, '마이크로 버블')을 발생시켜 이를 공급수에 제공할 수 있다.
그런데, 종래의 용해 방식은 공기 압축의 효율이 낮고, 산소 주입에 비용이 많이 들고 번거롭다는 단점이 있다. 또한, 일반적인 공기의 용해는 효율이 낮더라도 비용과 시간을 증가시켜 용액을 형성할 수 있으나, 만약 가스가 공기 중에 분사될 때 위험 요소가 따르는 물질의 경우에는 이를 제어하기 위한 각별한 주위가 요구되며, 제조 난이도가 상승하게 된다.
예를 들면, 이산화탄소의 용해에 의한 탄산수 및 암모니아 중화를 위한 양액의 제조뿐 아니라, 오존 용해를 이용한 탈취 용액과 같이 기타 가스를 용해해서 사용해야 하는 경우, 용해의 난해성 외에도, 가스가 환경에 미치는 영향이 있기에 이를 고려해야만 하며, 또한 용해율이 낮기에 많은 비용이 발생하는 문제가 있다.
다양한 실시 예에 따른 가스 용해 반응기는, 공급수를 공급하는 체크 밸브, 가스를 상기 공급수에 공급하는 인젝터, 상기 인젝터로부터 전달받은 상기 가스 및 상기 공급수를 선회시켜, 버블화된 용해수를 형성하는 제1 선회 노즐, 상기 제1 선회 노즐로부터 상기 용해수를 전달받는 제1 선회 반응기, 상기 제1 선회 반응기로부터 전달받은 용해수를 선회시켜 버블화하는 제2 선회 노즐 및 상기 제1 선회 노즐에 연통되는 제1 펌프 및 상기 제2 선회 노즐에 연통되는 제2 펌프를 포함하는 복수의 펌프를 포함하고, 상기 복수의 펌프는, 상기 제1 펌프의 압력인 제1 기준압은 상기 제2 펌프의 압력인 제2 기준압보다 높게 형성되고, 상기 제1 선회 반응기가 상기 제1 선회 노즐보다 상대적으로 저압 상태가 될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들에 따르는 가스 용해 장치는 복수의 선회 노즐 및 선회 반응기를 통과하며 마이크로 버블화될 수 있고, 용해도를 높일 수 있다. 또는, 가스 용해 장치는 복수의 펌프를 이용하여 선회 반응기 및 선회 노즐 내부의 압력을 제어할 수 있고, 압력 차이를 이용하여 가스의 용해도를 높이거나, 인젝터로부터 자흡 상태로 가스를 공급받을 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기의 사시도이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기의 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기의 일부 영역을 도시한 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기의 일부 영역을 도시한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기의 일부 영역을 도시한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기의 일부 영역을 도시한 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 실시 예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고, 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
다양한 실시 예들 및 이에 사용된 용어들은 본 개시에 기재된 기술적 특징들을 특정한 실시 예들로 한정하려는 것이 아니며, 해당 실시 예의 다양한 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 도면의 설명과 관련하여, 유사한 또는 관련된 구성요소에 대해서는 유사한 참조 부호가 사용될 수 있다. 아이템에 대응하는 명사의 단수형은 관련된 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 상기 아이템 한 개 또는 복수 개를 포함할 수 있다. 본 개시에서, "A 또는 B", "A 및 B 중 적어도 하나", "A 또는 B 중 적어도 하나", "A, B 또는 C", "A, B 및 C 중 적어도 하나", 및 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"와 같은 문구들 각각은 그 문구들 중 해당하는 문구에 함께 나열된 항목들 중 어느 하나, 또는 그들의 모든 가능한 조합을 포함할 수 있다. "제1 ", "제2 ", 또는 "첫째" 또는 "둘째"와 같은 용어들은 단순히 해당 구성요소를 다른 해당 구성요소와 구분하기 위해 사용될 수 있으며, 해당 구성요소들을 다른 측면(예: 중요성 또는 순서)에서 한정하지 않는다. 어떤(예: 제1) 구성요소가 다른(예: 제2) 구성요소에, "기능적으로" 또는 "통신적으로"라는 용어와 함께 또는 이런 용어 없이, "커플드" 또는 "커넥티드"라고 언급된 경우, 그것은 상기 어떤 구성요소가 상기 다른 구성요소에 직접적으로(예: 유선으로), 무선으로, 또는 제3 구성요소를 통하여 연결될 수 있다는 것을 의미한다.
