KR20070104372A - 용액의 초음파 분리방법과 이 방법에 사용되는 초음파분리장치 - Google Patents

용액의 초음파 분리방법과 이 방법에 사용되는 초음파분리장치 Download PDF

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Abstract

용액의 초음파 분리방법은, 초음파 무화실(4)에서 용액을 초음파 진동시켜 반송기체중에 미스트로 무화하고, 무화된 미스트를 포함한 반송기체를 회수부(5)로 이송하여, 회수부(5)에서, 용액으로부터 미스트가 되어 무화된 미스트 성분을 반송 기체로부터 분리하여 회수한다. 초음파 분리방법은, 회수부(5)에 있어서, 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시켜, 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시키는 흡착 공정과, 흡착 공정으로 흡착제(15)에 흡착된 미스트 성분을 흡착제(15)로부터 분리하여 회수하는 분리 공정으로, 반송기체로부터 미스트 성분을 분리함과 동시에, 분리공정의 압력을 흡착 공정의 압력보다 낮게 하여, 반송기체로부터 미스트 성분을 분리한다.

Description

용액의 초음파 분리방법과 이 방법에 사용되는 초음파 분리장치{METHOD FOR ULTRASONIC SEPARATION OF SOLUTION AND ULTRASONIC SEPARATION APPARATUS FOR USE IN THE METHOD}
본 발명은, 2종 이상의 물질을 포함한 혼합물로부터 목적물질의 농도가 높은 고농도의 용액을 분리하거나, 혹은 용액에 포함되는 목적물질을 분리하는 방법과 장치에 관한 것으로, 특히, 술이나 술원료 등의 알코올 용액으로부터 더 고농도의 알코올을 분리하거나, 혹은 석유로부터 목적물질의 농도가 높은 용액을 분리하는데에 최적인 방법과 장치에 관한 것이다.
본 발명자는, 알코올로부터 고농도의 알코올을 분리하는 장치를 개발하였다.(특허 문헌 1 참조)
특허 문헌 1 : 일본 특허공개 2001-314724호 공보
이 분리장치는, 알코올 용액을 폐쇄 구조의 초음파 무화실(ultrasonic atomizing chamber)에 충전하고, 이 초음파 무화실의 알코올 용액을 초음파 진동자로 초음파 진동시켜 미스트로 무화하고, 무화된 미스트(atomized mist)를 응집시켜 회수하여 고농도의 알코올 용액을 분리한다. 이 분리장치가 목적물질로서 고농도의 알코올을 분리할 수 있는 것은, 이하의 동작에 의한 것이다.
알코올은 물보다 용액의 표면으로 이행하기 쉽고, 표면의 용액은 알코올의 농도가 높아지고 있다. 이 상태로 초음파 진동시키면, 고농도의 알코올이 초음파 진동의 에너지로 공기중에 미스트가 되어 미세한 입자로 방출된다. 공기중에 방출된 미스트는 알코올 농도가 높아지고 있다. 알코올 농도가 높은 표면의 용액이 미스트가 되기 쉽기 때문이다. 따라서, 미스트를 응집하여 회수하면, 고농도의 알코올 용액이 분리된다. 이 방법은, 용액을 가열하지 않고 고농도의 알코올 용액을 분리할 수 있다. 이 때문에, 적은 에너지 소비로 고농도로 목적물질을 분리할 수 있다. 또한, 가열하지 않기 때문에 목적물질을 변질시키지 않고 분리할 수 있는 특징도 있다.
[발명의 개시]
[발명이 해결하고자 하는 과제]
도 1은, 용액을 초음파 진동시키고 미스트로 하고, 이것을 회수부로 응집시켜 회수하는 장치의 블록도이다. 이 도면의 초음파 분리장치는, 초음파 무화실 (104)에서 발생하는 미스트를 회수부(105)로 응집시켜 회수한다. 이 장치를 사용하여 고농도의 알코올을 분리하는 경우, 미스트의 알코올 농도는 변화한다. 미스트의 알코올 농도는, 초음파 무화실(104)에서 발생한 직후에 높고, 그 후 점차 저하하여 회수부(105)로 이송된다. 초음파 무화실(104)로부터 회수부(105)로 이송되는 도중에, 미스트에 포함되는 알코올이 기화하여 증기가 되기 때문이다. 미스트로부터는 알코올과 물의 양쪽 모두가 기화하여 증기가 된다. 다만, 알코올은 물보다 증기가 되기 쉽다. 이 때문에, 미스트가 기화되면, 물보다 알코올이 보다 많이 기화되고, 미스트의 알코올 농도는 저하한다. 따라서, 초음파 무화실(104)에서 발생한 미스트는, 점차 알코올 농도가 저하하면서 회수부(105)로 이송된다.
이송되는 미스트의 알코올은 기화되어 증기가 되므로, 회수부(105)에 공급되는 알코올은 미세한 액적인 미스트 상태와, 기화된 증기 상태가 된다. 미스트 상태로 공급되는 알코올은, 회수부(105)에서 응집하여 회수되고, 증기의 알코올은, 반송 기체를 냉각하여, 결로시켜 회수된다. 알코올 증기는, 결로시켜 회수할 수 있지만, 결로시켜 회수할 수 있는 알코올량은 제한된다. 냉각된 반송 기체가 다소의 알코올과 물을 기체 상태로 포함할 수 있기 때문이다. 도 2는 공기가 물을 증기 상태로 포함할 수 있는 포화 수증기량 곡선이다. 바꾸어 말하면 습도 100%인 포화 상태에 있어서의 공기에 포함되는 물의 총량과 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도면은 공기에 포함되는 물의 양을 나타내고 있지만, 공기는 물과 알코올을 합하여 포함할 수 있는 양이, 이 도면에 나타낸 바와 같이 온도에 따라서 변화하고, 온도가 높아지면 증가하고, 온도가 낮아지면 감소한다.
이 도면으로부터 명백하듯이, 반송 기체로서 사용되는 공기는, 온도가 낮아지면 포함할 수 있는 물의 양이 적어지므로, 공기를 냉각하면 과포화인 물과 알코올이 기체로부터 액체가 되어 결로한다. 다만, 이 그래프로부터 명백하듯이, 공기 온도가 비록 0℃가 되어도, 물을 증기 상태로 포함할 수 있으므로, 모든 알코올을 결로하여 회수할 수 없다.
특히 곤란한 것은, 미스트로부터 기화되어 반송 기체에 포함되는 알코올과 물은, 결로하여 회수하면, 알코올보다 물이 결로하여 회수되기 쉽다. 즉, 미스트 에서는 물보다 알코올이 기화하기 쉽고, 기화한 다음에는, 물이 알코올보다 결로하기 쉽다. 이 때문에, 반송 기체에 포함되는 알코올 농도는, 반송 기체를 냉각하여 알코올과 물을 회수한 다음은, 한층 더 높아진다. 알코올이 기화하기 쉽고, 결로 하기 어렵기 때문이다. 예를 들어, 초음파 무화실에서 발생한 미스트의 알코올의 몰 농도가 30몰, 회수부에 공급된 미스트의 알코올 농도가 25몰로 저하하지만, 반송 기체에 포함되는 증기의 알코올의 몰 농도는, 회수부에 공급되는 상태에서 50몰, 회수부로부터 배출되는 상태에서는 70몰로 극히 높아진다. 이로부터, 초음파 무화실에서 고농도의 알코올을 미스트로 하면서, 이것을 유효하게 회수할 수 없는 것을 알 수 있다. 이 폐해는, 예를 들어, 반송 기체를 냉각하는 온도를 낮게 하고, 알코올과 물을 더 효율적으로 결로시켜 회수함으로써 해소할 수 있다. 다만, 반송 기체의 온도를 낮게 하면, 냉각을 위해서 소비하는 에너지가 커져 운전비용 (running cost)이 높아진다. 게다가 초음파 무화실에 저온의 반송 기체를 공급하면, 용액을 미스트로 하는 효율이 현저하게 저하하므로, 저온의 반송 기체는 가습하여 초음파 무화실에 공급할 필요가 있다. 이때, 반송 기체의 온도가 낮을수록, 가온을 위해서 큰 에너지를 필요로 하는 결점도 있다.
