KR20110027209A - 미립자 합체형 고형물 분리방법 및 분리장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산업 폐수, 축산 폐수 또는 음식폐기물 압착 탈리액 중의 미세
고형입자를 포함하는 유체를 영구자석 유도관에 통과시켜 미세고형입자의 이온 특성을 변화시켜 합체를 촉진하는 자화 처리공정, 하이드로싸이클론으로 고형 입자를 1차로 분리하는 공정, 디스크판합체형 원심분리기로 미세고형입자를 합체하여 2차로 분리하는 공정, 그리고 분리된 고형물을 탈수하는 공정으로 구성되어, 고분자 응집제를 첨가하지 않고 유체에서 미세고형입자를 분리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명의 자화처리공정은 비자성체 금속 또는 합성수지 관으로 만들어진 자화 코일관의 각 회전층, 상 측면 및 하 측면에 N과 S극을 마주보게 구성된 영구자석 뭉치 1 개조 이상을 등 간격으로 동심원을 이루도록 배치한 자화 코일관에 미세입자를 포함하는 유체를 빠르게 흐르게 하면 자기장 강도가 강한 자력선에 직각으로 통과하는 이온이 증가함에 따라 로렌쯔 힘이 증가되고 미세입자 이온에 이웃하는 층 중의 이온과 이온 주변의 물 분자를 변하게 하여 미세고형입자의 결정 형성을 촉진한다. 로렌쯔 힘은, 자화 코일관의 각 회전 층에 배치된 영구자석 뭉치의 숫자와 자화 코일관의 회전 층 수의 곱 숫자 만큼 반복적으로 유체에 적용되어 미세고형입자의 응집 형성을 촉진하게 된다.
본 발명의 하이드로싸이클론은 싸이클론 내부 위쪽에 동심을 이루도록 2~6 mm 틈의 일정한 간격으로 원형판이 적층된 회전체를 설치하여 회전축을 별도의 동력원으로 고속 회전시키며, 미세고형입자를 포함하는 유체를 동 회전체 축 쪽에서 주입하면, 유체는 회전하며 회전축 쪽에서 합체판 틈 사이를 빠르게 회전하며 사이클론 원주 방향 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, 싸이클론 하단의 원추형 분리관에서 자유 회전류(free vortex)를 이루며 큰 입자는 하향류와 함께 하단 배출구로 배출되며, 미세 입자는 상향류와 함께 상단의 배출구로 배출된 후 2차 처리 장치인 디스크판합체형 원심분리기로 유입된다.
본 발명의 디스크판 합체형 원심분리기는 1~3mm 틈의 일정한 간격으로 동심을 이루며 다수 적층된 원추형 디스크판을 내장하는 회전 로터 중심축 상부의 유입구로 미세고형입자를 포함하는 유체를 주입하면 로터의 회전에 상응한 단일 회전류 (single forced vortex)를 이루며 접선 방향으로 가속된 후 간격이 좁은 원추형 디스크판 판 사이의 채널로 흐른다. 원심력 하에서 미세고형 입자는 원추형 디스크판의 아래 면에 침전되어 합체되고 디스크판과 로터 보울이 이루는 경사각과 합체된 침전물의 중량에 의해 로터 보울 원주 쪽으로 밀려난 후 로터 보울 원주 면을 따라 배열된 배출노즐을 통해 배출된다. 가벼운 유체는 원추형 디스크판 위 쪽으로 떠 오른 후 처리액 배출구를 통해 배출된다. 디스크판은 원추 형상으로 용도에 따라 50~150 개의 디스크판이 적층 됨으로 개별 디스크판의 경사면과 디스크판 숫자를 곱한 면적 만큼 침전 분리면적이 크게 확장될 수 있다. 침전을 위한 원심력은 "미세 고형 입자와 유체의 비중차이", "로터 보울 회전으로 생성된 원심력" 및 "수평면과 디스크판이 이루는 경사각의 Sine값"을 곱한 값으로 정해진다.
미립자 합체, 원심력, 하이드로싸이클론, 디스크판합체형 원심분리기, 중력가속도

Description

미립자 합체형 고형물 분리방법 및 분리장치{Particle Coalescing Separation Method and Equipments}
자기장은 이온 주변에 위치하는 물 분자에 영향을 주어 수화 셀의 비 대칭을 만드는 것으로 알려진다. 또한, 자기장은 뒤따르는 다른 증폭 결합으로 어떤 이온 간의 결합을 약화시킨다. 이러한 변화는 이온의 결합 또는 결정의 핵을 형성하게 한다. 결과적으로 자기의 반대 흐름은 이온 운동의 방향을 변경하였으며, 이온 쌍 형성을 매우 손쉽게 하고 더 복잡하게 모아지게 하여 가까이 있는 입자를 응집하는데 크게 기여한다. 용액 중에 단단한 표면이 있으면 결정 형성에 소요되는 에너지가 용액 중에서 핵이 형성되는 데 소요되는 것보다 상당히 적기 때문에 응집이 상당히 빨리 진행된다. 이러한 자기장 특성을 이용하여 배관 내부의 스케일 형성 억제 또는 제거, 수처리 공정의 처리 효율을 향상시키는 다양한 장치가 상용화되어 있다.
