KR20090094080A - 액체 정화를 위한 멤브레인 증류 방법 - Google Patents

액체 정화를 위한 멤브레인 증류 방법

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네덜란제 오르가니자티에 포오르 토에게파스트-나투우르베텐샤펠리즈크 온데르조에크 테엔오
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Abstract

본 발명은 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법을 제공한다. 상기 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법은 액체의 기체가 멤브레인의 기공을 경유하여 상기 멤브레인의 타측으로 유동하도록 다공성인 소수성의 멤브레인(10)을 따라 리텐테이트(retentate) 채널을 통하여 액체의 가열된 기화 스트림(리텐테이트 스트림)을 통과하는 단계 및 공급스트림은 스페이서 소재(4)가 배열되는 공급 채널 상에서 상기 리텐테이트 스트림과 역류하는 방향으로 제공 채널을 통해 통과되고, 잠재열의 적어도 한 부분은 농축기 표면(3)을 거쳐 공급 스트림으로 이송되고, 상기 리텐테이트 채널(9)과 공급 채널(2) 각각의 적어도 한 부분상에서 상기 리텐테이트 채널의 양액압차(positive liquid pressure difference)가 상기 리텐테이트 채널과 상기 공급 채널의 의 대응점의 상기 리텐테이트 스트림과 상기 공급 스트림 사이에서 적용되며, 정화된 액체의 공급 스트림과 정화 채널 사이에 비공성 분리막(separation)을 형성하는 농축기 표면을 향하여 농축화 열(잠재열)을 통과함으로써 증류물이 형성되는 증류 채널(5)에서 증류 스트림을 제공하기 위하여 상기 멤브레인의 타측에서 상기 기체를 응축하는 단계를 포함한다. 또한, 본 발명은 상기 방법에 사용되기 적합한 장치를 제공한다.

Description

액체 정화를 위한 멤브레인 증류 방법{MEMBRANE DISTILLATION METHOD FOR THE PURIFICATION OF A LIQUID}
본 발명은 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법에 관한 것으로, 특히, 해수, 염수 또는 공정용수로부터 탈염수를 생산하기 위한 방법과 이러한 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.
멤브레인 증류법은 다단플래쉬법(multi-stage flash), 다중효용증류법(multiple effect distillation) 및 증기압축법(vapour compression)과 같은 기존의 증류 기술과는 다르며, 비선택성 다공성 멤브레인이 사용된다. 상기 멤브레인은 기화된 리텐테이트 스트림인 온측과 증류 스트림인 농축된 제품 사이에 분리막을 형성한다. 소재(일반적으로, 폴리프로필렌(polypropylene), 폴리에틸렌(polyethylene), 폴리비닐리덴플로라이드(polyvinylidenefluoride) 또는 폴리테트라플루오르에텐( polytetrafluorethene))의 적정한 선택의 결과로써, 기공(0. 00001 내지 0.005mm의 지름, 일반적으로는 0.0001 and 0.0005mm)이 액체에 의해서는 젖지 않고, 단지 기체만이 상기 멤브레인을 관통한다.
멤브레인 증류법은 미국특허 제3,334,186에서 처음으로 기술되었다. 이 발명은 공기 충진 다공성 소수성 멤브레인의 사용에 의해 염수 탈염의 효율을 향상시켰다. 여기에 관한 방법은 소위 직접 접촉 멤브레인 증류법이라 불리우며, 온측(the warm) 해수 스트림 및 냉측(cold) 증류 스트림이 모두 멤브레인과 직접 접촉한다.
멤브레인 증류법에 대한 실질적인 관심은 소수성, 고 다공성 메브레인의 신세대가 사용가능해진 1980년대 중반에 발생되었다. 하지만, 이러한 멤브레인 증류법을 제시한 연구는 경쟁 기술에 비해 저렴하지 않았고, 이에 따라 상업적인 적용이 없었다.
네 가지 형태의 멤브레인 증류법 간에는 판별점이 있다.
1. 직접 접촉 멤브레인 증류법(Direct contact membrane distillation (DCMD))은 온측인 기체 스트림과 냉측 응축 스트림(증류 스트림)이 모두 상기 멤브레인과 직접적으로 접촉함
2. 공극 멤브레인 증류법(Air gap membrane distillation (AGMD))은 농축기 표면이 공극에 의해 상기 멤브레인으로부터 분리됨
3. 스위핑가스 멤브레인 증류법(Sweeping gas membrane distillation (SGMD))은 증류물이 불활성 가스에 의해 기체 형태로 제거됨
4. 진공 멤브레인 증류법(Vacuum membrane distillation (VMD))은 증류물이 진공에 의해 기체 상태로 제거됨.
지금까지 직접 접촉 멤브레인 증류법이 가장 관심을 끌어왔다.
이러한 관점에 따른 참증은 예를 들면, 평판형 및 나선형 권취 모듈(평판형 멤프레인을 구비한)을 모두 개시한 미국특허 제4,545,862)에 의해 제작될 수 있다. 상기 모듈은 염수 탈염화를 위해 시험되었다. 이러한 시험에 따르면, 증류 스트림은 기화된 리텐테이트에 대해 역류하도록 제공된 해수 스트림으로부터 분리되고, 이에 따라 상기 해수 스트림은 효과적으로 농축된 열을 흡수한다. 이 특허에서, 온측 리텐테이트와 4°C의 해수 사이의 온도 차이(ΔT)와 함께 시간당 총 멤브레인 표면에 대해 제곱미터당 2.21리터의 유량이 성취되고, 결과적으로 생산된 증류물 킬로그램당 단지 212 KJ(kilo Joule)의 에너지만을 소비하는 예가 개시되어 있다. 이러한 데이터로부터, 0.09 m/s의 상기 리텐테이트 채널에서의 상대적으로 높은 평균 속도상에서, 스페시픽 플럭스(specific flux)는 총량이 1.30.10 -10 ㎥/㎡.s. Pa에 이르는 것이 계산될 수 있다. 스페시픽 플럭스는 단위 멤브레인 표면적 당, 상기 리텐테이트 및 공급 스트림의 벌크 사이의 단위 수증기 압력 차이 당 상기 증류 유량으로 정의된다.
평판형 멤브레인의 사용에 대해 추가적으로, 직접 접촉 멤브레인 증류법을 위한 중공 섬유의 이점이 알려져 있다. 멤브레인 섬유의 간결한 팩킹의 결과로써, 500㎡/㎥까지의 표면적이 획득될 수 있으며, 이런한 기술은 좀 더 낮은 단가의 기계를 만들수 있게 한다. 더불어, 공정상에서 열교환 모듈과 직접 접촉 멤브레인 증류 모듈을 커플링 시키고(K. Schneider, T.J. van Gassel, Membrandestillation, Chem. Ing. Tech. 56 (1984) 514-521에 개시됨), 이에 따라 농축화 열을 회수하는 기술이 제안되었다. 또한, 공급 액체의 탈기화 및 대기압 이하의 압력하에서 증류 스트림을 뽑아 내는 것에 의해 DCMD의 기공 내부로 감압된 공압을 안내하는 기술이 제안되었으며, 이러한 수단은 증류 유량을 두배로 증가시켰다. 해수 탈염에 대해, 제곱미터당, 시간당 대략 5리터의 증류 유량이 20°C의 온도변화(ΔT)(기압에서 5 kPa의 차이) 및 물 1킬로그램 당 1,000 kJ의 스페시픽 에너지 소비에서 획득되었음을 알 수 있다.