다양한 실시 예들에서 사용된 용어 "모듈"은 하드웨어, 소프트웨어 또는 펌웨어로 구현된 유닛을 포함할 수 있으며, 예를 들면, 로직, 논리 블록, 부품, 또는 회로와 같은 용어와 상호 호환적으로 사용될 수 있다. 모듈은, 일체로 구성된 부품 또는 하나 또는 그 이상의 기능을 수행하는, 상기 부품의 최소 단위 또는 그 일부가 될 수 있다. 예를 들면, 일 실시 예에 따르면, 모듈은 ASIC(application-specific integrated circuit)의 형태로 구현될 수 있다.
다양한 실시 예들은 기기(machine)(예: 전자 장치) 의해 읽을 수 있는 저장 매체(storage medium)(예: 내장 메모리 또는 외장 메모리)에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어(예: 프로그램)로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 기기(예: 전자 장치)의 프로세서는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다. 이것은 기기가 상기 호출된 적어도 하나의 명령어에 따라 적어도 하나의 기능을 수행하도록 운영되는 것을 가능하게 한다. 상기 하나 이상의 명령어들은 컴파일러에 의해 생성된 코드 또는 인터프리터에 의해 실행될 수 있는 코드를 포함할 수 있다. 기기로 읽을 수 있는 저장 매체는, 비 일시적(non-transitory) 저장 매체의 형태로 제공될 수 있다. 여기서, '비 일시적'은 저장 매체가 실재(tangible)하는 장치이고, 신호(signal)(예: 전자기파)를 포함하지 않는다는 것을 의미할 뿐이며, 이 용어는 데이터가 저장 매체에 반영구적으로 저장되는 경우와 임시적으로 저장되는 경우를 구분하지 않는다.
일 실시 예에 따르면, 본 개시에 개시된 다양한 실시 예들에 따른 방법은 컴퓨터 프로그램 제품(computer program product)에 포함되어 제공될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다. 컴퓨터 프로그램 제품은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체(예: compact disc read only memory(CD-ROM))의 형태로 배포되거나, 또는 어플리케이션 스토어(예: 플레이 스토어TM)를 통해 또는 두 개의 사용자 장치들(예: 스마트폰들) 간에 직접, 온라인으로 배포(예: 다운로드 또는 업로드)될 수 있다. 온라인 배포의 경우에, 컴퓨터 프로그램 제품의 적어도 일부는 제조사의 서버, 어플리케이션 스토어의 서버, 또는 중계 서버의 메모리와 같은 기기로 읽을 수 있는 저장 매체에 적어도 일시 저장되거나, 임시적으로 생성될 수 있다.
다양한 실시 예들에 따르면, 상기 기술한 구성요소들의 각각의 구성요소(예: 모듈 또는 프로그램)는 단수 또는 복수의 개체를 포함할 수 있으며, 복수의 개체 중 일부는 다른 구성요소에 분리 배치될 수도 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 전술한 해당 구성요소들 중 하나 이상의 구성요소들 또는 동작들이 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 구성요소들 또는 동작들이 추가될 수 있다. 대체적으로 또는 추가적으로, 복수의 구성요소들(예: 모듈 또는 프로그램)은 하나의 구성요소로 통합될 수 있다. 이런 경우, 통합된 구성요소는 상기 복수의 구성요소들 각각의 구성요소의 하나 이상의 기능들을 상기 통합 이전에 상기 복수의 구성요소들 중 해당 구성요소에 의해 수행되는 것과 동일 또는 유사하게 수행할 수 있다. 다양한 실시 예들에 따르면, 모듈, 프로그램 또는 다른 구성요소에 의해 수행되는 동작들은 순차적으로, 병렬적으로, 반복적으로, 또는 휴리스틱 하게 실행되거나, 상기 동작들 중 하나 이상이 다른 순서로 실행되거나, 생략되거나, 또는 하나 이상의 다른 동작들이 추가될 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 예시 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은, 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기(100)의 사시도이고, 도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기(100)의 블록도이다.
도 1을 참고하면, 가스 용해 반응기(100)는 체크 밸브(103)를 통하여 공급수를 제공받고, 인젝터(105)를 통하여 공급수가 지나가는 경로에 가스를 제공받을 수 있고, 가스 용해 반응기(100)는 이들을 용해시키며 용해수를 생성할 수 있다.
