KR20130032278A

KR20130032278A - 개선된 기체-액체 질량 이동을 위한 기체 분산 장치

Info

Publication number: KR20130032278A
Application number: KR1020120105329A
Authority: KR
Inventors: 비풀 피. 돌라키아; 안네마리 오트 웨이스트; 데이비드 리 미첼 주니어
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2012-09-21
Publication date: 2013-04-01
Also published as: BR102012023375A2; ZA201207077B; CN103011378A; EP2573053B1; CA2790236A1; US20130075345A1; PL2573053T3; CN103011378B; ES2525452T3; TWI503289B; EP2573053A1; TW201313623A; SG188741A1; US8871098B2; CA2790236C; KR101418160B1

Abstract

본 발명에는 수 처리를 위한, 오존 기체 버블을 액체 상 물 내로 균일하게 분산시키는 장치 및 방법이 개시하고 있다. 그 장치는 평행한 흐름 채널을 지닌 구조화 팩킹 또는 모놀리스를 구비한 섹션과 연결된 물 유입구 섹션으로 구성되어 있다. 유입수의 일부는 메인 물 스트림으로부터 측부 스트림으로서 배출되고, 펌프에 의해 가압되며, 오존 함유 기체와 혼합되고, 이어서 다시 메인 물 흐름 내로 주입된다. 그 측부 스트림은 오존 함유 기체와 혼합하기 전에 또는 후에 복수개의 스트림으로 분할되고, 이어서 충전된 섹션의 상류에서 메인 흐름 섹션 내로 주입된다. 대안적인 실시양태에서, 오존 함유 기체는 모놀리스에 진입하는 유체내 기체 및 액체의 균일한 농도를 달성하기 위해서 충전된 섹션의 바로 상류에 기체 확산기를 통과하도록 직접 주입될 수 있다.

Description

개선된 기체-액체 질량 이동을 위한 기체 분산 장치{GAS DISPERSION APPARATUS FOR IMPROVED GAS-LIQUID MASS TRANSFER}

본 발명은 개선된 기체-액체 질량 이동을 위한 기체 분산 장치에 관한 것이다.

오존은 강력한 살균제이며, 그리고 천연 발생 맛- 및 취기- 야기 화합물을 비롯하여 음료수로부터 유래된 유기 오염물질을 산화시키는데 사용된다. 오존은 또한 폐수의 이차 처리로부터 유래된 유출물에 사용되어 미량의 유기 오염물질 및 내분비 교란 화합물(EDC: endocrine disrupting compound)을 그 폐수로부터 제거한 후 간접 식수로서 재사용되거나 또는 수체(water body)로 방출된다. EDC는 예를 들면 약제 잔류물, 살충제 및 제초제, 그리고 퍼스널 케어 제품에서 발견될 수 있다. 폐수의 3차 처리를 위한 그러한 오존의 용도는 물 부족 및 수생 생명에 미치는 EDC의 영향에 대한 관심에 기인하여 다른 오존 용도보다 급속하게 부상하고 있다. 시내 및 호수로의 처분 전에, 음료수 또는 도시 폐수의 처리를 수반하는 대부분 용도를 위해서, 전형적인 오존 용량은 물 리터당 3 mg 내지 물 리터당 5 mg의 범위에 있아. 이러한 용도에서 물 유속은 그것이 유용되는 인구에 따라 좌우되며, 그리고 보통 약 700 m³/h 또는 그 이상이다. 산업 폐수의 처리를 위한 그리고 색상 제거와 같은 특수 용도를 위한 오존 용량은 10 mg/L 내지 수백 mg/L이지만, 물 유속은 약 150 m³/h 또는 그 미만으로 보다 낮다.

화학물질 오염된 지하수 장소에서 전형적으로 발견되는, 합성 유기 오염물질, 예컨대 MTBE, TCE, 1,4-디옥산 등의 경우, "진보된 산화(advanced oxidation)" 공정이 폐수 처리에 사용된다. 그 진보된 산화 공정은 수 중에 용해된 오존과 과산화수소를 조합하여 다루기 어려운 유기 오염물질을 산화하는 고 반응성 히드록실 라디칼을 생성한다. 히드록실 라디칼은 수성 상에서 오존과 과산화수소 또는 촉매 간의 반응에 의해 생성된다. 그 진보된 산화 공정은 플랜트에 재사용하기 위해 그리고 도시 하수구 또는 환경으로 오염 유출물을 방출하기 전에 산업적인 공정수를 처리하는데 사용된다.

오존 가스는 일반적으로 공기 또는 고순도 산소로부터 코로나 방전 기초 발생기에서 일반적으로 생성된다. 기체 상에서 오존의 전형적인 농도는 오존 발생에 사용된 기체 공급물 중의 산소 농도 및 발생기 전력에 따라 3 내지 14%의 범위에 있다. 오존 기초 수 처리 공정은 유기 오염물의 산화를 위해 기체 상에서 수성 상으로의 오존의 이동에 따라 좌우된다. 다양한 공정이 수 처리의 목적을 위해, 다양한 공정이 기체 상에서 액체 상으로의 오존을 이동시키는데 사용되어 있다.

이들 모든 공정은 기체-액체 계면에서 형성되는 혼합 또는 상대 운동, 및 기체 상에서 액체 상으로 오존을 이동시키는 공정 작동 조건에서 오존 용해도에 따라 좌우된다. 장비의 선택에 있어 중요한 기준은 작동 동안 소비된 에너지, 원하는 오존 용량 비율, 그 장비의 비용 및 크기, 및 오존 질량 이동 효율을 포함한다. 이 오존 질량 이동 효율은 수성 상에서 용해되는 공정 동안 도입된 오존 기체의 백분율로서 정의된다. 이동된 오존의 양을 증가시키고 이로써 오존 질량 이동 효율을 증가시키기 위해서, 대기압보다 더 높은 작동 압력에서 대략 8% 또는 그 이상(중량 단위)의 고농도 오존을 사용하는 것이 바람직하다. 이 고농도 오존은 기체-액체 혼합 장치에서 취급되어야 하고 수중 오존의 용해도를 증가시키는 기체의 양을 감소시킨다. 대기압보다 더 높은 압력에서 공정을 작동시키는 것은 또한 수중 오존의 용해도를 증가시키는 것이다. 고농도 오존 및 보다 높은 작동 압력의 조합된 효과는 증가된 기체 질량 이동 추진력이고, 이는 오존 질량 이동 효율을 개선시킨다. 공정으로부터 유래된 유출 기체 스트림 중의 잔류 오존은 오존 발생기에서 소모되고 증가된 산소 비용을 결과적으로 야기하는 에너지를 나타낸다. 그 유출 기체 스트림은 대기로 기체를 안전하게 방출하기 전에 비용해된 오존을 제거하기 위해서 오존-파괴 유닛에 통과되어야 한다.

상업적인 오존 발생기는 전형적으로 15 psig 내지 30 psig(103.4 kPa 내지 206.8 kPa) 기체 압력에서 오존을 생성한다. 보다 높은 압력에서, 코로나 방전 발생기의 에너지 효율 및 발생 용량이 감소되고, 이는 15 psig(103.4 kPa) 이상의 압력에서 오존을 생성하는 비용을 보다 비싸게 만든다. 이는 경제적인 오존 기체 공급원을 15 psig(103.4 kPa)로 제한한다. 고 기체 압력에서 보다 우수한 질량 이동 효율을 이용하기 위해서, 벤투리 이덕터(venturi eductor) 기초 공정이 대기압에서 또는 그 보다 약간 위의 압력에서 작동하는 다른 방법에 비하여 바람직하다. 그러나, 벤투리 이덕터 자체는 기체 상으로부터 유래된 오존의 물에 대한 낮은 용해도를 제공한다. 그 질량 이동은 기체가 원동력이 되는(motive) 물 스트림에 의해 흡인되는 목부 섹션(throat section)에서 대개 발생한다. 이덕터의 하류에서, 혼합은 비효율적이고 오직 제한된 추가적인 질량 이동만을 제공한다. 그 이덕터의 하류에서 오존 용해를 개선하기 위해서, 정적 혼합기가 사용된다. 그 정적 혼합기는 오존 이동을 위해 기체를 수 중으로 혼합하기 위해서 그것을 통과하는 고 유체 속도를 요구한다. 요구되는 최소 속도는 정적 혼합기에 특정되고, 그 혼합기를 가로질러 큰 압력 강하를 결과로 초래하고, 이로써 그 공정에 대한 에너지 요건을 증가시키게 된다.