입자를 유체로부터 분리하기 위해 중력 또는 원심력을 이용하는 기법들이 있다. 부상력이 있는 부유 입자를 분리하려면 입자의 농도와 입자의 집적도를 고려 해야 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 단일 회전류(single forced vortex)를 생성하고, 반면에 싸이클론은 일정한 각 운동에 의한 자유 회전류(free vortex)를 생성하여 작동되는 점이다. 고형물과 액체의 비중 차이는 양 기종에서 필수적 요소이다. 이러한 비중차이로 원심분리의 효과가 실현된다. 비중차이가 큰 경우에 하이드로싸이클론은 효과적으로 2 um 정도의 입자를 분리할 수 있지만, 음식물폐기물 탈리액과 축산 폐수 같은 유기성 입자는 물과의 비중차이가 크지 않아 분리해 낼 수 있는 입자의 크기에 한계가 있다. 디스크판 합체형 원심분리기는 넓은 분리면적과 고속 회전에 따른 큰 원심력을 활용 할 수 있어 비중차이가 적은 1 um 정도의 유기성 미세 고형물 분리에도 효과적으로 이용할 수 있다.
가. 자화 처리:
자기장은 이온 주변에 위치하는 물 분자에 영향을 주므로 수화 셀의 비 대칭을 만드는 것으로 알려진다. 또한, 자기장은 뒤따르는 다른 증폭 결합으로 어떤 이온 간의 결합을 약화시킨다. 이러한 변화는 이온의 결합 또는 결정의 핵을 형성하게 한다. 결과적으로 자기의 반대 흐름은 이온 운동의 방향을 변경하였으며, 이온 쌍 형성을 매우 손쉽게 하고 더 복잡하게 모아지게 하여 가까이 있는 입자를 응집하는데 크게 기여한다. 용액 중에 단단한 표면이 있으면 결정 형성에 소요되는 에너지가 용액 중에서 핵이 형성되는 데 소요되는 것보다 상당히 적기 때문에 응집이 상당히 빨리 진행된다. 자기장은 다음 공식으로 계산된 로렌쯔 힘을 형성하고 이를 통해 이온에 영향을 준다.
Figure 112009055657102-PAT00001
[1]
F-로렌쯔 힘
K- 비례 계수
q- 이온 전하량
v- 이온 속도
H- 자기장 강도
a- 이온 흐름에 대한 자기장 방향의 각도
공식[1]은 이온 전하량, 유속, 자기장 강도 및 자력선에 직각으로 통과하는 이온이 증가함에 따라 로렌쯔 힘이 증강되는 것을 보여준다. 로렌쯔 힘은 자석을 배열하는 방향에 따라 양성 또는 음성으로 이온화(양이온 또는 음이온) 하도록 작 용한다.
(자료: Journal of Colloid and Interface Science 236, p60-66 (2001), "Dispersion Destabilization in Magnetic Water Treatment")
나. 하이드로싸이클론 분리:
싸이클론은 직립한 실린다 형태의 분리 챔버 이며 유체에 포함된 입자를 회전운동 하게 하여 원심력을 생성하고 입자를 벽면에 따라 분리해 낸다. 싸이클론 같은 원심분리기에 적용되는 힘은 다음 공식[2]에 따른다.
Figure 112009055657102-PAT00002
[2]
Fc- 입자에 부하되는 원심력
m- 입자의 중량
v- 유입구 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 시 간만큼 체류하면 포집된다."는 residence time theory (Svarovsky, 1981) 이다. 이러한 전제로 싸이클론에서 포집된 입자의 크기는 공식 [3]에 따른다.