따라서, 종래의 초음파 분리장치는, 초음파 무화실에서 알코올 농도가 높은 미스트를 발생시키면서, 이것을 효율적으로 유효하게 회수하는 것이 어려운 결점이 있었다.
본 발명은, 이러한 결점을 해결하는 것을 목적으로 개발된 것이다. 본 발명의 제1의 중요한 목적은, 용액으로부터 발생하는 미스트에 포함되는 목적물질을 효 율적으로 회수할 수 있는 용액의 초음파 분리 방법과 초음파 분리장치를 제공하는 것에 있다.
또한, 본 발명의 제2의 목적은, 미스트에 포함되는 미스트 성분을 효율적으로 흡착제에 흡착시켜 회수할 수 있는 용액의 초음파 분리 방법과 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 용액의 초음파 분리 방법은, 초음파 무화실(4)에서 용액을 초음파 진동시켜 반송 기체중에 미스트로 무화하여, 무화된 미스트를 포함한 반송 기체를 회수부(5)로 이송하고, 회수부(5)에서, 용액으로부터 미스트가 되어 무화된 미스트 성분을 반송 기체로부터 분리하여 회수한다. 초음파 분리 방법은, 회수부(5)에서, 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시키고, 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시키는 흡착 공정과, 흡착 공정으로 흡착제(15)에 흡착된 미스트 성분을 흡착제(15)로부터 분리하여 회수하는 분리 공정으로, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리함과 동시에, 분리 공정의 압력을 흡착 공정의 압력보다 낮게 하여, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리한다.
본 발명의 용액의 초음파 분리 방법은, 회수부(5)에서, 반송 기체를 냉각기 (12)로 냉각하여 미스트 성분을 분리한 후, 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시켜, 미스트 성분을 흡착제(15)로 흡착시킬 수 있다.
본 발명의 용액의 초음파 분리방법은, 분리공정에 있어서, 흡착제(15)를 밀폐실(16)에 배치하고, 이 밀폐실(16)의 반송 기체를 진공 펌프(17)로 배기하여 밀폐실(16)을 대기압보다 낮은 압력으로 감압하고, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리할 수 있다.
또한, 본 발명의 용액의 초음파 분리방법은, 흡착 공정에 있어서, 흡착제 (15)를 대기압의 밀폐실(16)에 배치하고, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 용액의 초음파 분리방법은, 흡착 공정에 있어서, 흡착제 (15)를 대기압보다 고압으로 가압된 밀폐실(16)에 배치하고, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착제에 흡착시킬 수 있다.
본 발명의 용액의 초음파 분리방법은, 흡착 공정에 있어서의 흡착제(15)의 온도를, 분리 공정에 있어서의 흡착제(15)의 온도보다 낮게 할 수 있다.
본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 용액이 공급되는 초음파 무화실(4)과, 이 초음파 무화실(4)의 용액을 초음파 진동으로 반송 기체중에 미스트로 무화하여 비산시키는 초음파 진동자(2)와, 이 초음파 진동자(2)에 접속되어 초음파 진동자(2)에 고주파 전력을 공급하여 초음파 진동시키는 초음파 전원(3)과, 초음파 진동자(2)로 무화되어 반송 기체로 이송되는 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시켜 반송 기체로부터 분리하는 회수부(5)를 구비한다. 회수부(5)는, 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시키고 반송 기체에 포함되는 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시켜, 흡착한 미스트 성분을 흡착제(15)로부터 분리하고, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리하는 흡착 회수부(9)를 구비한다. 이 흡착 회수부(9)는, 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시켜 미스트 성분을 흡착시키는 압력보다, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리하는 압력을 낮게 하여, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리한다.
본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 회수부(5)가, 반송 기체를 냉각하여 미스트 성분을 회수하는 전단 회수부(8)를 구비하고, 이 전단 회수부(8)로 미스트 성분이 분리된 반송 기체를 흡착 회수부(9)에 공급할 수 있다.
본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 흡착 회수부(9)가, 밀폐실(16)에 흡착제(15)를 충전하는 동시에, 이 밀폐실(16)에 진공 펌프(17)를 연결하고, 진공 펌프(17)가 밀폐실(16)로부터 배기하여, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리할 수 있다.
본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 밀폐실(16)을, 개폐밸브(18)를 통하여 초음파 무화실(4)에 연결하고, 개폐밸브(18)를 열어 초음파 무화실(4)로부터 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 밀폐실(16)에 공급하고, 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시켜, 개폐밸브(18)를 열어 밀폐실(16)을 감압하고, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리할 수 있다.
본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 한 쌍의 밀폐실(16)에 흡착제(15)를 충전하고, 한 쌍의 밀폐실(16)을 개폐밸브(18)를 통하여 초음파 무화실(4)에 연결할 수 있다. 이 초음파 분리장치는, 한쪽의 개폐밸브(18)를 열어 밀폐실(16)에 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 공급하고, 다른쪽의 개폐밸브(18)를 닫아 밀폐실 (16)로부터 배기하여 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리하고, 개폐밸브(18)를 교대로 개폐하여 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리할 수 있다.
본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 흡착 회수부(9)가 온도 제어부(22)를 구비할 수 있다. 온도 제어부(22)는, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착하는 흡착제 (15)의 온도를, 미스트 성분을 분리하는 흡착제(15)의 온도보다 낮게 제어할 수 있다.
흡착제(15)는, 제올라이트, 활성탄, 산화 리튬, 실리카겔중의 어느 하나, 혹은 이들 혼합물로 할 수 있다.
본 발명은, 용액으로부터 발생하는 미스트에 포함되는 목적물질을 효율적으로 회수할 수 있는 특징이 있다. 특히, 본 발명은, 미스트에 포함되는 미스트 성분을 효율적으로 흡착제에 흡착시켜 회수할 수 있는 특징이 있다. 그것은, 본 발명이, 초음파 무화실에서 무화된 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 회수부에서 흡착제에 흡착시켜, 흡착제에 흡착한 미스트 성분을 흡착제로부터 분리하여 반송 기체로부터 분리시키고 있으며, 반송 기체를 흡착제에 접촉시켜 미스트 성분을 흡착시키는 압력보다, 흡착제로부터 미스트 성분을 분리하는 압력을 낮게 하여 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리하고 있기 때문이다. 흡착제는, 압력이 높아지면 미스트 성분의 흡착량이 증가하고, 압력이 낮아지면 미스트 성분의 흡착량이 감소하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명은, 흡착제가 가진 이 특성을 유효하게 이용하여, 즉, 분리 공정에 있어서의 압력을 흡착 공정에 있어서의 압력보다 낮게 하는 것에 의해서, 흡착 공정에서는 다량의 미스트 성분을 흡착제에 효율적으로 흡착시키고, 분리 공정에서는 흡착제에 흡착할 수 있는 미스트 성분의 양을 줄여, 흡착제로부터 미스트 성분을 분리시켜 효율적으로 회수할 수 있다.
또한, 본 발명의 청구항 6의 초음파 분리방법과 청구항 12의 초음파 분리장치는, 반송 기체에 포함되는 미스트 성분을 보다 효율적으로 흡착제에 흡착시켜 회 수할 수 있는 특징이 있다. 그것은, 이 방법과 장치가, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착할 때의 흡착제의 온도를, 미스트 성분을 분리할 때의 흡착제의 온도보다 낮게 하고 있기 때문이다. 흡착제의 흡착량은, 동일한 압력하에서는, 온도가 높아지면 감소하고, 온도가 높아지면 증가하는 경향이 있다. 따라서, 이 특성을 이용하여, 흡착제의 온도를 제어함으로써, 반송 기체에 포함되는 미스트 성분을 효율적으로 분리하여 회수할 수 있다.