수 처리 목적으로 기체 상에서 액체 상으로 오존을 이동시키기 위한 하나의 공지된 공정은 버블 컬럼 또는 바신(basin) 반응기이고, 이 반응기는 그 컬럼 또는 바신의 바닥부에 위치한 대형 컬럼 또는 바신 및 기체 확산기를 포함한다. 일부 실시양태에서, 그 기체 확산기(diffuser)는 수면의 대략 15 내지 20 피트(4.6 내지 6.1 미터) 아래에 위치할 수 있다. 그 컬럼 또는 바신은 오염된 물로 연속적으로 채워지고, 오존은 기체 확산기를 통해 도입된다. 오존 기체의 미세한 버블이 컬럼 또는 바신에서 수중에서 떠오르고, 이는 바신에서 물의 혼합 및 교란을 제공하고 수중 오존의 용해(또한 본원에서는 "오존 이동(ozone transfer)"이라고도 칭함)를 촉진한다. 오존 이동 효율은 컬럼 또는 바신의 정상부로부터 유래된 오존을 포획하여 재순환시키고/시키거나, 배플을 사용하여 일련의 컬럼 또는 바신을 통해 오존을 통과시킴으로써 개선될 수 있다. 오존 용량 및 바신 설계에 따라 좌우되어, 일부 실시양태에서, 바신의 하나 이상 섹션이 기체 정화에 사용되고, 나머지 섹션이 용해된 기체 제거 및 물에 대한 소정의 오존 접촉 시간(CT: contact time)을 달성하는데 사용된다. 그 처리된 물은 소정의 CT에 도달된 후에 바신으로부터 제거된다.

바신 접촉기 공정은 바신에서 우수한 혼합 및 질량 이동을 달성하기 위해서 총 기체 유속의 좁은 범위 내에서 작동한다. 총 기체 유속이 감소된다면, 기체 버블은 수중에서 유의적인 혼합 또는 교란 없이 그 컬럼에서 수중 떠오른다. 이는 접촉기에서 오존 질량 이동 효율을 감소시킨다. 오존 기체 발생은 그 공정의 주요 비용을 차지하고, 접촉기에서 감소된 오존 질량 이동 효율은 그 공정을 보다 덜 경제적으로 만든다. 감소된 기체 흐름에 기인한 적당한 혼합의 부족은 또한 바신에서 오존의 비균일 분포를 유발하며, 그리고 관련 있는 물-살균 규정에 의해 요구된 바 아래로 CT를 감소시킬 수 있다. 이러한 문제점들을 해소하기 위해서, 총 기체 유속은 그 기체내 오존 농도를 저하시킴으로써 일정하게 유지된다. 전형적인 오존 처리 공정은 오존을 발생시키는 공급원 기체로서 고순도 산소를 사용한다. 그 공급 기체내 오존 농도가 낮은 오존 요구량에 대응하여 감소될 때, 낮은 물 유속 또는 보다 낮은 오염물질 농도에 기인하여, 다량의 고순도 산소가 오존의 단위 질량당 요구되어 버블 확산기를 통과하는 기체의 일정한 전체 흐름을 유지하게 된다. 고순도 산소의 보다 큰 분율을 사용하는 것은 물을 처리하는 유닛 비용을 증가시키고 결과적으로 낮은 오존 요구량의 기간 동안 에너지 소비를 초래한다.

바신 접촉기를 사용으로 인한 또다른 결점은 기체 확산기에서 미세한 소공(종종 마이크론 크기)이 시간에 경과됨에 따라 막히고, 이에 따라 그 접촉기의 성능에 유의적으로 영향을 미친다는 점이다. 그 확산기의 막힘 현상은 확산기가 주기적으로 세정 또는 교체되어야 한다는 점을 요구하는데, 이는 공정 정지 시간 및 증가된 관리 비용을 유발한다. 폐수의 처리는 또한, 그 폐수가 확산기의 빈번한 막힘 현상 및 접촉기에서 불량한 성능을 유발하는 그 폐수 내에 미세한 현탁된 고체의 보다 높은 농도를 운반하기 때문에, 전형적인 미세한 버블 확산기 기초 바신 접촉기 방법의 경우 매우 큰 과제를 갖고 있다. 음료수 및 폐수 처리 플랜트 둘 다에서 물 유속은 하루 동안 그리고 계절에 따라 유의적으로 변하는데, 이는 낮은 오존 요구량 기간 동안 가장 전형적 접촉 방법의 작동을 고비용으로 만든다. 그 확산기 기초 공정의 다른 단점은 크고 깊은 바신이 오존을 물에 효율적으로 이동시키는데 요구되므로, 이는 비용 및 공간 요건이 증가된다는 점; 기체 버블의 채널링(channeling)이 질량 이동의 효율을 감소시킨다는 점; 및 그 공정이 고압 작동에 대하여 개량될 수 없으므로, 이는 수중 오존 기체의 용해를 증가시킨다는 점을 포함한다.

또다른 공지된 오존 이동 방법은 벤투리 이젝터의 사용이고, 그 이젝터에서 물은 벤투리를 통과하여 흐르고, 오존 기체는 그 벤투리의 목부에서 배출된다. 이 벤투리 기초 방법은 단지 비교적 낮은 물 유속으로 시스템에서 효율적으로 이용될 수 있다. 비교적 큰 유속에서 작동하는 시스템에서, 물의 일부는 벤투리가 위치해 있는 "슬립 스트림"으로 전환될 수 있다. 이어서, 그 슬립 스트림은 메인 스트림으로 다시 주입되어 난류에 의해 그 메인 스트림 내로 혼합된다. 그 전환된 스트림 벤투리 방법은 전형적으로 단지 비교적 낮은 용량 오존 이동(예를 들면, 10 mg/L 또는 그 미만)에 대하여 효과적이다. 이 방법은 또한 메인 파이프에서 유입수의 높은 교차 흐름 속도를 필요로 하여 그 제트로부터 유래된 2상 흐름의 메인 파이프 내로의 혼합을 제공하고, 그 혼합된 스트림을 느리게 이동하는 물 흐름에서보다 그 메인 파이프에서 더 먼 거리로 운반한다. 그 고속 제트의 목적은 그 제트의 교란 에너지의 급속한 소산을 통해 메인 흐름에서 추가적인 오존 이동을 달성하는 것이다. 메인 흐름에서 오존의 효과적인 혼합 및 질량 이동에 요구되는 2 상 제트의 고속은 주입 노즐에 걸친 큰 압력 강하를 유발한다. 그 높은 압력 강하는 오존 이동을 달성하는데 소비되고 측부 스트림 펌프에 의해 공급되는 에너지를 나타낸다. 이 방법의 경우 에너지 요건은 전형적으로 바신 반응기의 경우보다 훨씬 더 많다.

벤투리 기초 오존 이동의 또다른 변형에서, 정적 혼합기가 이덕터 또는 기체 주입 노즐로부터 하류에 사용되어 수상에서의 추가 혼합 및 오존 용해를 달성할 수 있다. 그 시스템은 이동 부품을 보유하고 있지 않기 때문에 보다 단순하다. 정적 혼합기를 통해 우수한 오존 이동을 위한 혼합 및 기체 분산은 기체와 액체의 고도의 난류를 요구한다. 이는 정적 혼합기를 통과하는 높은 기체-액체 속도를 요구하고, 그것은 기체 용해의 임의 다른 공정보다 더 높은 압력 강하를 그 혼합기를 가로질러 결과적으로 생성한다. 요구된 이러한 최소 기체-액체 속도는 사용된 정적 혼합기에 특이적이고, 공정은 단지 물 및 기체 유속의 좁은 범위에서 작동되어 오존 용해에 필요한 난류를 달성할 수 있다. 오존 이동의 효율은 물 유속이 정적 혼합기에 대한 최적 작동 범위 아래로 감소될 때 현저히 불리해진다. 이는 음료수 및 폐수 플랜트에서 물 유속이 하루 동안 그리고 계절에 걸쳐 요구에 따라 상당히 변하기 때문에 플랜트 작동에 대한 거대한 과제가 된다.

터빈 접촉기를 사용하여 오존 이동을 수행하는 시도가 있어 왔고, 그 접촉기는 중공 터빈 샤프트 및 교반기를 통해 기체를 흡인시킴으로써 작동한다. 그 터빈 접촉기는 몇가지 이유로 오존 이동 용도에 매우 우수하게 적합화되지 않는 것으로 보인다. 상기 기술된 오존 이동 방법과 비교했을 때, 터빈 접촉기는 비교적 높은 전력 요건을 갖는다. 또한, 터빈 접촉기로 진입하는 오존 기체 대 물의 비율은 효율적인 작동을 위해 비교적 일정하게 유지되어야 하고, 그것은 오존 주입량(ozone dosing)을 조절할 수 있는 성능을 제한한다. 터빈 접촉기는 분말화된 촉매가 오존 기체가 흡인되어 통과하는 채널을 막기 때문에, 촉매 오존화에 매우 우수하게 적합화되지 않는다.

충전된 컬럼(packed column)은 이러한 유형의 반응기가 매우 낮은 오존 질량 이동 효율을 갖고 있기 때문에 액체 상 내로의 오존 이동에 드물게 사용되고, 그러므로 매우 큰 컬럼이 전형적인 오존 주입을 달성하는데 요구된다. 충전된 컬럼은 또한 낮은 공극 부피를 가지며, 그 부피는 주어진 직경을 갖는 컬럼을 통과하는 물 유속을 제한한다. 충전된 컬럼은 오존에 의한 고정층 촉매 반응에 사용될 수 있지만, 오존의 낮은 질량 이동 효율에 기인하여, 구성 및 작동하기에 비용이 많이 든다.

