KR20030024631A - 액체에 가스를 공급하는 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액체에 가스를 공급하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 부유 선별에 의하여 현탁액으로부터 불순물을 분리하는 공정에 이용될 수 있고, 노즐을 사용하여 일정량의 가스에 액체를 주입하는 것을 포함한다. 얻어질 수 있는 최대한의 포화도에 보다 효과적으로 근접하게 하기 위하여, 상기 가스의 일부가 상기 주입된 액체에 의하여 생성되는 진공에 의해서 그 안으로 흡입되어, 상기 액체와 함께 운반되는 동시에 액체에 긴밀하게 혼합되게 한다.
또한, 본 발명은, 상기 방법을 수행하기 위한 장치로서, 액체 및 그 액체 위에 있는 가스 공간용의 압력 용기로서 그 상부에 가스용 압력 연결부를 구비하며 이 압력 용기 내부를 관통하여 설치되어 그 내부로 액체를 주입시키기 위한 노즐을 구비하는 압력 용기를 포함하는, 부유 선별에 의하여 현탁액으로부터 불순물을 분리하는 설비 또는 장비에 이용되는, 액체에 가스를 공급하는 장치를 제공한다. 상술한 효과를 얻기 위하여, 상기 노즐은 액체를 보유하고 있는 압력 용기(2)의 내부에 장착되어 압력 용기(2)의 저부 쪽으로 돌출해 있는 주입기 헤드와 연결되고, 상기 주입기 헤드는 상기 가스 공간을 포함하는 압력 용기의 상부에 연결되도록 한다.

Description

액체에 가스를 공급하는 방법 및 장치{PROCESS AND DEVICE FOR AERATING A LIQUID WITH GAS}
본 발명은 액체에 가스를 공급하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 부유 선별에 의하여 현탁액으로부터 불순물을 분리하는 공정에 이용될 수 있고, 노즐을 사용하여 일정량의 가스에 액체를 주입하는 것을 포함한다. 또한, 본 발명은 액체에 가스를 공급하는 장치에 관한 것으로, 상기 장치는 부유 선별에 의하여 현탁액으로부터 불순물을 분리하는 장치에 이용될 수 있고, 액체 및 그 액체 위에 있는 가스 공간용의 압력 용기로서 그 상부에 가스용 압력 연결부를 구비하며 이 압력 용기 내부를 관통하여 설치되어 그 내부로 액체를 주입시키기 위한 노즐을 구비하는 압력 용기를 포함한다.
포말부유 선별(froth flotation)은 현탁액에서 불순물을 물리적으로 제거하는 방법이다. 이 방법의 경우, 적절한 양과 크기 분포를 갖는 가스 거품이 생성될 것을 요한다. 소수성 또는 방수성 물질은 이에 부착되는 가스 거품에 의하여 액체의 표면으로 운반되어, 상기 가스 거품과 함께 제거된다. 이러한 방법은 독일 특허 공개 41 16 916 C2 등에 개시되어 있으며, 높은 기술적 표준에 도달해 있다. 완전자흡식 주입기(self-priming injector)가 가스 거품을 생성시키고 이를 현탁액에혼합하는데 종종 사용된다. 이 경우, 불순물을 함유한 상태로 노즐로부터 배출되는 현탁액 유동은 음압을 발생시켜 가스를 흡입하고, 이러한 가스는 액체와의 펄스 교환을 함으로써 현탁액에 섞이게 된다. 이러한 형태의 장치가 독일 특허 공개 34 12 431 A1 등에 개시되어 있다.