[도 1] 용액이 초음파 진동되어 용액면에 액주(column of liquid)가 생기는 상태를 나타내는 개략 단면도이다.
[도 2] 공기를 포함할 수 있는 포화 수증기량 곡선을 나타내는 그래프이다.
[도 3] 본 발명의 하나의 실시예에 따른 초음파 분리장치를 나타내는 개략 구성도이다.
[도 4] 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 분리장치를 나타내는 개략 구성도이다.
[도 5] 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 분리장치를 나타내는 개략 구성도이다.
[도 6] 본 발명의 다른 실시예에 따른 초음파 분리장치를 나타내는 개략 구성도이다.
[도 7] 초음파 무화실과 초음파 무화기의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
[도 8] 흡착제의 흡착량이 압력과 온도로 변화하는 경향을 나타내는 그래프 이다.
[도 9] 온도 제어부의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
<부호의 설명>
1, 41, 51, 61…초음파 무화기
2, 42, 52, 62…초음파 진동자
3, 43, 53, 63…초음파 전원
4, 44, 54, 64…초음파 무화실
5, 45, 55, 65…회수부
6, 46, 56, 66…이송 덕트
7, 47, 57, 67…블로어(blower)
8, 48, 58, 68…전단 회수부(first-stage collecting part)
9, 49, 59, 69…흡착 회수부(adsorption collecting part)
10, 410, 510, 610…펌프
11, 411, 511, 611…원액조
12, 412, 512, 612…냉각기
13, 413, 513, 613…열교환 파이프
14…냉각 파이프
15, 415, 515, 615…흡착제
16, 416, 516, 616…밀폐실
16A, 416A, 516A, 616A…제1 밀폐실
16B, 416B, 516B, 616B…제2 밀폐실
17, 417, 517, 617…진공 펌프
18, 418, 518, 618…개폐밸브
19, 419, 519, 619…흡인 덕트(suction duct)
20, 420, 520, 620…흡인밸브
21, 421, 521, 621…냉각기
622…온도 제어부 623…열교환기
624…가온 기구 625…냉각 기구
626…냉동 사이클 627…제어 밸브
628…온수 탱크 629…냉수 탱크
630…압축기 631…방열기
632…응축밸브 633…흡열기
104…초음파 무화실 105…회수부
W…용액면 P…액주
이하에, 본 발명의 실시예를 도면에 기초하여 설명한다. 다만, 이하에 나타내는 실시예는, 본 발명의 기술 사상을 구체화하기 위한 용액의 초음파 분리방법과 초음파 분리장치를 예시하는 것으로, 본 발명은 초음파 분리방법과 장치를 이하의 것에 특정하지 않는다.
또한, 이 명세서는, 특허 청구 범위를 이해하기 쉽도록, 실시예에 나타나는 부재에 대응하는 번호를, 「특허 청구 범위」 및 「과제를 해결하기 위한 수단의 란」에 나타나는 부재에 부기하고 있다. 다만, 특허 청구 범위에 나타나는 부재를, 실시예의 부재에 특정하는 것은 결코 아니다.
본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 적어도 2종의 물질을 포함한 용액으로부터 고농도의 특정 용액을 분리한다. 본 발명은, 용액의 용매와 용질을 특정하는 것은 아니지만, 용매는, 주로 물이지만, 물 이외에도 알코올 등의 유기용매도 사용할 수 있다. 용액은, 예를 들면 이하의 것이다.
(1) 청주, 맥주, 와인, 식초, 미림(mirin), 스피리츠(spirits), 소주, 브랜디, 위스키, 리큐어(liquor)
(2) 피넨(pinene), 리나롤(linalool), 리모넨(limonene), 폴리페놀류 등의 향료, 방향 성분(aromatic component) 내지 향기 성분(aroma component)을 포함한 용액
(3) 포화탄화수소인 알칸, 시클로알칸, 불포화탄화수소인 알켄, 시클로알켄, 알킨, 혹은 에테르, 티오에테르 혹은 방향족 탄화수소중의 어느 한쪽에 속하는 유기 화합물, 혹은 그들 결합한 물질을 포함한 용액
(4) 포화탄화수소인 알칸, 시클로알칸, 불포화탄화수소인 알켄, 시클로알켄, 알킨, 혹은 에테르, 티오에테르 혹은 방향족 탄화수소중의 어느 한쪽에 속하는 유기 화합물, 혹은 그들 결합체의 적어도 하나의 수소 원자 혹은 관능기를 할로겐에 의해서 치환한 물질을 포함한 용액
(5) 포화탄화수소인 알칸, 시클로알칸, 불포화탄화수소인 알켄, 시클로알켄, 알킨, 혹은 에테르, 티오에테르 혹은 방향족 탄화수소중의 어느 하나에 속하는 유기 화합물, 혹은 그들 결합체의 적어도 하나의 수소 원자 혹은 관능기를 수산기에 의해서 치환한 물질을 포함한 용액
(6) 포화탄화수소인 알칸, 시클로알칸, 불포화탄화수소인 알켄, 시클로 알켄, 알킨, 혹은 에테르, 티오에테르 혹은 방향족 탄화수소중의 어느 하나에 속하는 유기 화합물, 혹은 그들 결합체의 적어도 하나의 수소 원자 혹은 관능기를 아미노기에 의해서 치환한 물질을 포함한 용액
(7) 포화탄화수소인 알칸, 시클로알칸, 불포화탄화수소인 알켄, 시클로알켄, 알킨, 혹은 에테르, 티오에테르 혹은 방향족 탄화수소중의 어느 하나에 속하는 유기 화합물, 혹은 그들 결합체의 적어도 하나의 수소 원자 혹은 관능기를 카르보닐기에 의해 치환한 물질을 포함한 용액
(8) 포화탄화수소인 알칸, 시클로알칸, 불포화탄화수소인 알켄, 시클로알켄, 알킨, 혹은 에테르, 티오에테르 혹은 방향족 탄화수소중의 어느 하나에 속하는 유기 화합물, 혹은 그들 결합체의 적어도 하나의 수소 원자 혹은 관능기를 카르복실기에 의해 치환한 물질을 포함한 용액
(9) 포화탄화수소인 알칸, 시클로알칸, 불포화탄화수소인 알켄, 시클로알켄, 알킨, 혹은 에테르, 티오에테르 혹은 방향족 탄화수소중의 어느 하나에 속하는 유기 화합물, 혹은 그들 결합체의 적어도 하나의 수소 원자 혹은 관능기를 니트로기에 의해 치환한 물질을 포함한 용액
(10) 포화탄화수소인 알칸, 시클로알칸, 불포화탄화수소인 알켄, 시클로알 켄, 알킨, 혹은 에테르, 티오에테르 혹은 방향족 탄화수소중의 어느 하나에 속하는 유기 화합물, 혹은 그들 결합체의 적어도 하나의 수소 원자 혹은 관능기를 시아노기에 의해 치환한 물질을 포함한 용액
(11) 포화탄화수소인 알칸, 시클로알칸, 불포화탄화수소인 알켄, 시클로알켄, 알킨, 혹은 에테르, 티오에테르 혹은 방향족 탄화수소중의 어느 하나에 속하는 유기 화합물, 혹은 그들 결합체의 적어도 하나의 수소 원자 혹은 관능기를 메르캅토기에 의해서 치환한 물질을 포함한 용액
(12) 상술의 (3)∼(11)의 용액에 포함되는 어느 하나 이상의 원자를 금속 이온에 의해서 치환한 물질을 포함한 용액
(13) 상술한 (3)∼(11)의 용액에 포함되는 분자 중의 임의의 수소 원자, 탄소 원자 혹은 관능기를 (3)∼(11)의 분자 중의 임의의 분자로 치환한 물질을 포함한 용액
2종 이상의 물질을 포함한 용액을 초음파 진동시켜 용액으로부터 미스트를 분리하고, 분리한 미스트를 응집하여 회수하면, 미스트로부터 회수된 용액과, 미스트가 되지 않고 잔존하는 용액에서, 함유 물질의 농도가 다르다. 예를 들어, 알코올 수용액을 초음파 진동으로 미스트로 무화하고, 무화된 미스트를 회수하면, 미스트가 되지 않고 잔존하는 알코올보다 고농도인 알코올이 된다. 미스트를 응집하여 회수한 용액의 알코올 농도가 높은 것은, 초음파 진동에 의해서, 알코올이 물보다 미스트로 무화되기 쉽기 때문이다.