충돌 제트는 또한 오존 이동 시스템에서 기체 상과 액체 상 사이의 혼합을 강화시키는데 사용되어 왔다. 그러한 시스템에서, 2상 흐름의 고속 제트는 또다른 2상 흐름 제트와 또는 정지상 표면과 충돌하게 된다. 이러한 충돌 제트 공정에서, 기체-액체 스트림의 2가지 제트는 반대 측으로부터 고속으로 충돌한다. 처리된 물의 일부는 재순환될 수 있고, 유입되는 오염된 물과 혼합될 수 있으며, 이어서 펌프를 통해 공급되어 제트를 형성할 수 있다. 게다가, 미용해된 오존은 상 분리기에서 하류에 포획될 수 있고, 제트를 통해 재순환될 수 있다. 충돌 제트는 단독으로 혼합 반응기로서 사용될 수 있거나, 또는 다른 혼합 반응기와 조합으로 사용될 수 있다. 충돌 제트를 포함하는 오존 이동 시스템의 설계 및 작동은 충돌 오존의 정확한 위치에 대한 필요성에 기인하여 복잡하다. 게다가, 그 제트가 고 전력 요건을 가지며, 그리고 그러한 유형의 시스템에 의해 수용될 수 있는 유속의 범위가 제한되어 있다. 따라서, 이러한 방법은 대형 부피 수 처리 용도, 예를 들면 음료수 및 폐수 처리 용도에 드물게 이용된다.

따라서, 선행 기술의 방법의 부족한 점들을 극복하는 오존 이동에 대한 개선된 방법이 필요하다.

발명의 개요

하나의 실시양태에서, 본 발명은 수 처리 방법을 포함하고, 상기 방법은

(a) 물 스트림을 예비 처리 라인을 통해 이송하는 단계,

(b) 예비 처리된 라인으로부터 물 스트림을, 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 포함하는 팽창 섹션 내로 도입하는 단계로서, 제2 단면적은 제1 단면적보다 훨씬 더 큰 것인 단계,

(c) 3% 이상의 오존 기체를 함유하는 기체 스트림을 제공하는 단계,

(d) 물 스트림이 팽창 섹션을 통과하여 흐르는 동안 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션 내로 기체 스트림을 도입하여, 하류 단부에서 오존 기체와 물을 포함하는 기체-액체 혼합된 상 스트림을 생성하는 단계, 및

(e) 혼합된 상 스트림을 팽창 섹션으로부터 하류에 위치한 모놀리스를 통해 통과시켜서, 오존 기체의 적어도 일부가 수 중에 용해되어 있는 반응 생성물을 생성하는 단계

를 포함한다.

다른 양태에서, 본 발명은 수 처리 시스템을 포함하고, 그 수 처리 시스템은

물 스트림을 포함하는 예비 처리 라인;

그 예비 처리 라인에 따라 유체 소통하게 연결된 팽창 섹션으로서, 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 포함하는 팽창 섹션으로서, 제2 단면적은 제1 단면적보다 더 큰 것인 팽창 섹션;

3% 이상의 오존 기체를 함유하는 기체 스트림으로서, 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션과 유체 소통하는 것인 기체 스트림; 및

예비 처리 라인과 유체 소통하는 유출구 단부 및 유입구 단부를 갖는 모놀리스로서, 유출구 단부 및 유입구 단부는 팽창 섹션으로부터 하류에 있고, 모놀리스는 물 스트림 및 기체 스트림이 통과하여 이동할 수 있는 복수개의 채널을 그 내부에 보유하는 것인 모놀리스

를 포함한다.

또다른 양태에서, 본 발명은 수 처리 방법을 포함하고, 그 방법은

(a) 예비 처리 라인을 통해 물 스트림을 이송하는 단계,

(b) 예비 처리 라인으로부터 물 스트림의 일부를 하나 이상의 측부 스트림으로 전환시키는 단계로서, 그 측부 스트림은 전환 지점에서 예비 처리 라인으로부터 분지되는 것인 단계,

(c) 오존 기체를 함유하는 출력 기체 스트림을 제공하는 단계,

(d) 출력 기체 스트림을 하나 하나 이상의 주입 지점에서 하나 이상의 측부 스트림 중의 물에 도입하여, 하나 이상의 주입 지점의 하류에서 오존 기체와 물을 포함하는 혼합된 상 스트림을 생성하는 단계,

(e) 그 혼합된 상 스트림을 전환 지점으로부터 하류에 위치해 있는 재도입 지점에서 물 스트림 내로 도입하는 단계

를 포함한다.

