KR20020042810A - 수계 용액에서의 경제적인 고액 분리 방법 및 장치 - Google Patents

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KR20020042810A
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유.에스. 아쿠아소닉스 코포레이션
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Abstract

본 발명에 따르면, 음파 유압식 노즐(10) 어레이는 용해 또는 부유되어 있는 입자와 물을 혼합물을 챔버 내로 주입하여 연속적인 구형 액적 분무를 형성한다. 상기 액적에 잇따라 저압 영역이 형성되어, 음속 충격파의 엣지를 따라 형성된 열 와류에 넣어 졌을 때의 증발 및 상변화를 촉진시킨다. 상기 혼합물 내의 용해 및/또는 부유된 모든 고형물 입자는 물의 증발시 상기 분무로부터 침전된다. 그 후에, 상기 입자가 없는 증기는 실질적으로 순수한 물인 짙은 물안개로 재응축되고, 증발 와류에 포함되어 있었던 과잉의 열을 방출한다. 다음에, 상기 물안개는 상기 노즐(10) 아래에 위치한 핵생성 스크린(40)에 의해 흡수된다. 스크린(40)은 본 발명의 장치 밖으로 나오는 채널(25)을 통해 상기 짙은 물안개를 수류 내로 집중시킨다. 본 발명은 주변 공기에 존재하는 잠열을 효율적으로 사용할 수 있도록 해주어, 저비용으로 고액 분리를 달성하는 데에 필요한 모든 상변화 에너지를 제공한다.

Description

수계 용액에서의 경제적인 고액 분리 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ECONOMICAL SOLID-LIQUID SEPARATION IN WATER-BASED SOLUTIONS}
입자 및 물질이 물에 용해 또는 부유(浮遊)되어 있는 것과 같은 수계 화합물에서 액체와 고형물을 분리하기 위한 많은 기술들이 개발되어 왔다. 이러한 화합물의 예로는 용해된 금속, 용해된 복합 유기물, 용매 및 에멀션, 방사성 오염물 등을 함유할 수도 있는 산업 폐수 및 도시 폐수에 고형물 및 입자 물질이 혼합 용해되어 있거나 부유 상태에 있는 것이 있다. 다른 화합물로는 자연적으로 발생하는 해수(海水) 및 기수, 광화수(鑛化水), 또는 산업 처리, 음식 처리, 화석 연료 추출, 광물질 추출 등에서 사용되는 인조 용액 등이 있다. 본 발명은 이러한 모든 화합물에서 매우 적은 자본 비용 및 운전 비용으로 고액 분리하는 데에 적합하다.
현재의 분리 방법에서는 고형물을 그 액체계에서 분리하기 위한 각종의 기술이 이용된다. 일반적으로, 이러한 기술들은 액체는 무시하고 고형물 성분을 회수하는 데에 촛점을 맞추고 있다. 염수 및 오염수와 관련하여, 적용된 기술은 고형물 입자는 무시하고 그 수계를 회수하는 것을 목적으로 한다. 그러나, 후자의 경우에, 현재의 분리 방법은 용액을 화학 처리하여 가열하고, 그 용액을 비등시켜 액체를 증발시키며, 그 액체의 일부를 응축을 통해 회수하고, 액체를 고압 장치를 통해 강제 유동시키고, 및/또는 그 액체를 특별한 막을 통해 통과시켜 용해된 입자의 분자 일부 또는 전체를 유지하는 것 등을 포함하는 것과 같이 비효율적이어서, 처리 비용이 비싸고 그 회수 수준은 떨어진다.
물을 만들고 처리하기 위한 기술은 현재 수도 없이 많다. 그러나, 염수 및/또는 폐수로부터 담수(淡水)를 얻을 수 있는 상업적으로 실행되는 방법은 매우 적고, 주요한 것으로는 증류, 역삼투 및 전기 투석 등이 있다. 실질적으로 상이한 접근법이기는 하지만, 각 기술은 기본적으로 매우 에너지 집약적인 방식이어서 물을 효율적으로 회수하기에는 결함이 있다. 이는 다시, 높은 자본 비용 및 운전 비용을 유발한다. 또한, 각 기술과 관련된 성능은 매우 낮은 경향이 있다. 즉, 증류의 경우 25% 내지 40%이고, 역삼투의 경우 30% 내지 50%이며, 전기 투석의 경우 훨씬 더 낮다.
현재, 꽤 많은 양의 음용수를 만들어 내기 위한 대부분의 수처리 시스템은 열 및 고압 형태의 상당량의 에너지를 필요로 한다. 그 결과, 상기 시스템은 압력 용기, 열교환기 및 화학적 다이제스터(digester) 및 프로세서와 같은 고가의 처리 장비를 필요로 한다. 대부분의 수처리 시스템은 또한 여과도 포함하는데, 이는 고가의 썩기 쉬운 여과용 유기 막의 사용을 필요로 하고, 따라서 많은 자본 비용 및 운전 비용에 의해 제한되고, 이는 결국 비경제적인 회수 비용을 야기한다.
상기 고에너지 의존 방식은 또한 그 성능이 현저히 낮은 경향이 있다. 에너지가 "일"과 등가라면, 주어진 분리 공정에 가해지는 일의 양은 용액에 용해되어 있는 고형물의 양과 기하학적으로 비례한다. 고형물의 함량이 큰 용액은 고형물의 함량이 보다 적은 용액보다 용액에서 고형물를 분리하는 데에 더 많은 일을 필요로 한다. 최적의 환경에서, 보다 큰 효율의 프로세스에서는 처리되는 용액 1 그램당 적어도 50 주울이 필요한데, 이는 고형물를 그 수계에서 분리하는 데에 이론적으로 필요한 그램당 2.5 주울을 훨씬 초과한다. 이 초과의 일은 성능을 떨어뜨리고 처리 비용을 현저히 증대시킨다.
