KR102661832B1 - 전해조용 기액분리실 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전해조용 기액분리실의 기액 혼합물 배출부에 복수 개의 중첩된 관을 적용함으로써 기액 분리 성능을 개선한 것으로, 기액 분리 성능이 우수하면서도 제조 및 설치 비용이 적어 경제적이라는 장점이 있다.
Description
본 발명은 제조 및 설치 비용이 적어 경제적이면서도, 효율적으로 기액 분리를 수행할 수 있는 전해조용 기액분리실 및 이를 포함하는 전해 셀에 관한 것이다.
해수 등의 저가의 염수(Brine)를 전기분해하여 수산화물, 수소 및 염소를 생산하는 기술은 널리 알려져 있다. 이러한 전기분해 공정은 통상 클로르-알칼리(chlor-alkali) 공정이라고도 불리며, 이미 수십여년 간의 상업운전으로 성능 및 기술의 신뢰성이 입증된 공정이라 할 수 있다.
염수의 전기분해 공정은 하기 전기화학 반응식에 나타낸 바와 같은 반응을 통해 이루어진다.
산화 전극(anode) 반응: 2Cl- → Cl2 + 2e- (E0 = +1.36 V)
환원 전극(cathode) 반응: 2H2O + 2e- → 2OH- + H2 (E0 = -0.83 V)
전체 반응: 2Cl- + 2H2O → 2OH- + Cl2 + H2 (E0 = -2.19 V)
이러한 염수의 전기분해는 전해조 내부에 이온교환막을 설치하여 전해조를 양이온실과 음이온실로 구분하고, 전해질로 염수를 사용하여 양극에서 염소가스를, 음극에서 수소 및 가성소다를 얻는 이온교환막법이 현재 가장 널리 사용되고 있는 방법이다. 이와 같은 이온교환막법을 사용할 때 주의할 점은 양극 및 음극으로부터 발생하는 염소 및 수소가 기체 상태로 존재하여 전해액과 혼합된 기액혼합액이 형성되기 때문에, 이를 적절히 분리하여 발생시킨 염소와 수소 가스는 취하고, 분리시킨 전해액은 다시 전해조로 투입하여야 한다는 것이다.
이러한 기액분리를 위해 이온교환막법에 사용되는 전해조는 기액분리실이라는 설비를 포함하고 있으며, 기액분리실 구조에 따라 기액 분리의 성능이 달라질 수 있는 바, 다양한 형태 및 구조의 기액분리실에 관한 연구가 활발한 실정이다.
한편, 종래 기술의 기액분리실의 경우, 기액혼합액을 전달받고, 이를 오버 플로우 형식으로 흘려주어 기액혼합액 내부에 존재하는 기포가 부서지게 만듦으로써 기액 분리가 수행되는 형태의 기액분리실이 주로 사용되고 있으나, 이는 오버 플로우를 위한 구조체의 부피가 커 기액분리실의 제조 및 설치에 드는 비용이 크고, 기액 분리의 성능 역시 완전하지 못하다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 제조 및 설치 비용이 적어 경제적이면서도, 효율적으로 기액 분리를 수행할 수 있는 전해조용 기액분리실 및 이를 포함하는 전해 셀을 제공하는 것이다.
본 발명은 내부에 기액 혼합물이 유입되고 배출되는 내부 공간이 형성되는 본체, 상기 본체의 하부면으로부터 상방으로 연장되는 격벽, 양극실 또는 음극실로부터 상기 기액 혼합물이 유입되는 경로가 형성되는 기액 유입부, 및 상기 기액 유입부를 통해 상기 내부 공간에 유입된 상기 기액 혼합물이 외부로 배출되는 경로가 형성되는 기액 배출부를 포함하고, 상기 본체 내부의 상기 내부 공간은, 상기 기액 유입부에 인접하게 구비되는 기액 혼합물 유입 영역, 상기 기액 배출부에 인접하게 구비되는 기액 혼합물 배출 영역, 및 상기 기액 혼합물 유입 영역과 기액 혼합물 배출 영역을 연결하는 통로 영역을 포함하며, 상기 기액 혼합물 유입 영역과 기액 혼합물 배출 영역은 상기 격벽에 의해 구획되고, 상기 기액 배출부는 서로 다른 단면 형상을 갖는 N개의 관이 중첩된 다중관(N은 2 내지 5의 정수이다)을 포함하되, 상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최내측에 위치한 관의 상부 끝부는 나머지 관의 상부 끝부보다 상부측에 위치하며, 상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최외측에 위치한 관의 상부 끝부는 나머지 관의 상부 끝부보다 하부측에 위치한 것인 전해조용 기액분리실을 제공한다.