1984년 이후로, DCMD에 대한 최신 기술에서는 거의 식별할 수 있는 진척이 없었다.
공극 멤브레인 증류법은 독일특허 제1,225,254A호에서 1971년에 처음으로 개시되었다. 공극의 사용에 추가적으로, 공급과 리텐테이트의 역류(counter current flow)(이에 따라 잠재열의 회수됨)가 기제안되었다. 추가적으로, AGMD는 1982년 독일특허 제3,123,409호(Siemens) 에 게시되어 있다. 이 특허는 평판형 다공성 메브레인과 냉측 농축기 표면 사이에 공기 또는 선택적으로 수소와 같은 더 가벼운 가스로 충진된 갭(3mm의 두께를 가진)의 사용과 관련된 것이다. 상기 멤브레인을 관통하는 유도에 의해 인지할 수 있는 열의 전달을 저감하는 것이 목적이다. 유도에 의한 열 전달은 탈수에 의한 열전달과 거의 동일하다는 것이 실험적으로 입증되었다. 또한, 기화 스트림에 대해 역류 방향으로 유입되는 해수를 공급하고, 이에 따라 열을 회수하는 것이 제안되었다. 열 소스로써 태양열이 사용되는 것 또한 청구되었다. 이론적인 케이스로 5°C의 온도변화(ΔT) 및 생산되는 물 1킬로그램 당 850 kJ 이상의 에너지 소비에서 시간당, 제곱미터당 3.36kg의 증류 유량이 획득되었음이 개시되어 있다.
유럽 특허 제164,326호는 멤브레인 증류법에 구비되며, 동심의 튜브 형태로 구성되는 다양한 방법에 따른 공극의 사용을 개시하고 있다. 평판형 멤브레인의 묶음이 사용되어진 이러한 다양성이 논문, "신규한 멤브레인 증류 탈염 공정(Desalination 56 (1985), pp. 345-354)"에 게시되어 있다. 여기서, 해수와 리텐테이트의 역류 원칙은 포기되었으며, 결과적으로 기화열의 회수가 불가능해졌다는 것이 우연히 알려졌다. 그 때, 에너지 소비 총량은 또한 주어지지 않는다. 국제특허 제8607585A호(1986년)은 상술한 과제에서 사용된 동일한 모델 데이터에 기초하고 있으나, 높은 유량과 인식할 수 있는 열의 낮은 손실(목표는 물 1kg당 300내지 800 kJ)을 획득하기 위하여 0.2 내지 1.0mm의 공극 두께가 필요할 것으로 추론된다. 고온측과 저온측 벽체 상 및 내부에서 온도변화의 어떤 기준도 획득되지 않았으며, 결과적으로 너무나도 낙천적인 서술이 묘사되었다.
미국특허 제4,879,041호에 특히 반도체 산업을 위한 초순수의 조제를 위한 공극 멤브레인 증류법이 개시되어 있다. 여기서, 평판형 멤브레인 시트를 사용하는 경우 물질 이동 및 열 전달 상에서 공극 두께의 효율은 3 내지 10mm사이의 범위로 조사되었다. 이러한 조사로부터 전달이 5mm보다 더 작은 두께에서의 발산과 5mm보다 큰 두께에서의 자연대류에 의해 결정된다고 결론지어졌다. 측정된 성과는 대략 20kPa 기압 변화에 따른 제곱미터당, 시간당 3.6kg의 최대 증류 유량으로 보통이었다. 여기서, 다시 어떤 농축열도 회수되지 않았으며, 이에 따라, 또한, 이후 몇 년 동안 멤브레인이 제외된 다단 증류로 되돌아갔다는 것은 놀라운 것이 아니다.
이러한 논거에 근거하여 유럽특허 제1,185,356호에서는 낮은 에너지 소비가 주요한 필요조건일 경우에는 공극 시스템의 선택이 명백한 것이 아니라고 결론지어졌다. 하지만, 최근의 연구는 진공을 구비하거나 구비하지 않은 공극이 낮은 에너지 소비를 얻기 위하여 상기 리텐테이트 스트림으로부터 상기 증류물 및/또는 공급 스트림으로 향하는 현열(sensible heat)의 유동을 감소시키는 데 필요하다고 지적하고 있다((C.M. Guyt, 멤브레인 증류 모듈의 성능에 대한 멤브레인 특성과 공극의 영향(Influence of membrane properties and air gap on the performance of a membrane distillation module), Thesis University of Twente, 2003; K.W. Lawson, D.R.Lloyd, Membrane distillation, Review, J. Membrane Science 124 (1997) 1-25).
하지만, 본 발명의 목적은 직접 접촉 멤브레인 증류법의 성능(시페시픽 플럭스 또는 단위 멤브레인 면적당, 단위 구동력당 증류 유량)에서 비약적인 발전을 얻는 것이며, 이에 따라 이러한 멤브레인 증류 시스템의 비용과 에너지 소비를 인지할 수 있을 만큼 저감할 수 있도록 하는 것이다.
놀랍게도, 최신의 기술과 반대로, 상기 멤브레인 증류 모듈 내부에 대한 액압에 대한 특유의 체제가 지속되는 방법에 의해 상술한 것이 입증될 수 있다는 것이 발견되었다.
도 1는 본 발명에 따른 '모듈'이라고 불리는 복수의 평행하게 배치된 채널 및 소재를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예를 도시한 도면이다.
도 3 및 도 4는 상기 증류 스트림(13)이 상기 모듈의 고온측(H)에 배타적으로 배출되는 것에 의해 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 상이한 네 개의 채널이 구비되지 않거나 구비된 본 발명의 제 3 실시예를 차례대로 도시한 도면이다.
도 5에 따르면, 상기 네 개의 채널(17)로 펌핑되는 상기 유체가 상기 증류 스트림(13) 그 자체로써, 상술한 제 3실시예에 따라 모듈의 고온측에 배출되는 것으로 도 2 내지 도4와 상이한 본 발명의 제 4실시예가 도시되어 있다.