프로세스에 따라서는 상기 분리를 달성하기 위해서는 고온의 환경, 고속의 가스류 또는 압축 공기가 필요하다. 몇몇 프로세스에서는 가열된 용액을 미분쇄하여 건조하고, 고온의 액체를 분무화하며, 유체 베드(fluid bed)에서 건조하며, 막을 통해 여과하고, 압축 공기-액체 혼합물을 분무화하는 것 등을 포함한다. 그러나, 고액 분리 용례를 위한 각 프로세스에는 특히, 수용액에 용해 또는 부유되어 있는 입자의 분리시에 심각한 제한이 있다. 주요 제한점은 처리할 용액 1 그램당, 대개는 열, 전기, 고압 또는 이들의 조합 형태의 평균 2,000 주울을 필요로 한다는 것이다.
해수 및 기수에서 염분을 분리할 때에, 염류 용액을 구동하여 분무화하기 위해 압축 공기를 사용하면, 압축 공기와 같은 저성능의 에너지 집중식 구동자의 비효율성이 전가되어, 운전 비용은 증류와 같은 종래의 탈염법과 같거나 오히려 그보다 더 증가된다. 더욱이, 압축 공기는 다른 매체보다 더 많이 수증기를 분산시켜확산시키므로, 수증기와 혼합된 다량의 공기는 큰 응축 및 냉각 장치를 필요로 하고, 이는 결국 운전 비용을 증대시킨다.
1991년 5월 1일에 공고된 M. Lumbreras y Gimenez의 스페인 특허 번호 제2,018,732호와 1994년 5월 4일 공고된 E.J.Lerner의 미국 특허 제5,207,928호는 가열되는 일이 없이 증발되는 고속의 염수 액적(液滴) 스트림을 압축 공기를 이용하여 발생시키는 것을 기술하고 있다. 염은 증발 액체로부터 침전되고, 액상의 물을 결과로서 생성되는 수증기에 쏟아 부어 그 수증기를 회수하는 동안에 팬에서 회수된다. 염수는 압축 공기와 혼합된다. 다음에, 이 혼합물은 뚜렷하지 않은 공기압 노즐을 통과하는데, 이 노즐은 온도와 상대 습도가 주변(실내) 수준인 챔버에서 상기 혼합물을 분무화한다. 상기 물과 혼합된 압축 공기의 체적 및 효과와 노즐 출구에서의 혼합물의 고속은 회수할 수 있는 물의 체적을 제한할 뿐만 아니라, 상기 노즐 오리피스로부터의 짧은 거리에서 약 30 배 이상 더 큰 동반된 공기 질량체에 의해 상기 챔버 내부에서 수증기를 확산시킨다. 수증기를 챔버 내로 확산시키면 주변 공기가 과포화된다. 100% 이상의 상대 습도에서, 공기는 증발에 필요한 에너지를 제공할 수 없고, 이는 상기 프로세스를 방해한다. 또한, 다량의 공기는 상기 확산된 수증기를 분리된 염 입자와 재결합하게 한다.
1982년 4월 6일에 공고된 D.J. Secunda 등의 미국 특허 번호 제4,323,424호도 역시 탈염(脫鹽)에 중점을 두고 있다. 그러나, 상기 특허 번호 제4,323,424호 및 제5,207,928호 모두 증기와 구별할 수 없는 미크론 크기의 증발되지 않은 액적의 형성은 다루고 있지 않다. 이것은 생성되는 담수의 양을 감소시킨다. 담수의생성은 미세한 크기, 통상 직경이 1 미크론 내지 10 미크론인 액적에 의해 더욱 복잡해진다. 일단 액적이 증발하면, 결과로서 생성되는 염 입자는 서브 미크론 치수의 입자이다. 예를 들면, 직경이 1 미크론이고, 해수의 경우에서처럼 평균 NaCl 함량이 3.5 중량%인 염류 액적은 직경이 1/50 미크론보다 작은 입자를 침전시킨다. 스토크의 침전 속도 법칙(Stoke's Velocity of Sedimentation Law)에 따르면, 직경이 최대 1 미크론인 입자는 분자처럼 거동하는 경향이 있고, 무한의 시간 동안 공기 중에 부유된 상태로 남아 있는 경향이 있으며, 따라서 수증기와 재결합될 수 있다. 염의 함량이 0.5 중량% 이하인 기수에 대하여, 고형물 염 입자의 직경이 0.005 미크론보다 작기 때문에 상기 처리는 매우 어렵다. 직경이 최대 30 미크론인 액적만이 중력에 의해 빨리 낙하하기에 충분히 큰 염 입자를 떨어지게 할 것이다. 따라서, 상기 특허에서 설명하는 것처럼, 염 입자가 챔버의 바닥에 떨어지기는 커녕, 직경이 30 미크론 미만인 액적으로부터 유도된 염 입자는 결정되지 않은 시간 동안 공기 중에 부유된 상태로 남아 있고, 생성된 수증기와 재결합되며, 기류를 만들어내는 송풍기에 의해 구동되어 수증기와 함께 상기 회수 챔버로 전송된다. 따라서, 수집된 액체는 대개 염수이다.
또한, 노즐 출구에서 초기 압축(제1) 공기에 의해 동반된 다량의 주변(제2) 공기와 함께 쉽게 혼합되는 작은 수 액적에 의해 상당량의 증기가 만들어진다. 이 빠르게 퍼지는 증기는, 다량의 동반된 공기가 응축을 방해하기 때문에 물안개(water mist)로 변화될 수 없을 뿐만 아니라, 상기 챔버를 재빨리 채운다. 증기로 채워진 챔버는 엔트로피 딜레마(entropy dilemma)를 야기하고, 이로 인해전체 습도 수준이 증가하여 챔버가 포화되고, 상기 제2 공기의 증발을 위한 포텐셜을 소모한다. 상기 증기는 온도가 상승하여 팽창한다. 이는 다시, 상기 남아 있는 공기가 추가의 액적을 증발시키지 못하도록 한다. 상기 제2 공기로부터의 열 없이, 분리 프로세스가 중단된다.