Figure 112009055657102-PAT00003
[3]
D50 - 포집입자 크기
Dc- 싸이클론 실린더 부 직경
μ - 유체의 점도
Q- 유체의 유입 유량
ρL - 유체의 비중
ρS -입자의 비중
K - 싸이클론 특성계수
다. 디스크판합체형 원심분리기:
디스크판합체형 원심분리기는 통상 수직으로 설치된다. 고형물-액체상 유체는 주입구를 경유하여 기기로 유입되고 방사상 날개로 접선 방향으로 가속된 후 간격이 좁은 원추형 디스크판 판 사이의 채널로 흐른다(도 7). 원심력 하에서 무거운 고형물은 디스크판 밑면을 따라 원추형 디스크판 아래 쪽으로 흐르며 가벼운 유체는 원추형 디스크판 위 쪽으로 떠 오른다. 디스크판은 원추 형상으로 강하고 단단하다. 용도에 따라 보통 50~150 개의 디스크판이 적용된다. 원심력으로 부유 입자 를 디스크판 아래 면에 침적되게 하기 위해 디스크판 간격은 일반적으로 0.4~3mm 이다. 침전을 위한 원심력은 "고형물과 유체의 비중차이(ρS-ρL)", "원심가속도(G)", "수평면과 디스크판이 이루는 경사각의 사인 값(Sin θ)"을 곱한 값으로 경사된 디스크판에 적용되며, 4000~15000g(통상 5000~7000g)범위의 큰 원심가속도에 의해 크게 강화된다. 디스크판분리기의 다른 장점은 디스크판의 숫자와 경사면 만큼 침전 분리면적을 크게 넓힐 [확장 분리면적: (N-1) *A*Sin θ, N: 디스크판 수, A: 디스크판 단위 면적] 수 있는 점이다. 디스크판에 요구되는 다른 사항은 원심력에 의해 모아진 침전물이 경사면을 따라 연속적으로 제거되어야 하는 것이다. 이러한 고려에 따라 수평면과 원추형 디스크판이 형성하는 경사각에 의해 침전물에 "원심가속도(G)"와 "수평면과 디스크판이 이루는 경사각의 코사인 값(Cos θ)" 을 곱한 값의 힘이 작용하여, 디스크판 하단에 집적된 침전물이 연속적으로 배출 될 수 있는 것이다.
디스크판합체형 원심분리기의 처리량은 시그마 팩터 개념(Amber, 1952)으로 추정할 수 있다. 동 개념에 의하면 중력식 침전 탱크와 동일한 면적을 확보한 원심분리기의 처리 유량은 아래 식에 비례한다.
[4]
Figure 112009055657102-PAT00005
[5]
Figure 112009055657102-PAT00006
[6]
Q: 처리 유량
vg: stock's 중력 침전속도
Σ: 디스크판 합체형 원심분리기 시그마 팩터 값
N: 디스크판 판 적층 매수
ω: 각속도
d : 미세입자의 직경
g: 중력 가속도
ρS: 입자의 비중
ρL: 유체의 비중
μ: 유체의 점도
R1: 디스크판 내측단과 회전축과의 거리
R2: 디스크판 외측단과 회전축과의 거리
θ: 디스크판과 회전축이 이루는 경사각
본 발명은 산업 폐수, 축산 폐수 또는 음식폐기물 압착 탈리액 중의 미세
고형입자를 포함하는 유체를 영구자석 유도관에 통과시켜 미세 고형입자의 이온 특성을 변화시켜 합체를 촉진하는 자화 처리공정, 하이드로싸이클론으로 고형 입자를 1차로 분리하는 공정, 디스크판 합체형 원심분리기로 미세 고형입자를 합체하여 2차로 분리하는 공정, 그리고 분리된 고형물을 탈수하는 공정으로 구성되어, 고분자 응집제를 첨가하지 않고 유체에서 미세 고형물을 분리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이를 위한 위한 연속식 자화 유도관의 구성, 50 um 이상의 입자를 다량으로 처리 할 수 있는 하이드로싸이클론의 구성과, 1 um 정도까지의 입자를 분리 할 수 있는 디스크판합체형 원심분리기의 구성과 동 장비들을 연계하여 연속으로 유체에 포함된 미세입자를 분리해 내는 방법을 실현코자 한다.
가. 자화 처리
비자성체 금속 또는 합성수지 관으로 만들어진 자화 코일관의 각 회전층, 상 측면 및 하 측면에 N과 S극을 마주보게 구성된 영구자석 뭉치 1 개조 이상을 등 간격으로 동심원을 이루도록 배치한 자화 코일관에 유체를 빠르게 흐르게 하면 자기장 강도가 강한 자력선에 직각으로 통과되는 이온이 증가함에 따라 로렌쯔 힘이 증가되고 이온에 이웃하는 층 중의 이온과 이온 주변의 물 분자를 변하게 하여 작은 입자의 결정 형성을 촉진한다. 로렌쯔 힘은, 자화 코일관의 각 회전 층에 배치된 영구자석 뭉치의 숫자와 자화 코일관의 회전 층 수의 곱 숫자 만큼 반복적으로 유체에 적용되어 미세입자응집 형성을 촉진하게 된다.
나. 하이드로싸이클론 1차 분리:
하이드로싸이클론 내부 위쪽에 동심을 이루도록 2~6 mm 틈의 일정한 간격으로 원형판이 적층된 회전체를 설치하여 회전축을 별도의 동력원으로 고속 회전시키며, 응집이 촉진된 유체를 동 회전체 축 쪽에서 주입하면, 유체는 회전하며 회전축에서 바깥 방향 쪽으로 흐르게 하여, 유체에 포함된 입자는 회전체와 같은 속도에 상응하는 원심력을 가지게 하고, 회전체의 속도를 임의로 조정할 수 있어 다량의 시료를 처리할 수 있도록 하이드로싸이클론 직경을 키울 수 있어 기기 이용 편의성을 높일 수 있고, 하이드로싸이클론 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.