따라서, 본 발명은 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법에 관한 것으로,
액체의 기체가 멤브레인의 기공을 경유하여 상기 멤브레인의 타측으로 유동하도록 다공성인 소수성의 멤브레인을 따라 리텐테이트(retentate) 채널을 통하여 액체의 가열된 기화 스트림(리텐테이트 스트림)을 통과하는 단계, 및
정화된 액체의 공급 스트림과 정화 채널 사이에 비공성 분리막(separation)을 형성하는 농축기 표면을 향하여 농축화 열(잠재열)을 통과함으로써 증류물이 형성되는 증류 채널에서 증류 스트림을 제공하기 위하여 상기 멤브레인의 타측에서 상기 기체를 응축하는 단계를 포함하고, 상기 공급스트림은 스페이서 소재가 배열되는 공급 채널 상에서 상기 리텐테이트 스트림과 역류하는 방향으로 제공 채널을 통해 통과되고, 잠재열의 적어도 한 부분은 농축기 표면을 거쳐 공급 스트림으로 이송되고, 상기 리텐테이트 채널과 공급 채널 각각의 적어도 한 부분상에서 상기 리텐테이트 채널의 양액압차(positive liquid pressure difference)가 상기 리텐테이트 채널과 상기 공급 채널의 의 대응점의 상기 리텐테이트 스트림과 상기 공급 스트림 사이에서 적용된다.
본 발명에 따르면, 우수한 성능이 얻어질 수 있다. 이러한 관점에서, 1.5.10 -10 ㎥/㎡.s. Pa보다 더 높은 스페시픽 플럭스(specific flux)가 얻어지는 것이 관측되었고, 상징적으로 기존의 공정과 동일한 공정 조건에서 얻어진 플럭스에 비해 대략 50% 더 높게 입증되었다. 스페시픽 플럭스는 상기 리텐테이트 및 공급 스트림 벌크 사이의 단위 수증기압 당, 단위 멤브레인 표면적 당 증류 유량으로 정의된다.
상기 리텐테이트 채널과 상기 공급 채널의 대응점에서 상기 리텐테이트 스트림과 상기 공급 스트림 약액압차는 상기 리텐테이트 채널 및 상기 공급 채널 각각의 총 길이의 적어도 50%이상에서 적용되는 것이 바람직하며, 상기 리텐테이트 채널 및 공급 채널의 각각의 총 길이의 적어도 75% 이상에서 적용되는 것이 더욱 바람직하다.
본 발명에 따르면, 다공성 멤브레인이 50 내지 1000 μm 범위의 두께를 가지는 경우 특히 매력적인 결과가 획득된다. 바람직하게는 상기 다공성 멤브레인은 100 내지 600 μm 범위의 두께를 가지며, 더욱 바람직하게는 125 내지 500 μm 범위의 두께를 가지며, 150 내지 400 μm 범위의 두께를 가지는 것이 가장 바람직하다.
상기 리텐테이트 채널은 다공성 소수성 멤브레인(기공이 70%보다 더 크고, 바람직하게는 80%보다 더 크며, 기공 크기는 2.0 μm보다 작고, 바람직하게는 0.01 내지 0.5 μm 인 것)에 의해 한계가 정해진다. 다공성 소수성 멤브레인은 액체에 의해 젖지 않는 다는 것은 누구에게나 이해될 수 있을 것이다. 따라서, 액체가 아닌 기체만이 이러한 멤브레인을 투과할 수 있다. 상기 멤브레인은 PTFE, PVDF, PP 및 PE 및 이와 유사한 것들과 같은 소재로 제작된 상업적으로 상용되는 멤브레인일 수 있다. 본 발명에 따라 사용되어 지는 상기 멤브레인은 상기 멤브레인이 침식되는 것을 방지하거나 및/또는 기계적인 보조를 위한 다른 재질(예, PP, PET 등의 부직포 재질)을 구비한 박판형상일 수 있다.
폴리에테르설폰(polyethersulphone), 폴리설폰(polysulphone), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리아미드(polyamides) 등 과 같은 재질로 제작된 소위 비대칭 정밀여과 및 한외여과 멤브레인(asymmetric microfiltration and ultrafiltration membranes)이 또한 사용될 수 있다.
이 문맥에서는 이러한 멤브레인의 표면이 완벽하거나 또는 예를 들면, 코팅이나 다른 표면 수정에 의한 부분적으로 추가적인 소수성인 표면을 제작하는 것이 바람직하다. 가장 간단한 실시예에서, 상기 리텐테이트 채널은 평판형 멤브레인 덮개 또는 중공 섬유 또는 평행하게 배치된 모세관 멤브레인으로 구성된다. 상기 리텐테이트는 상기 덮개의 내측 또는 상기 섬유/모세관의 내강(lumen)을 통하여 유동한다. 비대칭 멤브레인이 사용되어 지는 경우, 가장 좁은 기공을 구비한 상기 멤브레인의 활성 층은 상기 리텐테이트측 상에 있게 된다. 상기 리텐테이트 채널은 또한, 선택적으로 나선 권취 형상인 평평한 판형 멤브레인 또는 멤브레인 시트에 의해 형성되는 것도 가능하다.
상기 공급 스트림이 관통하는 공급 채널은 마찬가지로 평행하게 배치된 친수성 또는 소수성 재질 중 하나로 제작된 평평한 덮개 또는 중공/모세관에 의해 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 채널들의 벽체는 현재로서는 비공성이며, 다시 말하면, 기체 비투과성 또는 기체 투과가 거의 없는 상태이다. 상징적으로 상기 벽체는 10 내지 2000 ㎛, 바람직하게는 20 내지 200 ㎛의 전형적인 두께를 가지며, 시트 또는 섬유/모세관 형태 중 하나를 가진다. 이들은 또한 중합의 소재(PP, PE, PET, 나일론, PA 등 ; 예를 들면 열전도성을 향상시키기 위해 충전재가 구비되거나 구비되지 않은), 금속(강재, 알루미늄 등) 또는 이러한 재질 등의 적층재로 제작될 수 있다. 또한, 농축 소재는 열전달을 위한 최종 유효 면적이 멤브레인 면적보다 더 높아지는 형상, 예, 늑골 형상(ribs), 접힌 형상(fold) 또는 다른 주름형상으로 복수의 섬유/모세관 등을 사용하여 형성될 수 있다.
본 발명에 따르면, 스페이서 소재는 상기 공급 채널에 배치된다. 전체 공급 채널은 상기 스페이서 소재로 채워지는 것이 바람직하다. 상기 리텐테이트 채널에도 또한 스페이서 소재가 배열되는 것이 타당하다. 추가적으로, 필요한 경우에, 상기 증류 채널의 내측에 또한 상기 스페이서 소재가 배치될 수 있다. 각각의 상기 채널들에서, 동일한 형태의 스페이서 소재 또는 서로 다른 형태의 스페이서 재질이 적용될 수 있다. 상기 공급 채널 및 상기 리텐테이트 채널 모두에 동일한 형태의 스페이서 소재가 적용되는 것이 타당하다. 상기 스페이서 소재는 그물형상, 기술적 섬유 및 이와 유사한 것으로 이루어 질 수 있고, 다양한 형상의 직물 또는 부직 필라멘트로 만들어 지거나, PP, PE, EVA 등과 같은 중합체로 제작될 수 있다. 바람직한 형상은 대칭형 사각형, 직사각형, 다이아몬드형, 물결형 등의 형상을 포함하며, 또한 비대칭 형상 및 필라멘트가 사용될 수 있다. 상기 스페이서 소재의 바람직한 형상은 부직포, 다이아몬드 형태이다.