전술한 기술 중 일부는 상기 챔버의 하측부로부터 일련의 간격을 두고 배치된 팬 또는 송풍기에 의해 상측으로 기울어진 방향으로 주변 기류를 발생시킴으로써 상기 역효과를 방지한다. 그러나, 부유되어 있는 서브 미크론 치수의 염 입자의 경로를 가로지르는 상기 기류는 팽창된 담수 증기로 상기 염 입자를 용해시킨다. 또한, 상기 간헐적인 송풍기도 역시 상기 분리된 물의 일부를 보다 더 큰 염 입자와 재결합시키는 경향이 있으며, 송풍기의 작동이 중단되면 챔버의 바닥 아래로 떨어진다. 상기 송풍기 장치도 역시 자본 비용 및 운전 비용을 증대시키고, 따라서 수집된 임의의 적당한 물의 최종 비용을 증대시킨다.
상기 기술들이 1:10의 낮은 공기-물 비율을 지지하기는 하지만, 압축기를 사용하면 생성되는 담수 m3당 18 kW/h 이상을 소모한다. 이러한 높은 전력 소모로 인해 상기 프로세스는 전력을 덜 소모하는 증류와 같은 현재의 탈염 기술과 비교하여 경쟁력이 없다.
이러한 관점에 비추어, 재사용 가능한 값싼 물을 생성하는 데에는 최소한의 가능한 일을 이용하여 생성물을 유도하는 분리 프로세스가 필요하다. 오염수 또는 해수/기수로부터 재사용 가능한 물을 경제적으로 얻기 위해서는, 이상적으로, 정규화한 또는 표준의 실온 및 압력(STP)에서 오염물 및 염을 그 액체계에서 분리해야한다. STP에서 동작하는 수 회수 프로세스는 전술한 분리를 구동시키는 데에 필요로 한 에너지 집중식 프로세스 엔지니어링의 필요성을 제거해 준다. 불행하게도, 전술한 것 중 어떤 것도 표준의 실온 및 압력에서 오염물과 염을 그 액체계에서 분리하는 수계 용액에서의 경제적인 고액 분리 방법 및 장치를 제공하지 못한다. 전술한 참조 문헌 중 어떤 것도 단독으로 또는 결합한다 하더라도 본 발명의 수계 용액에서의 경제적인 고액 분리 방법 및 장치를 교시 또는 제안하고 있지 않다.
본 발명은 고액(固液) 분리에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 사용 가능한 물 및 고형물을 염수(鹽水)와 기수(汽水, brackish water) 및 수계(水系) 용액으로부터 회수하는 것에 관한 발명이다.
도 1은 물에 대한 상 변화 다이어그램을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 원리에 따라 구성된 고액 분리 시스템의 한 가지 실시 형태를 나타내는 주변의 측면 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시한 실시 형태를 상업적으로 적용한 예를 나타내는 측면 사시도이다.
도 4는 도 2의 실시 형태의 평면도이다.
도 5는 본 발명의 원리에 따라 구성된 음파 유압식 노즐의 한 가지 실시 형태를 나타내는 수직 단면 상세도이다.
도 6은 도 5에 도시한 실시 형태의 수평 단면 상세도이다.
도 7은 도 5에 도시한 실시 형태의 부분 평면 분해도이다.
본 발명은 표준의 실온 및 압력에서 오염물과 염을 그 액체계에서 분리하는 수계 용액에서의 경제적인 고액 분리 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 저에너지 조건으로 동작하는 적당한 분리 프로세스를 제공한다. 본 발명은 증류에서와 같이, 용액을 화학 처리, 증발 및 응축하는 사전 처리에 의존하지 않는다. 본 발명은 고압, 역삼투에서와 같이 막을 통한 기계적 또는 전기적 여과, 전기 투석, 울트라 여과, 마이크로 여과 또는 나노 여과, 용액에 충격을 가하여 분무화하는 차량과 같은 압축 공기에 의존하지 않는다. 본 발명은 재사용 가능한 물을 화학적 세정, 염소 처리 또는 불화 처리(fluoridation)하는 사후 처리 없이, 재사용 가능한 물을 특별한 막을 통해 재통과시킬 필요 없이, 그리고 회수 후 상기 재사용 가능한 물을 완화시킬 필요 없이, 재사용 가능한 물을 정화하고 높은 비율로 회수하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 재사용 가능한 및/또는 순수한 물을 현재의 자본 집약적 수처리 방법에 소요되는 비용 중 일부의 비용만으로 얻을 수 있도록 해주는 수계 용액에서의 경제적인 고액 분리 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은용액을 정적으로 증발시킬 필요 없이, 그리고 용액에 유기물 또는 무기물 또는 화학 물질을 첨가하거나 그러한 물질로 처리할 필요 없이, 또는 용액을 막을 통해 통과시킬 필요 없이, 용해된 고형물을 오염수로부터 분리하고, 재사용 가능한 물을 회수하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 오염수에 용해되어 있거나 부유 상태의 고형물을 분리하고, 재사용 가능한 물을 저에너지 및 저비용으로 회복시키는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 염수를 증발이 일어날 때까지 비등점으로 가열할 필요 없이, 그리고 다량의 담수를 얻기 위해 담수를 냉각하는 일이 없이, 액체를 고압에 놓아 그 액체를 특별한 막을 통해 통과시키는 일이 없이, 염류 액체를 분무화하기 위해 압축 공기를 사용할 필요 없이, 염수에서 염을 분리하고, 담수를 회수하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 해수 및 기수를 탈염 처리하고, 담수를 저비용 및 저에너지로 회수하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 자본 비용 및 에너지를 최소한으로 사용하여, 산업 처리에서 수계 액체로부터 고형물을 분리하고, 상기 산업 처리에서 사용된 물을 회수 및/또는 재생하며, 상기 액체에 용해되어 있거나 부유 상태에 있는 입자 또는 고형물을 회수하는 방법 및 장치를 제공한다. 본 발명은 최소한의 자본 및 에너지를 사용하여, 수계 용액 내의 고형물을 분리하고, 재상용 가능한 물 및 용해된 고형물 모두를 회수하기 위한 음파 유압식 노즐 시스템(sonic hydraulic nozzle system)을 제공한다. 본 발명은 전술한 목적을 달성하는 데에 저비용이고, 종속적이며 효율적인 개선된 부재 및 그 배치 요소를 상기한 목적을 위한 장치 및 방법에 제공한다.