다. 디스크판합체형 원심분리기 2차 분리:
고속으로 회전하는 디스크판합체형 원심분리기의 안정성과 분리 효율을 높이 기 위해서는 회전 스핀들 뭉치의 효과적인 설계와 유체유입 및 처리액 배출부의 기밀이 중요하다.
스핀들 뭉치의 상단 및 하단에 다수의 베어링이 배열되고 충격을 흡수할 수 있는 수 있는 스프링을 내장한 베어링 뭉치를 설치하여 고속 회전하는 로터 보울의 안정적인 구동을 확보할 수 있으며, 유체 유입부 상단과 처리수 배출단에 액체자석을 적용한 액체마그네트 씰을 적용하여 기존의 메카니칼 씰이 고속으로 적용되었을 때 발생하였던 씰의 마모와 누설을 방지하므로 유체 유입부, 처리수 배출부 및 합체된 고형물을 배출하는 노즐부의 압력을 효과적으로 제어할 수 있어 디스크판합체형 원심분리기의 처리 효율을 최적화 할 수 있다.
가. 물리적인 자화처리 장치에서 생성된 로렌쯔 힘으로 미세입자 이온과, 이온 주변의 물 분자를 변하게 하여 작은 입자의 결정 형성을 촉진할 수 있어 화학처리제인 고분자 응집제를 첨가하지 않은 상태에서 미세입자의 응집을 형성 할 수 있으며,
나. 기존의 하이드로싸이클론은 유입구 직경과 싸이클론 실린더 직경 때문에 유속을 높이는데 한계가 있으며, 처리량 및 작은 입자 분리 효율이 낮았다. 원형판을 포함하는 회전체가 설치된 본 발명품은 회전체와 같은 속도에 상응하는 원심력을 가지게 되고, 회전체의 속도를 임의로 조정할 수 있어 싸이클론 직경을 키워 다량의 시료를 처리할 수 있으며, 싸이클론의 직경 크기에 관련 없이 2~6mm 틈의 일 정한 간격으로 다수의 원형판을 적층하여 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 하고,
다. 로터 보울의 고속의 회전을 전달하는 회전 스핀들 뭉치의 효과적인 설계로 디스크판합체형 원심분리기의 안정성을 높일 수 있으며 액체자석을 적용한 액체 마그네트 씰은 씰의 마모와 누설을 효과적으로 방지 할 수 있어 유체유입부, 처리액 배출부 및 합체된 고형물을 배출하는 노즐부의 압력을 효과적으로 제어할 수 있어 디스크판합체형 원심분리기의 처리 효율을 최적화 할 수 있다.
본 발명은 산업 폐수, 축산 폐수 또는 음식폐기물 압착 탈리액 중의 미세
고형입자를 포함하는 유체를 영구자석 유도관에 통과시켜 미세 고형입자의 이온 특성을 변화시켜 합체를 촉진하는 자화 처리공정, 하이드로싸이클론으로 고형 입자를 1차로 분리하는 공정, 디스크판 합체형 원심분리기로 미세 고형입자를 합체하여 2차로 분리하는 공정, 그리고 분리된 고형물을 탈수하는 공정으로 구성되어, 고분자 응집제를 첨가하지 않고 유체에서 미세 고형물을 분리하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
[도 1]에 도시한 것과 같이, 1 공정은 도시외 공급 펌프로 미세입자가 포함된 유체를 자화처리장치(A)에 주입하고, 2 공정은 유체에 포함된 미세 입자가 자화 처리장치 외주 면에 마주보게 장착한 영구자석에서 발생된 로렌쯔 힘에 의해 입자 이온과 이송매체인 물 분자의 특성을 변화시켜 미세입자 응집을 촉진하고, 3 공정은 다수의 적층판을 고속으로 회전할 수 있게 구비된 하이드로싸이클론(B)이 1차로 미세입자를 분리하여 고형물 및 유체를 각각 다음 공정(고형물: 5공정, 유체: 4공정)으로 이송하고, 4 공정은 디스크판합체형 원심분리기(C)의 로터 보울 내의 디스크판 사이의 채널에서 강한 원심력의 작용으로 미세입자는 디스크판 아랫면에서 합체된 후 로터 보울 원주 면에 장치된 노즐을 통해 배출된 후 다음 공정(5 공정)으로 이송하고, 처리된 유체는 디스크판 경사면 상단부를 지나 처리 유체 배출구에서 배출되어 수 처리장으로 보내지며, 5 공정은 도시외 스크류 프레스 또는 벨트 프레스와 같은 탈수기로 전 공정에서 이송된 고형물을 탈수하여, 탈수 유체는 반복 처리 될 수 있도록 전 1공정으로 반송하며, 분리된 고형물은 고형물 집하장으로 보내진다.