상기 증류 스트림의 배출은 상기 증류 채널 내부에 적용된 친수성 또는 다공성 소재(섬유 또는 막대와 같은)를 통해 이루어질 수 있다. 생산된 물 그 자체보다 다른 소재로부터 상기 증기 채널을 비운 상태로 유지하는 것이 가능하며, 상기 증류 스트림을 압력(상기 증류물을 생산하는 동안 발생된)에 의해, 또는 중력에 의해 또는 흡입에 의해 배출하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 액체 정화 방법은 복수의 실시예에서 수행될 수 있다. 바람직하게는 상기 리텐테이트 스트림을 위한 유동 채널을 제한하도록 선택적으로 나선 권취 형태가 구비된 평판형 멤브레인 시트 또는 평판, 또는 채널과 같은 다중 모세관으로 이루어진 평판형 구조물로 제작될 수 있다.
이에 더하여, 또한, 중공 섬유 또는 모세관 배열이 사용될 수 있다. 동일한 실시가 상기 공급 채널에 적용될 수 있으며, 이에 따라, 상기 리텐테이트 스트림과 역류 방향으로 공급 유동을 정화시킬 수 있고, 상기 증류 채널에도 적용될 수 있으며, 이에 따라, 농축(증류)물이 상기 리텐테이트 스트림과 동류 방향 또는 역류 방향 또는 교차류(crossflow) 방향 중 하나로 유동할 수 있다.
이러한 실시예는 적당한 결합 기술(에폭시, 폴리우레탄 등의 적당한 수지를 사용한 포팅(potting), 예로써, 폴리실록산, 폴리우레탄 등을 사용한 접착체, 하나 또는 둘 이상의 방법 중 하나, 속건성 접착 소재, 열 또는 초음파 용접 기술 및 결합 전문가에게 알려진 모든 다른 기술)에 의해 결합된 다수의 평행한 덮개 또는 모세관/중공 섬유의 배열로 일반적으로 구성될수 있다.
본 발명의 방법에 따른 제 1실시예에서, 가열된 상기 공급 스트림은 기체화 리텐테이트 스트림에 대해 실질적으로 이상적인 역류 방향으로 유동하고, 상기 농축물 증류 스트림은 상기 리텐테이트 스트림과 동류 방향으로 유동되거나 및/또는 상기 공급 스트림에 대해 역류 방향으로 유동되며, 이에 따라, 상기 증류 스트림의 현열이 상기 공급 스트림으로 회수된다.
본 실시예에 따르면, 미국특허 제4,545,862호는 평판 소수성 및 박판형 PTFE 멤브레인을 사용한 평판형 및 (바림직하게는) 나선 권취 모듈이 모두 적용된 방법을 개시하고 있는 것이 언급되어 있다. 상기 방법은 염수 탈염을 위해 시험되었다. 이러한 테스트에 의해, 상기 증류 스트림은 상기 기화 리텐테이트 및 염수 스트림에 대해 역류 방향으로 공급된 상기 해수 스트림으로부터 분리되며, 이에 따라 효과적으로 농축열을 흡수하게 된다.
본 실시예에 관하여, 미국특허 제4,545,862는 평판형 소수성 및 박막형 PTFE를 사용한 평판형 및 (바람직하게는) 나선 권형 모듈이 모두 적용되어 있
는 방법을 개시하고 있는 것으로 기재되어 있다. 상기 방법은 염수 탈염을 위해 시험되었다. 이러한 시험을 위해, 상기 증류 스트림은 상기 기체화된 리텐테이트 및 상기 해수 스트림에 역류 방향으로 공급된 해수 스트림으로부터 분리되었고, 이에 따라 효율적으로 농축열을 흡수하였다. 상기 증류 스트림의 두 가지 배출 조건, 특히, 상기 모듈(공급의 입구, 리텐테이트의 출구)의 저온측으로부터의 배출조건 및 상기 모듈(공급의 출구, 리텐테이트의 입구)의 고온측으로부터의 배출조건을 시험한 이후에, 의외로 첫번째 조건을 적용한 경우, 상기 모듈의 성능(플럭스)가 상당히 증가하는 것이 발견되었다. 이것은 밀킹(milking) 효과, 매우 플렉시블하고, 순응성이 있는 멤브레인 소재보다 더 뻣뻣한 상기 농축기 시트의 표면에 수직인 방향으로 상기 멤브레인 소재의 국지적인 변형에 의한 것이며, 이에 따라 상기 리텐테이트 채널을 형성하는 상기 스페이서 소재(그물형)에 부분적으로 후자를 압박하게 된다. 리텐테이트 및 증류 스트림의 동류 방향 유동의 적용에 대해서는 증류물이 배출되도록 힘을 가하게 된다. 또한, 미국특허 제4,545,862호에서, 잠재열의 회수가 공급 및 리텐테이트 스트림의 역류 방향 유동에 의해 이루어 진다. 전형적으로 상기 공급은 상기 기체화되는 리텐테이트 스트림이 상기 리텐테이트 채널로 진입하는 압력보다 더 높은 압력하에서 상기 공급 채널로 펌핑된다.
하지만, 본 발명은 앞서 상술하거나 그 사용에 있어 알려진 방법과 상기 리텐테이트 및 공급 채널 각각의 적어도 일부분 이상인 상기 리텐테이트 채널 및 상기 공급 채널 각각의 대응점에서 상기 리텐테이트 스트림과 상기 공급 스트림 사이에서 양액압차에 의해 만들어진다는 것이 본질적으로 다르다.
이와 같이 수행함으로써, 상기 멤브레인은 비투과성 농축기 표면에 대해 압력을 받게 되거나, 또는 상기 농축기 표면 및 상기 멤브레인 사이에 위치된 증류 배출 소재에 적용될 수 있다. 상기 농축기 벽체는, 그 차례에서, 상기 공급 채널 내부에 위치된 상기 스페이서 소재에 대해 압력을 받는다.
미국특허 제4,545,862호에서, 이러한 형태는 도 1a, 1b 및 3에 도시되고, 컬럼 6, 52줄 내지 63줄 및 컬럼 8, 13 내지 24줄 및 42 내지 68줄에 개시된 바에 의하면 불가능하다고 기재되어 있으며, 왜냐하면,
-어떤 스페이서 소재도 상기 피드 채널(30)에 없고,
-상대적으로 뻣뻣한 농축기 시트 소재(12)가 상기 리텐테이트 채널(20) 내의 상기 스페이서 소재(54)에 압력을 가하며,
-공급 및 리텐테이트 사이의 압력차에 의해 상기 농축기 표면에 수직한 방향으로 작용하는 힘은 항상 상기 공급으로부터 상기 리텐테이트로 작용하며 단지 상술한 밀킹 효과의 케이스에서만 얻어지고,
-이것은 상기 리텐테이트 채널과 상기 공급 채널의 액압차는 항상 음방향인 것을 뜻하기
때문이다.