본 발명은 수계 용액이 저압 영역에 놓이게 될 때 증발을 달성하기 위하여,실내 공기의 잠열을 수계 용액에 초효율적으로 전달하는 것을 이용한다. 이러한 열전달은 공급물이 챔버 내에 고속으로 주입되는 경우 일어나는데, 공급물은 상기 챔버에서 스틸 에어(still air)와 충돌시 증발한다. 상기 열전달은 고속의 분사 용액에 의해 만들어진 고에너지 및 저압 영역에서 일어나고 그 영역의 모든 수분을 증발시킨다. 증발 중에, 상기 공급물에 함유되어 있는 고형물은 침전한다. 증기가 상기 저압 영역을 벗어남에 따라, 증기는 재응축되어 실질적으로 순수한 물로 된다.
실온 및 국부 압력에서, 공급된 물의 증발을 위해 주변 공기에 존재하는 잠열을 이용하면, 소정 단위의 담수를 얻기 위해 요구되는 에너지가 현저히 감소되고, 성능은 현저히 증대되며 자본 비용 및 운전 비용도 현저히 감소된다. 고압 또는 압축 공기를 피하고 증기 대신에 액체 형태의 물을 생성하면 보일러, 열펌프, 열교환기, 압축기, 고압 펌프 및 막과 같은 고가의 처리 장비가 생략된다. 이에 상응하여 처리 장비의 양의 감소로 운전 비용을 현저히 줄이면서 수처리 플랜트에서의 자본 비용이 현저히 감소한다. 또한, 본 발명은 액체 형태의 재사용 가능한 물을 촉진시킬 수 있기 때문에, 상기 플랜트는 비교적 소형의 장비를 사용할 수 있어, 자본 비용은 더욱 감소한다. 마지막으로, 오염된 액체 또는 염류 액체는 화학적으로 예비 처리되거나 예비 가열되지 않으므로, 생성된 물을 완화시키거나 냉각할 필요가 없고, 화학적 다이제스터 및 프로세서가 요구되지 않으며, 그러한 물은 바로 사용할 수 있다. 이처럼 처리 장비를 단순화함으로써, 전체 성능은 90%에 육박할 정도로 향상된다.
본 발명은 해수 및 기수와 같은 염수에서 담수를 경제적으로 얻을 수 있는 다른 방법에 대한 급박한 요구에 대해 중점을 두고 있다. 본 발명은 고비용의 가열 준비 프로세스를 생략하기 때문에, 음식 처리 또한 본 발명의 분리 방법으로부터 이점을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 고액 분리를 위한 신규의 저가 기술의 출현으로 석유 누출물, 오염된 지하수, 도시 폐수 및 산업 폐수를 세정함에 있어서도 이점을 얻을 수 있다.
본 발명의 원리에 따라 구성된 실시 형태는 8 atm 내지 10 atm의 적절한 압력으로 입자가 용해 및/또는 부유되어 있는 피처리 수용액을 주입하는 1개의 노즐 또는 노즐 어레이를 포함한다. 이 노즐은 상기 입자를 제어된 조건 하에서 음속 또는 초음속으로 가속시킨다. 본 발명은 상기 수계 용액을 노즐을 통해 분사(주입)하는 기구를 포함한다. 본 발명은 상기 물 및 용해되어 있거나 부유 상태에 있는 입자를 회수하는 기구도 역시 포함한다. 본 발명은 상기 노즐을 수평축에 위치시키는 압력 매니폴드 어레이 또는 시스템 및 상기 용액을 상기 매니폴드를 통해 추진시키는 기구를 제공한다. 본 발명은 노즐 오리피스의 폐색을 방지하는 기구를 제공한다.
본 발명의 이러한 특징 및 다른 특징은 이하의 상세한 설명 및 첨부 도면을 통해 보다 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. 도면 전체에 걸쳐 유사한 참조 부호는 상응하는 특징부를 나타낸다.
본 발명은 표준의 실온 및 압력에서 최소한의 에너지 조건으로 고형 오염물을 그 액체계에서 분리하는 수계 용액에서의 경제적인 고액 분리 방법 및 장치이다.
증기상과 평형 상태의 순수 액체에 대하여, 클라우시우스-클라페이롱 식(Clausius-Clapeyron equation) 및 깁스 상률(相律)을 이용하여, 도 1에 도시한 것과 같은 물-증기 곡선 또는 증발 곡선을 결정할 수 있다. 온도가 삼중점 온도인 0.098℃보다 높다면, 발생하는 상은 액상과 증기상뿐이다. 온도(T) 및 압력(P)의 모든 값이 허용된다면, 온도-압력 면은 3개의 영역, 즉 고체와 액체 및 증기 영역으로 나뉘어진다. 이들 3개의 영역은 도시한 바와 같이, 액체-고체 곡선, 고체-증기 곡선 및 액체-증기 곡선을 형성한다. 상기 3개의 곡선은 삼중점에서 만난다. 물에 대하여, 이 삼중점은 T=O.O98℃ 및 P=0.07 atm에서 일어난다. 상기 곡선들은 압력이 충분히 낮기만 하다면, 수증기가 매우 낮은 온도에서 존재할 수 있다는 것을 보여준다.
