KR20100093625A - 미립자 합체형 고형물분리기 - Google Patents

Abstract

본 발명품은 싸이클론 내부 위쪽에 동심을 이루도록 2~6 mm 틈의 일정한 간격으로 원형판이 적층된 회전체를 설치하여 회전축을 별도의 동력원으로 고속 회전시키며, 작은 입자를 포함하는 유체를 동 회전체 축 쪽에서 주입하면, 유체는 회전하며 회전축 쪽에서 싸이클론 원주 벽 쪽으로 흐르게 하여, 유체에 포함된 입자는 회전체와 같은 속도에 상응하는 원심력을 가지게 하고, 회전체의 속도를 임의로 조정할 수 있어 다량의 시료를 처리할 수 있도록 싸이클론 직경을 키울 수 있어 기기 이용 편의성을 높일 수 있고, 싸이클론의 직경 크기에 관련 없이 2~6mm 틈의 일정한 간격으로 다수의 원형판을 설치하여 분리 면적을 확장할 수 있으며, 방사상 원심력의 힘으로 비중 및 크기에 따라 원형판 위에서 재 배열된 입자들이 일정한 체류 시간 내에 벽면에 쉽게 포집, Van Der Waals 힘에 의해 합체될 수 있게 하여 작은 입자 분리 효율이 좋아지게 진다.

미립자 합체, 원심분리기, Van Der Waals 힘, 원심력, 중력가속도

Description

미립자 합체형 고형물분리기{Particle Coalescing Separator}

입자를 유체로부터 분리하기 위해 중력 또는 원심력을 이용하는 다양한 기법들이 있다. 부상력이 있는 부유 입자를 분리하려면 입자의 농도와 입자의 집적도를 고려해야 한다. 유체 중의 입자는 자신보다 비중이 낮은 유체 내에서 중력에 의해 침강되며, 입자의 직경과 밀도에 따라 상이한 침강 속도를 보인다. 따라서 유체 내에서 작은 크기의 입자를 효과적으로 분리하려면 분리 면적을 넓히거나, 작은 입자를 합체하여 침강속도를 높여야 한다. 작은 입자인 경우 중력에 의해 침강할 때 원심력을 부가하여 분리 효율을 높일 수 있다.

원심력을 이용하는 장치로는 원심분리기와 싸이클론이 있다. 양 기종간의 가장 큰 차이점은 원심분리기는 분리기 내부의 액체가 일정한 각속도를 가진 몸체와 함께 회전하는데 반해, 싸이클론은 일정한 각 운동 조건, free vortex, 로 작동되는 점이다. 고형물과 액체의 비중 차이는 양 기종에서 필수적 요소이다. 이러한 비중차이로 원심분리의 효과가 실현된다. 원심분리기 내부의 체류시간은 낮은 비중차이를 보상해주며 배치식 원심분리도 가능하게 한다. 싸이클론에서는 이러한 편의점이 없다. 비중차이가 큰 경우에 이클론은 효과적으로 2 um 이상의 입자를 분리할 수 있으며, 그 이하의 입자는 싸이클론 내부의 복잡한 흐름 형태와 난류에 의해 효과가 적다.

싸이클론은 직립한 시린다 형태의 분리 챔버 이며 유체에 포함된 입자를 회전운동 하게 하여 원심력을 생성하고 입자를 벽면에 따라 분리해 낸다. 싸이클론 같은 원심분리기에 적용되는 힘은 다음 공식[1]에 따른다.

[1]

Fc - 입자에 부하되는 원심력

m - 입자의 중량

v - 유입구의 접선방향 유속 (입자의 접선방향 속도)

r - 싸이클론의 반지름

상기 공식은 속도가 일정할 경우 r 값을 적게 하면 Fc가 증가하는 것을 보여준다. 따라서, 작은 입자를 제거하기 위한 대부분의 고효율 싸이클론은 가능한 작은 직경을 가지고 있다.

싸이클론을 선정하는 데는 여러 가지 이론이 있다. 이중 가장 잘 알려진 이론으로는, "정해진 크기의 입자는 싸이클론 내부에서 벽면에 도달하는데 필요한 시간만큼 체류하면 포집된다."는 residence time theory (Svarovsky, 1981) 이다. 이러한 전제로 싸이클론에서 포집된 입자의 크기는 공식 [2]에 따른다.

[2]

D₅₀ - 포집입자 크기

Dc - 싸이클론 시린더 부 직경

u - 유체의 점도

Q - 유체의 유입량

ρ - 유체의 비중

ρ_s - 입자의 비중

K - 싸이클론 설계의 특성계수

작은 입자를 분리하기 위한 기존의 싸이클론은 상기 공식[1]에서 일정한 유속에서 원심력을 크게 하려면 가능한 작은 직경을 가지게 한다. 따라서,

작은 입자를 포함하는 많은 양의 유체를 처리하려면 작은 직경을 가진 싸이클론을 다수 병렬로 조합하여 사용하여 기기의 규모가 커진다.