일 실시 예에서, 가스 용해 반응기(100)는 복수의 구성 요소들을 지지하고 바닥면에 지지되는 휠이 결합된 프레임(102)을 포함할 수 있고, 프레임(102) 상에서는 제1 펌프(110), 제2 펌프(140) 및 선회 반응기(125, 160)가 결합되어 지지될 수 있다. 가스 용해 반응기(100)의 복수의 구성 요소들은 복수의 파이프 라인(104, 145)으로 연결되어, 공급수, 가스 또는 용해수를 이동시킬 수 있고, 제1 펌프(110) 및 제2 펌프(140)는 모터에 연결되어 공급수 또는 용해수가 흐르는 동력을 제공하거나, 내부 구성 요소들 사이의 압력 차이를 형성할 수 있다. 가스 용해 장치의 상세한 구성과 동작은 이하에서 도 3 내지 도 6을 참고하여 상세히 설명한다.
도 2를 참고하면, 가스 용해 반응기(100)는 가스를 공급수에 용해하기 위한 복수의 요소들 및 이들을 제어하는 컨트롤러(101)를 포함할 수 있다. 가스 용해 반응기(100)는 사용자에 의하여 제어하거나, 또는 프로그래밍된 컨트롤러(101)를 통하여 복수의 요소들을 제어하여 용해수를 제조할 수 있다.
일 실시 예에서, 사용자는 컨트롤러(101)를 통하여 압력 센서(115)의 센싱 결과를 확인하고, 체크 밸브(103), 인젝터(105), 제1 펌프(110) 및 제2 펌프(140)의 구동을 제어할 수 있다. 이에 한정되지 아니하고, 컨트롤러(101)는 저장 매체에 저장된 하나 이상의 명령어들을 포함하는 소프트웨어로서 구현될 수 있다. 예를 들면, 컨트롤러(101)는, 저장 매체로부터 저장된 하나 이상의 명령어들 중 적어도 하나의 명령을 호출하고, 그것을 실행할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 본 문서에 개시된 다양한 실시 예들에 따른 제어 방법 내지 동작 방법(예: 도 7의 가스 용해 반응기의 제어 방법(S100))은 저장 매체에 저장된 프로그램 제품에 포함되어 제공될 수 있다. 프로그램 제품은 상품으로서 판매자 및 구매자 간에 거래될 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 펌프(110)는 체크 밸브(103)를 통하여 외부로부터 공급수를 전달받을 수 있다. 공급수는 가스를 용해시키기 위한 용매 내지 물일 수 있다. 이하에서는, 설명의 편의를 위하여 물과 같은 용매를 '공급수'로 호칭하나, 이는 다양한 산업계에서 공급수 외에 다양한 용어로도 불릴 수 있다.
일 실시 예에서, 압력 센서(115)는 제1 선회 반응기(125)의 내부 압력을 감지하는 제1 압력 센서(115a) 및 제2 선회 반응기(160)의 내부 압력을 감지하는 제2 압력 센서(115b)를 포함할 수 있다. 압력 센서(115)는 감지 결과를 컨트롤러(101)로 제공하고, 컨트롤러(101)는 이에 기초하여 다른 요소들의 구동을 제어할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 펌프(110)는 제1 선회 노즐(120)에 연통되고, 제2 펌프(140)는 제2 선회 노즐(130)에 연통될 수 있고, 제1 펌프(110) 및 제2 펌프(140)는 제1 선회 반응기(125), 제1 선회 노즐(120), 제2 선회 반응기(160) 및 제2 선회 노즐(130) 중 적어도 일부의 압력 내지 압력 차이를 제어하여, 용해수의 흐름 및 용해도를 제어할 수 있다.
도 3 내지 도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기(100)의 일부 영역을 도시한 도면이다.
도 3을 참고하면, 일 실시 예에서, 제1 펌프(110)는 제1 펌프(110)와 연통되는 제1 파이프 라인(104)을 통하여 공급수가 흐르도록 고압의 환경을 조성할 수 있다. 일 실시 예에서, 체크 밸브(103)는 제1 펌프(110)가 정지되었을 때 공급수가 반대 방향으로 흐르지 않도록 닫혀 가스 용해 반응기(100)의 역류를 방지할 수 있다.
