KR20100006937U - 고속 회전이 가능한 원심 임펠러를 이용한 혼합액체의 분리장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 원심력을 이용한 물과 기름 등 혼합액체를 분리할 수 있는 장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는

하우징(1)과;

상기 하우징(1)의 상부 일측면에 형성되어 혼합액체가 유입되는 유입관(2)과;

상기 하우징(1)의 하부 일측면에 형성되어 혼합액체 중 비중이 큰 액체가 유출되는 유출관(3)과;

상기 하우징(1)의 상부에 설치되어 모터에 의하여 회전하는 회전축(4)과;

상기 회전축(4)의 특정 위치에 부착되어 회전축과 함께 회전하는 3개의 임펠러(5)로 구성된 것을 특징으로 한 고속 회전이 가능한 원심 임펠러를 이용한 혼합액체의 분리장치를 특징으로 한다.

본 고안은 기존의 유화제나 부직포를 사용하여 물과 기름을 분리하는 방법에 비하여 간편하고 경제적일 뿐만 아니라 유화제의 과다 사용 또는 부직포의 폐기에 따른 2차적인 오염 발생의 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 효과가 기대된다.

원심력, 분리, 물, 기름, 혼합액체, 임펠러

Description

고속 회전이 가능한 원심 임펠러를 이용한 혼합액체의 분리장치{A Separator with high speed centrifugal impeller }

본 고안은 원심력을 이용하여 혼합액체를 분리할 수 있는 장치에 관한 것으로 분리공정분야의 기술과 관련된다. 또한 본 고안은 씨프린스호의 기름유출 사건과 같이 해양오염의 방지분야의 기술과도 관련되어 있으므로 환경개선 특히 수질환경개선을 위한 기술과도 밀접한 관련이 있다.

유수(油水)분리란 중력장 또는 원심력장에서 기름과 물의 비중 차에 의해 물 속에 함유되어 있는 유분(油分), 또는 기름 속의 수분이 분리되는 현상을 의미한다. 공장폐수나 세척수 속에 혼입되어 있는 유분이 기름 방울로 되어 물속에 유탁 분산된 에멀션을 탱크 안에 정치(定置)하면 기름은 물보다 가벼우므로 떠올라 응결하여 기름과 물의 2액상으로 분리된다. 이것을 부상분리(浮上分離)라고 하며 기름 속 물방울의 침강 분리의 반대이지만, 현상은 동일한 것이다. 기름 방울의 크기가 1mm 이상이면 에멀션은 불안정하여 비교적 쉽게 분리되지만, 기름 방울의 지름이 1∼1.5㎛인 에멀션은 안정하여 부상응결 분리에 오랜 시간이 소요된다. 에멀션을 가온하면 점성도가 낮아지고 물방울의 이동속도는 커지며, 또한 물방울의 표면장력이 크면 응결속도는 빨라진다. 작은 물방울의 응결을 촉진하려면 목적에 따라 친수성 또는 소수성 막이나 섬유층에 의한 여과방법이 있으며, 항공기 연료 속의 미량 수분제거 등에 이용되고 있다.

정유공장에서 함유(含油) 폐수의 유수분리장치로서 많이 쓰이는 API(American Petroleum Institute) 유수분리장치는 탱크 안에 여러 개의 수평판을 설치하여 침강성 입자를 제거하는 동시에 150㎛ 이상의 기름 방울을 연속적으로 분리, 회수한다. 수평판 대신 탱크 안에 다수의 평행 경사판을 삽입하여 유효 분리면적을 증가시킨 PPI(parallel plate interception) 방식, 또는 CPI(corrugated plate interceptor) 유수분리장치는 경사판을 평판이 아닌 파판(波板)으로 대체한 방식인데 60㎛ 이상의 기름 방울 분리에 사용되고 있다.

상기한 CPI의 경우 일반적으로 물위에 부상되는 소수성 오일 성분을 제거하는 장치로서 오일의 입자 크기가 30 micron 이상으로 존재하는 경우에 자력으로 물위에 부상되는 특징이 있다. 이러한 경우의 소수성 오일은 CPI 장치를 통하여, 99% 이상 제거가 가능하며, 소수성 오일이지만 입자의 크기가 7 ~ 30 micron 인 경우는 자력으로 부상이 곤란하여 물속에 혼합되어 존재할 수 있다. 이러한 경우의 소수성 오일은 CPI 장치를 통하여 제거가 곤란하기 때문에 95% 이상의 기름성분을 제거하기 위해선 CPI에, IAF 장치를 병행하여 강제부상시켜야 가능하다.