상기 부유 선별 공정에서 특별히 문제되는 것은 가스로 포화된 액체를 이용하여 그 내부에 가스 거품을 생성시키는 방식이다. 유럽 특허 공개 789 672 A1에는, 압축 액체를 노즐을 통하여 압축 가스로 가득차 있는 압력 용기의 상부 안으로 분사하는 장치가 개시되어 있다. 이 경우, 액체는 짧은 시간 동안만 가스와 접촉하므로, 아주 작은 양의 가스가 액체로 유입되어 너무 작은 양의 난류가 형성된다. 결과적으로, 상기 액체는 통상적으로 수회 순환되어야 하거나 높은 포화 압력이 요구되기 때문에, 높은 에네지 소비를 가져오고 후속되는 부유 선별 단계에서 더 높은 에너지 입력을 요한다. 또한, 포화 액체의 유출 과정에서 가스 거품이 방출될 수 있기 때문에, 후속되는 부유 선별 과정의 효율성이 떨어지게 된다.
오스트리아 특허 407 844에는 분산물에 가스를 주입하는 방법이 부유 선별실과 함께 개시되어 있고, 상기 부유 선별실에는 현탁액의 자유 표면이 있고, 범람시에 포말이 상기 표면으로부터 분리된다. 또한, 독일 특허 출원 198 45 536에는 가스를 액체에 혼합시키는 방법이 개시되어 있다. 가스로는 액체에 용해될 수 있는 공기를 사용하는 것이 유리하다. 실제로, 높은 유속으로 인하여 이용 가능한 공기의 극히 일부만이 용해될 수 있다. 또한, 압축된 공간으로부터 공기가 흡입되지 않기 때문에, 가스/공기의 용해도는 아주 작다. 독일 특허 40 29 982에는 한 쌍의 변형된 노즐이 개시되어 있고, 이 노즐에는 현탁액 내에 공기를 더 고르게 분배시키기 위해 구멍 뚫린 튜브가 이용되고 있다. 이러한 구조에 따르면, 가스에서는 추가적인 압력 강하가 발생하여 액체 내에서의 용해도가 크게 감소하게 된다. 또한, 이러한 특별한 분배 장치는 액체가 가스/공기를 흡입하는 과정에 크게 영향을 미친다. 또한, 상기 액체가 섬유질 현탁액인 경우에는 상기 구멍이 막히는 문제도 발생할 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 질량 전달을 통하여 액체를 가스로 포화시키는 방법 및 장치를 제공함으로써, 얻어질 수 있는 최대한의 포화도에 보다 효과적으로 근접하도록 하는 것이다.
도1은 본 발명에 따른 부유 선별 설비의 모식도이다.
도2는 본 발명에 따른 공기 포화도를 증가시키는 장치에 대한 모식도이다.
도3은 본 발명에 따른 완전 자흡식 주입기의 모식도이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
1: 가압펌프2: 포화탱크
3: 압축기4: 팽창 장치
5: 현탁액6: 부유 선별실
7: 포말8: 포말 통로
9: 압력 용기10: 주입기
11: 추진 분사 노즐12: 펄스 교환 파이프
13: 디퓨져14: 파이프
15: 방사형 디퓨져16: 내부 챔버
17: 외부 챔버18: 스키머
19: 액체 유동C: 부유 선별 작용제
F: 부유물K: 정화수
Z: 공급류L: 공기
B: 분산물T: 추진 액체
R: 공기
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 가스의 일부가 주입된 액체에 의하여 생성되는 진공에 의해서 그 안으로 흡입되어, 상기 액체와 함께 운반되는 동시에 액체에 긴밀하게 혼합되는 방법을 제공한다. 최대한의 질량 전달이 일어나게 하기 위하여, 가능한 한 많은 양의 난류에 의하여 상기 액체 상에 넓은 질량 유동 면적이 형성되게 한다.
상기 액체가 개방 분사 원리(open jet principle)에 따라 상기 노즐로부터 방출되면, 상기 가스는 용이하게 흡입될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 공기 투입량이 80 내지 170%, 바람직하게는 100% 초과된 상태에서 공정이 수행되면, 순환하는 공기에 의해 발생하는 난류의 양이 많아진다.