일 실시 예에서, 인젝터(105)는 외부로부터 고압의 가스를 전달받고, 이를 공급수로 제공할 수 있다. 일 실시 예에서, 인젝터(105)는 제1 파이프 라인(104)을 통과하는 공급수 내부로 강제로 주입될 수 있고, 인젝터(105)는 고압의 가스를 분사하여, 가스 용해 반응기(100)는 1차적으로 공급수에 가스를 용해시킬 수 있다.
다양한 실시 예에서, 인젝터(105)는 공급수와 물성이 상이하여 혼합이 어려운 성격을 갖는 액체를 공급할 수 있고, 이 경우, 제1 선회 노즐(120)에서 공급수 및 인젝터(105)로 유입된 액체 중 하나가 미세한 버블 입자로 분산되며 혼합될 수도 있다(즉, '에멀전 반응' 내지 '에멀전 용액'). 이하에서는 공급수에 가스가 용해되는 용해수를 중심으로 설명하나, 이는 가스 대신 다른 액체가 섞이는 에멀젼 반응에도 실질적으로 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 파이프 라인(104) 및 인젝터(105)를 통과한 공급수는 제1 선회 노즐(120)로 이동할 수 있다. 제1 선회 노즐(120)은 공급수 및 가스를 선회시키며 기압 차를 형성할 수 있고, 가스에 충돌 압력을 인가하여, 마이크로 버블을 발생시켜, 버블화된 용해수를 형성할 수 있다.
예를 들면, 제1 선회 노즐(120)은 공급수가 선회하며 소용돌이치도록 제1 파이프 라인(104)으로부터 공급수를 선회시키는 구조로 형성될 수 있고, 공급수의 소용돌이에 의하여 가스는 방출되고, 충돌 압력에 의하여 미세화되며, 마이크로 버블을 발생시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 마이크로 버블은 가스의 일반적인 기포 형태와 비교할 때 공급수 내에서 적은 부력이 작용하여 오래 용존할 수 있고, 공급수 외부로 밀려나지 않고 잔존하며 공급수에 실질적으로 완전하게 용해될 수 있다.
일 실시 예에서, 가스 용해 반응기(100)는 마이크로 버블 상태를 만듦으로써 높은 수치, 예를 들면 목표치의 98%까지 빠르게 가스를 용해시킬 수 있다. 일반적으로, 높은 용해도를 갖도록 마이크로 버블 상태를 구현하기 위하여는 기준압(예를 들면, 3.5kg/cm²) 이상의 압력이 필요하다.
본 문서의 다양한 실시 예의 가스 용해 반응기(100)는, 저압 상태(예를 들면, 1kg/cm2 이하)에서 액상에 가스를 용해하기 위하여, 제1 선회 노즐(120)에서 액상을 충돌시켜 버블 발생을 유도함과 동시에, 인젝터(105)를 이용하여 가스를 주입하여, 제1 선회 노즐(120)을 통과한 용해수가 효과적으로 용해되도록 할 수 있다.
도 4를 참고하면, 일 실시 예의 가스 용해 반응기(100)는 제1 선회 노즐(120)에서 공급수와 가스의 반응으로 마이크로 버블화된 용해수를 제1 선회 반응기(125)로 전달하고, 제1 선회 반응기(125)에서 다시 제2 선회 노즐(120)로 용해수를 통과시킬 수 있다. 제2 선회 노즐(120)은 제1 선회 반응기(125)로부터 전달받은 용해수를 선회시켜 재차 버블화할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 선회 노즐(120)을 통과한 용해수는 제1 선회 반응기(125)로 용해수를 배출할 수 있다. 제1 선회 반응기(125)는 내부에 분사관(150)이 연통되지 않도록 마련될 수 있다. 즉, 분사관(150)은 일 단부가 제2 선회 반응기(160)와 연통되고, 타 단부는 제1 선회 반응기(125)의 내부에 마련되며, 제1 선회 반응기(125) 내부와 분사관(150)의 내부는 연통되지 않고 단절될 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 선회 반응기(125)는 제1 선회 노즐(120)과 비교하여 상대적으로 부피가 클 수 있고 압력은 낮을 수 있다. 용해수는 제1 선회 노즐(120)로부터 제1 선회 반응기(125)로 이동하며 낮은 압력에 의하여 넓게 퍼지며 분산될 수 있다. 용해수는 제1 선회 반응기(125) 또는 분사관(150)과 충돌하며 가스가 버블화되기 위한 충돌 압력을 제공받을 수 있다.