그러나 상기와 같은 시설이나 장치는 정유공장, 화학공장 등과 같이 폐수처리시설이 갖추어진 곳에서는 사용이 가능하지만 사고의 발생 등과 같이 비상사태의 경우에는 그 적용이 불가능하다. 왜냐하면 기름이 바다에 유출되면 조류의 흐름에 따라 그 피해 범위가 걷잡을 수 없이 확대되고 원유의 특성상 서로 뭉쳐져서 심해로 가라앉게 되므로 오염원을 정확하게 파악할 수 없기 때문이다.

따라서 기름의 해양오염과 같은 경우는 초기에 이를 방제하는 것이 무엇보다 중요하지만 현재까지 사용되고 있는 방안은 바다에 유화제를 살포하고 부직포를 들고 오염된 해안가를 닦아내는 것이 고작이다.

그러므로 본 고안은 혼합액체 특히 물과 기름이 혼합된 액체를 간단한 방법으로 분리할 수 있는 신규한 장치와 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 주된 과제로 삼는다.

상기한 과제를 해결하기 위하여 본 고안은

하우징(1)과;

상기 하우징(1)의 상부 일측면에 형성되어 혼합액체가 유입되는 유입관(2)과;

상기 하우징(1)의 하부 일측면에 형성되어 혼합액체 중 비중이 큰 액체가 유출되는 유출관(3)과;

상기 하우징(1)의 상부에 설치되어 모터에 의하여 회전하는 회전축(4)과;

상기 회전축(4)의 특정 위치에 부착되어 회전축과 함께 회전하는 3개의 임펠러(5)로 구성된 것을 특징으로 한 고속 회전이 가능한 원심 임펠러를 이용한 혼합액체의 분리장치를 주요 수단으로 한다.

본 고안의 분리장치를 사용하면 비교적 간단한 구성으로 비중차를 이용하여 손쉽게 혼합액체를 분리할 수 있으므로 간편하고 경제적일 뿐만 아니라 유화제의 과다 사용 또는 부직포의 폐기에 따른 2차적인 오염 발생의 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 효과가 기대된다.

이하 도면과 실시예를 참조하여 본 고안을 더욱 상세히 설명한다. 본 고안에서 사용되는 용어와 실시예는 본 고안의 이해를 돕기위한 바람직한 예에 해당되는 것일 뿐 본 고안의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니라 당업자가 쉽게 치환할 수 있는 범위까지 확장되어야 하는 것은 물론이다.

도 1은 본 고안의 원심 임펠러를 이용한 혼합액체의 분리장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이 본 고안은 하우징(1)과;

상기 하우징(1)의 상부 일측면에 형성되어 혼합액체가 유입되는 유입관(2)과;

상기 하우징(1)의 하부 일측면에 형성되어 혼합액체 중 비중이 큰 액체가 유출되는 유출관(3)과;

상기 하우징(1)의 상부에 설치되어 모터에 의하여 회전하는 회전축(4)과;

상기 회전축(4)의 특정 위치에 부착되어 회전축과 함께 회전하는 3개의 임펠러(5)로 구성되어 있으며 임펠러의 형상은 도 2에 도시되어 있다.

비중차가 있는 2개의 혼합액체가 하우징(1)의 상부 일측면에 형성된 유입관(2)을 통해 유입되면 모터에 의하여 하우징(1)의 상부에 설치된 회전축(4)이 회전하게 되며 상기 회전축(4)의 회전과 함께 도 2의 형상을 한 3개의 임펠러(5)가 회전하게 된다. 이 때 비중이 큰 액체는 원심력이 크기 때문에 원통의 가장자리에 비중이 작은 물질은 안쪽에 모이게 된다. 이에 대하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

주지하다시피 물체가 원운동을 하려면 가속도와 같은 원의 중심방향으로 작용하는 힘이 있어야 하는 데 이를 '구심력'이라고 하고, 가속도를 '구심가속도'라고 한다. 그러므로 원운동 하는 물체에서 수직한 힘이 없어진다면 힘이 사라지는 순간의 운동상태를 유지하게 되고 그 순간의 운동방향으로 빠르기를 유지하면서 운동하게 되므로 접선방향으로 나아가게 된다.