싸이클론의 원심력은 유입구에서 접선 방향으로 주입되는 유속 (즉, 입자의 접선방향 속도)에 직접 연계된다. 유입구 관경과 싸이클론의 직경에 의해 유속을 높이는데 한계가 있다. 상기 공식[2]에서 다른 조건이 일정할 경우, 싸이클론의 실린더 직경과 유입 유체의 유속(즉, 입자의 접선방향 속도)에 의거 분리되는 입자의 크기 d₅₀ 가 결정된다.

본 발명품은 싸이클론 내부 위쪽에 동심을 이루도록 2~6 mm 틈의 일정한 간격으로 원형판이 적층된 회전체를 설치하여 회전축을 별도의 동력원으로 고속 회전시키며, 작은 입자를 포함하는 유체를 동 회전체 축 쪽에서 주입하면, 유체는 회전하며 회전축 쪽에서 싸이클론 원주 벽 쪽으로 흐르게 하여, 유체에 포함된 입자는 회전체와 같은 속도에 상응하는 원심력을 가지게 하고, 회전체의 속도를 임의로 조정할 수 있어 다량의 시료를 처리할 수 있도록 싸이클론 직경을 키울 수 있어 기기 이용 편의성을 높일 수 있고, 싸이클론의 직경 크기에 관련 없이 2~6mm 틈의 일정한 간격으로 다수의 원형판을 설치하여 분리 면적을 확장할 수 있으며, 방사상 원 심력의 힘으로 비중 및 크기에 따라 원형판 위에서 재 배열된 입자들이 일정한 체류 시간 내에 벽면에 쉽게 포집, Van Der Waals 힘에 의해 합체될 수 있게 하여 작은 입자 분리 효율이 좋아지게 진다.

기존의 싸이클론은 유입구 직경과 싸이클론 실린더 직경 때문에 유속을 높이는데 한계가 있으며, 처리량 및 작은 입자 분리 효율이 낮았다. 원형판을 포함하는 회전체가 설치된 본 발명품은

첫째: 포함된 입자는 회전체와 같은 속도에 상응하는 원심력을 가지게 되고,

둘째: 회전체의 속도를 임의로 조정할 수 있어 하이드로싸이클론 직경을 키워 다량의 시료를 처리할 수 있으며,

셋째: 싸이클론의 직경 크기에 관련 없이 2~6mm 틈의 일정한 간격으로 다수의 원형판을 적층하여 분리 면적을 확장할 수 있으며,

넷째: 방사상 원심력의 힘으로 비중 및 크기에 따라 원형판 위에서 재 배열된 입자들이 일정한 체류 시간 내에 벽면에 쉽게 포집, Van Der Waals 힘에 의해 합체될 수 있게 하여 작은 입자 분리 효율이 좋아지게 진다.

본 발명은 미립자 합체형 고형물분리기에 관한 것으로, 연결 플랜지를 갖춘 싸이클론 실린더(01), 싸이클론 원추형 관(02), 유체 유입구(03), 연결 플랜지를 갖춘 회전체 지지부(04), 그리고 상향류 유도관(05)을 중심에 장착할 수 있는 중공형 회전축(06), 회전축에 2~6mm 동일한 틈새로 동심원을 이루도록 다수의 원형판(07)이 적층된 회전 본체(08)로 구성된다.

[도 1]에 도시한 것과 같이, 중공형 회전축(06) 중심에는 상향류 유도관(05)이 장착되며, 동 회전축 상단에는 별도 동력원에 결합될 수 있는 키홈1과 하단에는 원형판(07)을 포함하는 회전 본체(08)에 결합될 수 있는 키홈2가 있다.

[도 2]에 도시한 것과 같이, 연결 플랜지를 갖춘 회전체 지지(04)부에는 베어링 뭉치(11)가 장착되어 회전체 지지부(04)와 결합되는 중공형 회전축(06)이 별도의 동력원에 의해 고속 회전할 수 있게 한다.

[도 3]에 도시한 것과 같이, 회전본체(08)를 구성하는 원형판(07)은 상면에 나선형 적층홈, 하면에 나선 구조의 적층 돌기가 있으며, 상부 고정판(09) 및 중앙에 연결 구멍이 일체로 부착된 하부 고정판(10) 사이에 끼워진 후 고정볼트 및 너트에 의해 견고하게 조립된다. 동 원형판은 시료의 상태나 사용 목적에 따라 간편하게 적층 매수를 가감할 수 있다. 조립이 완료된 회전 본체(08)는 회전축(05) 하단과 하부 고정판(10)의 연결 구멍을 결합한 후 고정키 및 조임 나사를 조여서 고정한다.

[도 1]에 도시한 것 과 같이, 유체 유입구(03)를 통해 고형물을 포함한 유체가 유입되면 [도 4]의 구성 예와 같이 회전본체(08)를 구성하는 원형판(07) 중앙의 개구부와 회전축(06) 사이의 공간을 지나 원형판(07)의 틈새와 하단의 나선 구조의 고정돌기 사이를 통과하여 싸이클론 실린더 원주 벽면에 도달하게 된다. 이때 작은 입자를 포함한 유체는 회전 본체(08)와 유사한 속도로 회전하여 원심력이 발생하고, 작은 입자는 원형판(07) 중심부에서 싸이클론 벽면에서 회전 방향으로 이루진한 나선 구조의 고정돌기 수직면을 따라 흐르면서 상호 충돌하여 합체를 이루며 싸이클론 원주 벽면에서 최대 원심력에 노출된다.