용기 내의 수증기 압력(30℃에서 0.04 atm)보다 낮은 압력에 있는 용기 내의 액체는 매우 빨리 증발하고 증발함에 따라 동시에 냉각된다. 깁스 상률에서 "f"의 값이 제로인 물에 있어서, 증발하는 액체는 증발에 필요한 에너지를 주위의 주변 공기로부터 유도한다. 고속의 물/공기 흐름을 음속 또는 거의 음속의 속도로 상기 용기 내에 도입하면, 각 구형의 액적에 잇따라서 예컨대 0.04 atm 미만의 저압 영역이 형성된다. 이 저압은 상기 액적을 유체 역학적으로 상변화시킨다. 공기 역학적으로, 이러한 현상은, 비행기 날개 아래에 저압 영역을 야기하여 양력(揚力)을 제공하는 현상과 유사하다.
Phase Doppler Interferometry and Particle Analyzer Anemometry analytical instrumentation을 사용하여 본 발명자가 수행한 실험에 따르면, 개방 단부가 있는 챔버 내부에서 음속으로 이동하는 스트림 내의 수 액적은 서로 동반되는 경향이 있어, 집속적 유체 역학 표면 및 마찰에 대한 대항을 감소시킨다는 것이 밝혀졌다. 음향 장벽을 극복하는 데에 필요한 속도에서, 보다 더 큰 마찰은 열의 집속을 증대시키고, 이는 충격파의 엣지를 따라 주변 공기로부터 스핀하는 와류(vortices) 내로 합체된다. 이미 불안정하고 상 변화점 부근에 있는 액적이 증발하는 데에 필요한 열전달을 겪게 되는 것이 바로 이러한 높은 에너지 상태의와류에서이다.
용액 전부가 증발되면, 이동하는 액적으로부터 남아 있는 유일한 물질은 잔류 고형 물질로서, 이는 용액 내의 물과는 달리 증발할 수 없다. 일단, 액체가 없는 이들 고형 물질이 서로 융합되면, 상기 동반 영역에서 발생한 키네틱 에너지에 의해 강제되어 큰 고형 클러스터를 형성하고, 이는 중력에 의해 상기 흐름으로부터 침전되어 나온다.
상기 동반 흐름이 속도가 떨어짐에 따라, 잔류물이 없는 작은 증기는 모멘텀으로 인해 수 밀리초 동안 이동하고, 상기 저압의 난류성 열-증발 영역 뒤에 남겨지고 실내 공기의 규준화된 압력 환경으로 들어간다. 상기 증기가 다른 빠른 유체 역학적 상변화를 격게 되고 즉시 액체 안개로 응축되는 것은 바로 이러한 정규의 환경에서이다. 증기가 응축됨에 따라, 상기 안개는 열을 방출하고, 따라서 주변 공기로부터 취한 에너지의 대부분을 돌려주어 상기 프로세스에서의 에너지 균형을 무한하게 유지하는 것을 도와준다.
전술한 바에 따르면, 본 발명을 이루는 방법은 다음의 고전적 물리학 공리(公理)에 입각한 것이다. 즉 (1) 실온 상태의 챔버 내로 수용액을 주입하면, 그 용액은 증발하여 수용액에 용해 또는 부유되어 있는 불순물을 침전시키는 것. (2) 수증기의 액상 물안개로의 즉각적인 응축. (3) 상기 안개의 유수(流水)로의 후속 응축. (4) 중력에 의해 담수가 상기 장치를 벗어난다는 것.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 구성된 실시 형태는 압축 공기 없이 액체 용액을 추진시킬 수 있는 음속 노즐(10)을 포함한다. 음속노즐(10)은 액상 액적의 제트 스트림을 형성하도록 상기 용액을 80 m/s 내지 300 m/s로 가속시킨다.
상기 용액은 비압축성 및 개방 단부형의 증발-응축 챔버(20) 내로 주입되는데, 그러한 분출은 실질상 수직하다. 수직 분출은 상기 용액을 액적으로 나누는 것을 도와준다. 이상적으로, 상기 액적은 그 직경이 30 미크론 이상 100 미크론 이하이다. 이러한 범위의 치수는 상기 용액의 완전한 증발을 촉진시키고, 고상의 입자가 증발된 물과 재결합하지 않도록 해준다.
상기 증발-응축 챔버(20)에는 개방 단부형의 상단과 바닥이 있다. 증발-응축 챔버(20)는 강제(鋼製) 용기 내에 넣어진 유리 섬유제 실린더로부터 조립될 수도 있다.
분사 펌프(30)는 파이프(32) 및 매니폴드(34)를 통해 공급된 용액을 음속 노즐(10)의 배터리를 통해 증발-응축 챔버(20) 내로 주입한다. 상기 노즐(10)은 도 3에 도시한 바와 같이, 수평면에서 동심원 형태로 배치하는 것이 바람직하다. 상기 용액은, 액상 용액을 작은 액적으로 분할하고 이러한 액적의 흔적을 따라 저압 영역을 형성하기에 충분한 속도로 상기 노즐 오리피스로부터 챔버(20) 내로 수직으로 흐른다.