미스트로부터 회수된 용액과, 미스트가 되지 않는 용액에서 함유 물질의 농 도가 다르게 되는 하나의 이유는, 용액에 포함되는 물질이 표면으로 이행하여 표면 과잉(surface excess)이 되는 비율이 다르기 때문이다. 표면 과잉이 되는 물성의 강한 용액은 표면 농도가 높아지므로, 이것을 초음파 진동시켜 표면의 용액을 미스트로 하여 무화시키면, 미스트는 표면 과잉이 되기 쉬운 물질의 농도가 높아진다. 따라서, 이 미스트를 응집하여 회수하면, 표면 과잉의 물성이 강한 물질의 농도를 높게 할 수 있다. 즉, 용액으로부터 고농도의 물질을 포함하는 것을 분리할 수 있다.
이하에, 용액을 알코올로 하여, 알코올로부터 고농도의 알코올을 분리하는 장치와 방법을 나타낸다. 다만, 본 발명은 용액을 알코올로는 특정하지 않는다. 미스트에 무화하여 분리할 수 있는 상술한 용액, 혹은 그 외의 용액의 분리에 사용할 수 있기 때문이다.
도 3 내지 도 6에 나타내는 초음파 분리장치는, 용액을 공급하는 폐쇄 구조의 초음파 무화실(4,44,54,64)과, 이 초음파 무화실(4,44,54,64)의 용액을 초음파 진동시켜 미스트에 무화하는, 1개 또는 복수의 초음파 진동자(2,42,52,62)와 초음파 전원(3,43,53,63)을 구비한 초음파 무화기(ultrasonic atomizer, 1,41,51,61)와, 초음파 무화기(1,41,51,61)로 용액으로부터 미스트가 되어 무화된 미스트 성분을 응집시켜 회수하는 회수부(5,45,55,65)와, 초음파 무화실(4,44,54,64)에서 무화된 미스트 성분을 반송 기체와 함께 회수부(5,45,55,65)로 이송하는 블로어 (blower, 7,47,57,67)를 구비한다. 이들 도면에 나타내는 장치는, 초음파 무화실 (4,44,54,64)에서 용액으로부터 미스트가 되어 무화된 미스트 성분을, 블로어 (7,47,57,67)에서 반송 기체와 함께 회수부(5,45,55,65)로 이송하고 있다. 다만, 초음파 분리장치는, 도시하지 않지만, 정전장이나 초음파를 이용하여 미스트를 이송하는 구조로 할 수도 있다.
용액은 펌프(10,410,510,610)로 초음파 무화실(4,44,54,64)에 공급된다. 초음파 무화실(4,44,54,64)은, 공급되는 모든 용액을 미스트로서 무화시키지 않는다. 모든 용액을 무화하여 회수부(5,45,55,65)에서 회수하면, 초음파 무화실(4,44, 54,64)에 공급하는 용액과 회수부(5,45,55,65)에서 회수되는 용액의 알코올 등의 목적물질의 농도가 동일해지기 때문이다. 초음파 무화실(4,44,54,64)에 공급된 용액은, 미스트로서 무화하여 용량이 적어짐에 따라서, 목적물질의 농도가 저하한다. 이 때문에, 미스트에 포함되는 목적물질의 농도도 점차 저하한다. 초음파 무화실 (4,44,54,64)의 용액은, 목적물질농도가 저하하면 새로운 것으로 바꿔 넣을 수 있다.
초음파 무화실(4,44,54,64)은, 예를 들어, 목적물질의 농도가 10∼50중량%인 용액을 무화하고, 목적물질의 농도가 저하한 후, 용액을 새로운 것으로 바꿔 넣는다. 일정한 시간이 경과하면 용액을 새로운 것으로 바꿔 넣는 방법, 즉 배치식으로 용액을 교환한다. 다만, 초음파 무화실(4,44,54,64)에, 펌프(10,410,510,610)를 통하여 용액을 축적하고 있는 원액조(11,411,511,611)를 연결하여, 원액조(11, 411,511,611)로부터 연속적으로 용액을 공급할 수도 있다. 이 장치는, 초음파 무화실(4,44,54,64)의 용액을 배출하면서, 원액조(11,411,511,611)로부터 용액을 공급하고, 초음파 무화실(4,44,54,64)의 용액의 알코올 등의 목적물질농도가 저하하 는 것을 방지한다. 또한, 도 3의 화살표 A로 나타내는 바와 같이, 초음파 무화실 (4,44,54,64)의 용액을 원액조(11,411,511,611)에 순환하지 않고 외부로 배출하여, 원액조(11,411,511,611)에 포함되는 목적물질의 농도가 저하하는 것을 방지할 수도 있다.
초음파 무화실(4,44,54,64)의 용액은, 초음파 무화기(1,41,51,61)로 미스트로 무화된다. 초음파 무화기(1,41,51,61)로 무화된 미스트는, 용액보다 목적물질의 농도가 높다. 따라서, 초음파 무화기(1,41,51,61)로 용액을 미스트로 무화하고, 미스트를 응집하여 회수함으로써, 고농도의 용액을 효율적으로 분리할 수 있다.
초음파 무화실(4,44,54,64)의 용액은, 초음파 무화기(1,41,51,61)로 초음파 진동되고, 초음파 무화실(4,44,54,64)의 용액보다 고농도인 미스트가 되어 용액면(W)으로부터 비산한다. 용액을 초음파 진동시키면, 용액면(W)에 액주(P)가 생겨, 이 액주(P)의 표면으로부터 미스트가 발생한다. 도 7에 나타내는 초음파 무화기(1)는, 용액을 충전하고 있는 초음파 무화실(4)의 바닥에, 초음파 무화기(1)의 초음파 진동자(2)를 상향으로 배치하고 있다. 초음파 진동자(2)는, 바닥으로부터 용액면(W)을 향하여 상향으로 초음파를 방사하여, 용액면(W)을 초음파 진동시키고, 액주(P)를 발생시킨다. 초음파 진동자(2)는, 수직 방향으로 초음파를 방사한다.
도면의 초음파 무화기(1)는, 복수의 초음파 진동자(2)와, 이것 등의 초음파 진동자(2)를 초음파 진동시키는 초음파 전원(3)을 구비한다. 초음파 진동자(2)는, 초음파 무화실(4)의 바닥에 수밀구조(watertight structure)로 고정된다. 복수의 초음파 진동자(2)가 용액을 초음파 진동시키는 장치는, 보다 효율 적으로 용액을 미스트로 무화한다.
초음파 진동자(2)나 초음파 전원(3)이 초음파 무화실(4)의 용액을 가열하면, 용액의 품질이 저하한다. 이 폐해는, 초음파 진동자(2)를 강제적으로 냉각하여 해소할 수 있다. 더 바람직하게는 초음파 전원(3)도 냉각한다. 초음파 전원(3)은 직접으로는 용액을 가열하지는 않지만, 주위를 가열하여 간접적으로 용액을 가열한다. 초음파 진동자(2)나 초음파 전원(3)은, 도 7에 나타낸 바와 같이, 이것 등에 냉각 파이프(14)를 열결합하는 상태로 배치, 즉, 냉각 파이프(14)를 접촉시키는 상태로 배치하여 냉각할 수 있다. 냉각 파이프(14)는, 냉각기로 냉각한 액체나 냉매, 혹은 지하수나 수돗물 등의 냉각수를 흘려 초음파 진동자(2)로 초음파 전원(3)을 냉각한다.
