KR20110043519A - 고체, 액체, 증기 및 가스를 동시에 전달하기 위한 슬러지 리액터 펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체, 액체, 증기 및 가스 혼합액을 전달하기 위한 슬러지 리액터 펌프(sludge reactor pump)에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 액체 링 진공 펌프(liquid ring vacuum pump) 또한 레이디얼 펌프(radial pump)의 특성들을 갖는다. 외부로부터 내부로의 고체 물질과 액체의 전달은 제1스테이지의 외주면 둘레의 보어들(bores)과 슬릿들(slits)을 이용하는 상 칸막이(phase partition) 및 상기 칸막이에 있는 전도 장치들(conducting devices)을 포함하는 제2스테이지에 있는 중앙 슬릿들(central slits)의 구성에 의해 달성된다.

Description

고체, 액체, 증기 및 가스를 동시에 전달하기 위한 슬러지 리액터 펌프{SLUDGE REACTOR PUMP FOR SIMULTANEOUSLY CONVEYING SOLIDS, LIQUIDS, VAPORS AND GASES}

본 발명은 제1 및 제2스테이지에 걸쳐 연장되는 전달 경로, 축(axis) 및 상기 전달 경로에 작용하는 원심력을 이용하여, 고체, 액체, 증기 및 가스를 동시에 전달하는 슬러지 리액터 펌프(sludge reactor pump)에 관한 것이다.

유럽특허 EP 1 477 682 A1으로부터, 가스들의 전달을 위한 액체 링 가스 펌프(liquid ring gas pump)가 알려져 있다. 상기 펌프는 펌프 매체(pump medium)를 위한 개구들(openings)을 갖는 작동 공간들(working spaces) 사이의 제어 디스크들을 갖는다. 전술한 개구들은 흡입측(suction side) 및 가압측(pressure side)에 같은 모양으로 형성되며, 상황에 따라 커버될 수 있다.

DD 134978로부터, 하우징에 편심적으로 장착된 액체 링(liquid ring)과 펌프 임펠러(pump impeller)를 갖는, 깨끗한 그리고 더러운 액체를 전달하기 위한, 자흡식 원심 펌프(self-priming centrifugal pump)가 알려져 있으며, 상기 펌프의 가압측(pressure side)과 마주하는 허브 디스크(hub disc)가 개구들(openings)을 갖는다. 감압(pressure reduction)을 위해, 환기 셀들(ventilation cells)이 마련된다.

독일특허 DE 699 24 021 T2로부터, 액체들이나 부유물들을 펌핑하기 위한 장치가 알려져 있으며, 임펠러의 상류에 가스를 분리하기 위한 구역(zone)이 마련된다.

전술한 펌프들 중, 서로 다른 집적 상태를 갖는 매체를 동시에 전달할 수 있는 것은 아무것도 없다.

특히, 반응 기술에 있어서는, 주로 불연속 반응을 허용하는 탱크들에 있는 교반기들이 필요하다. 전술한 종래 기술에 따른 펌프들의 경우, 내용물들은 오직 반응이 완료된 후에야만 전달될 수 있으며, 그 후 균질의 액체 상태가 달성된다.

반응이 이루어지는 동안, 반응 혼합물들은 순환될 수 없으며, 따라서 연속 반응이 배제된다.

공지의 펌프 시스템들은 한편으로는 가스들 및 증기들로 구성되는 생성 반응물들을 전달하면서 다른 한편으로는 고체들을 포함하는 액체를 동시에 전달하기에 적합하지 않다. 레이디얼 펌프들(radial pumps)은 반응이 일어나는 동안 생성된 가스들 및 증기들에 대해 매우 위험한 방식으로 반응한다. 반응이 일어나는 동안 생성된 증기들은 그들의 저밀도로 인하여 임펠러(impeller)의 중앙에 모이게 되어, 공동현상(cavitation) 및 전달 방해를 야기한다. 관련된 불충분한 NPSH(Net Positive Suction Head) 값들, 즉 용인될 수 없는 공동현상의 생성은 펌프의 파괴로 귀결된다.

