KR20110100200A - 기체-액체간 교환 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

기체-액체간 교환 방법 및 장치는 상단부(upper end)가 폐쇄된 기체-액체간 교환 용기(8)를 포함하고, 상기 용기의 전방 단부와 후방 단부는 각각 기체 입구 파이프라인(7)과 기체 출구 파이프라인(8)에 연결되며, 기체 차단판(2)이 상기 용기의 기체 입구 단부에 끼워지고, 액체 차단판(1)이 상기 용기의 기체 출구 단부에 끼워지며, 상기 용기에는 액체가 채워지고, 상기 액체의 위에 형성된 기체 유동 채널은 기체 입구 파이프라인(7) 및 기체 출구 파이프라인(8)과 유통 상태가 된다. 상기 기체 입구 파이프라인(7)으로부터 유입되는 기체가 기체-액체간 교환 용기(8) 안으로 들어갈 때, 고속 기체 유동(fast gas flow)이 형성되고, 상기 고속 기체 유동은 상기 액체가 액체 표면을 떠나도록 하여 기체 유동 채널 내의 공간으로 분무하여 액상 커튼(liquid curtain)을 형성하도록 하며; 상기 기체는 상기 액상 커튼을 통과하여 상기 액체와 충분히 접촉함으로써, 기상(氣相)-액상(液相)간 에너지 교환 및 질량 교환을 달성할 수 있게 하고, 액체의 일부는 상기 액체 차단판(1)에 이르러 이 액체 차단판에 의해 차단되어 제2의 액상 커튼을 형성하며, 교환후 상기 기체 유동은 상기 액체 차단판 아래의 출구로부터 배출된다.

Description

기체-액체간 교환 방법 및 장치{GAS-LIQUID EXCHANGING METHOD AND DEVICE}
본 발명은 기체-액체간 에너지 및 질량의 교환 방법에 관한 것으로, 특히 파이프라인에서의 기체-액체간 교환 방법 및 장치에 관한 것이다.
기체-액체간 교환은 업계에서 통상적으로 널리 이용되는 기술이다. 수막(water film), 집진기(dust catcher), 가습기 등과 같은 많은 종류의 기체-액체간 교환 장치들이 있다. 오늘날, 기체-액체간 질량 교환은 가장 흔히 이용되는 습식 먼지 제거 기술이며, 이 기술은 기체로부터 먼지를 분리하여 기체를 정화하는데 주로 이용되고; 열 교환기는 기체-액체간에 에너지 교환을 달할 수 있도록 기체-액체간의 에너지 교환에 흔히 이용되는 장치이다. 하지만, 광대한 에너지 소비, 과대한 크기, 복잡한 구조 등과 같은 결점들이 종래의 기체-액체간 교환 기술에는 존재한다.
본 발명의 목적은 기체-액체간의 에너지 및 질량 교환 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 기체-액체간 교환 장치는 상단부(upper end)가 폐쇄된 기체-액체간 교환 용기를 포함하고, 상기 용기의 전방 단부와 후방 단부는 각각 기체 입구 파이프라인과 기체 출구 파이프라인에 연결되며, 기체 차단판이 상기 용기의 기체 입구 단부에 끼워지고, 액체 차단판이 상기 용기의 기체 출구 단부에 끼워지며, 상기 용기에는 액체가 채워지고, 상기 액체의 위에 형성된 기체 통로는 기체 입구 파이프라인 및 기체 출구 파이프라인과 유통 상태가 된다.
기체-액체간 교환 방법으로서, 본 방법은 전술한 장치에서 구현되며, 기체 입구 파이프라인으로부터 유입되는 기체가 기체-액체간 교환 용기 안으로 들어갈 때, 기체 차단판에 의해 고속 기체 유동(fast gas flow)이 형성되고, 상기 고속 기체 유동은 액체가 액체 표면을 떠나도록 하여 기체 통로 내의 공간으로 분무하여 액상 커튼(liquid curtain)을 형성하도록 하며; 상기 기체는 상기 액상 커튼을 통과하여 상기 액체와 충분히 접촉함으로써, 기상(氣相)-액상(液相)간 에너지 교환 및 질량 교환을 달성할 수 있게 하고, 액체의 일부는 상기 액체 차단판에 이르러 이 액체 차단판에 의해 차단되어 제2의 액상 커튼을 형성하며, 상기 기체 유동은 상기 교환후 상기 액체 차단판 아래의 출구로부터 배출된다.