일 실시 예에서, 가스 용해 반응기(100)는, 제1 펌프(110)에서 압력을 제1 기준압(예를 들면, 4kg/cm²)으로 설정하여 공급수를 인젝터(105)에 인입하고, 인젝터(105)의 출력단에 제1 선회 노즐(120)을 장착하여 1차적인 버블 생성 시스템을 구비할 수 있다. 이후, 가스 용해 반응기(100)는 제1 선회 노즐(120)에서 1차적으로 버블화된 용해수를 제1 선회 반응기(125)로 이동시킬 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 선회 반응기(125)는 제2 선회 노즐(130)을 통하여 제2 펌프(140)에 연결되어, 제1 선회 반응기(125) 내부의 압력을 제1 기준압보다 작은 제2 기준압(예를 들면, 3.5kg/cm²) 이하로 설정될 수 있고, 그 결과 인젝터(105)는 자흡 상태로 제1 선회 노즐(120)을 거쳐 제1 선회 반응기(125)로 가스를 공급할 수 있다. 즉, 제1 기준압을 제2 기준압보다 높을 수 있고, 그 결과 제1 선회 반응기(125)의 내부 압력이, 제1 선회 노즐(120)보다 저압 상태가 되어, 인젝터(105)에서 기체의 압력이 충분히 높지 않더라도 자흡되도록 유도할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 선회 반응기(125)의 내부 압력은 표준 대기압보다 낮게 형성될 수 있으며, 인젝터(105)는 대기압에 인접한 압력만으로도 안정적으로 제1 선회 반응기(125)로 가스를 공급할 수 있다.
일 실시 예에서, 가스 용해 반응기(100)는 용해수를 버블화하기 위하여 압축된 공급수를 제1 선회 노즐(120)을 통하여 가스와 반응하는 제1 선회 반응기(125)에 진입하는 과정에서, 가스를 고압으로 주입하여 용해하는 과정을 거친다. 낮은 압력의 가스는 용해가 쉽지 않기에, 가스 용해 반응기(100)의 특수 인젝터(105)를 이용하여 제1 펌프(110)의 압력보다 높은 압력으로 가스를 주입해야만 용해도를 올릴 수 있으나, 이는 에너지 소비가 크며, 가스 용해 반응기(100)가 주입되는 가스의 양이 적다는 한계가 있다.
예를 들면, 일반적인 산소발생기, 오존발생기 등은 압력이 일정 수치, 예를 들면 1kg/cm² 이하일 수 있고, 특수 인젝터(105)를 사용하더라도, 주입되는 양이 미미할 수 있기에, 가스 용해 반응기(100)는 고압으로 많은 양의 가스를 주입하기에는 한계가 있을 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예에서는, 제1 펌프(110) 및 제2 펌프(140)를 통하여 제1 선회 노즐(120) 이후에도 제1 선회 반응기(125), 제2 선회 노즐(120), 제2 선회 반응기(160)를 거치며 가스를 포함하는 용해수의 압력을 반복적으로 감압 및 승압시킬 수 있다. 그 결과, 인젝터(105)의 주입 압력이 낮은 경우에도 가스의 용해도를 효과적으로 향상시킬 수 있고, 가스의 양을 충분히 공급할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 선회 반응기(125)는 가압 용해 방식으로 가스의 용해도를 높일 수 있다. 일 실시 예에서, 제1 선회 반응기(125)는 제1 선회 노즐(120)을 통하여 고압으로 충분한 양의 가스를 용해시킨 용해수를 분산시키며 감압하여, 더 많은 마이크로 버블을 형성할 수 있다.
일 실시 예에서, 제1 선회 반응기(125)의 하단은 제2 선회 노즐(120)과 연결될 수 있다. 제2 선회 노즐(120)은 제2 펌프(140)와 연결되고, 제1 선회 반응기(125)의 용해수는 제2 선회 노즐(120)로 이동할 수 있다.
일 실시 예에서, 제2 선회 노즐(120)은 마이크로 버블화된 저압력 가스를 대량 흡입 가능하도록 음압을 형성할 수 있다. 구체적으로, 제2 선회 노즐(120)은 제2 펌프(140)에 연결되고, 제2 펌프(140)는 제1 선회 반응기(125)로부터 용해수를 흡입하도록 구동되어, 제2 선회 노즐(120) 내부에 음압을 형성할 수 있다. 다양한 실시 예에서, 제2 선회 노즐(120) 내부는 제1 선회 반응기(125)보다 부피가 작기에, 제2 선회 노즐(120)을 통과하며 용해수들은 응축될 수 있다.