반응 혼합물들에 있어서의 흡입(sucking)을 위해 필요한 음압(negative pressure)은 오직 레이디얼 임펠러(radial impeller)를 갖는 통상의 펌프들을 위해 제한적으로만 그리고 화학 공장들에 있는 반응 혼합물들의 범위 밖에서 가능하다. 축열식 펌프들(regenerative pumps)은 자흡(self-priming) 펌프들이다. 그러나, 가능한 음압은 반응 혼합물들에 충분하지 못하다. 좁은 간극들(gaps) 때문에, 전달되는 고체들은 채널을 막히게 한다. 공지의 전달 장치들은 그 내용 연한이 적다.

입구에서 높은 음압을 생성하는 유형의 펌프로는 유럽특허 EP 1 477 682 A1을 통해 알려진 액체 링 가스 펌프(liquid ring gas pump)가 있다. 그러나, 상기 펌프는 액체들 및 고체들의 전달을 위해 적합하지 않다. 상기 펌프는 가스들 및 증기들의 흡입은 가능하지만, 액체들 및 고체들의 흡입은 가능하지 않다. 따라서, 전술한 유형의 펌프가 액체들 및 고체들의 전달 역시 가능하게 함으로써 본 발명에 따른 목적을 달성할 가능성에 대해 추구되었다.

본 발명의 목적은 반응이 일어나는 동안 반응 혼합물들이 순환될 수 있게 하고, 상기 반응의 가속을 위한 전달 시스템에서의 양호한 혼합을 달성하며, 반응 플랜트(reaction plant)의 크기를 줄이는데 기여하는 슬러지 리액터 펌프를 제공하는 것이다.

본 발명의 중점은 양호한 효율성을 달성하는 것에 있는 것이 아니라, 전달되는 유체를 반응 온도로 가열하기 위하여 손실되는 에너지를 활용하는 것에 있다.

본 발명에 따르면, 전달 경로(conveying path)가 제1스테이지로부터 제2스테이지로 축방향으로 연장된다는 점, 증발되는 액체들과 고체들의 전달 경로가 상기 제1스테이지와 제2스테이지 사이에 배열된 안내 챔버(guiding chamber)에 의해 바깥쪽으로부터 안쪽으로의 가스들의 축방향 전달 경로에 대하여 편향된다는 점, 상기 제1스테이지의 둘레에, 보어홀들(boreholes)이 상기 안내 챔버에 형성되어 상기 보어홀들을 통해 액체들 및 고체들이 상기 안내 챔버 속으로 유입될 수 있다는 점, 바깥쪽으로부터 안쪽으로 상기 액체들 및 고체들을 안내하는 다수의 안내 장치들(guiding devices)이 상기 안내 챔버에 형성되어 있다는 점, 안쪽에 혼합물 유입구가 형성되어 상기 액체들 및 고체들이 상기 혼합물 유입구를 통해 상기 제2스테이지로 유입될 수 있다는 점, 제1스테이지 안쪽에 가스 배출구가 형성되어 가스가 상기 가스 배출구를 통해 상기 안내 챔버 속으로 축방향으로 유입될 수 있고, 상기 혼합물 유입구를 통해 상기 제2스테이지로 유입될 수 있다는 점에서 전술한 목적이 달성된다.

레이디얼 펌프의 액체들의 전달 및 액체 링 진공 펌프(liquid ring vacuum pump)의 가스 전달을 결합하고, 채널들의 특유 구성에 따라 추가적으로 고체들의 전달을 허용하는 새로운 유형의 펌프가 제공된다. 오직 양 시스템들의 결합만이 상기 액체로부터 반응 동안 생성된 가스들 및 증기들을 분리하고, 아무런 문제 없이 두 상태의 집합물들을 전달하는 것을 허용한다.

임펠러의 원심력을 통해 가스들과 증기들을 분리하여 안쪽으로 전달하는 액체 링 진공 펌프의 원리에 따라 상기 가스들과 증기들의 분리가 이루어진다. 고체 및 액체 물질들의 전달은 상기 물질들을 축방향으로 수송하고, 연속해서 새로운 고체 및 액체 물질들을 전달하는 제어 디스크들의 안내 시스템을 통해 일어난다.