본 발명은 POY(Partially Oriented Yarn) 나일론 폴리아미드로 만든 핵생성 스크린(nucleating screen)(40)도 포함한다. POY는 결과로서 얻어지는 재료에, 스크린(40)의 길이를 따라 이어지는 미세한 디아볼로형 구멍(diabolo-type holes)을 마련할 수 있도록 해주고, 상기 안개를 핵생성하는 엣칭된 채널을 수용한다. POY는 물안개에 대해 큰 흡수 능력이 있고, 따라서 안개의 빠른 핵생성을 용이하게 해주며, 인공적으로 발생된 샤워로 안개를 세정하는 일이 없이, 물안개를 흐르는 담수류로 변화시키는 것을 용이하게 해준다. 스크린(40)은, 증발-응축 챔버(20)에서 발생된 모든 안개를 포집하도록, 챔버(20)의 길이를 따라 간격을 두고, 서로 경사지게 배치되어 있으며, 안개가 챔버(20)에서 빠져나가지 못하도록 한다.
챔버(20)의 내부에, 전방 라인 액적의 모든 액체는 수 밀리초 이내에, 각 노즐 오리피스로부터 짧은 높이, 예컨대 15 cm 내지 30 cm에서 빨리 증발된다. 상기 제트류의 모멘텀은 즉시 증발된 수 질량체를 재응축되는 입자가 없는 액적 및 짙은 물안개 내로 운반하며, 이는 재빨리 접근하여 상기 핵생성 스크린에 의해 흡수된다. 이러한 흡수는 증발-응축 과정에 의해 발생된 온도차와, 챔버 바닥에서의 공기의 유입과 챔버 상단으로부터의 공기 유출에 의해 발생된 압력차에 의해 발생되는 상향으로의 수직 드래프트(upward vertical draft)에 의해 가속된다. 담수 안개는 수-핵생성 스크린에 달라 붙는데, 상기 스크린에는 증발-응축 챔버(20)를 에워싸는 원통형 채널(25) 내에 안착하는 하부 엣지가 있다. 상기 스크린(40)은 물로 포화되면, 상기 안개를 흐르는 스트림으로 채널(25) 내로 재빨리 떨어지게 한다. 상기 채널(25)은 물을 담수 출구(27)를 통해 중력에 의해 장치의 외부로 쏟아낸다. 이 물은 집속 수 탱크 또는 급수 본관 내에 수용된다.
상기 용액의 증발 중에, 용액 내에 용해되어 있지만 증발되지 않은 입자는 침전되어 노즐 사이에서 중력에 의해 사이클론 또는 입자 분배기/집속기(50) 내로 떨어진다. 입자 분배기/집속기(50)는 상기 입자를 저장부(52) 내로 침적시킨다.저장부(52)로부터, 상기 입자는 컨베이어 벨트에 의해 제거되거나, 주기적으로 배치되는 제거형 용기 내에 축적된다.
도 4를 참조하면, 노즐(10)의 배터리는 동심원의 매니폴드(15) 어레이를 따라 배열되어 있는데, 용액은 상기 매니폴드를 통해 노즐(10)에 분배된다. 노즐(10)은 액체를 급송하고, 액적을 발생시키며, 후속되는 증기 및 응축된 물안개를 상기 핵생성 스크린을 향해 강제하는 방식으로 수직으로 한 점을 향한다. 상기 노즐에는 직경이 0.75 mm 내지 1.23 mm의 범위에 있는 오리피스가 마련되어 있다. 상기 노즐은 입자가 용해 또는 부유되어 있는 용액을 분당 0.2 리터 내지 1.5 리터 범위에서 분사할 수 있다. 상기 노즐은 직경이 30 미크론 내지 80 미크론인 구형의 액적을 만들어 낸다.
상기 장치에 들어가는 외부의 주변 공기는 공급 용액의 상변화를 위해 충분한 에너지 이상의 에너지를 제공한다. 또한, 상기 챔버(20)를 통과하는 공기의 수직 드래프트는 물안개를 핵생성 스크린(40) 내로 당기는 데에 기여한다. 따라서, 상기 프로세스는 보조 동력 구동식 장치 없이도, 연속적이고 자력 보충식(self-sufficient)의 프로세스이다.
증발 및 후속하여 응축하는 액상 액적을 만들어 내기 위한 바람직한 방법에서는 상기 노즐 오리피스로부터 약 30 cm 떨어진 거리에서 짙은 담수 물안개의 발생이 동반된다. 이 물안개는 입자 또는 고형물이 없어야 하고 물안개 12 kg/m3내지 18 kg/m3의 밀도를 갖고 있다. 짙은 담수 물안개의 발생은 연속적이어야 하고펄스식이서는 안되지만, 증발-응축 영역을 과포화시키는 담수 액적 부유액을 축적시키지 않아야 한다. 상기 담수 물안개는, 상기 핵생성 스크린에 의해 물안개 전부가 흡수될 때까지, 축적되는 일이 없이, 초당 단위 면적(m2)당 물안개 1 kg 내지 3 kg의 밀도로 상기 응축 영역을 포화시켜야 한다. 다음에, 상기 물안개는 결합하여 유수를 형성한다.
상기 방법은 액체 내에 용해 또는 부유되어 있는 고형물 입자를 분리하여, 그 입자가 매니폴드 내의 노즐 사이에서 분리를 통해 중력에 의해 증발-응축 영역으로부터 떨어질 수 있도록 하는 방법도 역시 제공한다. 상기 입자는 증기 또는 담수 물안개와 재결합하는 일이 없이 배출된다.