고속 회전에 의한 원심력과 합체 작용으로 키워진 입자들은 원형판(07)을 경유하여 싸이클론 실린더 원주 벽면을 따라 고속 회전하며 개별 입자의 크기 및 비중에 의해 싸이클론 축을 중심으로 배열되며, 원주 벽면 가까이 위치하는 큰 입자와 비중이 큰 입자는 하향류를 따라 하부 배출관을 통해 싸이클론 하부로 배출되며, 중심 축 가까이 위치하는 작은 입자 및 비중이 작은 입자는 싸이클론 내부 압력 차이에 의해 발생한 상향류를 따라 상향류 유도관(05)을 통해 싸이클론 상향류 배출구(13)로 배출된다.

본 발명품에 대하여 더 상세하게 설명한다.

[도 3]에 도시된 원형판(07) 상면에는 나선형의 적층 홈이 있으며 하면에는 원형판이 적층 될 때 틈새를 유지해주는 적층 돌기가 있다. 원형판(07)이 적층될 때 상기 적층 홈에 적층돌기 면의 돌출부가 상호 맞대어져서 원형판(07) 간의 틈새를 유지하며, 고속회전 환경에서도 회전본체(08)의 안전성을 유지할 수 있다. 또한, 동 적층 돌기는 싸이클론 원주 벽면에서 회전방향으로 나선형 구조로 되어 있어 고속 회전 환경에서도 유체 흐름을 원활하게 하며, 고정돌기의 수직면을 따라 유체에 함유된 작은 입자가 흐르면서 상호 충돌하여 합체됨으로써 분리를 용이하게 할 수 있는 것이다.

이상으로, 본 발명에 의한 미립자 합체형 고형물 분리기에 대해 설명하였으나, 본 발명의 권리 범위는 도면에 도시된 구조에 한정되는 것이 아니고, 특허청구 범위에 기재된 사항과 균등한 범위의 모든 기술적 사상에 대하여 미친다고 할 것이다.

도 1: 미립자 합체형 고형물 분리기 개요도

도 2: 회전본체 측면 및 종단면 일례도

도3 : 회전판 개요도

도 4: 회전판 적층 및 종단면 일례도

도 5: 미립자 합체형 고형물 분리기 실행 일례도

01 : 싸이클론 시린더

02 : 싸이클론 원추형관

03 : 유체 유입구

04 : 회전체 지지부

05 : 상향류 유도관

06 : 중공형 회전축

07 : 원형판

08 : 회전본체

09 : 상부 고정판

10: 하부 고정판

11: 베어링 뭉치

12: 회전축 지지플랜지

13: 상향류 배출구

Claims (5)

1. 미립자 합체형 고형물 분리기에 있어, 연결 플랜지를 갖춘 싸이클론 실린더, 싸이클론 원추형 관, 유체 유입구, 연결 플랜지를 갖춘 회전체 지지부, 그리고 상향류 유도관을 중심에 장착할 수 있는 중공형 회전축, 회전축에 2~6mm 동일한 틈새로 동심원을 이루도록 다수의 원형판이 적층된 회전 본체로 구성 되는 것을 특징으로 하는 미립자 합체형 고형물 분리기.
2. 청구항 1에 있어, 연결 플랜지를 갖춘 회전체 지지부에는 수개의 베어링이 장착되어 회전체 지지부와 결합되는 중공형 회전축이 별도의 동력원에 의해 800~5000 rpm으로 고속회전 할 수 있는 것을 특징으로 하는 미립자 합체형 고형물 분리기.
3. 청구항 1에 있어, 회전본체를 구성하는 원형판은 상면에는 나선형 적층홈, 하면에 나선 구조의 적층 돌기가 있어, 시료의 상태나 사용 목적에 따라 간편하게 원형판의 적층 매수를 가감할 수 있는 것을 특징으로 하는 미립자 합체형 고형물 분리기.
4. 원형판 상면에는 나선형의 적층 홈이 있으며 하면에는 원형판이 적층 될 때 틈새를 유지해주는 나선형의 적층 돌기가 있다. 원형판이 적층될 때 상기 적층 홈에 적층돌기 면의 돌출부가 상호 맞대어져서 원형판 간의 틈새를 유지해 주며, 고속회전 환경에서도 회전본체의 안전성을 유지할 수 있는 것을 특징으로 원형판.
5. 청구항 4에 있어, 적층 돌기는 싸이클론 원주 벽면에서 회전방향으로 나선형 구조로 되어 있어 고속 회전 환경에서도 유체 흐름을 원활하게 하며, 고정돌기의 수직면을 따라 유체에 함유된 작은 입자가 흐르면서 상호 충돌하여 합체됨으로써 분리를 용이하게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 원형판.

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