혼합 후에 방출되는 가스 거품은 상기 가스 공간으로 재순환되는 것이 바람직하다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 상기 노즐이 액체를 보유하고 있는 압력 용기(2)의 내부에 장착되어 압력 용기(2)의 저부 쪽으로 돌출해 있는 주입기 헤드와 연결되고, 상기 주입기 헤드는 상기 가스 공간을 포함하는 압력 용기의 상부에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.
상기 주입기 헤드 단부의 단면적이 유동 방향으로 감소한다면, 혼합 영역에서 속도와 난류의 양은 더 증가될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구성에 따르면, 대체로 균일한 단면적을 가지면서 상기 주입기 헤드에 밀착하여 장착되는 혼합 파이프가 제공된다.
본 발명의 다른 구성에 따르면, 유동 방향으로 단면적이 감소하는 디퓨져가 상기 주입기 헤드 또는 혼합 파이프에 인접하여 설치될 수 있다.
본 발명의 바람직한 구성에서는, 가스로 포화된 액체용 흡출관(14)이 상기 디퓨져(13)에 인접하여 구비되고, 적어도 상기 흡출관만은 상기 액체 속에 잠긴다.
이 경우, 개방 분사 원리에 따라 추진 분사 노즐로부터 방출되는 액체 유동은 압축된(3 내지 10bar) 포화 탱크 안으로 공기를 흡입하는 데 이용되는 진공 상태를 형성한다. 혼합 파이프 내에서, 상기 공기와 액체는 긴밀하게 혼합되고, 뒤따르는 디퓨져는 에너지를 회복하는데 이용된다. 최종적으로, 거품 분산물이 상기 원통형의 포화 탱크 저부로 유입되고, 따라서, 액체 수평면 전체가 질량 전달에 이용된다. 상승되는 가스 거품은 상기 포화 탱크의 상부에 집적되고, 여기서 공기가 다시 흡입되어 순환하게 된다.
가스와 액체의 혼합 후 액체의 유동 에너지를 회복하기 위하여, 액체에 담기어지는 방사형 디퓨져가 상기 디퓨져 또는 흡출관의 뒤쪽에 장착될 수 있다.
본 발명에 따르면, 대체로 원통형인 오리피스 판에 의하여 용해되지 않은 가스 거품의 분리가 가능하다. 상기 오리피스 판은, 상기 디퓨져의 바닥부, 또는 상기 액체 속에 잠긴 흡출관 또는 방사형 튜브만큼은 둘러싸며, 상기 압력 용기의 저부에서 시작된다.
상기 압력 용기에 잔류하는 가스로 포화된 액체의 출구는, 상기 오리피스 판의 상부 가장자리 아래에 위치하는 것이 바람직하다.
이하 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참조하여 아래에서 보다 상세하게 설명한다. 도1은 본 발명에 따른 부유 선별 설비의 모식도이고, 도2와 도3은 본 발명에 따른 액체에 가스를 공급하는 장치에 대한 모식도이다.
도1은 액체에 가스를 공급하는 장치(4)를 구비한 부유 선별 설비의 모식도이다. 부유 선별실(6)은 대부분 현탁액(5)으로 채워져 있고, 부유 선별실(6) 자체는 현탁액(5)으로 대부분 채워져 있으며, 상기 현탁액(5)의 표면에는 가스 거품으로 이루어진 포말(7)이 형성되어 있고, 상기 현탁액(5)은 부유 선별에 의하여 제거되는 고체 입자를 가능한 한 많이 포함하고 있다. 상기 포말은 스키머(18)에 의하여 포말 통로(8)로 유도되고, 부유물(F)로 배출된다.