도 5를 참고하면, 제2 펌프(140)가 구동되며 제2 선회 노즐(120)로부터 중간 노즐(135)을 통과하여, 제2 파이프 라인(145)으로 용해수를 이동시킬 수 있다. 중간 노즐(135)은 용해수의 진행 방향으로 점차 단멱적이 감소하고, 다시 단면적이 증가하는 구조를 가질 수 있다. 중간 노즐(135)을 통과하며 용해수의 압력은 급격하게 상승할 수 있고, 가스가 집중적으로 마이크로 버블화될 수 있다. 일 실시 예에서, 제2 파이프 라인(145)을 통과한 용해수는 고압의 상태가 되며, 제2 선회 반응기(160)와 연결되는 분사관(150)으로 이동할 수 있다.
도 6을 참고하면, 일 실시 예에서, 분사관(150)은 제2 파이프 라인(145) 비교하여 상대적으로 부피가 클 수 있고 압력은 낮을 수 있다. 용해수는 제2 파이프 라인(145)로부터 분사관(150)으로 이동하며 낮은 압력에 의하여 넓게 퍼지며 분산될 수 있다. 용해수는 분사관(150) 외벽과 충돌하며 가스가 버블화되기 위한 충돌 압력을 제공받을 수 있고, 용해수는 아래로 흘러내릴 수 있다.
일 실시 예에서, 분사관(150)은 수직 방향으로 이격 배열되는 복수의 플레이트(153)를 포함할 수 있다. 복수의 플레이트(153)는 수직 방향으로 관통되는 복수의 관통 홀이 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 복수의 플레이트(153) 각각의 관통 홀은 수직 방향으로 비 중첩되도록 형성될 수 있고, 용해수는 상단의 플레이트(153)의 관통 홀을 통과하여 하단의 플레이트(153)로 떨어지고, 다시 하단의 플레이트(153)의 관통 홀을 통과하며 분사구(154)로 이동하고, 분사구(154)를 통과하여 제2 선회 반응기(160) 내부로 떨어질 수 있다.
다양한 실시 예에서, 제2 선회 반응기(160) 내부는 제2 펌프(140)의 구동에 의하여 상대적으로 고압의 상태를 형성할 수 있고, 상술한 과정을 거치며 수차례 마이크로 버블화된 가스는 공급수와 섞이며, 높은 용해도를 갖는 용해수가 형성될 수 있다.
다양한 실시 예에서, 제2 선회 반응기(160)를 통과하여 마이크로 버블화된 용해수는, 외부와 연통되는 충돌 노즐(170)로 이동하고, 충돌 노즐(170)을 통과하여 최종적으로 마이크로 버블화된 용해수를 배출할 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예에서, 가스 용해 반응기(100)는 복수의 선회 노즐(120, 130), 복수의 선회 반응기(125, 160) 및 충돌 노즐(170)을 포함하여, 반복적으로 용해수가 소용돌이치게 하거나 충돌시켜 충돌 압력을 형성하고, 이를 통하여 가스가 미세하게 버블화될 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예에서, 가스 용해 반응기는 제1 선회 반응기(125)로 이동하며 용해수를 감압시키고, 제2 펌프(140)를 이용하여 이를 다시 제2 선회 노즐(120)을 통과시키며 단기간에 용해수를 승압시켜, 용해수의 압력 변화를 극대화할 수 있다.
다른 실시 예에서는, 가압 방식으로 용해도를 올리기 위하여 상대적으로 높은 압력을 지속적으로 제공해야하는 반면, 본 문서의 가스 용해 반응기(100)는 1차적으로 마이크로 버블화된 용해수를 단기간에 높은 압력차를 갖도록 승압시킬 수 있고, 이를 통하여 마이크로 버블의 형성을 더욱 원활하게 만들어주며, 가스의 용해도를 향상시킬 수 있고, 대량의 가스를 용해시킬 수 있으며, 상대적으로 에너지 소비를 저감시켜 제조 수율과 경제성을 확보할 수 있다.