또한 본 발명은 양극실, 음극실 및 상기 양극실 및 음극실 사이에 구비되는 멤브레인을 포함하고, 상기 양극실 또는 음극실은 상기의 기액분리실을 포함하는 것인 전해 셀을 제공한다.
본 발명은 기액분리실 내부의 기액 혼합물 배출부에 서로 다른 높이를 갖는 다중관을 적용하여, 기액 혼합물의 기체 및 액체가 각기 서로 다른 관을 통해 배출되게 함으로써 기존 기액분리실 대비 기액 분리의 성능이 우수하다.
또한, 본 발명의 기액분리실은 기존의 기액분리실에 다중관만을 추가 설치하여 적용할 수 있다는 점에서 경제적이다.
도 1 내지 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기액분리실을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기액분리실 모델을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1에 따른 기액분리실 모델을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 비교예 2에 따른 기액분리실 모델을 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기액분리실 모델을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 비교예 1에 따른 기액분리실 모델을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 비교예 2에 따른 기액분리실 모델을 도시한 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
우선, 본 발명의 일 실시예에 따른 기액분리실의 구성을 설명한다.
도 1 내지 3에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 기액분리실은 내부에 기액 혼합물이 유입되고 배출되는 내부 공간이 형성되는 본체(1), 상기 본체의 하부면으로부터 상방으로 연장되는 격벽(2), 양극실 또는 음극실로부터 상기 기액 혼합물이 유입되는 경로가 형성되는 기액 유입부(3), 및 상기 기액 유입부를 통해 상기 내부 공간에 유입된 상기 기액 혼합물이 외부로 배출되는 경로가 형성되는 기액 배출부(4)를 포함할 수 있다. 이때, 상기 본체(1) 내부의 상기 내부 공간은, 상기 기액 유입부(3)에 인접하게 구비되는 기액 혼합물 유입 영역(11), 상기 기액 배출부(4)에 인접하게 구비되는 기액 혼합물 배출 영역(12), 및 상기 기액 혼합물 유입 영역(11)과 기액 혼합물 배출 영역(12)을 연결하는 통로 영역(13)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 기액 혼합물 유입 영역(11)과 기액 혼합물 배출 영역(12)은 상기 격벽(2)에 의해 구획되고, 상기 기액 배출부(4)는 서로 다른 단면 형상을 갖는 N개의 관이 중첩된 다중관(N은 2 내지 5의 정수이다)(41, 42)을 포함하되, 상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최내측에 위치한 관(41)의 상부 끝부는 나머지 관의 상부 끝부보다 상부측에 위치할 수 있고, 상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최외측에 위치한 관(42)의 상부 끝부는 나머지 관의 상부 끝부보다 하부측에 위치할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 전해조용 기액분리실 본체 내부에 형성되는 내부 공간은 기액 혼합물 유입 영역(11), 기액 혼합물 배출 영역(12) 및 통로(13)로 나누어지며, 기액 혼합물 유입 영역(11) 및 기액 혼합물 배출 영역(12)은 격벽(2)을 통해 분리되고, 상기 두 영역을 연결하는 통로 영역(13)이 상기 기액 혼합물 유입 영역과 기액 혼합물 배출 영역 사이에 존재한다. 예를 들어, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 통로 영역(13)은 격벽(2)의 상부 영역에 형성될 수 있다.
상기 격벽(2)은 본체 내부의 공간을 기액 혼합물 유입 영역(11)과 기액 혼합물 배출 영역(12)으로 분리하는 역할을 수행한다. 이때, '격벽(2)이 기액 혼합물 유입 영역(11) 및 기액 혼합물 배출 영역(12)을 분리한다'라는 것은, 격벽(11)의 물리적인 형태에 의하여 상기 기액 혼합물 유입 영역(11)과 기액 혼합물 배출 영역(12)이 직접 분리되는 경우뿐만 아니라, 상기 격벽(11)으로부터 내부 공간의 상부 방향으로 연장한 가상의 면에 의하여 기액 혼합물 유입 영역과 기액 혼합물 배출 영역이 분리되는 경우도 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
예컨대 도 1에서와 같이 상기 격벽(2)은 본체의 하부면으로부터 상부 방향으로 연장되도록 형성되어 물리적으로 기액 혼합물 유입 영역(11)과 기액 혼합물 배출 영역(12)을 분리할 수 있다. 또한, 도 2 또는 3에서와 같이 본체(1)의 하부면 중 기액 혼합물 유입 영역(11)과 인접한 하부면이 본체(1)의 하부면 중 기액 혼합물 배출 영역(12)과 인접한 하부면보다 상부 또는 하부에 위치하는 경우에는 격벽(2)으로부터 내부 공간의 상부 방향으로 연장한 가상의 면에 의하여 기액 혼합물 유입 영역과 기액 혼합물 배출 영역이 분리될 수 있다.