초음파 무화실(4,44,54,64)에서 무화된 용액의 미스트는, 반송 기체를 통하여 회수부(5,45,55,65)로 유입된다. 미스트를 회수부(5,45,55,65)에 유입시키기 위해서, 회수부(5,45,55,65)를 이송덕트(6,46,56,66)로 초음파 무화실(4,44,54,64)에 연결하고 있다. 도 3과 도 6에 나타내는 초음파 분리장치는, 반송 기체를 블로어(7,67)로 회수부(5,65)와 초음파 무화실(4,64)에 순환시키는 구조로 하고 있다. 이들 초음파 분리장치는, 초음파 무화실(4,64)로부터 회수부(5,65)로 이송되고, 미스트 성분이 분리된 반송 기체를 초음파 무화실(4,64)로 환류하고 있다. 이러한 초음파 분리장치는, 바람직하게는 반송 기체로서 불활성 가스를 초음파 무화실 (4,64)과 회수부(5,65)에 충전한다. 이 장치는, 불활성 가스에 의해서, 초음파 무 화실(4,64)이나 회수부(5,65)에 있어서의 용액의 변질이 방지된다. 이 때문에, 보다 고품질인 상태로 고농도의 용액을 얻을 수 있다. 다만, 반송 기체에는 공기도 사용할 수 있다. 또한, 도 4와 도 5에 나타내는 초음파 분리장치는, 초음파 무화실(44,54)로부터 회수부(45,55)로 이송한 반송 기체를 다시 초음파 무화실(44,54)에 환류하지 않고, 대기중에 방출하고 있다. 이러한 초음파 분리장치는, 반송 기체로서 공기를 사용한다.
회수부(5,45,55,65)는, 초음파 무화기(1,41,51,61)로 무화된 미스트 성분을 반송 기체로부터 분리하여 회수한다. 회수부(5,45,55,65)는, 반송 기체를 냉각하여 미스트 성분을 회수하는 전단 회수부(8,48,58,68)와, 전단 회수부(8,48,58,68)로 미스트 성분이 분리된 반송 기체에 잔존하는 미스트 성분을 회수하는 흡착 회수부(9,49,59,69)를 구비한다.
전단 회수부(8,48,58,68)는, 미세한 미스트를 응집시켜 고농도의 알코올 용액으로서 회수한다. 도면에 나타내는 전단 회수부(8,48,58,68)는, 폐쇄 구조의 챔버에, 미스트를 냉각하여 응집시키는 냉각기(12,412,512,612)를 내장하고 있다. 도면의 냉각기(12,412,512,612)는, 열교환 파이프(13,413,513,613)에 핀(도시하지 않음)을 고정하고 있는 열교환기이다. 이 냉각기(12,412,512,612)는, 열교환 파이프(13,413,513,613)에 냉각용의 냉매나 냉각수를 순환시켜 냉각한다. 다만, 냉각기는, 펠티에소자(Peltier device) 등을 구비한 전자 냉각기로 할 수도 있다. 초음파 무화실(4,44,54,64)에서 무화된 미스트 성분은, 일부가 기화하여 기체가 되는데, 기체는 전단 회수부(8,48,58,68)의 냉각기(12,412,512,612)로 냉각되어 결로하 여 응집되어 회수된다. 전단 회수부(8,48,58,68)에 반송 기체와 함께 유입되는 미스트 성분은, 냉각기(12,412,512,612)에 충돌하거나, 혹은 서로 충돌하여 크게 응집하거나, 또는 냉각기(12,412,512,612)의 핀 등에 충돌하여 크게 응집하여 용액으로서 회수된다. 미스트와 기체를 전단 회수부(8,48,58,68)로 응집하여 회수한 반송 기체는, 흡착 회수부(9,49,59,69)로 이송된다. 미스트는 기체는 아니기 때문에, 반드시 냉각하지 않고 응집시켜 회수할 수 있다. 다만, 미스트를 냉각하여 신속하게 회수할 수 있다.
전단 회수부는, 도시하지 않지만, 내부에 복수매의 방해판(baffle plate)을 배치할 수 있다. 방해판은, 인접하는 것과의 사이에 미스트를 통과할 수 있는 틈새를 형성하여, 수직의 자세로 배치된다. 수직의 방해판은, 미스트를 표면에 충돌시켜 부착하는 용액을 자연스럽게 흘러내리게 하여 회수할 수 있다. 방해판은, 표면을 요철면으로서 미스트를 보다 효율적으로 접촉시켜 회수할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 전단 회수부는, 도시하지 않지만, 반송 기체를 강제 송풍하여 교반하는 팬을 설치할 수 있다. 팬은, 회수부의 반송 기체를 송풍하고, 미스트와 증기를 교반한다. 교반되는 미스트는, 서로 충돌하여 응집하거나, 혹은, 방해판의 표면에 충돌하여 응집된다. 응집하는 미스트는, 신속하게 낙하하여 회수된다.
또한, 전단 회수부는, 도시하지 않지만, 미스트를 진동시켜 충돌하는 확률을 높게 하는 미스트 진동기를 설치할 수도 있다. 미스트 진동기는, 회수부의 반송 기체를 진동시키는 전기 진동 -기계 진동 변환기와, 이 전기 진동-기계 진동 변환 기를 구동하는 진동 전원을 구비한다. 전기 진동-기계 진동 변환기는, 가청 주파수의 소리를 방사하는 스피커나, 가청 주파수보다 높은 초음파를 방사하는 초음파 진동자 등이다. 전기 진동-기계 진동 변환기가, 미스트를 효율적으로 진동시키기 위해서, 전기 진동-기계 진동 변환기로부터 방사되는 진동을 전단 회수부에서 공진시킨다. 이것을 실현하기 위해서, 전기 진동-기계 진동 변환기는, 전단 회수부에서 공진하는 주파수로 진동시킨다. 바꾸어 말하면, 전단 회수부를 전기 진동-기계 진동 변환기로부터 방사되는 진동에 공진하는 형상으로 설계한다.
초음파는 인간의 가청 주파수를 넘는 높은 주파수이므로, 귀에는 들리지 않는다. 이 때문에, 초음파를 방사하는 미스트 진동기는, 전단 회수부의 기체를 격렬하게 진동시켜, 바꾸어 말하면, 전기 진동-기계 진동 변환기의 출력을 극히 크게 하여, 인간에게 소리의 방해를 주지 않는다. 이 때문에, 초음파는 미스트를 격렬하게 진동하여, 효율적으로 충돌시켜, 신속하게 회수할 수 있는 특징이 있다.
이상의 전단 회수부는, 미스트를 효율적으로 응집시키는 장치를 배치하므로, 미스트를 보다 신속하게 응집시켜 고농도의 용액으로 할 수 있다. 또한, 도시하지 않지만, 전단 회수부는, 용액을 분무하는 노즐과, 미스트를 교반하는 팬과 미스트를 진동시키는 진동기의 전부를 내장시켜, 효율적으로 미스트를 응집할 수 있다. 또한, 미스트를 응집시키는 두 장치를 내장하여, 미스트를 효율적으로 응집시킬 수도 있다.