도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시양태의 개략적인 디아그램이다.
도 2는 본 발명의 제2 예시적인 실시양태의 개략적인 디아그램이다.
도 3은 도 1의 라인 3-3을 따라 취한 부분 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 예시적인 팽창 섹션 및 모놀리스의 개략적인 디아그램이다.
도 5는 수 처리 시스템에 대한 예시적인 연결 구성을 나타내는 개략적인 디아그램이다.
도 6은 수 처리 시스템에 대한 예시적인 연결 구성을 나타내는 개략적인 디아그램이다.
도 7은 본 발명의 제3 예시적인 실시양태의 일부에 대한 개략적인 디아그램이다.
도 8은 본 발명의 제4 예시적인 실시양태의 일부에 대한 개략적인 디아그램이다.
발명의 실시양태에 대한 상세한 설명
본원에서 달리 언급되어 있지 않은 한, 명세서, 도면 및 청구범위에서 확인된 임의 및 모든 백분율은 중량 백분율 기준으로 이루어진 것으로 이해되어야 한다.
본원에서 달리 언급되어 있지 않은 한, 명세서, 도면 및 청구범위에서 확인된 임의 및 모든 압력은 게이지 압력을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같이, 용어 "유체 소통"이란 밸브, 게이트, 또는 유체 흐름을 선택적으로 제한할 수 있는 다른 장치를 함유할 수 있는 연결부를 포함하는 2개 이상의 부재가, 그 부재들 사이에 유체가 흐를 수 있게 하는 방식으로, (직접적으로 또는 간접적으로) 연결되어 있다는 점을 의미하는 것으로 의도된다.
명세서 및 청구범위에 사용된 바와 같이, 용어 "오존 이동", "오존 질량 이동", 및 "오존 용해"란 모두 오존 기체가 수 중으로 용해되는 것을 의미한다.
본 발명을 기술하는데 도움을 주기 위해서, 방향 용어(예를 들면, 상부, 하부, 좌측, 우측 등)가 명세서 및 청구범위에 사용되어 본 발명의 일부를 기술할 수 있다. 이들 방향 용어는 단지 본 발명을 기술하고 특허청구하는데 도움을 주기 위한 것이고, 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하기 위한 것이 아니다.
특허청구에서, 문자는 청구된 단계(예를 들면, (a), (b), (c) 등)를 확인하는데 사용된다. 이들 문자는 방법 단계를 언급할 때 도움을 주도록 사용되고, 청구된 단계들이 수행되는 순서를 지시하도록 의도된 것이 아니고, 하지만 그러한 순서가 청구범위에서 구체적으로 인용되어 있는 정도만을 이외로 지시한다.
본 발명에 따른 방법은 값이 비싼 관리를 요구하거나 다량 에너지를 소비하는 극소수 이동 부품을 지닌 단순하고 치밀한 시스템에서 효율적인 기체-액체 접촉 공정을 제공한다. 오존에 의한 수 처리 및 살균을 위한 전형적인 공정은 연속적인 흐름 바신 접촉기에서 오존 함유 기체 주입을 위한 버블 확산기를 사용하거나, 또는 파이프에서 정적 혼합기 유무 하에 벤투리 이덕터 또는 노즐을 통한 기체 주입을 위한 버블 확산기를 사용한다. 그 버블 확산기를 지닌 바신 접촉기는 접촉 섹션에서 기체와 액체의 불량한 혼합을 제공하고, 오존 기체 이동에 비효율적이다. 그것은 낮은 물 유속의 지속시간 동안 기체내 오존 농도를 감소시킴으로써 일정한 기체 유속 작동을 유도하는 기체 흐름에 대한 좁은 설계 범위 내에서 작동한다. 오존 농도가 일정한 기체 유속을 유지하도록 감소될 때, 처리된 물의 단위 부피당 보다 많은 양의 순수한 산소 기체가 사용되어야 한다. 이는 낮은 물 유속의 지속시간 동안 소모된 에너지 및 보다 높은 작동 비용에 해당한다. 그 바신 접촉기는 또한 오존화 단계가 그 바신으로부터 처리된 물을 회수하는데 사용되는 추가 펌프 또는 물 가압 방법 없이 레트로피트(retrofit)로서 추가될 수 없도록 대기압에서 작동한다.
인-라인 파이프 접촉기는 기체 노즐, 벤투리 이덕터, 또는 2상 제트를 통해 물 스트림 내에 기체를 도입하는 플러그 흐름 반응기이다. 이러한 유형의 접촉기는 또한 물 및 기체 속도 범위에 대한 좁은 명세사항 내에서 작동하고, 낮은 오존 질량 이동 효율을 갖는다. 정적 혼합기가 기체 주입 지점의 하류에서 혼합을 위해 파이프 반응기에서 사용된다면, 오존 이용은 정적 혼합기 설계 범위 내에서 개선된다. 그러나, 그것은 정적 혼합기에서 혼합에 요구되는 난류의 큰 압력 강하에 기인하여 복합한 반응기 설계 및 보다 높은 작동 비용을 유발한다.
보다 다방면적인 오존 이동 공정은 보다 넓은 작동 범위, 보다 낮은 에너지 소비, 및 보다 높은 오존 이동 효율을 지닌 것들이다. 본원에 개시된 발명은 이들 목적 중 하나 이상을 달성한다. 인라인 벤투리 이덕터, 인라인 정적 혼합기, 또는 기체 노즐의 사용과 같이 기체를 주입하는 전형적인 공정은, 본 출원에서 설명된 장치에 의해 달성된 것과 동일한 정도로, 충전된 섹션의 입구에서 요구된 기체 분산을 결과적으로 생성하지 않는다. 그 본원에 개시된 장치는 레트로피트로서 최소 변경을 지닌 현행 수 처리 플랜트에서 용이하게 혼입될 수 있다. 본 발명은, 물 공급이 대기압에서 유지되어야 하는 바신 접촉기 공정과는 달리, 임의의 압력에서 물 공급원에 대하여 이용할 수 있다. 또한, 본 발명은 경제적인 오존 발생기의 사용을 허용하고, 그 발생기는 처리하고자 하는 물이 15 psig(103.4 kPa)보다 높은 압력에 존재한다고 할지라도 매우 우수한 오존 질량 이동 효율과 더불어 약 15 psig(103.4 kPa)에서 작동한다.
본 출원에 따른 본 발명은 오존이 높은 오존 이용 비율로 기체 상에서 수상으로 이동하는 것을 허용한다. 본 발명에 따라 오존 함유 기체를 물과 접촉시키기 위한 일부 실시양태에서, 유입수는 오존 함유 기체 버블이 2상 주입 노즐 또는 기체 확산기를 사용하여 그 유입수에 분산되는 후 모놀리스를 함유하는 구조화 팩킹 섹션 위로 통과하게 된다. 그 구조화 팩킹 섹션은, 오직 기체가 충전된 섹션에 진입하기 전에 잘 분산될 때에만, 용해성 기체를 액체 상 내로 이동시키는 경우에 효율적이다. 수중에서 기체 버블의 우수한 분산은 측부 스트림으로서 유입수의 일부를 회수하고, 적합한 액체 흐름 펌프를 사용하여 그 측부 스트림내 물을 가압한 후, 기체-액체 혼합물을 충전된 섹션 앞에 주입함으로써 달성된다. 그 오존 함유 기체 스트림은 기체 노즐 또는 벤투리 이덕터를 통해 측부 스트림 내에 도입된다. 그 측부 스트림내 기체-액체 혼합물은 복수개의 스트림으로 분할되고 흐름 도관을 따라 상이한 위치로 관을 통해 흐른다. 이어서, 측부 스트림으로부터 분할된 모든 2상 스트림은 버블 합체 및 상 분리를 최소화하기 위해서 충전된 섹션의 바로 앞에 있는 메인 물 스트림 내로 주입된다. 주입 지점의 배향 및 위치는 충전된 섹션의 배향 및 형상에 따라 좌우된다.
충전된 섹션 앞에 2상 흐름을 주입하기 위한 대안으로서, 오존 함유 기체는 또한 충전된 섹션 바로 앞에 있는 기체 확산기를 통해 주입될 수 있다. 이러한 경우, 오직 그 기체만이 오존 발생 공급원으로부터 확산기를 통해 액체 흐름 내로 주입된다. 충전된 섹션에 가까운 확산기의 배치는 감소된 버블 합체를 보장하고, 충전된 섹션의 형상과 일치하도록 형상화된 복수개의 확산기의 사용은 충전된 섹션의 입구에서 기체 버블의 균일한 분포를 보장한다. 그 충전된 섹션은 유체의 흐름에 대하여 수평으로, 상향 수직으로 또는 하향 수직으로 배향될 수 있다. 일부 실시양태에서, 충전된 섹션의 바람직한 배향은 모놀리스에서 원형 또는 정사각형 단면적 마이크로채널과 수평으로 존재하여 그 마이크로채널 내에서 유체 흐름 및 혼합을 최대화 한다. 일부 실시양태에서, 오존 고갈된 기체 및 처리된 액체는 이용가능한 전형적인 수단 중 어느 것이든지에 의해 충전된 섹션으로부터 하류에서 회수될 수 있다. 예를 들면, 충전된 섹션으로부터 유출구는 소정의 접촉 시간(CT)을 달성하고 오존 고갈된 잔류 기체를 분리하도록 바신에 연결될 수 있다. 그 기체 분리 및 체류 시간은 또한 기체 분리를 위한 탈기체 용기의 사용에 의해 이어서 CT를 위한 파이프 라인 접촉기에 의해 달성될 수 있다. 오존을 생성하는 방법은 전력 집중적이고 비용 비싸므로, 기체 상과 액체 상을 혼합할 때 상당한 에너지를 소모하는 일 없이 산화 공정에서 오존 이용을 최대화하는 것이 바람직하다.
아래에 설명된 본 발명에 따른 실시양태를 이용하는 공정은 수중에서 오존 용해를 위한 공지된 공정들의 과제를 해소하고 그러한 용해를 위한 치밀한 시스템을 제공한다. 그것은 모든 크기의 플랜트에 대한 수 처리 및 살균에 유용하지만, 시간당 700 m³ 또는 그 이상의 유속을 취급하는 수 처리 플랜트에 매우 매력 있다.