상기 임펠러의 양 측면에, 펌프 챔버의 범위를 정하는 제어 디스크들이 배치된다. 임펠러 및 제어 디스크들은 편심적으로 배치된다. 그에 따라, 흡입 위상(intake phase) 동안 또는 가스 전달 동안, 서로 다른 거리로 임펠러 허브(impeller hub)에 접하는 액체 링이 발달될 수 있다. 상기 편심으로 인하여 더 크게 그리고 더 작게 되는, 가스가 채워진 공간들이 형성된다. 이러한 작동 상태에서, 상기 슬러지 리액터 펌프는 가스들 및 증기들을 전달하는데 아주 적격이다.

액체/증기 혼합물은 상기 허브로부터 상기 액체 링의 가장 먼 거리의 영역에 배치되는 흡입 슬롯(suction slot)을 통해 흡입된다. 서로 다른 밀도 때문에, 반응 가스는 상기 허브 영역에 모이게 되며, 상기 허브로부터 상기 액체 링의 가장 가까운 거리의 영역에 배치되는 가압 슬롯(pressure slot)을 통해 배출된다.

상기 임펠러의 레이디얼 성분(radial component)을 통해, 상기 액체는 가스 상태로부터 분리되며, 외측 하우징 직경에 배열된 슬롯들 또는 보어홀들의 형태를 갖는 개구들(openings)을 통해 가장 높은 하우징 압력의 영역에서 배출되거나 또는 안내 장치를 통해 다음 스테이지로 전달된다. 상기 액체의 편향을 위해, 안내 날개들(guide vanes)이 상기 개구들의 상류에 배열된다. 액체를 전달하는 것은 오직 보통의 효율로만 가능하다. 이에 의해 생성된 전력 손실은 전달되는 매체로의 에너지 공급의 구실을 한다.

본 발명에 따르면, 액체 링은 폐쇄된 챔버에서 안정화될 필요가 없고, 상기 가장 높은 하우징 압력의 영역에 배치되는 배출 개구들을 포함하면 되고, 필요할 경우 하류의 안내 장치를 구비하면 되기 때문에, 액체 링 진공 펌프의 경우에 있어서와 같이, 하우징과 임펠러 사이의 좁은 축방향 간격은 요구되지 않는다. 상기 펌프의 구조는 고체들의 분쇄를 허용하며, 동시에, 전달되는 매체에의 전단 작용(shear action)을 허용한다.

상기 안내 장치에 있어서, 가압 측에 있는 배출 개구들을 통과하여 흐르는 액체는 다음 스테이지로 전달되도록 하는 방식으로 편향되거나 또는 단일 스테이지 장치들인 경우에는 우회로(bypass)로서 이용된다. 이것은 더 빠른 반응 프로세스를 촉진하는 마찰을 통한 추가적인 에너지 입력 및 상기 매체의 더 긴 체류시간으로 인한 더 양호한 혼합이라는 결과를 낳는다.

그 때문에, 액체 링 또는 고체 액체 링 역시 영구적으로 교환되는 것이 가능해지고, 새로 유입되는 고체 및 액체 혼합물에 의해 다음 스테이지 또는 전달 라인으로 밀려져 나아가는 것이 가능해진다. 이러한 작동 모드는 액체 링과 유입되는 전달 매체 사이의 집중적인 혼합이라는 결과를 낳는다.

따라서, 상기 액체 링 진공 펌프의 능력은 흡입을 위한 높은 음압을 생성하도록 유지되고, 진공 펌프에서와 같이 가스들과 증기들을 전달하도록 유지되며, 동시에, 레이디얼 임펠러 원리에 따라 액체-고체 혼합물, 슬러지를 계속해서 펌프를 통해 고온의 반응 상태로 전달하도록 유지된다.