흡착 회수부(9,49,59,69)는, 전단 회수부(8,48,58,68)에서 미스트 성분이 분리된 반송 기체에 잔존하는 미스트 성분을 흡착제(15,415,515,615)에 흡착시켜 회 수한다. 흡착 회수부(9,49,59,69)는, 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 흡착제 (15,415,515,615)에 접촉시켜, 미스트 성분을 흡착제(15,415,515,615)에 흡착시키는 흡착 공정과, 흡착 공정으로 흡착제(15,415,515,615)에 흡착된 미스트 성분을 흡착제(15,415,515,615)로부터 분리하여 회수하는 분리 공정으로, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리한다. 또한, 흡착 회수부(9,49,59,69)는, 분리 공정에 있어서의 압력을 흡착 공정에 있어서의 압력보다 낮게 하여, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리한다. 즉, 흡착 회수부(9,49,59,69)는, 반송 기체를 흡착제(15,415, 515,615)에 접촉시켜 미스트 성분을 흡착시키는 압력보다, 흡착제(15,415,515,615)로부터 미스트 성분을 분리하는 압력을 낮게 하여, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리한다.
분리 공정에 있어서의 압력을 흡착 공정에 있어서의 압력보다 낮게 하는 것은, 흡착제(15,415,515,615)의 흡착량이 압력에 의해서 변화하기 때문이다. 도 8은, 흡착제가 미스트 성분을 흡착하는 흡착량이 압력과 온도로 변화하는 경향을 나타내는 그래프이다. 흡착제가 미스트 성분을 흡착하는 특성은, 흡착제의 종류와 목적물질인 미스트 성분의 종류에 따라서 다르지만, 일반적으로 이 그래프에 나타내는 경향이 있다. 즉, 흡착제의 흡착량은, 동일한 온도하에서는, 압력이 높아지면 증가하고, 압력이 낮아지면 감소하는 경향이 있다. 또한, 흡착제의 흡착량은, 동일한 압력하에서는, 온도가 높아지면 감소하고, 온도가 높아지면 증가하는 경향이 있다. 본 발명의 초음파 분리방법과 장치는, 이 특성을 이용하여, 반송 기체에 포함되는 미스트 성분을 효율적으로 분리하여 회수한다. 즉, 분리 공정에 있어서의 압력을 흡착 공정에 있어서의 압력보다 낮게 하는 것에 의해서, 흡착 공정에서는 다량의 미스트 성분을 흡착제에 흡착시키고, 분리 공정에서는 흡착제에 흡착할 수 있는 미스트 성분의 양을 줄여, 흡착제로부터 미스트 성분을 분리시켜 회수한다.
흡착 회수부(9,49,59,69)는, 흡착제(15,415,515,615)가 충전되는 밀폐실(16, 416,516,616)과, 이 밀폐실(16,416,516,616)에 유입되거나 혹은 밀폐실(16,416, 516,616)로부터 배출되는 반송 기체의 통과를 제어하는 개폐밸브(18,418,518,618)와, 밀폐실(16,416,516,616)에 연결되어 밀폐실(16,416,516,616)로부터 배기하는 진공 펌프(17,417,517,617)를 구비한다.
밀폐실(16,416,516,616)은, 폐색된 챔버로, 내부에 흡착제(15,415,515,615)를 충전하고 있다. 흡착제(15,415,515,615)에는, 예를 들어, 제올라이트, 활성탄, 산화리튬, 실리카겔 중의 어느 하나, 혹은 이들 혼합물을 사용할 수 있다. 밀폐실 (16,416,516,616)은, 이송 덕트(6,46,56,66)를 통하여 전단 회수부(8,48,58,68)의 배출측에 연결하고 있으며, 전단 회수부(8,48,58,68)로부터 유입되는 반송 기체를 흡착제(15,415,515,615)에 통과시켜 반송 기체에 포함되는 미스트 성분을 흡착제(15,415,515,615)에 흡착시키도록 하고 있다. 또한, 도 3과 도 6에 나타내는 밀폐실(16,616)은, 반송 기체의 배출측을 이송 덕트(6,66)를 통하여 초음파 무화실 (4,64)에 연결하고, 도 4의 밀폐실(416)은, 반송 기체의 배출측을 통하여 대기중에 개방하고 있다. 밀폐실(16,416,516,616)의 유입측과 배출측에 연결되는 이송 덕트 (6,46,56,66)에는, 개폐밸브(18,418,518,618)를 설치하고 있다. 흡착 회수부 (9, 49,59,69)는, 개폐밸브(18,418,518,618)를 여는 상태로 미스트 성분을 포함한 반송 기체가 밀폐실(16,416,516,616)에 공급되고, 반송 기체에 포함되는 미스트 성분이 흡착제(15,415,515,615)에 흡착된다.
또한, 도면에 나타내는 밀폐실(16,416,516,616)은, 반송 기체의 배출측을, 흡인 덕트(19,419,519,619)를 통하여 진공 펌프(17,417,517,617)에 연결하고 있다. 진공 펌프(17,417,517,617)는, 밀폐실(16,416,516,616)로부터 강제적으로 배기하여 밀폐실(16,416,516,616)을 감압한다. 흡착제(15,415,515,615)는, 감압되면, 흡착할 수 있는 미스트 성분이 적어지므로, 흡착할 수 없게 된 미스트 성분이 흡착제 (15,415,515,615)로부터 분리되어 배출된다. 밀폐실(16,416,516,616)을 흡인하는 진공 펌프(17,417,517,617)는, 흡착제(15,415,515,615)로부터 분리된 미스트 성분을 흡착제(15,415,515,615)로부터 분리하여 배기한다. 진공 펌프(17,417,517,617)로 흡인되는 기체는 냉각기(21,421,521,621)로 냉각된다. 밀폐실(16,416,516,616)과 진공 펌프(17,417,517,617)의 사이에는 흡인밸브(20,420,520,620)를 통하여 냉각기(21,421,521,621)를 연결하고 있다. 진공 펌프(17,417,517,617)로 흡인되어 밀폐실(16,416,516,616)로부터 배출되는 기체는, 냉각기(21,421,521,621)에 유입된다. 냉각기(21,421,521,621)는, 밀폐실(16,416,516,616)의 흡착제(15,415,515, 615)로부터 분리되어 배출되는 흡인 기체를 냉각하여, 함유하는 미스트 성분을 응결하거나, 혹은 응집하여 액체로서 회수한다.
초음파 분리장치는, 도시하지 않지만, 회수 기체를 냉각하는 냉각기와 반송 기체를 냉각하는 전단 회수부의 냉각기를 하나의 냉각용 칠러(single chiller)로 냉각할 수도 있다. 이 구조는, 하나의 냉각용 칠러로 두개의 냉각기를 냉각할 수 있으므로, 전체의 구조를 간단하게 할 수 있다.
도 5에 나타내는 초음파 분리장치는, 블로어(56)를 전단 회수부(58)와 흡착 회수부(59)의 사이에 배치하고 있다. 이 초음파 분리장치는, 블로어(56)로 순환되는 반송 기체를 가압 상태로 흡착 회수부(59)에 공급한다. 블로어(56)는, 예를 들어, 대기압보다 고압으로 가압된 반송 기체를 흡착 회수부(59)에 공급할 수 있다. 흡착 회수부(59)에 공급하는 반송 기체를 가압 상태로 하는 초음파 분리장치는, 흡착 공정에 있어서의 흡착제(515)의 흡착량을 증가할 수 있는 특징이 있다. 이 때문에, 더 효율적으로 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리할 수 있다. 다만, 흡착 회수부는, 밀폐실의 흡입측에 연결되는 개폐밸브와 밀폐실의 배출측에 연결되는 개폐밸브를 따로 제어하여, 밀폐실에 공급되는 반송 기체의 압력을 조정할 수도 있다. 또한, 초음파 분리장치는, 반드시 공급되는 반송 기체를 대기압보다 고압으로 할 필요는 없고, 대기압으로 할 수도 있다.