일 실시 예에서, 인젝터(105)는 고농도 소량의 가스의 정량 흡입이 가능한 기능을 구비할 수 있다. 일 실시 예에서, 용해수가 대량의 가스의 흡입이 필요하지 않은 경우, 제2 펌프(140)는 압력을 기설정된 수치, 예를 들면 4kg/cm²이상으로 압축할 수 있다. 이후, 용해수는 제2 선회 반응기(160)를 통과하여 마이크로 버블로 변환된 상태에서, 충돌 노즐(170)을 통과시키며 상대적으로 용이하게 용해수를 제조할 수 있다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 가스 용해 반응기(100)의 동작을 나타낸 흐름도이다.
도 7을 참고하면, 가스 용해 반응기(100)의 제어 방법(S100)은, 사용자 또는 컨트롤러(101)에 의하여 수행될 수 있다. 도 7을 설명함에 있어서, 상술한 내용과 중복되는 내용은 간략하게 설명하며, 도 7의 흐름도는 설명의 편의를 위한 것으로, 실제 구현 시에는 통상의 기술자가 자명한 범위에서 일부 동작을 생략하거나 교체할 수 있다.
일 실시 예에서, 공급수 및 가스 주입 동작(S110)은 체크 밸브(103) 및 인젝터(105)를 통하여 공급수 및 가스를 가스 용해 반응기(100) 내부로 주입할 수 있다. 1차 버블 발생(S120) 동작은, 주입된 공급수와 가스를 제1 선회 노즐(120)로 통과시키며, 충돌 압력 및 소용돌이에 의한 기압 차이에 의하여 가스를 마이크로 버블화할 수 있다.
일 실시 예에서, 1차 선회 반응기 통과 동작(S130)은 제1 선회 노즐(120)로부터 제1 선회 반응기(125)로 마이크로 버블화된 용액을 공급할 수 있다. 제1 선회 반응기(125) 내부는 제1 펌프(110) 및 제2 펌프(140)의 구동에 의하여, 상대적으로 저압 상태로 구현될 수 있다. 이를 통하여, 인젝터(105)는 자흡 상태로 가스를 내부로 공급할 수 있고, 고압 상태를 형성하기 위한 특수 기능 없이도, 안정적으로 많은 양의 가스를 공급할 수 있다.
일 실시 예에서, 2차 버블 발생 동작(S140)은, 제1 선회 반응기(125)로부터 제2 선회 노즐(120)로 용해수를 전달하며, 중간 노즐(135) 및 제2 파이프 라인(145)을 거치며 재차 용해수를 버블화할 수 있다. 제1 선회 반응기(125)를 통과한 용해수는 1차 버블 발생(S120) 이후로 추가적으로 버블화되고, 상대적으로 급속도로 압력이 상승하며, 가압 용해 방식으로 가스가 효과적으로 공급수 내부에 용해될 수 있다.
일 실시 예에서, 2차 선회반응기 통과 동작(S150)은, 제2 파이프 라인(145)으로부터 분사관(150)을 거쳐 제2 선회 반응기(160)로 용해수가 공급되며, 재차 버블화 및 가압 용해 과정을 거칠 수 있다.
다양한 실시 예에서, 가스 용해 반응기(100) 및 그 제어 방법(S100)은, 다양한 선회 반응 구조를 통하여 반복적으로 버블 발생을 유도할 수 있고, 복수의 펌프를 통하여 용해수의 감압 및 승압을 수행하여 가압 용해를 유도할 수 있고, 인젝터(105)가 안정적으로 가스를 공급하도록 도울 수 있다.
본 문서의 다양한 실시 예들에 따른 가스 용해 반응기(100)는 가스와 액체의 용해 반응인 기-액 반응 및 액체와 액체의 에멀전 반응인 액-액 반응이 가능한 시스템으로, 가스에 압력이 강한 기-액 반응, 가스에 압력이 없는 기-액 반응, 액체에 압력이 강한 액-액 반응, 액체에 압력이 없는 액-액 반응을 모두 안정적으로 수행할 수 있다.