본 발명에 따른 실시예에 갖추어진 안내 프로파일들(guiding profiles) 및 보어홀들의 크기는 고체-액체 혼합물에 대한 펌프의 전달 범위를 결정한다. 또 하나의 이점은 상기 펌프의 회전 방향을 반대로 하여 유닛을 세정할 수 있다는 것이다. 샤프트 실(shaft seal)과 같이, 회전 방향과 무관한 복동식 슬라이드 링 실(double-acting slide ring seals)이 이용되며, 적합한 액체, 예를 들면, 펌프측과 대기측 밀봉 사이의 밀봉 물질과 같은 오일로 작동된다.

상기 밀봉 물질은 상기 펌프측에 있는 밀봉에 대하여 약간의 과압(overpressure)을 갖는 보조 펌프들에 의해 순환된다. 본 발명에 따르면, 윤활 및 냉각을 동시에 달성하도록 상기 밀봉 물질이 이용되는 방식으로, 펌프 베어링(pump bearing)이 안쪽 및 바깥쪽 밀봉 사이에 배치된다. 상기 슬라이드 링 실 및 펌프 베어링에서의 온도를 허용가능한 범위 내로 유지시키기 위해, 열교환기들이 회로에 연결된다.

안쪽 밀봉에 대한 상기 밀봉 물질의 더 높은 압력은, 슬러지 속에 함께 전달되는 예를 들어, 메탈 글래스(metal glass) 및 스톤(stones)과 같은 연마용 고체 입자들이 밀봉 간극(sealing gap), 베어링 및 샤프트로부터 떨어져 있도록 하는 효과를 갖는다. 전술한 쓰임새뿐만 아니라, 상기 스테이지들 사이의 우회 파이프에 배치된 루프 믹서(loop mixer)에서 추가적인 혼합이 달성될 수 있다(도 9 참조).

본 발명에 따른 슬러지 리액터 펌프에 의하면, 반응이 일어나는 동안 반응 혼합물들이 순환될 수 있게 하고, 상기 반응의 가속을 위한 전달 시스템에서의 양호한 혼합을 달성하며, 반응 플랜트의 크기를 줄이는데 기여한다.

본 발명의 추가적인 이점들 및 특징들은 첨부된 도면들을 참조로 이하에서 상세히 설명되는 실시예들 및 특허청구범위의 청구항들을 통해 더욱 명확해질 것이다.

도 1 내지 도 5는 각각 본 발명에 따른 슬러지 리액터 펌프의 단면을 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 슬러지 리액터 펌프의 용량에 관한 다이어그램을 보여준다.
도 7은 본 발명에 따른 슬러지 리액터 펌프의 길이방향 단면을 보여준다.
도 8은 도 7의 슬러지 리액터 펌프와 전기 모터를 구비한 설비를 보여준다.
도 9는 루프 리액터(loop reactor)를 보여준다.
도 10은 전기 모터를 구비한 슬러지 리액터 펌프를 보여준다.

이하, 첨부된 도면들을 참조로, 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다.

도 1은 펌프의 흡입 개구(intake opening)와 연결된 상기 펌프의 전방부(제1스테이지 또는 ND)의 단면을 보여준다. 하우징은 도면부호 1로 표시된다. 임펠러(impeller: 2)는, 회전방향에서 보여지는 후방으로 경사진 블레이드링(blade ring)을 갖는다. 샤프트는 도면부호 3으로 표시된다. 격벽(partition wall)은 도면부호 4로 표시된다.

배출 개구(outlet opening: 5)는 상기 펌프를 비우는 역할을 수행한다. 제1스테이지(ND)의 액체 링(liquid ring)은 보어홀들(boreholes: 8)을 매개로 제2스테이지(HD)를 위한 혼합물 유입구(mixture inlet: 6)와 연결된다. 그에 따라, 외주면 쪽으로 작용하는 원심력에 의해 형성된 액체 및 고체들로 구성되는 상기 액체 링은 상기 두 스테이지 사이의 안내 챔버(guiding chamber: 10)로 유입되며, 그곳으로부터 바깥쪽에서 안쪽방향으로 안쪽에 마련된 혼합물 유입구(6)로 유입된다. 안쪽에 있는 제1스테이지에 모인 가스는 가스 배출구(7)를 통해 제2스테이지로 유입된다.