본 발명의 상술한 양상과 부가적인 양상 및 실시예의 양호한 이해를 위하여, 첨부된 도면과 연계하여 아래에 상세한 설명이 이루어질 것이다. 이들 도면은 본 발명의 다양한 부분을 예시한다. 직접적으로 도시된 실시예 이외의 본 발명의 개념을 포함하는 다양한 실시예가 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명의 이점으로는 소형화, 낮은 에너지 소비, 높은 정확도, 단순한 구조 및 사용의 편의를 들 수 있다.
도 1은 기체-액체간 교환의 원리를 예시는 도면.
도 2는 도 1에 예시된 장치의 횡단면도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예의 일례를 예시하는 도면.
도 4는 본 발명의 다른 바람직한 실시예를 예시하는 도면.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예의 일례로서, 기체-액체간 교환 용기(8)는 폐쇄형의 직사각형 파이프라인이며, 아래쪽으로 돌출한 챔버에 액체가 저장되고; 액체(4)는 용기 안으로 주입되며, 그에 따라 액체 표면의 위로 폭(B)과 높이(H1)를 갖는 직사각형 기체 통로(5)가 형성된다. 직사각형 기체 통로의 입구에는 샤프트(3)가 설치되고, 샤프트(3)에는 기체 차단판(2)이 설치되며, 샤프트를 중심으로 기체 차단판(2)이 회전될 수 있다. 회전 가능한 액체 차단판(1)이 직사각형 기체 통로의 출구에 설치된다. 기체 차단판(2)의 바닥과 액체 표면 사이의 간격은 폭(B)과 높이(H2)를 갖는 협소 통로가 형성될 수 있도록 조절될 수 있다.
기체의 유동을 차단하는 기체 차단판(2)은 고속 기체 유동을 형성하도록 하며, 이 고속 기체 유동은 액체가 액체 표면을 떠나도록 하여 기체 통로(5) 내의 공간으로 분무하여 액상 커튼과 액적(liquid droplet)을 형성하도록 하고; 기체는 액상 커튼을 통과하게 되며, 액적의 일부는 기체의 유동과 함께 앞쪽으로 이동하는데, 소정의 거리를 이동하고 난 후 그 무게에 의해 기체의 유동으로부터 분리된다. 이 과정 중에, 기체는 액체와 충분히 접촉하여, 기상(gas phase)과 액상(liquid phase)간의 에너지 교환 및 질량 교환을 달성할 수 있게 된다.
직사각형 기체 통로(5) 내에 있는 기체가 화살표로 표시된 방향으로 흐르게 될 때, 협소 통로로부터 액체가 분무된다. 액체의 일부는 상부벽(upper wall) 표면으로 분무될 수 있으며, 이러한 액체는 상부벽의 표면을 따라 이동할 수 있다. 액체가 액체 차단판(1)에 이르게 되면, 이 액체는 상기 액체 차단판(1)에 의해 차단될 수 있으며, 그리고 나서 상기 액체 차단판(1)을 따라 아래로 흐름으로써, 제2의 액상 커튼 및 분무을 형성하며, 그러면 기체는 액체와 더 접촉할 수 있게 된다. 액체 차단판(1)과 액체 표면 사이의 간격은 H3이며, 이는 고속 기체 유동의 발생을 회피할 수 있을 정도로 충분이 넓다.
기체 차단판(2)의 바닥과 액체 표면 사이의 간격(H2)은 협소 통로의 폭을 조절할 수 있도록 조정된다. 통로가 더 협소할수록, 기체 유동은 더 고속이 되며, 보다 많은 분무가 발생되고, 액체가 더 멀리 분무된다. 이는 기체가 액체와 충분히 접촉할 수 있게 하며, 에너지 교환 및 질량 교환 효과가 더 좋아지게 된다. 하지만, 기체 유동 속도가 증가함에 따라 에너지 소비도 증가하고, 또한 액체가 안개화될 수 있고, 이는 기체로부터 액체의 분리를 더 어렵게 할 수 있기 때문에 기체 유동 속도가 너무 높아서는 안 된다.
기체 차단판(2)과 액체 차단판(1) 사이의 간격(L)은 기체-액체간에 충분한 접촉을 위한 충분한 공간을 보장할 수 있도록 H1의 3배인 거리보다 작지 않다.
기체 통로에서의 기체의 유동 속도는 10m/s보다 높지 않다. 기체의 유동 속도가 너무 높으면 기체가 액체를 끌고 나올 수 있기 때문에, 액체로부터 기체의 분리 효과가 나쁠 수 있다.