본 발명의 메인 이점 중 하나는 본 공정이 오존 발생기의 작동 압력보다 더 높은 압력에 존재하는 물에 의해 이용될 수 있다는 점이다. 오존 기체가 메인 물 스트림에 직접 주입되는 통상적인 처리 공정에서, 그 메인 물 스트림내 압력은 오존 기체 압력보다 더 낮아야 한다. 이러한 처리 공정에서, 그것은 오존 발생기가 필수적인 압력을 얻을 때 효율적으로 작동되지 않기 때문에 그 시스템의 작동 비용을 부가한다.
본 발명에 따른 일부 실시양태에서, 벤투리 이덕터는 오존 기체를 흡인하는데 사용된다. 그 벤투리 이덕터는 소정의 물 및 오존 발생기 압력 하에 작동하여 소정량의 오존 기체를 흡인하도록 설계될 수 있다. 이는 오존 발생기 압력으로부터 유입수 압력을 분단하지만, 둘 다는 그들의 최적 조건에서 작동될 수 있다. 본 발명에 따른 장치 및 방법은 대기압에서 대략 100 psig(689.5 kPa)까지 이르는 작동 압력 및 대부분의 경우 작동 수압 5 psig 내지 50 psig(103.4 kPa 내지 344.7 kPa) 하에 처리를 수행하는데 이용될 수 있다.
본원에 기술된 예시적인 실시양태에서, 충전된 섹션에 진입하는 물의 속도는 인접 유입 파이프의 것보다 더 큰 단면적을 갖는 팽창 섹션의 사용으로 감소된다. 이러한 접근법은 산화 처리에 대한 다수의 공지된 접근법이 혼합 섹션에서 물 속도를 증가시킬 목적으로 유입 물 흐름을 제한하기 때문에 해당 기술 분야의 당업자에게 반직관적일 수 있다. 본 발명이 오존 이동을 개선시키는 방식은 개시된 예시적 실시양태를 참조하여 아래에서 상세히 설명될 것이다.
예시적인 수 처리 시스템(10)의 제1 실시양태는 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 시스템(10)에서, 처리하고자 하는 물은 유입 공급물 스트림(12)에 의해 예비 처리 라인(16) 내로 도입된다. 예비 처리 라인(16)에서 물의 일부는 측부 스트림(62), 측부 스트림 부분(60)을 통해 물을 순환시키는 펌프(64), 및 측부 스트림(62)으로부터 분기 지점(69)에서 분할되는 복수개의 스트림(70, 72, 74)을 포함하는 측부 스트림 부분(60)으로 전환된다. 그 예비 처리 라인(16)은 팽창 섹션(31) 내로 미전환된 물을 운반한다.
이러한 실시양태에서, 분기 지점(69) 및 스트림(70, 72 및 74)은 오존 발생 시스템(18)에 의해 발생된 오존이 오존 공급물 라인(66)에 의해 측부 스트림(62) 내로 도입되는 접합부(68)로부터 하류에 위치한다. 종래 시스템과 반대되는 바와 같이, 본 발명에서 유입수 부피의 단지 일부만이 혼합 섹션(22)의 충전된 섹션을 위한 기체 분산을 생성시키는데 사용된다. 또한, 본 발명은 예비 처리 라인(16)에 위치한 물의 압력보다 더 높은 압력으로 측부 스트림(62) 내의 물을 펌핑하기 위해서 오직 측부 스트림(62)에만 펌핑 장치(즉, 펌프(64))를 포함한다. 이는 전체 유입수 흐름(12)이 인라인 벤투리 이덕터를 통해 펌핑되는 실시양태와 비교할 때 단지 유입수 흐름(12)의 측부 스트림 부분(60)만을 가압함으로써 에너지 소비를 감소시킨다.
이러한 실시양태에서, 오존 공급물 라인(66)에서 오존 함유 기체는 기체 노즐 또는 벤투리 이덕터를 통해 접합부(68)에서 측부 스트림(62) 내로 주입된다. 이어서, 그 측부 스트림(62)에서 기체-액체 스트림은 임의로 정적 혼합기에 의해 추가 혼합되어 기체 버블을 그 수중으로 추가 분산시킬 수 있다. 이러한 실시양태에서, 측부 스트림(62) 내의 물이 접합부(68)에서 오존과 혼합된 후, 2상 측부 스트림(62)이 이어서 복수개의 이차 스트림(70, 72, 74)으로 분할된다. 측부 스트림(62)은 본 발명의 영역 내에서 임의 수의 이차 스트림으로 분할될 수 있다. 바라직하게는, 이차 스트림 각각은 대략적으로 동일한 용적 측정의 유속으로 제공된다. 이러한 실시양태에서, 스트림(70, 72, 74)에서 기체-액체 혼합물은 이어서 혼합 섹션(22)의 충전된 섹션 앞에 있는 각각의 주입 지점(84, 86, 88)에서 혼합 섹션(22)의 팽창 섹션(31) 내로 공급된다. 이러한 실시양태에서, 그 충전된 섹션은 모놀리스(26)를 포함한다.
임의 유형의 전형적인 주입 노즐이 사용되어 2상 흐름을 팽창 섹션(31) 내로 주입할 수 있다. 그 주입 지점들은 이들이 기체 버블의 실질적으로 균일한 분포를 생성시키고 기체 버블 합체 및 상 분리를 감소시키도록 팽창 섹션(31)에 위치한다. 오존 기체를 측부 스트림(62) 내로 혼합한 후, 측부 스트림(62)을 복수개의 스트림(예를 들면, 70, 72, 74)으로 분할하는 것은 필요한 오존 공급물 라인의 수를 단지 하나로 감소시킨다(이는 도 1에서 단일 오존 공급 라인(66)의 사용에 의해 이해되는 바와 같다).
대부분 상업적 오존 발생기는 제곱 인치당 15 내지 30 파운드의 압력(103 내지 207 kPa)에서 출력 기체 스트림을 생성한다. 전형적인 출력 기체 스트림 압력은 코로나 방전 오존 발생기의 경우 보다 낮고, 그 발생기에서 오존 발생 효율은 출력 기체 스트림 압력이 15 psig(103 kPa)을 초과한다면 불리해지기 시작한다. 도 1에 도시된 실시양태에서, 예비 처리 라인(16)에 대한 바람직한 압력 범위는 제곱 인치당 5 내지 50 파운드(34 내지 345 kPa)이다. 해당 기술 분야의 당업자라면 명백히 이해하는 바와 같이, 그 바람직한 범위는 보다 높은 출력 기체 스트림 압력에서 작동할 수 있는 오존 발생기가 상업적으로 이용가능해짐에 따라 변한다.
예시적인 수 처리 시스템(110)의 제2 실시양태는 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 이러한 실시양태에서, 시스템(10)의 제1 실시양태에서의 부재들과 동일한 시스템(110)의 부재들은 100으로 증가된 참조 번호로 제시되어 있다. 예를 들면, 시스템(10)의 제1 실시양태의 예비 처리 라인(16)은 시스템(110)의 제2 실시양태의 예비 처리 라인(116)과 동일한 것이다. 선명성의 이익을 위해서, 제1 실시양태와 공유되는 이러한 실시양태의 일부 숫자는 도 2에서 번호로 기재되어 있지만, 명세서에서 반복되지 않다. 예를 들면, 시스템(10)에서 유입 공급물 스트림(12)은 시스템(110)에서 유입 공급물 스트림(112), 시스템(310)에서 유입 공급물 스트림(312) 그리고 시승템(410)에서 유입 공급물 스트림(412)에 상응한다.
도 2에 도시된 실시양태에서, 오존 함유 기체는 3개의 오존 공급물 라인(166a, 166b 및 166c)으로 분할되고, 이들은 각자 각각의 접합부(176, 178, 160)에서 이차 스트림(170, 172, 174) 중 하나에 개별적으로 연결되어 있다. 도 1의 실시양태와 마찬가지로, 측부 스트림(162)은 임의 수의 2차 스트림으로 분할될 수 있다. 벤투리 이덕터 또는 임의의 다른 적합한 주입 장치가 이차 스트림(170, 172, 174)에 대한 기체 주입 장치로서 사용될 수 있다. 이어서, 그 이차 스트림(170 172, 174)은 팽창 섹션(131)에서 유입수 내로 기체-액체 혼합물을 공급한다. 이는 측부 스트림(162)에서 압력 강하를 발생시킬 수 있는 추가의 기체 노즐에 대한 필요성을 감소시키므로, 그 공정에 의해 소비되는 에너지의 양을 더욱 더 감소시키게 된다. 측부 스트림에 대한 구성의 선택, 2상 흐름 주입 방법, 및 주입 노즐의 명확한 위치는 예를 들어 전반적인 용적 측정의 물 유속, 오존 용량, 충전된 섹션의 배향, 및 충전된 섹션내 충전물의 성질과 같은 다수 인자에 따라 좌우된다.
시스템(10)의 추가적인 부재들이 이하 논의될 것이다. 후술하는 시스템 개시내용의 상응하는 부재들은 도 2의 시스템(110), 도 7의 시스템(310) 및 도 8의 시스템(410)의 실시양태들에 동일하게 적용가능하다는 점을 이해되어야 한다. 명세서에서 기술되고 모든 시스템(110, 310, 410)에서 존재하는 시스템(10)의 부재들은 100, 300 및 400 배로 각각 증가되어 참조 번호로 도면에 표시될 수 있지만, 명세서에 구체적으로 기술될 수 없다.
도 1에 도시된 예에서, 오존 발생 서브시스템(18)은 코로나 방전 오존 발생기를 포함한다. 그 오존 발생기는, 오존 공급물 라인(66)에서 소정의 오존 농도 및 오존의 총량에 따라 좌우되어, 주위 공기, 산소 농후 공기, 또는 순수 산소의 공급물 라인을 포함한다. 이러한 예에서, 90% 이상의 산소를 포함하는 공급물 라인이 제공된다. 전형적 코로나 방전 오존 발생기는 공급물 기체내 산소의 약 4% 내지 13%를 오존으로 전환시킨다. 따라서, 오존 발생 서브시스템(18)으로부터 유래된 출력 기체 스트림은 정상 작동 조건 하에 3% 이상의 오존을 함유한다. 다른 실시양태에서, 오존을 발생시키는 임의의 적합한 대안적인 방법이 이용될 수 있다.