본 특허 구성품에 대하여 더 상세하게 설명한다
자화처리장치는 도시외 철분제거기, 자화 코일관(A101),영구자석 뭉치(A102), 응집 형성 코일관(A103), 응집 내부하우징 및 응집 외부 하우징 으로 구성된다. 도시 외 수조 또는 저장 탱크에서 펌프로 양정 된 유체는 철분 제거기를 통과한 후, 응집 내부 하우징 상단에 감겨있는 자화 코일관(A101)을 빠르게 통과하여 흐른다. 철분 제거기는 원주 면에 방사상으로 영구자석을 배치하여 유체가 철분 제거기 내부를 통과할 때, 철분 등 자성체를 사전에 포집, 제거하여 자화 코 일관(A101)의 막힘을 방지한다.
[도 3]에 도시한 것과 같이 비자성체 금속 또는 합성수지 관으로 만들어진 자화 코일관(A101)의 각 회전층, 상 측면 및 하 측면에 N과 S극을 마주보게 구성된 영구자석 뭉치(A102) 1 개조 이상을 등 간격으로 동심원을 이루도록 배치한다. 이때, 자석의 극성은 자화 코일관(A101)의 회전층 상측에 S극, 회전층 하측에 N극이 되게 하여, 자화 코일관(A101)을 빠르게 회전하며 흐르는 유체에 직각 방향으로 자기장이 작용할 수 있게 되므로 시료가 최대의 로렌쯔 힘(Lorentz force)에 노출되며, 동 로렌쯔 힘은 자화 코일관(A101)의 각 회전 층에 배치된 영구자석 뭉치(A102)의 숫자와 자화 코일관(A101)의 회전 층 수의 곱 숫자 만큼 반복적으로 유체에 적용된다. 응집이 촉진된 유체는 응집 내부 하우징 하단에 감겨있는 비 자성체 금속 또는 합성수지 관으로 만들어진 응집 형성 코일관(A103)을 흐르며 반응하여 고형물 군을 형성하여, 3 공정의 하이드로싸이클론의 유입구로 유입된다.
하이드로싸이클론은 연결 플랜지를 갖춘 싸이클론 실린더(B101 ), 싸이클론 원추형 관(B102), 유체 유입구(B103), 연결 플랜지를 갖춘 회전체 지지부(B104), 그리고 상향류 유도관(B105)을 중심에 장착할 수 있는 중공형 회전축(B106), 회전축에 2~6mm 동일한 틈새로 동심원을 이루도록 다수의 원형판(B107)이 적층된 회전 본체(B108)로 구성된다. 회전본체(B108)는 구성하는 원형판(B107) 사이에 틈 간격을 유지해주는 스페이서를 놓은 후 구멍을 통해 고정볼트 및 너트로 견고하게 조립할 수 있다. 동 원형판은 시료의 상태나 사용 목적에 따라 간편하게 적층 매수를 가감할 수 있다. 조립이 완료된 회전 본체(B108)는 중공형 회전축(B106) 하단과 하부 고정판(B110)의 연결 구멍을 결합한 후 고정키 및 조임 나사를 조여서 고정한다.
[도 3]에 도시한 것과 같이, 중공형 회전축(B106) 중심에는 상향류 유도관(B105)이 장착되며, 동 회전축 상단에는 별도 동력원에 결합될 수 있는 키홈1과 하단에는 원형판(B107)을 포함하는 회전 본체(B108)에 결합될 수 있는 키홈2가 있다.
[도 5 ]에 도시한 것과 같이, 연결 플랜지를 갖춘 회전체 지지(B104)부에는 베어링 뭉치(B111)가 장착되어 회전체 지지부(B104)와 결합되는 중공형 회전축(B106)이 별도의 동력원에 의해 고속 회전할 수 있게 한다.
[도 4]에 도시한 것 과 같이, 유체 유입구(B103)를 통해 고형물을 포함한 유체가 유입되면 [도 5]의 구성 예와 같이 회전본체(B108)를 구성하는 원형판(B107) 중앙의 개구부와 회전축 사이의 공간을 지나 원형판(B107)의 틈새를 통과하여 싸이클론 실린더 원주 벽면에 도달하게 된다. 이때 작은 입자를 포함한 유체는 회전 본체(B108)와 유사한 속도로 회전하여 싸이클론 원주 벽면에서 최대 원심력에 노출된다. 싸이클론 실린더 원주 벽면을 따라 고속 회전하는 개별 입자는 크기 및 비중에 의해 싸이클론 축을 중심으로 배열되며, 원주 벽면 가까이 위치하는 큰 입자와 비중이 큰 입자는 하향류를 따라 하부 배출관을 통해 싸이클론 하부로 배출되어, 5공정의 탈수기로 이송되며, 중심 축 가까이 위치하는 작은 입자 및 비중이 작은 입자 는 싸이클론 내부 압력 차이에 의해 발생한 상향류를 따라 상향류 유도관(B105)을 통해 싸이클론 상부로 배출된 후, 4공정의 디스크판합체형 원심분리기 유입구로 이송된다.