상기 액체가 제1스테이지로 들어갈 때, 상기 액체의 운반은 바깥쪽으로의 원심력에 의해 상기 액체 링 속으로 발생되며, 상기 보어홀들(8) 및 중심을 통과하는 운반경로를 통해 바깥쪽에서 안쪽 중앙방향으로 상기 제2스테이지(HD) 속으로 유입된다. 안쪽에 모인 가스 부분들은 스테이지로부터 스테이지로 편향되는 것이 아니라 축방향을 따라 운반된다. 도 2는 전술한 시스템을 더욱 상세히 묘사하고 있다. 도 2는 제1스테이지와 제2스테이지 사이에서 양자 사이에 마련된 상기 안내 챔버(10)에서의 액체 운반을 보여준다.

상기 안내 챔버(10) 내부에는, 상기 스테이지들 사이에서 바깥쪽으로부터 안쪽으로 안내되는 액체 및 고체 물질들이 아무런 막힘없이 유동적 방식(fluidic manner)으로 다음 스테이지로 갈 수 있게 안내하는 안내 장치들(guiding devices: 9)이 마련된다. 이것은 중간 디스크만을 도시하고 있는 도 3에 더 심화되어 있다. 도 3은 상기 제1스테이지에 인접한 중간 디스크의 부분, 즉 보어홀(8)과 같이 상기 제1스테이지로부터 액체가 배출되는 부분만을 보여준다.

도 4는 상기 중간 디스크의 나머지 절반을 도시하고 있다. 또한, 도 5는 가스 입구 및 가스 배출구(7)를 도시하고 있다. 전술한 바와 같은 운반 장치의 결과가 도 6에 도시되어 있다. 상기 슬러지 펌프는 그 입구 측에서 높은 음압을 갖지만, 상대적으로 낮은 전달 압력을 생성한다는 것을 알 수 있다. 이것은 고체들과의 화학 반응에 있어서 매우 유리하다. 왜냐하면, 고체들은 출구 측에 있는 노즐을 막을 것이기 때문이다. 그러나, 출구 압력이 전술한 바와 같은 낮은 경우, 추가적인 노즐들의 배치는 불필요하다. 왜냐하면, 이러한 압력차들은 추가적인 노즐들을 이용한 스로틀링(throttling) 없이, 통상의 제어 밸브들을 이용하여 제어할 수 있기 때문이다.

도 7은 2개의 반응 챔버들을 구비한 본 발명에 따른 슬러지 리액터 펌프의 실시예를 보여준다. 도면부호들은 도 1 내지 도 5의 도면부호들과 대응된다. 도 8은 전기 모터에 의해 구동되는, 하나의 완전한 유닛으로서의 슬러지 리액터 펌프의 통합체를 보여준다. 상기 슬러지 리액터 펌프는 도면부호 12로 표시된다. 전기 모터나 연소 엔진(combustion engine) 또는 연소 터빈(combustion turbine)으로서 구성된 모터는 도면부호 13으로 표시된다.

도면부호 14는, 전달되는 매체로부터의 고체 입자들이 베어링 속으로 침투하는 것을 방지하기 위한 가압 밀봉(pressure sealing) 및 베어링 윤활의 베어링 냉각에 사용되는 사이클 오일(cycle oil)을 재냉각시키는 팬(fan)을 가리킨다. 상기 베어링 윤활의 저장 용량을 위한 저장 탱크는 도면부호 15로 표시된다. 상기 베어링 윤활의 냉각 및 윤활 회로를 위한 펌프는 도면부호 16으로 표시된다. 흡입된 물질들을 섞어 가열하는 것이 상기 슬러지 리액터 펌프가 하는 일이기 때문에, 루프 리액터(loop reactor)는 추가적인 혼합을 위해 흡입 라인 및 가압 라인에 연결되며, 상기 루프 리액터는 혼합 효과를 더 증가시킨다. 후자의 내용이 도 9에 도시되어 있다.