본 발명에 있어서, 상기 공급 채널은 스페이서 소재를 구비하고, 상기 농축기 시트 소재는 상기 리텐테이트 및 공급 채널 사이의 양액압차에 의해 이 소재에 대해 압력을 받게 되고, 이것은 미국특허 제4,545,862호에 기재된 밀킹 효과에 의해서는 얻어 지는 것이 불가능하다. 또한, 본 발명에 따른 공정은 미국특허 제4,545,862호에 기재되어진 형상을 사용하여 얻어질 수 없다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따르면, 상기 리텐테이트 채널의 내측에, 유체가 경유하는 부가 채널이 배치되며, 양액압차가 상기 리텐테이트 스트림 및 상기 유체 스트림 사이에 적용된다. 상기 유체 스트림은 상기 리텐테이트 스트림에 대해 동류 방향으로 상기 부가 채널을 경유하는 것이 바람직하고, 상기 유체 스트림은 잔류 열 스트림(폐열(waste heat) 또는 가열된 액체로부터 나온 열 등)을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 부가채널은 비투과성 벽체를 포함하는 것이 바람직하며, 상기 공급/증류/리텐테이트 채널 상에 추가 압력을 유도하는 것이 유리하게 되도록, 유압(fluid pressure)이 상기 리텐테이트 스트림의 유압과 동일하거나 또는 바람직하게는 조금 높은 상황에서, 상기 벽체를 통하여 상기 고온 유체가 상기 리텐테이트 스트림과 동류 방향으로 적당히 펌핑될 수 있다.
본 실시예는 총체적인 사용이 잔유열에 의해 만들어지는 이점이 있으며, 상기 공급 스트림의 입구 측으로의 구동력이 온도 차이를 높임으로 인해 유지되는 이점이 있다. 이를 위한 상기 모듈은 특히 간결하며 저렴한 구성이 가능하다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따르면, 상기 증류 스트림은 상기 증류 채널의 고온측에 배출되며, 이에 따라, 상기 리텐테이트 스트림과 역류 방향으로 유동한다. 이러한 다양성은 고온 증류 스트림이 생성되고, 상기 증류 스트림과 동류 방향으로 현재 유동중인 상기 공급스트림으로부터 현열을 제거할 수 있는 이점이 있으며, 상기 공급 스트림이 더 많은 잠재열을 흡수할 수 있음에 따라, 더 많은 증류물을 생산할 수 있는 더 많은 기체가 농출 될 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 상기 증류 스트림은 상기 증류 채널의 고온 측에 배출된다. 따라서, 상기 증류 스트림은 상기 리텐테이트 스트림과 역류 방향으로 배출된다. 추가 열이 있거나 없어도, 타당하게는 상기 증류 스트림은 상기(上記)에 제기한 바와 같이, 상기 리텐테이트 채널과 함께 배치된 상기 부가 채널로 안내될 수 있다. 본 실시예는 주어진 공급 스트림 유동에서 더 많은 증류물이 생산되는 이점이 있으며, 상기 공급 스트림으로부터 획득된 현열이 상기 리텐테이트 스트림과 동류방향으로 이동되며, 이에 따라 기체 형태로 안내되어 지는 열의 총량을 감소시키는 것이 결과적으로 상기 방법상에서 에너지 소비를 매우 효과적으로 줄일 수 있게 된다.
본 발명은 특히 해수의 탈염화에 적합하다. 다단플래쉬 증류법 및 역삼투(reverse osmosis)와 같은 기존의 기술은 실질적으로 최대 량에 최적화되어 있으며, 너무 많은 에너지 소비와 단위 생산량 당 과다한 투자 수준 때문에 육상 정화 생산 기술에 비교하여 매우 비경제적이다. 본 발명의 굉장한 결과를 사용함으로써, 고유량, 낮은 열손실, 매우 낮은 에너지 소비, 높은 물 회수, 좋은 물 품질 및 물 생산 비용에서의 비약적인 진보를 얻을 수 있다. 본 방법은 상대적으로 낮은 온도(저등급 열, 폐열, 태양열 집열기(solar heat collectors) 등)에서 사용되는 것에 적합하다. 특히, 소규모 응용 케이스에서 에너지 효율면에서의 실질적인 향상이 기대된다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 방법에서 사용되는 데 적합한 장치에 관한 것이며, 상기 장치는 내부에 스페이서 소재가 배열된 공급 채널을 포함한 세그먼트, 증류 채널 및 리텐테이트 채널을 포함하며, 상기 세크먼트는 제공된 공급 액체를 위한 제 1분배 챔버, 제 1분배 채널의 반대측에 배치되며 배출된 공급 액체를 위한 제 2분배 챔버, 제공된 리텐테이트 스트림을 위한 제 3분배 챔버 및 제 3분배 챔버의 반대측에 배치되며 배출된 리텐테이트 스트림을 위한 제 4분배 챔버를 포함하고, 상기 세그먼트는 상기 세그먼트로 상기 공급 스트림을 가압하여 펌핑하는 제 1펌프 및 너 높은 압력(상기 공급채널 내측으로의 압력과 관계된)하에서 상기 리텐테이트 스트림을 가압하여 상기 열교환기 및/또는 상기 리텐테이트 채널의 상기 분배 챔버로 펌필하도록 상기 제 2분배 챔버에 대해 다운스트림(downstream)으로 배열되거나 또는 열교환기에 대해 다운스트림으로 배열되는 제 2펌프를 구비하고, 상기 공급 채널과 상기 증류 채널 사이의 벽체는 비공성 멤브레인 형상의 농축기 표면을 포함하고, 상기 리텐테이트 채널과 상기 분배 채널 사이의 벽체는 다공성 멤브레인을 포함한다.
바람직하게는 상기 다공성 멤브레인은 100 내지 600 ㎛ 범위의 두께를 가지고, 더욱 바람직하게는 125 내지 500 ㎛ 범위의 두께를 가지며, 가장 바람직하게는 150 내지 400 ㎛ 범위의 두께를 가진다.
본 발명의 매우 바람직한 실시예에 따르면, 상기 장치는 서로 평행하게 연결된 상술한 복수의 세그먼트(모듈)을 포함한다. 이러한 경우에, 제 1펌프는 연속되어 연결된 세그먼트의 업스트림(upstream)에 배열되고, 하나 또는 하나 이상의 부가 펌프가 연속되어 연결된 세그먼트의 다운스트림(downstream) 또는 서로 평행하게 연결된 대응되는 세그먼트들의 사이에 배치된다. 상기 공급 채널의 내측으로의 압력에 대한 상기 리텐테이트 채널 내부로의 압력을 좀 더 정확하게 제어하기 위하여, 서로 평행하게 연결된 대응되는 세그먼트 사이에 하나 또는 하나 이상의 펌프가 적용될 수 있음은 누구에게나 이해될 것이다.