도 3을 참조하면, 이 예는 담배공장의 작업환경으로부터 분진을 제거하는 것에 관한 것이다. 오염물질의 배출을 용이하게 하기 위해, 기체-액체간 교환 용기(8)의 바닥에 V형 챔버가 형성되도록 하부벽의 경사각이 설계된다. V형 챔버는 액체(4)로 완전히 채워지며, 기체 입구 파이프라인에서의 액체 위의 기체 통로의 형상, 기체 출구 파이프라인의 형상, 및 용기의 형상은 직사각형이다. 기체 출구 파이프라인의 출구에 공기 배출기(11)가 연결되며, 이 공기 배출기(11)는 배기팬(exhaust fan)이다. 액체 표면을 안정시키기 위해 오버플로우(overflow: 월류) 포트(10)가 기체 통로의 전방에 배치된다. 기체 입구 파이프라인의 상단부에는 흡입 덮개(13)가 배치된다. 구정물을 배출하기 위한 배수구(9-1)가 V형 용기의 바닥에 배치되고, 본 시스템에 물을 공급하기 위한 물 입구(9-2)가 배치된다.
담배공장의 작업장에는 분진과 다양한 휘발성 기체가 퍼져 있어서, 공기의 질이 매우 나쁘다. 송풍팬(11)에 의해 흡입 덮개(13)를 통해서 불순물을 함유한 공기가 흡입되며; 이 공기는 화살표로 표시된 방향으로 이동하여, 기체-액체간 교환 용기(8)로 들어가서는 이 기체-액체간 교환 용기 내의 액체 위에 있는 직사각형 기체 통로(5)에 이르게 되는데; 기체 통로의 바닥에 있는 액체는 수도물이거나 또는 본 시스템에 의해 순환 이용되는 폐수(waste water)일 수 있고; 기체 차단판(2)의 차단으로 인해 협소 통로에는 고속 기체 유동이 발생하며, 이 고속 기체 유동은 액체가 액체 표면을 떠나도록 하여 기체 통로 내의 공간으로 분무하여 액상 커튼 및 분무를 형성하도록 하고; 액적의 일부는 기체의 유동과 함께 앞쪽으로 이동하는데, 소정의 거리를 이동하고 난 후 그 무게에 의해 기체의 유동으로부터 분리되어 떨어지게 되며; 액체 차단판은 상부벽에 있는 액체를 차단하여, 제2의 액상 커튼 및 분무를 형성하게 한다. 이 과정 중에, 기체는 액체와 충분히 접촉하여, 기상과 액상간의 에너지 교환 및 질량 교환을 달성할 수 있게 하고; 분진은 액체에 흡수되고, 다양한 휘발성 기체는 액체에 용해됨으로써, 불순물을 함유한 공기가 효과적으로 정화된다. 마지막으로, 정화된 기체는 배기팬에 의해 작업장으로 유입됨으로써, 작업장의 환경이 개선되게 된다.
본 실시예는 근로자의 건강을 유지시키는 목적을 달성할 수 있도록 작업장의 공기를 정화하는 과정을 기술한다.
본 실시예는 낮은 에너지 소비 및 간단한 구조 등과 같은 이점을 갖는다.
도 4는 담배공장의 작업장 내의 고온 폐기체(waste gas)의 처리를 예시하며; 가열된 폐기체의 온도 및 습도는 매우 높고, 또한 높은 분진성(dustiness)을 가져서 처리하기가 매우 어렵다.
도 4를 참조하면, 본 실시예와 제1의 실시예의 차이점은 기체 입구 파이프라인이 위쪽으로 뻗은 직사각형 횡단면을 갖는 수직 파이프(14)를 구비하는 것이며; 이 수직 파이프(14)는 안개화 노즐(nubulizing nozzle: 15)을 구비하고, 이 안개화 노즐(15)의 아래에는 다공성 판재(16)가 배치된다. 가열된 폐기체는 수직 파이프(14)로 들어가서는, 안개화 노즐(15)에 의해 발생된 미세분무수(water mist)와 함께 유동하는 기-액상(gas-liquid phase)을 형성한다. 다공성 판재(16)는 폐기체와 액체 사이의 접촉 시간을 증대시킨다. 가열된 폐기체는 수직 파이프(14) 내에서 예비 처리되고 나서, 직사각형 기체 통로(5)로 들어간다. 그 후에, 예비 처리된 기체는 두 액상 커튼을 통과하고 나면 냉각 및 정화되며, 불순물을 함유한 미세분무수가 흡수됨으로써, 기체 유동에 의해서 액체가 빠져나가는 것을 방지하게 된다. 따라서, 전체 시스템의 냉각, 탈습(脫濕), 탈진(脫塵), 및 탈취(脫臭)가 달성되며, 정화된 기체는 송풍팬(11)에 의해 통풍 파이프(12)를 통해서 작업장 안으로 바로 유입됨으로써, 기체의 재활용이 이루어지고, 환경을 보호할 수 있게 된다.