본 발명의 다른 실시 형태는 수 수집 스크린(40)층을 직렬 방식 또는 엇갈린 방식으로 배치하여 담수 물안개를 회수하는 방법을 제공한다. 스크린(40)은 서로 경사지게 배치되는데, 그 경사각은 상기 장치의 주 실린더 또는 흐름 방향에 대해 30°내지 60°이다. 상기 스크린의 엣지는 증발-응축 챔버(20) 바로 내부에서, 상기 에워싸는 수 채널(25) 내에 안착한다. 제1 스크린(40)은 상기 노즐 오리피스로부터 약 30 cm의 거리를 두고 배치되고, 전체 표면적이 약 10 m2에 이른다. 상기 집속 스크린에 물안개로부터 담수를 회수하는 것은 분출 제트에 의해 야기되는 모멘텀에 의해 일어나고, 상기 안개를 증발-응축 영역 밖으로 보내기 위하여 인공적으로 발생시킨 기류를 필요로 하지 않는다. 수집 스크린(40)으로부터의 담수는 상기 증발-응축 영역을 에워싸는 순환형 수 채널(25) 내로 급송되는데, 그 채널은 상기 물을 중력에 의해 장치의 외부로 보낸다.
본 발명의 원리에 따라 구성된 수처리 플랜트의 바람직한 실시 형태는 입자 농도 및 기후 조건에 따라, 하루에 10 m3내지 20 m3의 처리 용액을 만들어 낸다. 노즐(10)은 노즐마다 초당 안개 10 kg/m3내지 18 kg/m3의 밀도를 갖는 0.06 리터의 안개 부유액을 만들어 내도록 매니폴드 어레이 내에 배치되어야 한다. 원통형 챔버(20)의 형태 및 높이는 충분한 질량의 주변 공기를 순환시켜 분리 프로세스를 위해 필요한 상변화를 일으키는 데에 요구되는 에너지 및 상변화에 따라 결과적으로 생기는 온도차를 만들어 내도록 구성되어야 한다. 음속 노즐(10)은 노즐 유닛마다 분당 0.40 리터의 용액을 추진시켜, 직경이 30 미크론 내지 100 미크론인 액적을 만들어 낼 수 있어야 한다. 각 노즐 오리피스의 직경은 0.75 mm 내지 1.5 mm이어야 한다. 상기 노즐은 액체 제트류의 상향 이동과 간섭하지 않고 액체와 재결합하는 일이 없이, 함께 융합되고 증기로부터 분리되어 중력에 의해 액체 제튜류 밖으로 떨어지는 입자들의 클럼프(clump)를 형성할 수 있도록 배치되어야 한다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 원리에 따라 구성된 노즐(10)은 음향 효과와, 비교적 단순 분산의 액적 치수를 제공하고, 유동 용량이 시간당 약 제로에서 235 kg이다. 노즐(10)은 좁은 채널(K)을 통해, 노즐 본체를 통해 피처리 용액을 수용한다. 상기 채널(K)은 원뿔형 챔버(I) 내로 확장된다. 상기 챔버(I)로부터, 용액은 난류를 형성하는 영역(M)을 통과한다. 상기 난류 형성 영역은 일반적으로 흐름 방향에 직교하는 톱니형 표면을 제공한다. 팽창은 역방향으로의 흐름에서 일어나기 때문에, 액체는 오리피스(B)를 통해 빠져나갈 때까지 가속된다. 오리피스(B)에는 상기 원뿔의 베이스 직경 치수의 일부에 불과한 영역이 있다.
도 7을 참조하면, 오리피스(C)를 통해 액체는 더욱 가속된다. 오리피스(C)에서 빠져나갈 때, 주변 환경과의 압력차에 의해 진공 효과가 이루어지고, 이는 오리피스(J, D)를 통해 외부 공기 칼럼을 잡아 당긴다. 이 공기 칼럼의 출구에는 두께가 약 3.5 mm인 다른 확장(팽창) 링과 일치하고 직경이 오리피스(C)보다 작은 0.5 mm 두께 미만의 확장 링(G)이 있다. 쇄도하는 액체 및 흡인된 공기는 상기 확장 링 내부에 형성된 체적 내에서 혼합되어, 오리피스(C)를 통해 배출되기 전에 상당한 압력을 형성한다.
상기 혼합물은 구멍(C, B) 사이의 팽창 챔버를 통해 흐르고, 상기 챔버의 측면은 그 흐름 방향에 대해 각도(N)를 형성한다. 각도(N)는 노즐 챔버 내부의 액체 출구-오리피스 각도 및 액체-공기 혼합물 출구 오리피스 각도의 몇 배이다. 상기 확장 링에 의해 형성된 체적 내의 혼합된 흡인 공기는 상기 액체를 더욱 가속시키고, 노즐 오리피스(L) 부근의 거의 진공에 가까운 환경에서 난류를 유도한다. 분사 펌프 헤드에서의 초기 액체 압력과 상기 출구에서의 액체 압력차 및 오리피스 각도는 모두, 노즐 출구(E)에서 액체를 음속으로 가속하는 점까지 상기 액체를 가속하는 데에 기여한다.
상기 액체는 최소량의 공기만을 함유한 채 노즐을 빠져나가기 때문에, 액체는 거의 나누어지지 않고, 결국 주입된 용액의 압력과 관련된 제어 가능한 치수 범위의 단순 분산 액적 스펙트럼을 야기한다.
노즐(10)의 바람직한 실시 형태에 대한 치수는 실질상 다음과 같다.
A B C D E F G H I J K L M
직경 - 0.735 0.076 0.046 0.104 0.484 0.735 0.464 0.092 0.234
길이/높이 1718 0.15 0.076 0.140 0.515
각도 90 110 45
본 발명은 전술한 내용에 제한되지 않으며, 본 발명의 원리와 일치하는 모든 개선 사항 및 치환물을 포괄한다.