상기 통로 영역(13)은 기액 혼합물 유입 영역(11)으로 유입된 기액 혼합물을 기액 혼합물 배출 영역(12)으로 전달하기 위한 것으로, 본체(1)의 내부 공간 중 격벽(2)의 상부 공간이 통로 영역일 수 있다. 또는, 격벽(2)에 별도 개구부가 존재하는 경우, 상기 개구부에 의해 형성되는 격벽의 내부 영역이 통로 영역일 수 있다. 상기 통로 영역은 하나의 영역이거나, 복수 개의 산재된 영역일 수 있다. 예를 들어, 통로 영역이 복수 개의 산재된 영역인 경우, 격벽에 형성된 복수 개의 개구부에 의해 형성되는 복수 개의 내부 영역 형태로 존재할 수 있다.
상기 기액 혼합물 유입 영역(11)은 양극실 또는 음극실과 연결되어, 양극실 또는 음극실로부터 전기 분해의 생성물인 전해액과 생성 기체의 기액 혼합물이 전달되는 영역이다. 기액 혼합물 유입 영역(11)은 상기의 기액 혼합물을 전달받기 위해 하부면에 기액 유입부(3)와 연결될 수 있다. 기액 혼합물의 유입을 방해하지 않는 범위에서, 상기 기액 유입부의 개수나 단면적은 특별히 제한되지 않으며, 기액 유입부의 형태 역시 특별히 제한되지 않는다. 예컨대, 상기 기액 유입부는 복수 개의 다각형 개구부일 수 있으며, 복수의 기공을 갖는 멤브레인의 형태일 수도 있다.
상기 기액 혼합물 배출 영역(12)은 통로 영역(13)을 통해 기액 혼합물 유입 영역(11)으로부터 기액 혼합물을 전달 받은 후, 기액을 분리하여 외부로 배출하는 영역이다. 상기 기액 혼합물 배출 영역(12)은 기액 혼합물을 배출하기 위해 하부면에 기액 배출부(4)와 연결될 수 있다. 상기 기액 배출부(4)는 서로 다른 단면 형상을 갖는 N개의 관이 중첩된 다중관 (41, 42)을 구비한다.
또한, 상기 N개의 다중관 중 최내측에 위치한 관(41)의 상부 끝부는 나머지 관의 상부 끝부보다 상부측에 위치하며, 상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최외측에 위치한 관(42)의 상부 끝부는 나머지 관의 상부 끝부보다 하부측에 위치한다. 이와 같은 구조를 채택함으로써 상기 N개의 관이 중첩된 다중관은 기액 혼합물의 기액을 원활하게 분리할 수 있으며, 기액 혼합물에 포함되는 액체는 중력에 따라 더 낮은 위치에서 입구를 갖는 최외측의 관으로 배출되며, 기액 혼합물의 이동 중 분리된 기체는 액체보다 밀도가 낮아 더 높은 위치에서 입구를 갖는 최내측의 관으로 배출될 수 있다.
상기 N개의 관이 중첩된 다중관의 단면 형태는 N개의 관이 중첩되어 배치될 수 있는 것이라면, 특별히 제한되지 않는다. 예컨대 단면 형상이 다각형이거나 원형인 관 모두가 적용될 수 있으며, 기액 혼합물의 균일한 배출이 용이하다는 점에서 원형인 것이 바람직하다.
상기 관의 개수는 2 내지 5개일 수 있으며, 개수가 적을수록 관의 제조 및 설치 비용이 적게 든다는 점과, 2개의 관에서도 충분한 기액 분리 성능이 나타난다는 점을 고려할 때 2개인 것이 바람직하다.
상기 중첩된 관이 도 1 내지 3에서와 같이 2개의 중첩된 관인 경우, 최내측 관(41)의 단면적은 최외측 관(42)의 단면적 대비 20 내지 80%일 수 있다. 이와 같은 범위를 만족할 경우, 액체 또는 기체의 적체 없이, 일정한 속도의 기체 및 액체 배출이 용이하다.