전술한 과정 동안에, 기체의 냉각, 탈습, 탈진, 및 탈취의 목적에 더해, 기체-액체간 에너지 교환 및 질량 교환이 달성된다.
본 실시예에서는, 기체의 온도가 액체의 온도보다 더 높기 때문에, 기체로부터 액체로 에너지가 전달되어, 기체-액체간 에너지 교환이 달성되게 된다. 액체의 온도가 기체의 온도보다 더 높으면, 액체로부터 기체로 에너지가 전달되어, 기체-액체간 에너지 교환이 달성되는 한편, 기체는 또한 가습될 수 있다.
본 실시예는 다기능성, 높은 정확도, 낮은 에너지 소비, 및 간단한 구조와 같은 이점을 갖는다.
1: 액체 차단판 2: 기체 차단판
3: 샤프트 4: 액체
5: 직사각형 기체 통로 6: 기체 출구 파이프라인
7: 기체 입구 파이프라인 8: 기체-액체간 교환 용기
9-1: 배수구(drain outlet) 9-2: 물 입구
10: 오버플로우 포트(overflow port)
11: 공기 배출기 12: 통풍 파이프
13: 흡입 덮개(inhaling cover) 14: 수직 파이프
15: 노즐

Claims (8)

  1. 기체-액체간 교환 장치로서,
    상단부(upper end)가 폐쇄된 기체-액체간 교환 용기(8)를 포함하고,
    상기 용기의 전방 단부와 후방 단부는 각각 기체 입구 파이프라인(7)과 기체 출구 파이프라인(8)에 연결되며, 기체 차단판(2)이 상기 용기의 기체 입구 단부에 끼워지고, 액체 차단판(1)이 상기 용기의 기체 출구 단부에 끼워지며, 상기 용기에는 액체가 채워지고, 상기 액체의 위에 형성된 기체 통로(5)는 기체 입구 파이프라인(7) 및 기체 출구 파이프라인(8)과 유통 상태가 되는,
    기체-액체간 교환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 기체 입구 파이프라인(7)의 내부에 노즐(15)이 설치되는, 기체-액체간 교환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 노즐은 안개화 노즐(nubulizing nozzle)인, 기체-액체간 교환 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 기체 입구 파이프라인, 상기 기체 출구 파이프라인, 및 상기 용기 내의 액체 위의 상기 기체 통로는 직사각형 기체 통로인, 기체-액체간 교환 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 기체 통로의 전방에 오버플로우 포트(overflow port: 월류 포트)가 배치되는, 기체-액체간 교환 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 기체 출구 파이프라인의 출구에 공기 배출기가 연결되는, 기체-액체간 교환 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기체 차단판(2)과 액체 차단판(1)은 상기 액체의 표면과 상기 기체 차단판(2) 및 액체 차단판(1) 사이의 간격을 조절할 수 있도록 샤프트를 중심으로 회전될 수 있는, 기체-액체간 교환 장치.
  8. 기체-액체간 교환 방법으로서,
    상기 방법은 제1항의 장치에서 구현되며,
    상기 기체 입구 파이프라인(7)으로부터 유입되는 기체가 기체-액체간 교환 용기(8) 안으로 들어갈 때, 상기 기체 차단판(2)에 의해 고속 기체 유동(fast gas flow)이 형성되고, 상기 고속 기체 유동은 상기 액체가 액체 표면을 떠나도록 하여 상기 기체 통로 내의 공간으로 분무하여 액상 커튼(liquid curtain)과 액적(liquid droplets)을 형성하도록 하며;
    상기 기체는 상기 액상 커튼을 통과하고, 액적의 일부는 상기 기체 유동과 함께 이동하며, 소정 거리 이동하고 난 후에 그 무게에 의해 상기 기체 유동으로부터 분리되어 떨어지며;
    상기 과정 중에, 상기 기체는 상기 액체와 충분히 접촉함으로써, 기상(氣相)-액상(液相)간 에너지 교환 및 질량 교환을 달성할 수 있게 하고, 액체의 일부는 상기 액체 차단판(1)에 이르러 이 액체 차단판에 의해 차단되어 제2의 액상 커튼을 형성하며, 상기 기체 유동은 상기 교환후 상기 액체 차단판 아래의 출구로부터 배출되는,
    기체-액체간 교환 방법.
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