가압펌프(1)를 사용하여 3 내지10 bar 사이의 원하는 포화압력에 도달할 때까지 재활용된 정화수(K)의 일부를 증가시켜 본 발명에 따른 포화탱크(2)를 채운다. 주변 공기가 압축기(3)에 의하여 필요한 포화압력으로 압축되고, 그 다음, 포화도를 증가시키기 위해 특별히 설계된 포화탱크(2)로 공급되어 높은 질량 전달에 의해 상기 액체에 용해된다. 그 다음, 상기 포화상태의 액체는 감압 목적으로 설계된 팽창장치(4) 안으로 들어가고, 고체를 포함한 공급류(Z) 및 경우에 따라 첨가되는 부유 선별 작용제(C)와 함께 부유 선별실(6)로 공급되어 부유 선별 과정이 일어나게 된다. 팽창 과정에서 형성된 매우 미세한 거품이 소수성 고체 입자에 부착되어, 상기 소수성 입자를 수면으로 운반한다. 부유 선별에 의하여 정화된 현탁액 정화수(K) 형태로 부유 선별실로부터 배출된다.
도2는 본 발명에 따른 공기 포화도를 증가시키는 장치이다. 압력 용기(9)는 대부분 액체로 채워져 있고, 포화도를 증가시키기 위한 공기(L)가 압축기에 필요한 포화압력에 도달할 때까지 가해져 상기 압력 용기의 헤드에 있는 공기 챔버 안으로 들어간다. 상기 압력 용기(9)는 최대한의 흡입 조건을 형성하기 위한 완전 자흡식 주입기(10)를 포함하고 있는데, 이것은 공기가 헨리 법칙에 따라 용해되고 물에 대한 약한 용해도로 인하여 거품 시스템에서 가장 효과적으로 기능하기 때문이다. 본 장치에서, 상기 공기는 최대한의 흡입 조건(80 내지 170%)을 형성하기 위한 완전 자흡식 주입기(10)에 의해 극미한 거품의 형태로 액상에 혼합된다. 상기 주입기(10)가 바람직하게는 100% 초과의 높은 공기 투입량(80 내지 170%)으로 작동하는 것은 가스가 유입된 액체보다 더 많이 흡입된다는 것을 의미한다. 이것이 생성하는 많은 양의 순환 공기로 인하여, 많은 질량 전달 영역과 함께 상기 액상에는극심한 난류가 있고, 이에 따라 기존의 시스템보다 포화도를 크게 향상시킬 수 있다. 상기 방법은 낮은 압력에서도 높은 공기 포화도를 가능하게 하고, 이에 따라 에너지가 절감되고, 또한 상기 포화 탱크 내에서의 유체의 체류시간의 감소, 즉 장치의 소형화가 가능하다.
계속하여, 가스/액체의 분산물은 파이프(14)를 통하여 상기 압력 용기의 저부 쪽으로 운반되고, 이 경우, 방사형 디퓨져(15)는 상기 원통형의 내부 챔버(16) 위로 상기 분산물을 분배한다. 이러한 방법으로 생성된 가스 거품은 주변 액체를 통하여 그 표면으로 상승하고, 이 상승하는 동안에 상기 공기는 상기 압력 용기의 헤드에 집적하여 재순환된다. 따라서, 용해된 공기만이 상기 압축기 내에서 포화 압력까지 증가되고 다시 추가되어야 한다. 포화점까지 도달한 압축 액체(D)는 상기 압력 용기가 외부 챔버(17)의 저부에서 잔존하는 나머지 가스거품을 제거하는 상태로 놓아 둔다. 또한, 상기 거품 분산물은 상기 원통형의 내부 챔버에 유입되기 때문에, 포화된 액체로부터 용해되지 않은 공기 거품을 제거할 수 있다. 결과적으로, 후속되는 부유 선별 단계는 최적화된 상태에서 수행될 수 있다.