이어서, 오존 기체(오존 공급물 라인(66)으로부터 유래된 것)와 예비 처리 라인(16)으로부터 유래된 물의 혼합물은 혼합 섹션(22) 내로 흐른다. 이러한 예에서, 그 혼합 섹션은 벌집형 모놀리스(26)을 포함한다. 이하 도 3을 참조하면, 모놀리스(26)은 평형 마이크로채널(28)을 한정하는 벽(30)을 갖는 단일 구조체를 포함하고, 그 채널은 모놀리스(26)의 단면적을 채우는 것이 바람직하다. 이러한 예에서, 벽(30)은 세라믹 재료로 형성된다. 그 벽(30)에 대한 다른 적합한 기재 재료의 예로는 근청석(cordierite), 세리아-지르코니아, 알루미나, 카본 및 이산화탄소가 있다. 금속, 예컨대 스테인레스강은 또한 벽(30)에 대한 적합한 기재 재료이다. 보다 큰 직경의 모놀리스의 경우, 그 구조는 소정의 단면적을 핏팅하도록 분절화된 복수개의 모놀리스를 포함할 수 있다.
본 공정에서, 예비 처리 스트림(16)으로부터 유래된 유입수는 오존 처리를 위해 혼합 섹션(22)으로 운반된다. 전형적인 물 속도는 예비 처리 라인(16)에서 1 m/s 내지 2 m/s이고, 또한 압력 손실을 허용가능한 수준으로 유지하면서 파이프 크기를 작게 유지하도록 2 m/s에 보다 가까이 존재한다. 이어서, 그 물은 유입수 파이프보다 더 큰 단면적을 가지며 그리고 우수한 기체-액체 질량 이동을 달성하도록 구체적으로 설계된 마이크로채널(28)로 충전되어 있는 구조화 팩킹 또는 모놀리스(26)를 함유하는 섹션을 통과하게 된다. 그 팩킹은 보통 이를 통과하는 유체 흐름에 대하여 60% 내지 85%의 공극 부피를 갖는다. 충전된 섹션을 통과하는 공탑 속도(superficial velocity)는 유입수 파이프에서보다 더 낮고, 0.25 m/s 내지 1 m/s의 범위에 있다. 팩킹을 통과하는 보다 큰 물 속도는 개선된 질량 이동을 유도하지만, 또한 결과로 높은 압력 강하를 생성한다. 압력 강하 및 에너지 소비는 구조화된 팩킹을 통과하는 유체 속도의 증가와 함께 기체 상에서 액체 상으로의 질량 이동의 개선에 필적하여 보다 신속하게 증가한다. 그러므로, 질량 이동 및 압력 강하 둘 다가 본 발명을 효율적인 오존 용해 공정으로 만들기에 허용가능할 범위로 존재하는 최적 속도 범위가 존재한다. 마이크로채널을 지닌 벌집형 모놀리스와 같은 구조화 팩킹 중 일부가 허용가능한 압력 강하 및 우수한 질량 이동으로 작동하는 속도 범위는 정적 혼합기보다 훨씬 더 넓다. 그러한 팩킹에 걸친 압력 강하는 또한 정적 혼합기와 비교하여 상당히 낮은데, 이는 그 팩킹을 기체 용해에 대한 매우 매력 있는 방법으로 만든다.
도 3의 예에서, 모놀리스(26)의 단면적 형상은 원형이고, 각 마이크로채널(28)의 단면적 형상은 정사각형이다. 다수의 대안적인 형상이 가능하고, 모놀리스(26) 및 마이크로채널(28)은 동일한 형상 또는 상이한 형상일 수 있다. 예를 드면, 모놀리스(26)의 전체 단면적 형상 및 마이크로채널(28)의 단면적 형상은 육각형일 수 있다. 특정한 용도에서 모놀리스(26)에 대한 바람직한 명세사항은 소정의 오존 및 촉매 주입량의 범위 뿐만 아니라 물 유속의 예상 범위(이들에 국한된 것은 아님)를 비롯한 다수의 작동 인자에 따라 좌우된다.
일부 실시양태에서, 벽(30)은 촉매 반응, 예컨대 유기 오염물질, 예컨대 니트로벤젠, 아닐린 염료 폐수, 페놀, 폴리페놀 등의 촉매 산화가 필요한 수 처리 용도를 위한 촉매에 의해 함침될 수 있다. 일반적인 산화 촉매의 예로는 탄소, 팔라듐, 철, 티타니아, 이산화티탄, 구리, 망간, 마그네슘, 루테늄 및 은이 포함된다.
하나의 실시양태에서, 벌집형 모놀리스(26) 기초 팩킹은 대략 1 mm 내지 3 mm의 폭의 마이크로채널(28)을 갖는다. 벽(30)에 기인하여, 이들 마이크로채널(28)이 상호연결되어 있지 않으므로, 일단 유체가 그 채널에 진입한 후, 인접한 채널들로부터 유래된 유체들의 상호 혼합은 존재하지 않는다. 최소 유체 교환이 그 모놀리스 블록의 단부에서 발생하는데, 그 블록은 전형적으로 길이가 3" 내지 6"이고 팩킹의 소정의 길이를 달성하도록 또다른 모놀리스 블록과 단부 대 단부로 적층되어 있다. 그러므로, 본 공정은 팩킹의 입구에서 우수한 기체 분산을 요구하므로, 충전된 섹션의 대다수 채널 또는 대다수 부피가 오존 질량 이동에 이용된다. 일단 수중 기체 버블의 적합한 분산액이 벌집형 모놀리스(26)의 마이크로채널(28)에 진입된 후, 그 채널은 높은 기체-액체 질량 이동 속도를 달성한다. 이는 그 유체와 채널 벽(30)의 마찰에 기인하여 액체 상과 기체 상에서 순환 흐름에 의해 달성된 기체-액체 상 경계에서 상대 운동에 의해 이루어진다. 우수한 질량 이동에 대한 소정의 흐름 프로파일은 기체와 액체의 슬러지가 적층류로 모세관 채널 아래로 이동하는 테일러 흐름(Taylor flow)이다. 본 발명은 또한 고 유체 압력에서 공정의 작동을 가능하게 하여 수 처리를 위한 보다 높은 오존 이동 추진력을 이용한다. 구조화 팩킹 섹션의 총 길이는 다양할 수 있고, 주어진 오존 용량에 대한 소정의 오존 질량 이동 효율을 달성하도록 선택된다. 구조화 팩킹 섹션에서, 그 모놀리스 블록은 파이프 또는 도관 섹션의 전체 부피를 커버하도록 배열되어 모놀리스와 파이프 사이의 에지를 따라 기체 또는 액체의 임의적인 우회를 방지한다.
기체-액체 혼합물은 상승된 압력(즉, 대기압 이상의 것)에서 모놀리스(26)에 공급되는 것이 바람직하고, 그 모놀리스는 상기 논의된 바와 같이 오존 질량 이동 효율을 증가시킨다. 상기 주지되어 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 실시양태는 전체 유입수 흐름(12)이 인라인 벤투리 이덕터를 통해 펌핑되는 실시양태와 비교할 때 유입수 흐름(12)의 측부 스트림 부분(60)만을 가압함으로써 에너지 소비를 감소시킨다.
높은 기체 질량 이동 효율을 위한 구조화 팩킹 섹션에서 기체 상의 소정 분포를 달성하기 위해서, 그 기체 버블은 구조화 팩킹 섹션 입구의 상류에 균일하게 분포되어야 한다. 이러한 실시양태에서, 그 균일한 분산은 물의 속도가 약 2 m/s의 유입 파이프 속도에서 0.25 m/s 내지 1 m/s의 충전된 섹션 속도로 감소되면서 달성되어야 한다. 이러한 속도 감소는 유입 파이프(즉, 예비 처리 라인(16))보다 더 큰 단면적의 파이프 또는 도관에서 구조화 팩킹 섹션을 수용함으로써 달성된다. 이어서, 그 유입 파이프는 팽창 섹션(31)을 통과하여 지난 충전된 섹션의 보다 큰 단면적을 지닌 파이프에 연결되어 있다.
팽창 섹션(31)은 도 1, 2, 7 및 8에 단지 개략적으로만 도시되어 있다. 도 4는 팽창 섹션(31)의 예시적인 형상을 보다 정확하게 도시한 것으로, 그 섹션은 예비 처리 라인(16)과 모놀리스(26) 사이에 위치되어 있다. 도 4에 나타난 바와 같이, 그 예비 처리 라인(16)은 팽창 섹션(31)의 상류 단부(33)에 연결되어 있다. 그 상류 단부(33)는 예비 처리 라인(16)의 인접 단부와 대략적으로 동등한 단면적을 갖는다. 팽창 섹션(31)의 하류 단부(35)(즉, 도 4에 도시된 바와 같이 우측에 또는 모놀리스(26)에 보다 근접한 곳)를 향해 이동하면, 팽창 섹션(31)의 단면적이 증가하므로, 그 단면적은 상류 단부(33)에서의 단면적보다 더 크다. 일부 실시양태에서, 하류 단부(35)에서의 단면적은 상류 단부(33)에서의 단면적보다 2배 이상인 것이 바람직하다.
상기 기술된 바와 같이, 본 발명은 이것이 팽창 섹션(31)의 이용에 의해 충전된 섹션에 진입하는 물의 속도를 감소시키기 때문에 공지된 시스템에 비하여 개선점을 나타낸다. 이 개념은 팽창 섹션(31)에서 느린 물 속도가 버블 합체 및 상 분리를 강화시킬 수 있기 때문에 해당 기술 분야의 당업자에는 반직관적일 수 있다. 또한, 정적 혼합기는 유체 속도가 정적 혼합기에 요구된 최적치보다 더 낮기 때문에 모놀리스의 상류에 있는 팽창 섹션에 기체 버블을 효과적으로 분포시키는데 사용될 수 없다. 벤투리 이덕터 또는 기체 노즐과 같은 기체 주입 장치와 함께 정적 혼합기를 사용하는 방법에서, 유체의 속도는 유체 상들의 분리를 방지하기 위해서 오존 기체 주입의 하류에 일정하게 유지된다는 점을 유의해야 한다.
장치가 수평으로 배향되는 경우, 기체가 기체 노즐 또는 벤투리 이덕터와 같은 전형적인 기체 주입 방법을 이용하여 유입 파이프로 주입된다면, 기체 버블은 모놀리스(26) 앞에 팽창 섹션(31)에서 상승 및 합체하여 팽창 섹션(31)의 정상부에서 분리된 기체 상을 생성할 것이다. 또한, 유입수의 전체 용적 측정 흐름이 인라인 벤투리 이덕터를 통해 지나갈 때, 그 이덕터를 가로 지르는 큰 압력 강하에 기인하여 상당한 에너지 손실이 발생한다.
본 발명은 유입수의 일정 분율만을 사용하여 모놀리스(26)에 진입하는 기체 분산액을 생성시킴으로써 그러한 문제점을 해소한다. 도 4는 또한 오존 기체가 도 1의 실시양태에서 주입 지점(84, 86, 88)에서 팽창 섹션 내로 직접 주입되는 방식도 도시한다.