원심력은 구심력과 크기는 같고 방향은 반대이다. 질량 m인 물체가 반지름 r의 원주 상을 등속원운동하고 있다면 구심력의 크기 F는 F＝mrω２＝mv２ / r(ω는 각속도의 크기, v ＝ rω는 물체의 접선방향 속도의 크기)가 되므로, 원심력은 이 F의 방향을 바꾼 것에 해당된다. 따라서 회전하는 용기속에 질량이 M>m인 두 액체를 놓고 회전시키면 질량이 큰 M인 물체가 원심력이 더 커지게 되므로 비중이 큰 물질은 원통의 가장자리에 비중이 작은 물질은 안쪽에 모이게 되는 것이다.

본 고안의 구성으로 인하여 비중이 큰 액체는 하우징(1)의 하부 일측면에 형 성된 유출관(3)을 통해 유출하게 되며 비중차를 이용하여 손쉽게 액체를 분리할 수 있는 것이다.

도 2는 본 고안에 적용된 임펠러의 구조를 나타내는 도면이다. 본 고안에서 사용되는 임펠러는 도 2의(a)와 같이 다수의 칼날형 형상이 엇갈려 배치된 형태나 도 2의 (b)와 같이 톱니형으로 제작될 수도 있다. 본 고안은 혼합액체 특히 원유나 파라핀, 타르와 같이 점도가 큰 물질과 물의 혼합액체를 분리하는데 사용되므로 임펠러가 단순히 교반기능만 하는 것이 아니라 점도가 큰 액첼르 잘게 부숴주는 역할을 수행하여야 하므로 재질 또한 철과 같이 경도가 큰 재료를 사용하는 것이 바람직하다.

이하 본 고안의 혼합액체의 분리효과를 실시예를 통하여 입증한다.

<실시예 >

투명한 아크릴로 제작된 300L의 원통형 혼합용기(하우징)에 물100L와 색소 5L를 넣고 파라핀(비중:0.9) 70L를 혼합하였다. 모터를 회전시키면서 혼합액체를 천천히 가속시키면서 분리 효과를 관찰하였다. 모터의 회전수가 증가함에 따라 비중이 큰 물이 원통의 가장자리에 위치하고 내부에 파라핀이 위치하는 것을 확인하였다. 약 5분후 300rpm에서 모터를 정지시켜 배출관을 통해 가장 자리의 물을 배출시키고 용기 내부에 남아있는 액체의 양을 측정하였다. 측정 결과 남은 액체의 질량은 약 71kg으로 측정되었고, 300rpm에서의 물과 파라핀의 분리의 효과는 92%로 나타났다.

상기와 같은 실시예를 통해 본 고안은 비중차를 이용하여 손쉽게 혼합액체를 분리할 수 있는 효과가 있음을 알 수 있다.

도 1은 본 고안의 원심 임펠러를 이용한 혼합액체의 분리장치의 구성을 나타내는 도면이다.

[도면의 주요부에 대한 설명]

1: 하우징 2: 유입관

3: 유출관 4: 회전축

5: 임펠러

Claims (3)

1. 하우징(1)과;

   상기 하우징(1)의 상부 일측면에 형성되어 혼합액체가 유입되는 유입관(2)과;

   상기 하우징(1)의 하부 일측면에 형성되어 혼합액체 중 비중이 큰 액체가 유출되는 유출관(3)과;

   상기 하우징(1)의 상부에 설치되어 모터에 의하여 회전하는 회전축(4)과;

   상기 회전축(4)의 특정 위치에 부착되어 회전축과 함께 회전하는 3개의 임펠러(5)로 구성된 것을 특징으로 한 고속 회전이 가능한 원심 임펠러를 이용한 혼합액체의 분리장치
2. 제1항에 있어서,

   상기 임펠러의 형상이 도2(a)인 것을 특징으로 한 고속 회전이 가능한 원심 임펠러를 이용한 혼합액체의 분리장치
3. 제1항에 있어서,

   상기 임펠러의 형상이 도2(b)인 것을 특징으로 한 고속 회전이 가능한 원심 임펠러를 이용한 혼합액체의 분리장치

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