또한, 상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최내측에 위치한 관의 상부 끝부는 본체 최하부와 최상부 사이의 거리, 즉 본체 높이 대비 본체 최하부로부터 10 내지 90%, 바람직하게는 20 내지 80% 높게 위치한 것이 바람직하다. 다중관을 통한 기액 혼합물의 분리는 밀도차에 의한 것이므로, 기체가 배출되는 최내측 관은 액체가 배출되는 최외측 관보다 높게 위치하여야 하며, 상술한 범위만큼의 높이 차이가 있는 경우 기액 혼합물의 더욱 원활한 분리가 가능하다.
또한, 상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최내측에 위치한 관의 상부 끝부는 격벽의 상부 끝부보다 상부에 위치한 것이 바람직하다. 기체를 배출하는 최내측의 관의 상부 끝부가 격벽의 상부 끝부보다 하부에 위치하는 경우에는 통로 영역을 통해 유입되는 기액 혼합물이 분리되기 이전에, 기액 혼합물의 일부가 직접적으로 최내측 관으로 통과되어 기액 분리 성능이 떨어질 수 있는 문제점이 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 기액분리실의 기액 분리 과정을 설명한다.
도 1 내지 3에서와 같이, 기액 유입부(3)를 통해 기액 혼합물 유입 영역(11)으로 기액 혼합물이 유입된다. 유입된 기액 혼합물은 통로 영역(13)를 통해 기액 혼합물 배출 영역(12)으로 전달되며, 전달 과정에서 기액 혼합물의 유체 운동 등에 따라 기액 혼합물 내부에 존재하는 기체가 빠져나가, 기액 혼합물 배출 영역의 상부에 위치하게 되고, 하부에는 기체가 제거된 액체가 위치하게 된다. 상기 분리된 기체 및 액체는 모두 기액 배출부(4)로 배출되나, 밀도가 낮아 상부에 위치하는 기체는 입구가 더 높게 위치한 최내측 관(41)으로, 밀도가 높아 하부에 위치하는 액체는 입구가 더 낮게 위치한 최외측 관(42)으로 배출된다. 분리되어 배출된 기체는 전기 분해 반응의 생성물로서 포집되며, 액체는 전해액으로 다시 재사용될 수 있다.
다음은 본 발명의 기액분리실을 포함하는 전해 셀을 설명한다.
본 발명의 기액분리실은 종래의 전해 셀에 적용될 수 있는 것으로, 기존의 전해 셀과 같이 본 발명의 전해 셀은 양극실, 음극실 및 상기 양극실 및 음극실 사이에 구비된 멤브레인을 포함한다. 염수의 전기 분해 반응의 경우 양극 및 음극 모두에서 기체가 발생하여 기액 혼합물이 생성되므로, 상기 기액 분리실은 양극실 및 음극실 중 적어도 어느 하나에 포함될 수 있다.
특히 본 발명의 기액분리실은 양극실 내에 구비될 수 있으며, 양극실 상부에 위치할 수 있다. 이때, 기액분리실은 기액 유입부를 통해 양극실과 연결될 수 있다. 기액혼합물의 이송 과정에서 분리되어 발생할 수 있는 기체는 기액혼합물에 비해 밀도가 낮아 양극실의 상부에 위치하기 때문에, 기액분리실을 양극실의 상부에 위치시킬 경우 생성되는 기체의 양극실 잔류를 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 분리된 기체 및 액체와 양극실 내의 전해액이 혼합되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명의 기액분리실 중 기액 혼합물 배출 영역은 양극실과 차단되어 있는 것이 바람직하다.
실험예 - 기액 분리 성능 확인
본 발명의 실시예에 따라 제조한 기액분리실의 기액 분리 성능을 확인하기 위하여, 본 발명의 기액분리실 및 선행 기술의 기액분리실 모델을 제조한 후, CFD(Computational Fluid Dynamicds) 유동 해석을 통해 각 경우의 기액 분리 성능을 확인하였다. 본 발명의 실시예에 따른 모델은 도 4와 같이, 선행기술에 따른 모델인 비교예 1 및 2는 각각 도 5 및 6과 같이 제조하였다.