이하 도 7 및 8의 실시양태를 참조하여 설명한다. 음료수와 같이 처리하고자 하는 물이 응집 및 여과 후 현탁된 입자 없이 완전히 맑아지는 용도의 경우, 즉 수 처리에 요구된 오존 용량이 비교적 낮은 경우, 기체 확산기(이것은 기체 스파저(sparger)의 형태를 취할 수 있음)는 측부 스트림에 대한 필요성 없이 팽창 섹션에서 모놀리스 앞에 위치한다. 도 7의 실시양태를 참조하면, 복수개의 확산기(즉, 기체 스파저(382a, 382b))는 팽창 섹션(331) 내에서 기체를 보다 균일하게 분포시키는데 그리고 모놀리스(326)가 수평으로 배향되어 있는 기체 버블의 합체를 피하는데 사용될 수 있다. 임의 수의 확산기가 본 발명의 영역 내에서 팽창 섹션(331)에서 임의 수의 주입 지점에서 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다. 유입수 스트림(312)을 지나 팽창 섹션(331)에 진입되는 유입수의 교차 흐름은 주입된 기체에 의해 발생된 기체 버블을 모놀리스(326)의 마이크로채널(328) 내부에서 오존 질량 이동을 위한 모놀리스(326) 내로 운반한다. 그 확산기는 세라믹, 중합체 또는 소결된 금속으로 이루어질 수 있으며, 그리고 모놀리스(326)의 입구(즉, 상류) 단부의 전체 단면적을 가로 질러 실질적으로 균일한 기체 분포를 달성하기 위해서, 모놀리스의 형상에 따라, 반원형 또는 직선형 파이프로서 형상화될 수 있다.
도 8에 도시된 실시양태를 참조하면, 그모놀리스(426)가 상향 수직으로 배향되어 있는 경우(즉, 모놀리스(426)의 하류 단부가 중력과 반대인 경우)인 실시양태에서, 확산기(기체 스파저(482))는 팽창 섹션(431)의 중심에서 정사각형 또는 직사각형 그리드에 배치된다. 이러한 실시양태의 배향에 기인하여, 기체 버블은 용이하게 합체되지 않고, 단일 기체 스파저(482)는 기체 버블이 모놀리스(426)의 마이크로채널(428)에 진입할 때까지 충분히 분리된 기체 버블을 유지한다. 임의 수의 확산기는 본 발명의 영역 내에 팽창 섹션(431)에서 임의 수수의 주입 지점에서 사용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.
구조화 팩킹 섹션(모놀리스)은 상향 수직, 하향 수직 또는 수평 유체 흐름을 위해 배향될 수 있는 것으로 이해된다. 주입 노즐(들) 또는 확산기(들)의 수, 배향, 및 위치는 본 발명의 영역 내에서 충전된 섹션의 배향을 기초로 하여 변형될 수 있다. 충전된 섹션의 수평 배향의 경우, 주입 노즐(들)은 팽창 섹션의 정상부 부분에서 기체 버블의 분리 및 합체를 최소화하기 위해서 위치할 것이다.
도 7 및 도 8에 도시된 실시양태들의 장치는 도 1 및 도 2에 대략적으로 도시된 바와 같이 전반적인 시스템 내에, 즉 오존 파괴 유닛 등을 갖는 분리기 용기 내에 혼입될 수 있다.
구조화 팩킹(모놀리스) 및 확산기를 구비한 장치는 본 발명에서 확산기(들)가 수상에서의 혼합을 위해서가 아니라 단지 기체 버블 분포를 위해서만 사용되기 때문에 확산기를 구비한 바신 반응기에 비하여 매우 우수하다. 기체 버블에서 액체 상으로의 오존의 질량 이동은 그 모놀리스(426) 내부에서 일어난다. 그러므로, 바신 반응기 시스템과는 다르게, 그러한 구성에서, 오존 용량의 질량 이동은 기체 흐름이 낮은 오존 요구량 기간 동안 감소될 때 불리해지 않는다.
측부 스트림에 주입되는 오존 함유 기체의 양은 유입수내 오염물질의 유형 및 농도, 및 기체 스트림내 오존 농도에 따라 좌우된다. 그 측부 스트림내 기체 대 액체 비율은 전체 흐름과 비교하여 측부 스트림 흐름의 부피 분율에 따라 좌우된다. 오존 용량은 측부 스트림을 통해 펌핑된 물 리터당 오존 2 mg 내지 80 mg 범위일 수 있다. 진보된 산화가 살충제, 제조제 등에 의한 화학적 오염을 처리하는데 필요할 수 있는 곳인 농장에서 발견된 물이 배수되는 것과 같은 고도로 오염된 물의 경우, 총 오존 요건은 기본적인 살균에 요구된 것보다 훨씬 더 높을 수 있다. 대부분 살균 용도는 처리된 물 리터당 5 mg 이하의 오존을 요구한다. EDC0-제거 용도의 경우, 오존 요구양은 처리된 물 리터당 2 mg 내지 최대 20 mg의 범위에 있을 수 있다.
이러한 예에서, 시스템(10)은 기체-액체 혼합물이 모놀리스(26)를 통과하여 하향 흐르도록 구성된어 있다. 다른 실시양태에서, 그 모놀리스(26)는 상향 수직 또는 수평 흐름으로 배향될 수 있다. 상향 수직 및 수평 흐름 배향은 오존 요구량이 보다 낮고 따라서 그 모놀리스(26)에 진입되는 혼합물의 기체-액체 비율이 보다 낮은 용도에서 보다 실제적임을 유의해야 한다. 모놀리스(26)의 길이는 소정의 오존 질량 이동 효율을 달성하도록 선택될 수 있으며, 보다 높은 효율은 보다 긴 모놀리스(26)로부터 결과로 생성된다.
이러한 실시양태에서, 모놀리스(26)는 기체-액체 상 분리기 용기(34) 내로 배출된다. 이러한 실시양태에서, 그 용기(34)에서 수집되는 기체는 바람직하게는 오존 파괴 유닛(42)에 연결되어 있는 기체 정화 라인(40)에 배출된다. 그 오존 파괴 유닛(42)은 기체 정화 라인(40)으로부터 유래된 임의의 잔류 오존을 산소로 전환시키고 그 산소 기체를 대기로 배출한다. 임의적으로, 기체 순환 라인(44)은 용기(34)로부터 유래된 기체를 오존 발생 서브시스템(18)으로(또는 오존 발생기로부터 하류 또는 상류에 있는 지점으로) 재순환시킨다.
처리된 물은 용기(34)의 하단에 위치된 출력 라인(38)을 통과하여 용기(34)로부터 제거된다. 일부 실시양태에서, 임의 펌프가 그 출력 라인(38) 내에 포함되어 처리된 물의 적어도 일부가 예비 처리 라인(16)을 통과하여 재순환되도록 할 수 있다. 물은 또한 유출 라인(46)을 통해 그 시스템(10)으로부터 배출될 수 있다.
일부 실시양태에서, 과산화수소의 공급원에 연결되어 있는 임의 유입구(52)가 예비 처리 라인(16)에 제공되어 그 과산화수소가 처리 공정에 첨가될 수 있게 한다(진보된 산화가 요구되거나 필요한 경우). 높은 수준의 오존 주입이 필요하다면, 유입 및 유출 스트림(12, 46)의 유속은 감소될 수 있으므로, 출력 라인(38)에서 물의 보다 큰 분율이 예비 처리 라인(16)을 통해 재순환하게 된다.
본원에 사용된 바와 같이, "오존 주입량"은 물이 혼합 섹션(22)을 통해 순환될 때마다 물에 의해 소비되고 오존 공급 라인(22)의 오존 함량을 기체 정화 라인(40)내의 오존 함량을 비교함으로써 전형적으로 측정되는 오존의 양을 의미하는 것으로 의도된다. "전체 평균 오존 주입량"은 물이 유출 라인(46)을 통해 그 시스템(10)으로부터 배출될 때 처리된 물 내의 전체 오존 용량을 의미하는 것으로 의도된다. "오존 주입량"과 "전체 평균 오존 주입량"의 관계는 예비 처리 라인(16)을 통해 재순환되는 출력 라인(38) 내의 물 분율의 함수이다.
도 5는 비교적 높은 오존 주입량이 필요한 시스템(10)의 구성을 예시한 것이다. 이러한 실시양태에서, 전체 미처리된 물 스트림(50)은 유입 스트림(12)에 의해 처리 시스템(10)으로 향한다. 도 6은 비교적 낮은 주입량(예를 들면, 물 리터당 2-5 mg)이 필요한 시스템(10)의 구성을 예시한 것이다. 이러한 구성에서, 그 물 라인(50)에서 물의 일부만이 유입 스트림(12을 통해 처리 시스템(10)으로 전환된다. 처리된 물은 유출 스트림(46)을 통해 물 스트림(50)으로 복귀되고, 거기에서 그것은 미처리된 물과 혼합되어 물 스트림(50)에서 소정의 오존 주입량을 제공하게 된다. 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 유출 라인(46)은 유입 라인(12)으로부터 하류에 있는 위치 지점에서 물 라인(50) 내로 물을 재주입되는 것이 바람직하다.
사실, 발명이 바람직한 실시양태들 및 이들의 대안적인 실시양태의 관점에서 개시되어 있다. 물론, 본 발명의 교시내용으로부터 다양한 변경, 변형 및 대체가 의도된 기술사상 및 그의 영역으로부터 벗어나는 일 없이 해당 기술 분야의 당업자에 의해 고려될 수 있다. 본 발명은 단지 부가된 특허청구범위의 관점에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.
발명의 양태
양태 1:
수 처리 방법으로서,
(a) 물 스트림을 예비 처리 라인을 통해 이송하는 단계,
(b) 예비 처리 라인으로부터 물 스트림을, 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 포함하는 팽창 섹션(expansion section) 내로 도입하는 단계로서, 제2 단면적은 제1 단면적보다 더 큰 것인 단계,