Claims (40)

  1. 수계(水系) 용액에 용해 또는 부유되어 있는 고형물을 분리하고, 재사용 가능한 물과 상기 고형물을 회수하기 위한 방법으로서,
    보조 압축 공기 없이, 상기 용액을 증발-응축 챔버 내로 주입하여 짙은 액적 분무를 형성하여, 상기 액적이 후속하여 증기로 증발됨으로써 상기 고형물을 침전시키고, 이 증기는 후속하여 안개로 응축되도록 하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 용액은 주변 온도 상태에 있는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 증발-응축 챔버는 주변 온도 상태에 있는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 증발-응축 챔버는 주변 압력 상태에 있는 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 안개를 스크린으로 수집하는 것을 더 포함하는 방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 수집된 안개로부터 스트림을 형성하는 것을 더 포함하는 방법.
  7. 청구항 5에 있어서, 상기 스크린은 상기 용액의 흐름 방향에 대해 30°내지 60°범위의 각도로 배치되는 방법.
  8. 청구항 5에 있어서, 상기 스크린은 노즐로부터 30 cm 떨어져 배치되는 방법.
  9. 청구항 5에 있어서, 상기 스크린은 상기 주입을 통해 얻어지는 모멘텀으로 인해 그 스크린으로 운반되어 온 안개를 최적으로 수집하도록 배치되는 방법.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 증발-응축 챔버는 안개를 만들어 내는 챔버인 방법.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 용액의 주입을 통해 그 용액은 200 m/s 내지 300 m/s의 속도로 가속되는 방법.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 용액의 주입은 실질상 수직인 방법.
  13. 청구항 1에 있어서, 상기 액적의 치수는 30 미크론 내지 100 미크론 범위에 있는 방법.
  14. 청구항 1에 있어서, 상기 짙은 액상 액적의 분무는 상기 노즐로부터 실질상30 cm 떨어진 거리에서 일어나는 방법.
  15. 청구항 1에 있어서, 상기 안개는 실질상 고형물 및 염(鹽)이 없고, 밀도는 12 kg/m3내지 18 kg/m3범위에 있는 방법.
  16. 청구항 1에 있어서, 상기 주입은 연속적인 방법.
  17. 청구항 1에 있어서, 상기 액적은 증발-응축 챔버에 축적되지 않고, 또는 부유 상태로 남아 있지 않는 방법.
  18. 청구항 1에 있어서, 상기 노즐에는 직경이 0.75 mm 내지 1.25 mm인 오리피스가 마련되는 방법.
  19. 청구항 1에 있어서, 상기 주입은 0.20 리터/분 내지 1.5 리터/분의 속도로 일어나는 방법.
  20. 청구항 1에 있어서, 상기 용액은 액수, 기수(汽水) 또는 바람직하지 않은 염분이 함유된 광화수(鑛化水)인 방법.
  21. 청구항 1에 있어서, 상기 분리된 고형물의 치수는 1 미크론보다 큰 방법.
  22. 수계 용액에 용해 또는 부유되어 있는 고형물을 분리하고, 재사용 가능한 물 및 상기 고형물을 회수하기 위한 장치로서, 보조 압축 가스 없이, 증발되어 상기 고형물의 침전을 촉진시키며 다음에 재응축되는 액상 액적 스트림을 만들어 내도록 구성된 노즐을 포함하는 장치.
  23. 청구항 22에 있어서, 상기 노즐에는 직경이 0.75 mm 내지 1.23 mm 범위에 있는 오리피스가 마련되는 장치.
  24. 청구항 22에 있어서, 상기 노즐은 상기 스트림을 0.2 리터/분 내지 1.5 리터/분 범위의 속도로 분출하도록 되어 있는 장치.
  25. 청구항 22에 있어서, 상기 노즐은 상기 스트림을 0 kg/시간 내지 235 kg/시간 범위의 속도로 분출하도록 되어 있는 장치.
  26. 청구항 22에 있어서, 상기 노즐은 상기 스트림을 80 m/s 내지 300 m/s 범위의 속도로 추진시키는 장치.
  27. 청구항 26에 있어서, 상기 액적의 치수는 30 미크론 내지 100 미크론 범위에 있는 장치.
  28. 청구항 22에 있어서, 상기 스트림을 수용하는 개방 단부형의 증발-응축 챔버를 더 포함하는 장치.
  29. 청구항 22에 있어서, 동심원의 어레이 형태로 배열되는 복수 개의 상기 노즐을 더 포함하는 장치.
  30. 청구항 22에 있어서, 상기 노즐은 액적의 흔적을 따라 저압 영역을 형성하도록 되어 있는 장치.
  31. 청구항 22에 있어서, 안개를 흡수 또는 응축시키도록 상기 노즐에 대해 배치되는 스크린을 더 포함하는 장치.
  32. 청구항 31에 있어서, 상기 스크린은 부분적으로 배향된 야안 나일론 폴리아미드로 구성되는 장치.
  33. 청구항 31에 있어서, 상기 스크린에는 미세한 디아볼로형 구멍이 있는 장치.
  34. 청구항 31에 있어서, 상기 스크린과 유사하게 구성된 제2 스크린을 더 포함하고, 상기 스크린과 제2 스크린은 미리 정한 거리를 형성하는 장치.
  35. 청구항 31에 있어서, 상기 스크린과 유사하게 구성된 제2 스크린을 더 포함하고, 상기 스크린과 제2 스크린은 미리 정한 거리를 형성하는 장치.
  36. 청구항 35에 있어서, 상기 스크린과 노즐은 30 cm의 거리를 형성하는 장치.
  37. 청구항 35에 있어서, 상기 스크린의 총 표면적은 10 m2인 장치.
  38. 청구항 35에 있어서, 상기 미리 정한 각도는 상기 스트림의 방사 라인에 대해 30°내지 60°범위에 있는 장치.
  39. 청구항 31에 있어서, 상기 스크린으로부터 유체를 수용하도록 되어 있는 채널을 더 포함하는 장치.
  40. 청구항 22에 있어서, 상기 노즐 아래에 침전 입자를 수용하는 입자 분배기/수집기를 더 포함하는 장치.
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