디스크판합체형 원심분리기는 본체 하우징(C100), 일정한 틈 간격으로 적층된 원추형 디스크판(403)을 내장한 로터 보울, 유체 유입부, 스핀들 뭉치, 스핀들 뭉치 덮게(C503), 분리된 고형물을 배출하는 배출 노즐(C404), 처리된 유체를 배출하는 처리 유체 배출부로 구성된다.
[도 6]에 도시한 것과 같이, 로터 보울은 상단부(C401)와 하단부(C402)로 구성되어 있으며, 도면에서 예시한 것과 같이 양 측 연결 플랜지 부위를 맞댄 후 볼트 및 너트로 견고하게 고정하거나, 양 측 연결부위 일단에 암나사 다른 일단에 숫나사를 형성 시킨 후 나사를 체결하여 상호 고정 할 수 있다. 로터 보울 내에는 회전축과 30~50도 경사를 이루는 원추형 디스크합체판(C403)을 동일한 틈 간격으로 적층하여 고정 볼트 및 너트로 견고하게 고정한다.
유체유입부는 유입부 캡(C305), 유입부 부싱(C302), 유입부 액체마그네트 씰(C304), 제일 하단 원추형 디스크판 내측 상단에 견고하게 연결되는 유입파이프로 구성된다. 유입파이프를 경유하여 유입된 미세고형물을 포함한 유체는 [도 7]에 도시한 것과 같이, 제일 하단 원추형 디스크합체판(403)의 아랫면과 로터 보울의 바닥면 사이에 형성된 공간에서 로터 보울의 회전 속도에 상응하도록 가속되면서 디스크판 외측 끝 부분에 등 간격으로 6~12 개 뚫려있는 유체 분배구멍을 통해 원 추형 디스크판(C403) 사이의 채널로 유입된다.
원심력 하에서 무거운 고형물은 디스크판 밑면을 따라 원추형 디스크판(C403) 아래 쪽으로 흐르며 가벼운 유체는 원추형 디스크판 위 쪽으로 떠 오른다. 디스크판(C403)은 스텐레스강 또는 유사한 재질로 만들어진, 원추 형상으로 강하고 단단하다. 용도에 따라 보통 50~150 개의 디스크판(C403)이 적용된다. 원심력으로 부유 입자를 디스크판(C403) 아랫면에 침전되게 하기 위해 디스크판(C403) 간격은 일반적으로 0.4~3mm 이다. 침전을 위한 원심력은 "고형물과 유체의 비중차이(ρS-ρL)", "원심가속도(G)", "수평면과 디스크판이 이루는 경사각의 사인 값(Sin θ)"을 곱한 값으로 경사된 디스크판에 적용되며, 4000~15000g(통상 5000~7000g)범위의 큰 원심가속도에 의해 크게 강화된다. 디스크판합체형 원심분리기의 다른 장점은 디스크판(C403)의 숫자와 경사면 만큼 침전 분리면적을 크게 넓힐 [확장 분리면적: (N-1) *A*Sin θ, N: 디스크판 수, A: 디스크판 단위 면적] 수 있는 점이다. 디스크판(C403)에 요구되는 다른 사항은 원심력에 의해 모아진 침전물이 경사면을 따라 연속적으로 제거되어야 하는 것이다. 이러한 고려에 따라 수평면과 원추형 디스크판(C403)이 형성하는 경사각에 의해 침전물에 "원심가속도(G)"와 "수평면과 디스크판(C403)이 이루는 경사각의 코사인 값(Cos θ)" 을 곱한 값의 힘이 작용하여, 디스크판(C403) 하단에 집적된 침전물이 연속적으로 배출 될 수 있는 것이다.
디스크판(C403) 아랫면에 합체된 후 로터 보울 원주 면에 모아진 고형물은 로터 보울 외주 면에 등 간격으로 장착된 12~24 개의 고형물 배출 노즐(C404)을 경 유해 본체 하우징(C100)과 스핀들 뭉치 덮게(C503) 사이의 공간 하단에 위치한 고형물 배출구(C101)로 배출된 후 5공정의 도시외 스크류프레스 또는 벨트프레스 형식의 탈수기로 이송되며, 디스크판 판 사이의 채널에서 미세고형물과 분리된 유체는 디스크판(C403) 내측단을 경유해 처리 유체 배출구로 배출된 후 수처리장으로 보내진다.
처리유체 배출부는 배출부 하우징(C201), 배출부 액체마그네트 씰(C204),
배출부 지지플랜지(C203), 처리유체 배출구(C202)로 구성된다. 배출부 액체마그네트 씰(C204)은 배출수의 누설을 방지하여 배출구(C202) 하단에 장착된 도시외 잠금 밸브로 배출 수량을 조절하여 고형물 배출 노즐(C404)의 압력을 조정할 수 있어 배출되는 고형물의 농도 및 처리 유체의 투명도를 조정 할 수 있다.