도3은 완전 자흡식 주입기의 모식도이다. 이 주입기는 추진 분사 노즐(11), 혼합 또는 펄스 교환 파이프(12), 및 디퓨져(13)를 포함하여 구성된다. 작동 압력으로 승압된 추진 액체(T)는 상기 추진 분사 노즐(11)에서 가속된다. 추진 분사 노즐(11)에서 분출되는 액체 유동(19)은 개방 분사 원리(open jet principle)에 따라 발산함으로써 진공 상태를 발생시키고, 이 진공 상태는 공기(R)을 흡입하는데 이용된다. 상기 혼합 파이프(12)에서, 공기는 추진 분사 액체와 혼합되고, 이 과정에서미세한 가스 거품이 생성되며, 높은 난류 상태에서 강렬한 질량 전달이 있게 된다. 상기 디퓨져(13)는 에너지 재생에 이용된다. 상기 가스/액체 분산물은 파이프(14) 안에서 상기 방사형 디퓨져(15)까지 운반되고, 이 디퓨져는 방출되는 상기 거품 분산물(B)을 분배한다.
이상과 같이 본 발명에 따른 방법 및 장치를 이용하면, 최대한의 질량 전달을 통하여 액체를 가스로 포화시킴으로써, 얻어질 수 있는 최대한의 포화도에 근접하게 할 수 있다.

Claims (14)

  1. 노즐을 사용하여 일정양의 가스에 액체를 주입시키는 것을 포함하는, 부유 선별에 의하여 현탁액으로부터 불순물을 분리하는 공정에 사용되는 액체에 가스를 공급하는 방법에 있어서,
    상기 가스의 일부가 상기 주입된 액체에 의하여 생성되는 진공에 의해서 그 안으로 흡입되고, 상기 액체와 함께 운반되고, 그와 동시에 액체에 긴밀하게 혼합되는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 액체는 개방 분사 원리에 따라 상기 노즐로부터 방출되는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공기 투입량이 80-170%, 바람직하게는 100% 초과된 상태에서 수행되는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합 후에 빠져 나오는 가스 거품은 상기 가스 공간으로 재순환되는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 공간은 초과 압력을갖는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 초과 압력은 3 내지 10 bar 사이인 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 방법.
  7. 액체 및 그 액체 위에 있는 가스 공간용의 압력 용기로서 그 상부에 가스용 압력 연결부를 구비하며 이 압력 용기 내부를 관통하여 설치되어 그 내부로 액체를 주입시키기 위한 노즐을 구비하는 압력 용기를 포함하는, 부유 선별에 의하여 현탁액으로부터 불순물을 분리하는 설비 또는 장비에 이용되는, 액체에 가스를 공급하는 장치에 있어서,
    상기 노즐(11)이 압력 용기(2)의 내부에 장착된 주입기(10)의 헤드와 연결되고, 상기 주입기(10)가 압력 용기(2)의 저부 쪽으로 돌출되고,
    상기 주입기의 헤드는 상기 가스 공간을 포함하는 압력 용기(2)의 상부에 연결되는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 주입기(10) 헤드의 말단부의 단면적이 유동 방향으로 감소하는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 장치.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 대체적으로 일정한 단면을 갖는 혼합 파이프(12)가 상기 주입기(10)의 헤드에 바로 인접하게 제공된 것을 특징으로 하는액체에 가스를 공급하는 장치.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 유동 방향으로 단면적이 커지는 디퓨져(13)가 상기 헤드 또는 혼합 파이프(12)에 인접하게 제공된 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 장치.
  11. 제10항에 있어서, 가스로 포화된 액체용 흡출관(14)이 상기 디퓨져(13)에 인접하게 제공되고, 적어도 상기 흡출관(14)만은 상기 액체 속에 잠기는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 액체 속에 잠긴 방사형 디퓨져(15)가 상기 디퓨져(13) 또는 흡출관(14)의 뒤쪽에 장착된 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서, 상기 디퓨져(13)의 바닥부, 또는 상기 액체 속에 잠긴 흡출관(13) 또는 방사형 튜브(15) 만큼은 둘러싸며 대체로 원통형인 오리피스 판을 구비하며, 상기 오리피스 판은 상기 압력 용기(2)의 저부에서 시작되는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 압력 용기(2)에 잔류하는 가스로 포화된 액체의 출구는, 상기 오리피스 판의 상부 가장자리 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 액체에 가스를 공급하는 장치.
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