본 발명의 매우 바람직한 실시예에 따르면, 상기 리텐테이트 채널 내측에는 유체가 경유하는 부가 채널이 배치되고, 상기 액체 스트림의 액압(liquid pressure)은 상기 리텐테이트 스트림의 액압과 동일하거나 더 높게 나타난다. 사기 유체 스트림은 상기 리텐테이트 스트림과 동류 방향으로 상기 부가 채널을 경유하는 것이 바람직하며, 유체 스트림은 잔류 열 스트림을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 부가 채널은 비투과성 벽체를 포함하는 것이 바람직하며, 이를 통하여, 상기 멤브레인/증류/농축기 채널에 추가 압력을 유도하는 것이 유리하게 되도록 상기 리텐테이트 스트림의 압력보다 동일하거나 또는 바람직하게 약간 높은 유체 압력하에서 고온 유체가 적절히 상기 리텐테이트 스트림과 동류 방향으로 펌핑될 수 있다.
다른 바람직한 실시예에 따르면, 사용된 상기 세그먼트(모듈) 일측 또는 양측으로부터, 상기 리텐테이트 스트림의 유체 압력과 동일하거나 또는 더 높은 압력이 적용될 수 있다. 이 경우에, 상기 멤브레인/증류/농축기 채널에 추가적인 압력이 용이하게 유도될 수 있다. 상기 추가 압력은 사용된 상기 세그먼트(들)의 일측 또는 양측에 하나의 수단, 상기 수단으로 적당한 유체(예, 오일, 물, 공기 또는 다른 가스)를 안내함으로써 부피가 증가될 수단을 사용함으로써 획득될 수 있다. 이러한 경우에, 풍선 행태의 구조가 상기 세그먼트(들)의 일측 또는 양측에 형성될 수 있으며, 가압된 구조는 상기 멤브레인/증류/농축기 채널 상에 추가 압력을 초래한다. 이러한 수단은 일반적으로 플렉시블한 소재로 제작되는 것은 누구에게나 이해 가능할 것이다.
본 발명은 본 발명의 다양한 바람직한 실시예가 도시된 도 1 내지 도5를 참조하여 보다 상세하게 설명된다.
도 1에 따르면, '모듈'이라고 불리는 복수의 평행하게 배치된 채널 및 소재가 본 발명에 따라 도시되어 있다. 상기 모듈은 저온측(C)과 고온측(H)으로 구획된다. 상대적으로 저온인 공급 스트림(1)이 상기 저온측(C)에서 상기 평행한 공급 채널(2)로 상기 공급 펌프(1P)에 의해 펌핑된다.
이러한 공급 채널은 상기 비공성 벽체(3) 및 스페이서 소재(4)에 의해 형성된다. 상기 공급 채널(2)에서 있어서, 상기 공급 스트림은 상기 벽체(3)의 타측에서 좀 더 고온인 증류 채널(5)로부터 채열된 열에 의해 가열된다. 따라서, 점진적으로 상기 공급 스트림은 더 뜨거워지고, 상기 펌프(6P)의 촉진에 의해 상기 고온측(H)에서 스트림(6)으로써, 상기 모듈을 이탈한다.
상기 펌프는 흡입으로써, 상기 공급 채널(2) 내의 압력이 상대적으로 낮아지는 것(상징적으로 0.1 내지 3.0 bara(절대압력))을 확보한다. 상기 상대적으로 고온인 공급 스트림(6)은 열교환 장치(7)로 펌핑되고, 외부 열 투입(15)에 의해 더 가열되며(상기 열은 페열, 태영열, 스트림, 고온 고체 소재, 등일 수 있음), 상대적으로 고온인 리텐테이트 스트림(8)으로써 배출된다. 스트림(8)은 고온측(H)에서 상기 모듈로 진입하며, 스트림(1)과 대체로 역류 방향으로 평행하게 배치된 리텐테이트 채널(9)을 경유하여 유동한다.
상기 리텐테이트 채널(9)은 기체 투과 멤브레인(10) 및 상기 스페이서 소재(11)에 의해 구축된다. 이러한 리텐테이트 채널에서는 상기 리텐테이트 스트림(8)이 수증기의 기화에 의해 점차적으로 냉각되고, 상기 증류 채널(5) 내부로 상기 멤브레인(11)을 통한 약간의 열을 유도하고, 여기서, 상기 수증기는 순수하고 액체인 증류물(13)을 형태로 만들도록 농축시킨다.
상기 증류 채널은 일측의 멤브레인(10) 및 타측의 비공성 농축기 벽체(3)에 의해 범위가 정해진다. 채널(5) 내에는 스페이서 소재(12)가 위치될 수 있다. 하지만, 이것은 본 발명의 모든 응용에 엄격히 필요한 것은 아니다. 상기 증류 채널(5)에서 방출된 열은 대부분 상기 공급 스트림(1)으로 벽체(3)를 통해 전달되고, 상기 공급 채널(2)로 유동한다.
상기 액체 증류물은 바람직하게는 상기 저온측(C)에서 상기 모듈을 이탈하고, 또한, 스트림(13)의 현열은 회수되어 스트림(1)으로 전달된다. 하지만, 액체 증류물은 또한, 상기 모듈의 양측(C 및 H)에서 모두 배출되는 것도 가능하다. 이러한 배출은 중력, 펌핑 및/또는 생산된 물의 결과로써 채널(5) 내측으로 발생하는 압력에 의해 이루어 질 수 있다.
상기 상대적으로 저온이며 농축된 리텐테이트 스트림은 스트림(14)으로써 상기 저온측(C)에서 상기 모듈을 이탕한다. 상기 모듈의 대부분, 특히 고온측(H)에서, 상기 리텐테이트 채널(9) 내측의 절대 액압은 상기 공급 채널(2)과 비교하여 더 높다. 상기 리텐테이트 채널 내의 대표적인 절대 액압은 1.0 내지 4.0 bara의 범위이다.
도 2에 따르면, 본 발명의 제 2실시예가 도시되어 있다. 본 실시예는 상기 리텐테이트 채널(9) 내부에 네 가지 형태의 채널(17)의 도입에 의해 도 1에 도시된 실시예와 다르다. 이러한 채널(17) 내부에서 상기 액압은 상기 채널(9)의 부분과 비교하여 동일하거나 상대적으로 더 높은 것이 바람직하다. 상기 액압은 유체(16, 액체 또는 가스 또는 분산 등)를 상기 채널(17) 내로 유입시킴으로써 달성될 수 있다. 유체(16)는 채널(9)을 통하여 동ㅇ류 방향으로 유동하는 상기 리텐테이트 스트림(8)과 동일하거나 더 높은 온도를 가지는 것이 바람직하며, 이에 따라 열을 스트림(8)에 전달할 수 있다. 채널(17)은 두 개의 비공성 열유도 벽체(20)에 의해 구축되며, 상기 벽체(3)와 유사한(그러나 완전히 동일한 필요는 없음) 소재 및 스페이서 소재(18)로 형성된다.