스핀들 뭉치는 스핀들 부싱(C501), 회전축(C500), 다수의 베어링이 배열되고 베어링 덮게(C506) 및 충격을 흡수할 수 있는 수 있는 스프링(C507)를 내장한 베어링 뭉치(C504), 스프링 덮게(C508), 스핀들 부싱 지지판(C502), 스핀들 뭉치 고정 플랜지(C101), 구동력 전달 풀리로 구성된다. 스핀들 뭉치 부싱(C501) 중심부에 회전축(C500)을 위치 시킨 후, 스핀들 뭉치 부싱(C501)의 상단 및 하단에 베어링 뭉치(C504)를 장착하고 스프링 덮게(C508)를 볼트로 고정한 다음 하부 로터 보울(C402) 밑면 중앙에 뚫려있는 연결구에 회전축(C500) 상단부를 끼운 후 로터의 회전 방향(시계 방향)과 반대쪽인 왼쪽 나사산을 갖춘 로터 보울 고정 볼트(C405)로 로터 보울과 회전축을 견고하게 고정한다. 이러한 구성에 따라 스핀들 뭉치는 로터 보울의 중량과 회전 충격을 완충 시킬 수 있어 로터 보울이 안정하게 고속 회 전할 수 있게 해준다.
이상으로, 본 발명에 의한 미세 고형물을 유체에서 분리하는 방법 및 장치에 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: 미세고형입자 분리 계통도
도 2: 자화처리장치 흐름도
도 3: 자화처리장치의 배치 일례도(영구자석: 4조, 회전 층: 4열)
도 4: 하이드로싸이클론 종단면 일례도
도 5: 하이드로싸이클론 회전체 측면 및 종단면 일례도
도 6: 디스크판합체형 원심분리기 종단면 일례도
도 7: 디스크판합체형 원심분리기 유체 및 고형물 흐름도
도 8: 스핀들 뭉치 종단면 일례도
A101: 자화 코일관
A102: 영구자석 뭉치
A103: 응집 형성 코일관
B101: 싸이클론 시린더
B102: 싸이클론 원추형관
B103: 유체 유입구
B104: 회전체 지지부
B105: 상향류 유도관
B106: 중공형 회전축
B107: 원형판
B108: 회전본체
B109: 상부 고정판
B110: 하부 고정판
B111: 베어링 뭉치
B112: 회전축 지지플랜지
B113: 상향류 배출구
B114: 하향류 배출구
C100: 디스크판합체형 원심분리기 본체 하우징
C101: 고형물 배출구
C102: 스핀들 뭉치 지지 플랜지
C103: 본체 하우징 플랜지
C201: 처리 유체 배출부 하우징
C202: 처리 유체 배출구
C203: 배출부 지지 플랜지
C204: 배출부 액체마그네트 씰
C301: 유입부 지지 플랜지
C302: 유입부 부싱
C303: 유체 유입구
C304: 유입부 액체마그네트 씰
C305: 유입부 캡
C401: 상부 로터 보울
C402: 하부 로터 보울
C403: 원추형 디스크판
C404: 고형물 배출 노즐
C405: 로터 보울 고정 볼트
C500: 회전축
C501: 스핀들 뭉치 부싱
C502: 스핀들 지지판
C503: 스핀들 뭉치 덮게
C504: 베어링 뭉치
C505: 베어링
C506: 베어링 덮게
C507: 스프링
C508: 스프링 덮게

Claims (10)

  1. 미세고형입자를 유체에서 분리하는데 있어서, [도 1]에 예시한 것과 같이 1 공정은 도시외 유체공급 펌프로 미세고형입자가 포함된 유체를 자화처리장치에 주입하고, 2 공정은 유체에 포함된 미세고형입자가 자화처리장치 외주 면에 마주보게 장착한 영구자석에서 발생된 로렌쯔 힘에 의해 입자 이온과 이송매체인 물 분자의 특성을 변화시켜 미세입자 응집을 촉진하고, 3 공정은 다수의 적층판을 고속으로 회전할 수 있게 구비된 하이드로싸이클론이 1차로 미세고형입자를 분리하여 고형물 및 유체를 각각 다음 공정(고형물: 5공정, 유체: 4공정)으로 이송하고, 4 공정은 디스크판합체형 원심분리기의 로터 보울 내의 디스크판 사이의 채널에서 강한 원심력의 작용으로 미세고형입자는 디스크판 아랫면에서 합체된 후 로터 보울 원주 면에 장치된 노즐을 통해 배출된 후 다음 공정(5 공정)으로 이송하고, 처리된 유체는 디스크판 경사면 상단부를 지나 처리 유체 배출구에서 배출되어 수 처리장으로 보내지며, 5 공정은 도시외 스크류 프레스 또는 벨트 프레스와 같은 탈수기로 전 공정에서 이송된 고형물을 탈수하여, 탈수 유체는 반복 처리 될 수 있도록 전 1공정으로 반송하며, 분리된 고형물은 고형물 집하장으로 보내지도록 구성된 유체에서 미세고형입자를 분리하는 방법 및 장치.