또한, 도면에 나타내는 흡착 회수부(9,419,519,619)는, 제1 밀폐실(16A, 416A,516A,616A)과 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)로 이루어진 한 쌍의 밀폐실 (16,416,516,616)을 구비한다. 이 구조의 흡착 회수부(9,49,59,69)는, 한 쌍의 밀폐실(16,416,516,616)을 흡착 공정과 분리 공정으로 전환하면서 한 쌍의 밀폐실 (16,416,516,616)로 효율적으로 미스트 성분을 분리할 수 있는 특징이 있다. 이 구조의 흡착 회수부(9,49,59,69)는, 아래와 같이 하여, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리한다.
(1) 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)의 개폐밸브(18,418,518,618)를 열고, 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)의 개폐밸브(18,418,518,618)와 제1 밀폐실(16A, 416A,516A,616A)의 흡인밸브(20,420,520,620)를 닫는다. 이 상태로 전단 회수부 (8,48,58,68)로부터 공급되는 반송 기체는, 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)내에 유입되고, 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)에 충전된 흡착제(15,415,515,615)에 흡착된다.
(2) 소정 시간 경과후, 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)의 개폐밸브(18,418, 518,618)와 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)의 흡인밸브(20,420,520,620)를 닫고, 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)의 개폐밸브(18,418,518,618)를 연다. 이 상태에서 전단 회수부(8,48,58,68)로부터 공급되는 반송 기체는, 제1 밀폐실(16A, 416A,516A,616A)에 유입되지 않고, 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)내에 유입되고, 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)에 충전된 흡착제(15,415,515,615)에 흡착된다.
(3) 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)의 흡인밸브(20,420,520,620)를 열어, 진공 펌프(17,417,517,617)로 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)로부터 배기한다. 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)은 감압되고, 흡착제(15,415,515,615)로부터 미스트 성분이 분리된다.
(4) 제 1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)의 흡착제(15,415,515,615)로부터 분리된 미스트 성분은, 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)로부터 배출되어 냉각기(21, 421,521,621)에 유입되어 냉각기(21,421,521,621)로 냉각되어 응결하고, 응집되어 회수된다.
(5) 또한, 소정 시간 경과후, 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)의 개폐밸 브(18,418,518,618)를 열고, 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)의 개폐밸브(18,418, 518,618)와 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)의 흡인밸브(20,420,520,620)를 닫는다. 이 상태에서 전단 회수부(8,48,58,68)로부터 공급되는 반송 기체는, 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)내에 유입되지 않고, 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)내에 유입되어, 제1 밀폐실(16A,416A,516A,616A)에 충전된 흡착제(15,415,515,615)에 흡착된다.
(6) 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)의 흡인밸브(20,420,520,620)를 열고, 진공 펌프(17,417,517,617)와 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)로부터 배기한다. 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)은 감압되고, 흡착제(15,415,515,615)로부터 미스트 성분이 분리된다.
(7) 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)의 흡착제(15,415,515,615)로부터 분리된 미스트 성분은, 제2 밀폐실(16B,416B,516B,616B)로부터 배출되어 냉각기(21, 421,521,621)에 유입되어 냉각기(21,421,521,621)로 냉각되어 응결하여, 응집되어 회수된다.
(8) (2)∼(7)의 공정을 반복하여, 즉, 개폐밸브(18,418,518,618)를 교대로 개폐하여, 한 쌍의 밀폐실(16,416,516,616)에서 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리한다.
또한, 흡착 회수부(9,49,59,69)는, 흡착 공정에 있어서의 흡착제의 온도를, 분리 공정에 있어서의 흡착제의 온도보다 낮게 하고, 보다 효율적으로 반송 기체의 미스트 성분을 회수할 수 있다. 그것은, 상술한 바와 같이, 흡착제의 흡착량이 온 도에 따라서도 변화하기 때문이다. 흡착 회수부는, 예를 들어, 흡착 공정에 있어서, 흡착제를 냉각하여 흡착량을 증가할 수 있다.
도 3 내지 도 5에 나타낸 바와 같이, 전단 회수부(8,48,58)를 냉각기(12, 412,512)로 하는 회수부(5,45,55)는, 반송 기체가 냉각기(12,412,512)를 통과할 경우에 냉각되므로, 전단 회수부(8,48,58)를 통과하여 흡착 회수부(9,49,59)에 유입되는 반송 기체는 냉각기(12,412,512)로 냉각된다. 냉각된 반송 기체가 공급되는 밀폐실(16,416,516)은, 이 반송 기체에 의해서 흡착제(15,415,515)가 냉각되므로, 흡착 공정에 있어서의 미스트 성분의 흡착량이 증가하고, 반송 기체에 함유되는 미스트 성분을 다량으로 흡착한다. 다만, 회수부는, 흡착제를 냉각하는 온도 제어부를 흡착 회수부에 설치하여, 이 온도 제어부에서 흡착제를 냉각할 수도 있다. 이 온도 제어부는, 예를 들어 냉각기로, 밀폐실의 내부에 배치되어 흡착제를 냉각한다. 냉각기에는, 예를 들어, 냉각용 열교환기나 전자 냉각기를 사용할 수 있다.
또한, 흡착 회수부는, 분리 공정에 있어서 흡착제를 가습할 수도 있다. 가온되는 흡착제는, 흡착할 수 있는 미스트 성분의 양이 감소하므로, 흡착된 미스트 성분을 효율적으로 분리할 수 있다. 이 흡착 회수부는, 도시하지 않지만, 흡착제를 가온하는 온도 제어부를 구비한다. 이 온도 제어부는, 예를 들어 가온기로, 밀폐실의 내부에 배치되어, 흡착제를 가습한다. 가온기에는, 가열용 열교환기나 히터를 사용할 수 있다.
또한, 도 6의 흡착 회수부(69)는, 밀폐실(616)에 충전된 흡착제(615)의 온도를 제어하기 위해서, 온도 제어부(622)를 구비한다. 이 온도 제어부(622)는, 밀폐 실(616)에 충전된 흡착제(615)를 냉각 및 가온할 수 있는 구조로 하고 있다. 이 온도 제어부(622)를 도 9에 나타낸다.
이 도면에 나타내는 온도 제어부(622)는, 각 밀폐실(616)에 배치되는 열교환기(623)와, 한쪽의 밀폐실(616)의 열교환기(623)에 온수를 순환시키는 가온 기구 (624)와, 다른쪽의 밀폐실(616)에 냉수를 순환시키는 냉각 기구(625)와, 각 밀폐실 (616)에 순환시키는 온수와 냉수를 전환하는 제어 밸브(627)와, 가온 기구(624)의 온수 탱크(628)를 가열함과 동시에, 냉각 기구(625)의 냉수 탱크(629)를 냉각하는 냉동 사이클(626)을 구비한다.
열교환기(623)는, 밀폐실(616)의 내부에 배치되어 있다. 열교환기(623)는, 내부에 온수가 순환되는 상태에서는 흡착제(615)를 가온하고, 내부에 냉수가 순환되는 상태에서는 흡착제(615)를 냉각한다. 가온 기구(624)는, 온수 탱크(628)의 내부에 냉동 사이클(626)의 방열기(631)를 배치하고 있으며, 방열기로 가습된 온수를 순환로에 순환시켜 밀폐실(616)을 가온한다. 냉각 기구(625)는, 냉수 탱크 (629)의 내부에 냉동 사이클(626)의 흡열기(633)를 배치하고 있으며, 흡열기로 냉각되어 냉수를 순환로에 순환시켜 밀폐실(616)을 냉각한다. 다만, 가온 기구와 냉각 기구는, 물 이외의 냉매를 순환시킬 수도 있다.
냉동 사이클(626)은, 기화된 냉매를 가압하는 압축기(630)와, 이 압축기 (630)로 가압된 냉매를 액화시키는 방열기(631)와, 액화된 냉매의 기화열로 강제적으로 냉각하는 흡열기(633)와, 방열기(631)와 흡열기(633)의 사이에 접속하고 있는 팽창밸브(632)를 구비한다. 팽창밸브(632)는, 가압·냉각하여 액화된 냉매를 흡열 기(633)의 내부에서 단열 팽창시켜, 흡열기(633)를 냉매의 기화열로 강제적으로 냉각한다. 이 냉동 사이클(626)은, 방열기(631)와 흡열기(632)의 온도를 설정 온도로 하도록, 팽창밸브(632)의 개도와 압축기(630)의 출력을 조정한다.