도 3 및 도 4는 상기 증류 스트림(13)이 상기 모듈의 고온측(H)에 배타적으로 배출되는 것에 의해 도 1 및 도 2에 도시된 실시예와 상이한 네 개의 채널이 구비되지 않거나 구비된 본 발명의 제 3 실시예를 차례대로 도시하고 있다.
도 5에 따르면, 상기 네 개의 채널(17)로 펌핑되는 상기 유체가 상기 증류 스트림(13) 그 자체로써, 상술한 제 3실시예에 따라 모듈의 고온측에 배출되는 것으로 도 2 내지 도4와 상이한 본 발명의 제 4실시예가 도시되어 있다. 상기 유체(증류 스트림(13))은 열 공급(22)을 사용하여 열교환 장치(21) 내에서 추가로 가열되는 것(두 가지는 장치(7) 및 열 공급(15)과 차례대로 동일할 수 있다.)이 바람직하며, 결과적으로 가열된 증류 스트림(23)(필요하다면 펌프(23P)를 사용하여) 상기 채널(17)내로 펌핑된다. 이렇게 수행함으로써, 상기 스트림(23)의 대부분의 열은 상기 리텐테이트 채널(9)로 전달되고, 상기 냉각된 증류물은 스트림(24)으로써 상기 저온측(C)에서 모듈을 이탈한다.
제 1실시예
멤브레인 증류 모듈은 두께 75 ㎛, 너비 0.50 m, 길이 1.50 m인 6개의 PET 시트 및 3개의 농축기 덮개를 형성하는 두께 2 mm의 폴리프로필렌 스페이서 소재를 사용하여 구축되며, 이에 따라 3개의 공급 채널을 형성한다. 또한, 유사한 크기의 다공성 확장형 PTFE(공극률 80%, 두께 120 ㎛)로 구성된 4개의 시트는 2개의 추가 폐열 채널(도 2의 상기 부가 채널)을 덮기 위한 2개의 멤브레인 덮개를 형성하기 위하여 사용되며, 4개의 추가 PET 시트 및 두께 8mm의 두 개의 PP 스페이서 소재를 사용하여 배치된다. 각각의 멤브레인 덮개와 1.6mm 두께의 2PP 스페이서 소재를 사용함에 따라, 모듈은
두 개의 부가 채널(17) 주위의 4개의 리텐테이트 채널(9), 4개의 증류 채널(5) 및 세 개의 공급 채널(2)로 형성되었다(도 2).
따라서 상기 모듈의 총 멤브레인 표면적은 3. 0 ?SP>?/SP>이다. 이상적인 해수에 대한 멤브레인 증류 실험은 상기 리텐테이트 채널 내부에서 55 oC의 평균온도와 ca. 0.04 m/s의 평균 유속에서 상기 모듈과 함께 수행되었다.
최신의 압력 구성(본 발명에 따른 구성과 대조적으로, 상기 공급채널의 압력이 상기 리텐테이트 채널 내의 압력보다 더 높은 경우)을 사용하는 경우, 하기의 절대 압력이 측정되었다. P-공급 1 = 1.56 bara, P-공급 6 = 1.50 bara, P-리텐테이트 8 = 1.42 bara, 및 P-리텐테이트 14 = 1.08 bara. 1.15 .10-10 ㎥/㎡.s.Pa 의 스페시픽 플럭스가 측정되었다. 본 발명에 따른 압력 구성을 사용하는 경우, 하기의 절대 압력이 측정되었다. P-공급 1 = 0.99 bara, P-공급 6 = 0.62 bara, P-리텐테이트 8 = 1.54 bara, 및 P-리텐테이트 14 = 1.12 bara. 1.70 .10-10 ㎥/㎡.s.Pa 의 스페시픽 플럭스가 측정되었다. 이러한 결과는 최신의 공정에 따라 얻어진 결과보다 거의 50%가 높았다.
제 2실시예
제 1실시예에서 적용된 동일한 모듈 및 공정 조건이 사용되었으며, 단지, 상기 리텐테이트 채널 내에서 0.06 m/s의 평균유속을 얻기 위하여 공급 유동이 증가되었다.
최신의 압력 구성(상기 참조)를 사용하는 경우, 하기의 절대 압력이 측정되었다. P- 공급 1 = 2.35 bara, P-공급 6 = 2.25 bara, P-리텐테이트 8 = 2.05 bara, 및 P- 리텐테이트 14 = 1.14 bara. 1.25 .10-10 ㎥/㎡.s.Pa wa의 스페시픽 플럭스가 측정되었다. 본 발명에 따른 압력 구성을 사용하는 경우, 하기의 절대 압력이 측정되었다. P- 공급 1 = 1.11 bara, P-공급 6 = 0.73 bara, P-리텐테이트 8 = 1.35 bara, 및 P-리텐테이트 14 = 1.14 bara. 1.75 .10-10 ㎥/㎡.s.Pa의 스페시픽 플럭스가 측정되었다. . 이러한 결과는 최신의 공정에 의해 얻어진 결과보다 40%나 높았다.
제 3실시예
상기 0.06 m/s인 리텐테이트 채널 내에서 동일한 평균유속으로, 제 2실시예에 적용된 동일한 모듈 및 공정 조건이 사용되었다. 단지 부가 채널내의 압력이 상기 리텐테이트 채널내의 압력과 동일하거나 더 높은 값으로 증가되었다. 최신의 압력 구성(상기 참조)를 사용하는 경우, 다음의 절대 압력이 측정되었다. P-공급 1 = 1.93 bara, P-공급 6 = 1.83 bara, P-리텐테이트 8 = 1.70 bara, 및 P-리텐테이트 14 = 1.12 bara. 1.25 .10-10 ㎥/㎡.s.Pa의 스페시픽 플럭스가 측정되었다. 본 발명에 따른 압력 구성을 사용하는 경우, 하기의 절대 압력이 측정되었다. P- 공급 1 = 0.88 bara, P-공급 6 = 0.49 bara, P-리텐테이트 8 = 1.40 bara, 및 P-리텐테이트 14 = 1.13 bara. 상기 네 번째 채널 내의 압력은 업스트림 1.47bara 및 다운스트림 1.38bara 였다. 1.90 .10-10 ㎥/㎡.s.Pa의 스페시픽 플럭스가 측정되었다. 이러한 결과는 최신의 공정에 따라 얻어진 결과에 비교하는 경우 60%나 더 높은 것과 마찬가지다.
상기의 결과로부터, 최신의 공정과 비교하는 경우, 본 발명에 따라 상당한 향상이 이루어졌음은 당업자에게 명백하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 방법은 총체적인 사용이 잔유열에 의해 만들어지는 이점이 있으며, 공급 스트림의 입구 측으로의 구동력이 온도 차이를 높임으로 인해 유지되는 이점이 있다. 이를 위한 모듈은 특히 간결하며 저렴한 구성이 가능하다.