유동 해석 결과, 기존의 기액분리실을 그대로 사용한 비교예 1(도 5)의 기액 분리 편차를 100%라고 할 때, 기존의 기액분리실에 오버 플로우를 위한 구조물을 설치한 비교예 2(도 6)의 기액 분리 편차는 93%이었으며, 본 발명의 실시예(도 1)에 따른 기액 분리 편차는 27%라는 점을 확인하였다. 이로부터 본 발명의 기액분리실은 전해조 적용시에 기액 분리 성능이 뛰어나다는 점을 확인하였다.
1: 본체
11: 기액 혼합물 유입 영역
12: 기액 혼합물 배출 영역
13: 통로 영역
2: 격벽
3: 기액 유입부
4: 기액 배출부
41: 최내측관
42: 최외측관
11: 기액 혼합물 유입 영역
12: 기액 혼합물 배출 영역
13: 통로 영역
2: 격벽
3: 기액 유입부
4: 기액 배출부
41: 최내측관
42: 최외측관
Claims (9)
- 내부에 기액 혼합물이 유입되고 배출되는 내부 공간이 형성되는 본체;
상기 본체의 하부면으로부터 상방으로 연장되는 격벽;
양극실 또는 음극실로부터 상기 기액 혼합물이 유입되는 경로가 형성되는 기액 유입부; 및
상기 기액 유입부를 통해 상기 내부 공간에 유입된 상기 기액 혼합물이 외부로 배출되는 경로가 형성되는 기액 배출부; 를 포함하고,
상기 본체 내부의 상기 내부 공간은,
상기 기액 유입부에 인접하게 구비되는 기액 혼합물 유입 영역;
상기 기액 배출부에 인접하게 구비되는 기액 혼합물 배출 영역; 및
상기 기액 혼합물 유입 영역과 기액 혼합물 배출 영역을 연결하는 통로 영역; 을 포함하며,
상기 기액 혼합물 유입 영역과 기액 혼합물 배출 영역은 상기 격벽에 의해 구획되고, 상기 기액 배출부는 서로 다른 단면 형상을 갖는 N개의 관이 중첩된 다중관(N은 2 내지 5의 정수이다)을 포함하되,
상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최내측에 위치한 관의 상부 끝부는 나머지 관의 상부 끝부보다 상부측에 위치하며, 상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최외측에 위치한 관의 상부 끝부는 나머지 관의 상부 끝부보다 하부측에 위치한 것이며,
기액 혼합물에 포함되는 액체는 상기 최외측의 관으로, 기액 혼합물에 포함되는 기체는 상기 최내측의 관으로 배출되는 것인 전해조용 기액분리실.
- 제1항에 있어서,
상기 본체의 하부면 중 상기 기액 혼합물 배출 영역과 인접한 하부면은 상기 본체의 하부면 중 상기 기액 혼합물 유입 영역과 인접한 하부면보다 상부에 위치한 것을 특징으로 하는 전해조용 기액분리실.
- 제1항에 있어서,
상기 본체의 하부면 중 상기 기액 혼합물 배출 영역과 인접한 하부면은 상기 본체의 하부면 중 상기 기액 혼합물 유입 영역과 인접한 하부면보다 하부에 위치한 것을 특징으로 하는 전해조용 기액분리실.
- 제1항에 있어서,
상기 N개의 관이 중첩된 다중관은 2개의 중첩된 원형 관인 전해조용 기액분리실.
- 제4항에 있어서,
상기 2개의 중첩된 원형 관 중 내측에 위치한 관의 단면적은 외측에 위치한 관의 단면적의 20 내지 80%인 것인 전해조용 기액분리실.
- 제1항에 있어서,
상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최내측에 위치한 관의 상부 끝부는 본체 높이 대비 본체 최하부로부터 10 내지 90% 높게 위치한 것인 전해조용 기액분리실.
- 제1항에 있어서,
상기 N개의 관이 중첩된 다중관 중 최내측에 위치한 관의 상부 끝부는 격벽의 상부 끝부보다 상부에 위치한 것인 전해조용 기액분리실.
- 양극실, 음극실 및 상기 양극실과 음극실 사이에 구비되는 멤브레인을 포함하고,
상기 양극실 및 음극실 중 적어도 하나는 제1항의 전해조용 기액분리실을 포함하는 것인 전해 셀.
- 제8항에 있어서,
상기 양극실은 전해조용 기액분리실을 포함하고,
상기 전해조용 기액분리실은 양극실의 상부에 위치하며,
전해조용 기액분리실의 상기 기액 유입부는 상기 양극실과 연결되는 것인 전해 셀.
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