예를 들면, 본 문서의 다양한 실시 예의 가스 용해 반응기(100)는, 공기 중의 산소는 물론이고, 굴뚝에서 배출되는 오염된 공기나, 화학반응에서 나오는 유해 가스등을 액상에 용해하여 대기 정화, 화학 가스 포집, 화학 반응 유도에 이용될 수 있고, 가스 용해 반응기(100)는, 약품 에멀젼에 의한 약품제조, 음료수를 위한 알카리수 제조, 산소수 제조, 화장품 제조, 가스로 구성된 오존 등을 이용하여 수돗물의 살균, 농업용 수경 재배용 양액 제조, 반도체 장비의 가스 반응, 탈취 제거를 위한 양액 제조, 식당과 같은 대용량 라디칼수의 제조, 양식장 산소 용존수 제조와 같이 폭넓은 산업에서 전반적으로 활용될 수 있다. 특히, 본 문서의 가스 용해 반응기(100)는 액화되거나 압축되지 않은 가스를 용해하거나, 압축되지 않은 액체를 공급수에 대량으로 에멀젼할 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (9)

  1. 가스 용해 반응기에 있어서,
    공급수를 공급하는 체크 밸브;
    가스를 상기 공급수에 공급하는 인젝터;
    상기 인젝터로부터 전달받은 상기 가스 및 상기 공급수를 선회시켜, 버블화된 용해수를 형성하는 제1 선회 노즐;
    상기 제1 선회 노즐로부터 상기 용해수를 전달받고, 상기 용해수에게 버블화되기위한 충돌 압력을 제공하는 제1 선회 반응기;
    상기 제1 선회 반응기로부터 상기 용해수를 전달받고, 상기 용해수를 선회시켜 버블화하는 제2 선회 노즐;
    상기 제2 선회 노즐로부터 상기 용해수를 전달받고, 상기 용해수를 분산시키며 충돌시켜 버블화되기 위한 충돌 압력을 제공하는 분사관;
    상기 분사관으로부터 상기 용해수를 전달받고, 고압의 상태를 형성하는 제2 선회 반응기; 및
    상기 제1 선회 노즐에 연통되는 제1 펌프 및 상기 제2 선회 노즐에 연통되는 제2 펌프를 포함하는 복수의 펌프를 포함하고,
    상기 복수의 펌프는,
    상기 제1 펌프의 압력인 제1 기준압을 상기 제2 펌프의 압력인 제2 기준압보다 높게 형성하여, 상기 제1 선회 반응기가 상기 제1 선회 노즐보다 상대적으로 저압 상태가 되어 상기 용해수를 버블화하고,
    상기 인젝터로 공급되는 가스의 압력보다 상기 제1 선회 반응기의 압력을 낮게 형성하여, 상기 인젝터의 공기가 자흡되도록 유도하되, 상기 제1 선회 반응기의 압력을 표준 대기압보다 낮게 형성하고,
    상기 분사관은,
    일 단부는 상기 제2 선회 반응기와 연통되어 상기 제2 선회 노즐로부터 전달받은 용해수를 상기 제2 선회 반응기로 전달하고,
    타 단부는 상기 제1 선회 반응기의 내부에 마련되되, 상기 제1 선회 반응기의 내부와 단절되어, 상기 제1 선회 반응기에서 상기 용해수는 상기 제1 선회 반응기 또는 상기 분사관과 충돌하며 가스가 버블화되기 위한 충돌 압력을 제공받는, 가스 용해 반응기.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    성가 제2 선회 노즐로부터 용해수를 전달받고, 상기 제2 펌프 방향으로 연통되는 중간 노즐을 포함하고,
    상기 중간 노즐은, 해수의 진행 방향으로 점차 단멱적이 감소하고, 다시 단면적이 증가하는 구조인. 가스 용해 반응기.
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 분사관은, 상기 용해수가 통과하는 관통 홀이 형성된 복수의 플레이트; 및
    상기 복수의 플레이트를 통과한 용해수를 상기 제2 선회 반응기로 전달하는 분사구를 포함하는, 가스 용해 반응기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제2 선회 반응기로부터 상기 용해수를 전달받고, 상기 용해수가 내부를 통과하며 충돌 기압을 형성하도록 굴곡지는 충돌 노즐을 포함하는, 가스 용해 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 선회 반응기 내부의 압력을 감지하는 제1 압력 센서;
    상기 제2 선회 반응기 내부의 압력을 감지하는 제2 압력 센서; 및
    상기 제1 압력 센서 및 상기 제2 압력 센서로부터 감지 결과를 전달받고, 이에 기초하여 상기 복수의 펌프의 구동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는, 가스 용해 반응기.
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