본 발명은 특수한 모범적 실시예를 통해 더욱 상세히 설명된다. 상기 실시예가 도 10에 상세히 묘사되어 있다. 슬러지 리액터 펌프는 전기 모터와 결합된다. 이 유닛은 200㎾의 최대 입력 전력 및 120㎾의 평균 입력 전력을 갖는다. 상기 유닛은 3.5m의 길이를 가지며, 상기 슬러지 리액터 펌프는 진동 댐퍼들(vibration dampers)을 구비한 지지 플레이트에 장착된다. 상기 슬러지 리액터 펌프는 795mm의 길이를 가지며, 840×1200mm의 베이스 플레이트에 장착된다. 모터 측에 있는 흡입구와 바깥쪽에 있는 과압 라인(overpressure line) 사이의 거리는 795mm이다. 상기 과압(overpressure) 측의 압력 곡선이 도 6에 도시되어 있다.

1 하우징
2 임펠러(impeller)
3 샤프트
4 격벽(partition wall)
5 배출 개구
6 혼합물 유입구
7 가스 배출구
8 보어홀들(boreholes)
9 안내 장치들(guiding devices)
10 안내 챔버
12 슬러지 리액터 펌프
13 모터
14 팬
15 저장 탱크
16 펌프

Claims (6)

1. 제1 및 제2스테이지에 걸쳐 연장되는 전달 경로, 축(axis) 및 상기 전달 경로에 작용하는 원심력을 이용하여, 고체, 액체, 증기 및 가스를 동시에 전달하는 슬러지 리액터 펌프에 있어서,
   상기 전달 경로가 상기 제1스테이지로부터 상기 제2스테이지로 축방향으로 연장되고; 증발되는 액체들과 고체들의 전달 경로가 상기 제1스테이지와 상기 제2스테이지 사이에 배열된 안내 챔버(10)에 의해 바깥쪽으로부터 안쪽으로의 가스들의 축방향 전달 경로에 대하여 편향되며; 상기 제1스테이지의 둘레에, 보어홀들(boreholes: 8)이 상기 안내 챔버(10)에 형성되어, 상기 보어홀들(8)을 통해 액체들 및 고체들이 상기 안내 챔버(10) 속으로 유입될 수 있고; 바깥쪽으로부터 안쪽으로 액체들 및 고체들을 안내하는 다수의 안내 장치들(guiding devices: 9)이 상기 안내 챔버(10)에 형성되어 있으며; 안쪽에 혼합물 유입구(6)가 형성되어, 액체들 및 고체들이 상기 혼합물 유입구(6)를 통해 상기 제2스테이지로 유입될 수 있고; 상기 제1스테이지 안쪽에 가스 배출구(7)가 형성되어, 가스가 상기 가스 배출구(7)를 통해 상기 안내 챔버(10) 속으로 축방향으로 유입될 수 있고, 상기 혼합물 유입구(6)를 통해 상기 제2스테이지로 유입될 수 있는 것을 특징으로 하는 슬러지 리액터 펌프.
2. 제1항에 있어서,
   냉각 회로 상의 상기 슬러지 리액터 펌프의 입구측 및 출구측에 걸리는 과도한 압력을 위한 베어링 및 밀봉이 상기 펌프의 양측에 마련된 것을 특징으로 하는 슬러지 리액터 펌프.
3. 제2항에 있어서,
   재냉각을 위한 팬(14)이 마련된 것을 특징으로 하는 슬러지 리액터 펌프.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 슬러지 리액터 펌프의 일측(입구측, 출구측) 또는 양측에 루프 리액터(loop reactor)가 장착된 것을 특징으로 하는 슬러지 리액터 펌프.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 슬러지 리액터 펌프에 전기 모터(13)가 연결된 것을 특징으로 하는 슬러지 리액터 펌프.
6. 축방향 전달 경로를 통해 제1스테이지로부터 제2스테이지로 가스들이 전달되도록 하는 슬러지 리액터 펌프를 이용하여 고체, 액체, 증기 및 가스를 동시에 전달하는 방법에 있어서,
   증발되는 액체들과 고체들이 상기 제1스테이지와 상기 제2스테이지 사이에 배열된 안내 챔버에 있는 바깥쪽으로부터 안쪽으로의 우회로를 매개로 하여 상기 제1스테이지로부터 상기 제2스테이지로 전달되는 것을 특징으로 하는 방법.

Images