이상의 구조의 온도 제어부(622)는, 제어 밸브(627)를 전환하여, 한쪽의 밀폐실(616)의 열교환기(623)에 온수를 순환시켜 가온하고, 다른쪽의 밀폐실(616)의 열교환기(623)에 냉수를 순환시켜 냉각한다. 이 구조의 온도 제어부(622)는, 하나의 냉동 사이클(626)로, 한 쌍의 밀폐실(616)을 가온 및 냉각할 수 있으므로, 한 쌍의 밀폐실(616)에 충전되어 흡착제(615)를 효율적으로 온도 제어할 수 있다. 한 쌍의 밀폐실(616)을 구비한 흡착 회수부(69)는, 한쪽의 밀폐실(616)이 흡착 공정에 있는 상태에서는, 다른쪽의 밀폐실(616)이 분리 공정에 있다. 따라서, 이 온도 제어부(622)는, 흡착 공정에 있는 밀폐실(616)을 냉각하여 흡착제(615)에 효율적으로 미스트 성분을 흡착할 수 있는 동시에, 분리 공정에 있는 밀폐실(616)을 가습하여, 흡착제(615)에 흡착된 미스트 성분을 효율적으로 분리할 수 있다.
또한, 온도 제어부(622)가 흡착제(615)를 가습하는 흡착 회수부(69)는, 흡착 회수부(69)로부터 초음파 무화실(64)에 순환시키는 반송 기체를 가온할 수 있으므로, 초음파 무화실(64)로 능률적으로 미스트를 발생할 수 있는 특징이 있다. 초음파 무화실(64)에 있어서 용액이 미스트로 무화되는 정도는, 용액과 반송 기체의 온도에 의해서 변화하여, 반송 기체와 용액의 온도가 높아지면 미스트의 발생량이 증가하기 때문이다. 온도 제어부(622)는, 반송 기체를 25∼30℃로 가습한다. 다만, 온도 제어부(622)는, 반송 기체를 15∼40℃로 가온하여 초음파 무화실(64)에 공급 할 수도 있다. 초음파 무화실(64)에 공급되는 반송 기체의 온도가 높아지면 미스트의 발생량은 많아지지만, 온도가 너무 높으면, 알코올 등의 목적물질을 변질시킨다. 반대로 온도가 낮으면 목적물질을 미스트로 하는 효율이 저하하는 경향이 있다.
본 발명의 용액의 초음파 분리방법과 장치는, 저농도의 알코올로부터 고농도의 알코올을 분리하도록, 2종 이상의 물질을 포함한 혼합물로부터 특정의 물질의 농도가 높은 고농도의 용액을 분리하거나, 혹은 용액에 포함되는 목적물질을 분리하는데 이용할 수 있다.

Claims (13)

  1. 초음파 무화실(4)에서 용액을 초음파 진동시켜 반송 기체중에 미스트로 무화하고, 무화된 미스트를 포함한 반송 기체를 회수부(5)에 이송하고, 회수부(5)에서, 용액으로부터 미스트가 되어 무화된 미스트 성분을 반송 기체로부터 분리하여 회수하는 방법으로서,
    회수부(5)에서, 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시키고, 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시키는 흡착 공정과, 흡착 공정에서 흡착제 (15)에 흡착된 미스트 성분을 흡착제(15)로부터 분리하여 회수하는 분리 공정으로, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리함과 동시에,
    분리 공정의 압력을 흡착 공정의 압력보다 낮게 하여, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리하는 용액의 초음파 분리방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 회수부(5)에서, 반송 기체를 냉각기(12)로 냉각하여 미스트 성분을 분리한 후, 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시키고, 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시키는 용액의 초음파 분리방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 분리 공정에서, 흡착제(15)를 밀폐실(16)에 배치하고, 이 밀폐실(16)의 반송 기체를 진공 펌프(17)로 배기하여 밀폐실(16)을 대기압보다 낮은 압력으로 감압하고, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리하는 용액의 초음파 분리방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 흡착 공정에서, 흡착제(15)를 대기압의 밀폐실(16)에 배치하고, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시키는 용액의 초음파 분리방법.
  5. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 흡착 공정에서, 흡착제(15)를 대기압보다 고압으로 가압된 밀폐실(16)에 배치하고, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시키는 용액의 초음파 분리방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 흡착 공정에 있어서의 흡착제(15)의 온도를, 분리 공정에 있어서의 흡착제(15)의 온도보다 낮게 하고 있는 용액의 초음파 분리방법.
  7. 용액이 공급되는 초음파 무화실(4)과, 이 초음파 무화실(4)의 용액을 초음파 진동으로 반송 기체중에 미스트로 무화하여 비산시키는 초음파 진동자(2)와, 이 초음파 진동자(2)에 접속되어 초음파 진동자(2)에 고주파 전력을 공급하여 초음파 진동시키는 초음파 전원(3)과, 초음파 진동자(2)로 무화되어 반송 기체로 이송되는 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시켜 반송 기체로부터 분리하는 회수부(5)를 구비하고,
    회수부(5)가, 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시켜 반송 기체에 포함되는 미 스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시켜, 흡착한 미스트 성분을 흡착제(15)로부터 분리하고, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리하는 흡착 회수부(9)를 구비하고,
    이 흡착 회수부(9)는, 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시켜 미스트 성분을 흡착시키는 압력보다, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리하는 압력을 낮게 하여, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리하도록 하여 이루어지는 용액의 초음파 분리장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 회수부(5)가, 반송 기체를 냉각하여 미스트 성분을 회수하는 전단 회수부(8)를 구비하고, 이 전단 회수부(8)에서 미스트 성분의 분리된 반송 기체를 흡착 회수부(9)에 공급하는 용액의 초음파 분리장치.
  9. 제 7 항에 있어서, 흡착 회수부(9)가, 밀폐실(16)에 흡착제(15)를 충전하고 있고, 또한 이 밀폐실(16)에는 진공 펌프(17)를 연결하고 있으며, 진공 펌프(17)가 밀폐실(16)로부터 배기하고, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리하는 용액의 초음파 분리장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 밀폐실(16)이, 개폐밸브(18)를 통하여 초음파 무화실(4)에 연결되며, 개폐밸브(18)를 열어 초음파 무화실(4)로부터 미스트 성분을 포함한 반송 기체로 밀폐실(16)에 공급하고, 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시키고, 개폐밸브(18)를 열어 밀폐실(16)을 감압하여, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리 하는 용액의 초음파 분리장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 한 쌍의 밀폐실(16)에 흡착제(15)를 충전하고 있으며, 한 쌍의 밀폐실(16)은 개폐밸브(18)를 통하여 초음파 무화실(4)에 연결하고 있으며, 한쪽의 개폐밸브(18)를 열어 밀폐실(16)에 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 공급하고, 다른쪽의 개폐밸브(18)를 닫아 밀폐실(16)로부터 배기하여 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리하고, 개폐밸브(18)를 교대로 개폐하여 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리하는 용액의 초음파 분리장치.
  12. 제 7 항에 있어서, 흡착 회수부(9)가 온도 제어부(22)를 구비하고, 온도 제어부(22)는, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착하는 흡착제(15)의 온도를, 미스트 성분을 분리하는 흡착제(15)의 온도보다 낮게 제어하는 용액의 초음파 분리장치.
  13. 제 7 항에 있어서, 흡착제(15)가 제올라이트, 활성탄, 산화리튬, 실리카겔중의 어느 하나, 혹은 이들 혼합물인 것을 특징으로 하는 용액의 초음파 분리장치.
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