  2. 2공정 자화처리징치에 있어, 철분제거기, 자화 코일관, 영구자석 뭉치, 응집 형성 코일관, 응집 내부하우징 및 응집 외부 하우징으로 구성된 자화처리장치.
  3. 청구항 2에 있어, [도 3]에 도시한 것과 같이 비자성체 금속 또는 합성수지 관으로 만들어진 자화 코일관의 각 회전층, 상 측면 및 하 측면에 N과 S극을 마주보게 구성된 영구자석 뭉치 1 개조 이상을 등 간격으로 동심원을 이루도록 배치되며, 자석의 극성은 자화 코일관의 회전층 상측에 S극, 회전층 하측에 N극이 되게 하여, 자화 코일관의 각 회전 층에 배치된 영구자석 뭉치의 숫자와 자화 코일관의 회전 층 수의 곱 숫자 만큼 반복적으로 유체에 적용할 수 있게 구성된 자화처리장치.
  4. 3공정 하이드로싸이클론에 있어, [도 4]에 도시한 것과 같이 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 하이드로싸이클론.
  5. 청구항 4에 있어, [도 5]에 도시한 것과 같이 연결 플랜지를 갖춘 회전체 지지부에는 수개의 베어링이 장착되어 회전체 지지부와 결합되는 중공형 회전축이 별 도의 동력원에 의해 800~3400 rpm으로 고속회전 할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이드로싸이클론.
  6. 청구항 4에 있어, 회전본체를 구성하는 원형판 사이에 틈 간격을 유지해주는 스페이서를 놓은 후 연결 구멍을 통해 고정볼트 및 너트로 견고하게 조립할 수 있어, 미세고형입자 및 유체의 성상과 사용 목적에 따라 간편하게 적층 매수를 가감할 수 있는 것을 특징으로 하는 하이드로싸이클론.
  7. 4공정 디스크판합체형 원심분리기에 있어, [도 6]에 도시한 것과 같이 본체 하우징, 일정한 틈 간격으로 적층된 원추형 디스크판을 내장한 로터 보울, 유체 유입부, 스핀들 뭉치, 스핀들 뭉치 덮게, 분리된 고형물을 배출하는 배출 노즐, 처리된 유체를 배출하는 처리 유체 배출부로 구성된 것을 특징으로 하는 디스크판합체형 원심분리기.
  8. 청구항 7에 있어, [도 6]에 도시한 것과 같이 유입부 캡, 유입부 부싱, 유입부 액체마그네트 씰, 제일 하단 원추형 디스크판 판 내측 상단에 견고하게 연결되는 유입파이프로 구성되어 유체의 유입압력을 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 디스크판합체형 원심분리기.
  9. 청구항 7에 있어, [도 6]에 도시한 것과 같이 배출부 하우징, 배출부 액체마그네트 씰, 배출부 지지플랜지, 도시외 밸브가 부착된 처리유체 배출구로 구성되어 처리 유체의 누설을 방지 할 수 있으며, 밸브의 개폐 조작으로 처리유체 배출량을 조절하여 고형물 배출 노즐의 압력을 조정할 수 있는 것을 특징으로 하는 디스크판합체형 원심분리기.
  10. 청구항 7에 있어, [도 8]에 도시한 것과 같이 스핀들 부싱, 회전축, 다수의 베어링이 배열되고 베어링 덮게 및 충격을 흡수할 수 있는 수 있는 스프링을 내장한 베어링 뭉치, 스프링 덮게, 스핀들 부싱 지지판, 스핀들 뭉치 고정 플랜지, 구동력 전달 풀리로 구성된 스핀들 뭉치를 갖추며, 동 스핀들 뭉치 부싱 중심부에 회전축을 위치 시킨 후, 스핀들 부싱의 상단 및 하단에 베어링 뭉치를 장착하고 스프링 덮게를 볼트로 고정한 다음 하부 로터 보울 밑면 중앙에 뚫려있는 연결구에 회전축 상단부를 끼운 후 로터의 회전 방향(시계 방향)과 반대쪽인 왼쪽 나사산을 갖춘 로터 로터 보울 고정 볼트로 로터 보울과 회전축을 견고하게 고정하여 로터 보울의 중량과 회전 충격을 완충 시킬 수 있어 로터 보울이 안정하게 고속 회전할 수 있는 것을 특징으로 하는 디스크판합체형 원심분리기.
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CN117959868A (zh) * 2024-04-01 2024-05-03 陕西晖煌建筑劳务有限公司 一种建筑施工除尘装置及除尘方法
CN120756002A (zh) * 2025-09-04 2025-10-10 许昌永立特种化纤有限公司 一种再生聚酯纤维织物回收处理装置

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