본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에 따르면, 증류 스트림은 증류 채널의 고온측에 배출되며, 이에 따라, 리텐테이트 스트림과 역류 방향으로 유동한다. 이러한 다양성은 고온 증류 스트림이 생성되고, 상기 증류 스트림과 동류 방향으로 현재 유동중인 공급스트림으로부터 현열을 제거할 수 있는 이점이 있으며, 공급 스트림이 더 많은 잠재열을 흡수할 수 있음에 따라, 더 많은 증류물을 생산할 수 있는 더 많은 기체가 농출 될 수 있다.
주어진 공급 스트림 유동에서 더 많은 증류물이 생산되는 이점이 있으며, 공급 스트림으로부터 획득된 현열이 리텐테이트 스트림과 동류방향으로 이동되며, 이에 따라 기체 형태로 안내되는 열의 총량을 감소시키는 것이 결과적으로 에너지 소비를 매우 효과적으로 줄일 수 있게 된다.
본 발명의 굉장한 결과를 사용함으로써, 고유량, 낮은 열손실, 매우 낮은 에너지 소비, 높은 물 회수, 좋은 물 품질 및 물 생산 비용에서의 비약적인 진보를 얻을 수 있다. 본 방법은 상대적으로 낮은 온도(저등급 열, 폐열, 태양열 집열기(solar heat collectors) 등)에서 사용되는 것에 적합하다. 특히, 소규모 응용 케이스에서 에너지 효율면에서의 실질적인 향상이 기대되어 산업상 이용 가능성이 있다.

Claims (20)

  1. 액체의 기체가 멤브레인의 기공을 경유하여 상기 멤브레인의 타측으로 유동하도록 다공성인 소수성의 멤브레인을 따라 리텐테이트(retentate) 채널을 통하여 액체의 가열된 기화 스트림(리텐테이트 스트림(retentate stream))을 통과하는 단계; 및
    공급스트림은 스페이서 소재가 배열되는 공급 채널 상에서 상기 리텐테이트 스트림과 역류하는 방향으로 제공 채널을 통해 통과되고, 잠재열의 적어도 한 부분은 농축기 표면을 거쳐 공급 스트림으로 이송되고, 상기 리텐테이트 채널과 공급 채널 각각의 적어도 한 부분상에서 상기 리텐테이트 채널의 양액압차(positive liquid pressure difference)가 상기 리텐테이트 채널과 상기 공급 채널의 대응점상의 상기 리텐테이트 스트림과 상기 공급 스트림 사이에서 적용되며, 정화된 액체의 공급 스트림과 정화 채널 사이에 비공성 분리막(separation)을 형성하는 농축기 표면을 향하여 농축화 열(잠재열)을 통과함으로써 증류물이 형성되는 증류 채널에서 증류 스트림을 제공하기 위하여 상기 멤브레인의 타측에서 상기 기체를 응축하는 단계;
    를 포함하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 양액압차는 상기 리텐테이트 채널과 공급 채널 각각의 적어도 50% 이상인 상기 리텐테이트 채널과 상기 공급채널의 대응점에서 상기 리텐테이트 스트림과 상기 공급 스트림 사이에서 적용되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 양액압차는 상기 리텐테이트 채널과 공급 채널 각각의 적어도 75% 이상인 상기 리텐테이트 채널과 상기 공급채널의 대응점에서 상기 리텐테이트 스트림과 상기 공급 스트림 사이에서 적용되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인은 100 내지 600 ㎛ 사이의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인은 125 내지 500 ㎛ 사이의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인은 200 내지 400 ㎛ 사이의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리텐테이트 채널 내부에서, 유체 스트림이 상기 리텐테이트 스트림으로 유동하도록 하는 부가 채널이 적용되고, 상기 유체 스트림의 유압은 상기 리텐테이트 스트림의 상기 액압과 같거나 또는 액압보다 높은 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 유체 스트림은 상기 리텐테이트 스트림과 동류로 상기 부가 채널을 통해 유동하고, 상기 유체 스트림은 상기 리텐테이트 스트림을 가열하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 리텐테이트 스트림은 잔류열에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증류 스트림은 상기 증류 채널의 고온측에 배출되며, 상기 공급 스트림과 동일한 방향으로 유동하는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 증류 스트림은 대기압보다 높은 압력하에서 배출되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증류 스트림은 상기 증류 채널의 고온측에 배출되고, 상기 배출된 증류 스트림은 가열되고, 가열되어 획득된 상기 가열된 증류 스트림은 상기 리텐테이트 채널에 적용된 상기 부가 채널을 통해 경유되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법.
  13. 제1항 내지 제6항, 제10항 및 제11항 중 어느 한 항에 따른 상기 멤브레인 증류법에 의한 액체 정화 방법에 사용되기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는
    내부에 스페이서 소재가 배열된 공급 채널을 포함한 세그먼트, 증류 채널 및 리텐테이트 채널을 포함하며, 상기 세크먼트는 제공된 공급 액체를 위한 제 1분배 챔버, 제 1분배 채널의 반대측에 배치되며 배출된 공급 액체를 위한 제 2분배 챔버, 제공된 리텐테이트 스트림을 위한 제 3분배 챔버 및 제 3분배 챔버의 반대측에 배치되며 배출된 리텐테이트 스트림을 위한 제 4분배 챔버를 포함하고, 상기 세그먼트는 상기 세그먼트로 상기 공급 스트림을 가압하여 펌핑하는 제 1펌프 및 상기 리텐테이트 채널로 가압 상황하에서 상기 리텐테이트 스트림을 펌핑하기 위한 제 2펌프를 구비하고, 상기 공급 채널과 상기 증류 채널 사이의 벽체는 비공성 멤브레인형상의 농축기 표면을 포함하고, 상기 리텐테이트 채널과 상기 분배 채널 사이의 벽체는 다공성 멤브레인을 포함하는 액체 정화 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인은 100 내지 600 ㎛ 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 액체 정화 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인은 125 내지 500 ㎛ 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 액체 정화 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 다공성 멤브레인은 200 내지 400 ㎛ 범위의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 액체 정화 장치.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체 정화 장치는 서로 평행하게 연결되는 제13항 내지 제16항에 기재된 복수의 세그먼트를 포함하는 것을 특징으로 하는 액체 정화 장치.
  18. 제17항에 있어서,
    제 1가압수단은 연속되어 연결된 세그먼트의 업스트림(upstream)에 배열되고, 하나 또는 하나 이상의 부가 펌프가 연속되어 연결된 세그먼트의 다운스트림(downstream) 또는 서로 평행하게 연결된 대응되는 세그먼트들의 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체 정화 장치.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 리텐테이트 스트림과 접촉하여 상기 유체 스트림에 열 전달이 수행되도록 상기 리텐테이트 채널의 내측에 부가 채널이 배열되는 것을 특징으로 하는 액체 정화 장치.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 세그먼트(들)의 일 측 또는 양측은 적당한 유체가 안내됨으로써 부피가 증가될 수 있는 수단을 포함하고, 공정상에서 상기 수단의 증가된 부피는 상기 멤브레인/증류/농축기 채널에 추가 압력을 가하는 것을 특징으로 하는 액체 정화 장치.
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