(c) 3% 이상의 오존 기체를 함유하는 기체 스트림을 제공하는 단계,
(d) 물 스트림이 팽창 섹션을 통과하여 흐르는 동안 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션 내로 기체 스트림을 도입하여, 하류 단부에서 오존 기체와 물을 포함하는 기체-액체 혼합된 상 스트림을 생성하는 단계, 및
(e) 혼합된 상 스트림을 팽창 섹션으로부터 하류에 위치한 모놀리스를 통해 통과시켜서, 오존 기체의 적어도 일부가 수 중에 용해되어 있는 반응 생성물을 생성하는 단계
를 포함하는 수 처리 방법.
양태 2:
제1 양태에 있어서, 단계(d)는
(i) 예비 처리 라인으로부터 물 스트림의 일부를 하나 이상의 측부 스트림으로 전환시키는 단계,
(ii) 기체 스트림을 측부 스트림 내로 도입하여 기체-액체 혼합물을 형성시키는 단계, 및
(iii) 기체-액체 혼합물을 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션 내로 주입하는 단계
를 포함하는 것인 수 처리 방법.
양태 3:
제1 양태 또는 제2 양태에서,
(f) 하나 이상의 측부 스트림에서 물 스트림의 일부의 압력을 제2 압력으로 증가시키는 단계로서, 예비 처리 라인 내의 물 스트림은 제1 압력을 갖고, 제2 압력은 제1 압력보다 더 큰 것인 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
양태 4:
제3 양태에 있어서, 단계(f)는 하나 이상의 측부 스트림과 유체 소통하게 위치한 펌핑 장치로 수행하는 것인 수 처리 방법.
양태 5:
제2 양태 또는 제4 양태 중 어느 하나의 양태에서, 하나 이상의 측부 스트림을 단계(d)(ii)가 수행되는 하류에서 복수개의 측부 스트림으로 분할하는 단계를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
양태 6:
제2 양태 내지 제5 양태 중 어느 하나의 양태에 있어서, 하나 이상의 측부 스트림을 단계(d)(ii)가 수행되는 상류에서 복수개의 측부 스트림으로 분할하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서 단계(d)(ii)는 기체 스트림을 복수개의 측부 스트림 각각에 도입하여 복수개의 측부 스트림 각각에서 기체-액체 혼합물을 형성시키는 단계를 추가로 포함하고, 단계(d)(iii)는 복수개의 측부 스트림 각각으로부터 기체-액체 혼합물을 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 색션 내로 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것인 수 처리 방법.
양태 7:
제6 양태에서, 하나 이상의 주입 지점은 복수개의 주입 지점을 포함하고, 단계(d)(iii)는 복수개의 측부 스트림 각각으로부터 기체-액체 혼합물을 복수개의 주입 지점 중 상이한 하나의 지점에서 팽창 섹션 내로 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것인 수 처리 방법.
양태 8:
제2 양태 내지 제7 양태 중 어느 하나의 양태에 있어서, 단계(b)는 예비 처리 라인으로부터 물 스트림을, 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 포함하는 팽창 섹션 내로 도입하는 단계로서, 제2 단면적은 제1 단면적의 2배 이상인 것인 단계를 추가로 포함하는 것인 수 처리 방법.
양태 9:
제2 양태 내지 제8 양태 중 어느 하나의 양태에 있어서, 단계(d)는 기체 스트림을 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션 내로 도입하는 단계로서, 하나 이상의 주입 지점은 기체 확산기(gas diffuser)를 포함하는 것인 단계를 포함하는 것인 수 처리 방법.
양태 10:
제1 양태 내지 제9 양태 중 어느 하나의 양태에 있어서,
(g) 반응 생성물내 임의의 미용해된 기체를 반응 생성물의 액체 상 부분으로부터 분리하는 단계, 및
(h) 반응 생성물의 액체 상 부분의 적어도 일부를 유출 스트림으로 전환시키는 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
양태 11:
제10 양태에 있어서,
(i) 반응 생성물의 액체 상 부분의 적어도 일부를 예비 처리 라인에서의 물 스트림으로 재순환시키는 단계
를 추가로 포함하는 방법.
양태 12:
제1 양태 내지 제11 양태 중 어느 하나의 양태에 있어서,
(j) 과산화수소를 모놀리스의 상류에서 물 스트림 내로 주입하는 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
양태 13:
제1 양태 내지 제12 양태 중 어느 하나의 항에 있어서, 단계(e)는 혼합된 상 스트림을 하나 이상의 주입 지점으로부터 하류에서 촉매가 위에 함침되어 있는 모놀리스를 통해 통과시켜서, 물 스트림 내로 용해되어 있는 오존 기체의 적어도 일부를 생성시키고 용해된 오존의 적어도 일부를 반응을 위한 촉매 표면으로 이동시키는 단계
를 추가로 포함하는 것인 수 처리 방법.
양태 14:
제1 양태 내지 제13 양태 중 어느 하나의 항에 있어서,
(k) 물 스트림의 일부를 전환하여 유입 스트림을 형성시키는 단계,
(l) 유입 스트림을 예비 처리 스트림 내로 주입하는 단계, 및
(m) 유출 스트림을 유입 스트림으로부터 하류에서 물 스트림 내로 주입하는 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
양태 15:
수 처리 시스템으로서,
물 스트림을 포함하는 예비 처리 라인;
예비 처리 라인을 따라 유체 소통하게 연결된 팽창 섹션으로서, 팽창 섹션은 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 포함하고, 제2 단면적은 제1 단면적보다 더 큰 것인 팽창 섹션;
3% 이상의 오존 기체를 함유하는 기체 스트림으로서, 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션과 유체 소통하는 기체 스트림; 및
유출구 단부와 유입구 단부를 가지며 예비 처리 라인과 유체 소통하는 모놀리스로서, 유출구 단부 및 유입구 단부는 팽창 섹션의 하류에 존재하고, 모놀리스는 물 스트림 및 기체 스트림이 통과하여 이동할 수 있는 복수개의 채널을 내부에 보유하는 것인 모놀리스
를 포함하는 수 처리 시스템.
양태 16:
제15 양태에 있어서,
팽창 섹션의 상류에 위치한 하나 이상의 측부 스트림으로서, 하나 이상의 측부 스트림은 예비 처리 라인으로부터 분지되는 제1 단부 및 팽창 섹션과 유체 소통하는 제1 단부와 반대되는 제2 단부를 가지며, 예비 처리 라인에서 물 스트림으로부터 유래된 물의 일부는 하나 이상의 측부 스트림을 통해 이송되는 것인 하나 이상의 측부 스트림
을 추가로 포함하는 수 처리 시스템.
양태 17:
제16 양태에 있어서, 하나 이상의 측부 스트림은 복수개의 측부 스트림을 포함하고, 복수개의 측부 스트림 각각은 분기 지점에서 시작하고, 복수개의 주입 지점 중 각 하나에서 종결하며 팽창 섹션과 유체 소통하는 것인 수 처리 시스템.
양태 18:
제17 양태에 있어서, 기체 스트림은 복수개의 접합부 중 상이한 하나에서 복수개의 측부 스트림 각각과 유체 소통하고, 복수개의 접합부 각각은 분기 지점의 하류에 위치하는 것인 수 처리 시스템.
양태 19:
제16항에 있어서, 기체 스트림은 접합점에서 하나 이상의 측부 스트림과 유체 소통하는 것인 수 처리 시스템.
양태 20:
제19 양태에 있어서, 접합점은 분기 지점의 상류에 위치하고, 그 분기 지점에서 하나 이상의 측부 스트림은 복수개의 측부 스트림으로 분할되고, 복수개의 측부 스트림 각각은 복수개의 주입 지점 각 하나에서 종결하며 팽창 섹션과 유체 소통하는 것인 수 처리 시스템.
양태 21:
제16 양태 내지 제20 양태 중 어느 하나의 양태에 있어서,
하나 이상의 측부 스트림에 위치한 물의 압력을 증가시키는 하나 이상의 측부 스트림에 위치한 가압 장치
를 추가로 포함하는 수 처리 시스템.
양태 22:
제15 양태 내지 제21 양태 중 어느 하나의 양태에 있어서,
모놀리스는 복수개의 평행 채널을 포함하는 것인 수 처리 시스템.
양태 23:
제15 양태 내지 제22 양태 중 어느 하나의 양태에 있어서,
물 스트림과 유체 소통하고 과산화수소의 공급원에 연결되어 있는 과산화수소 포트를 추가로 포함하는 수 처리 시스템.
양태 24:
제15 양태 내지 제23 양태 중 어느 하나의 양태에 있어서,
제2 단면적은 제1 단면적의 2배 이상인 것인 수 처리 시스템.
양태 25:
수 처리 방법으로서,
(a) 물 스트림을 예비 처리 라인을 통해 이송하는 단계;
(b) 예비 처리 라인으로부터 물 스트림의 일부를 하나 이상의 측부 스트림으로 전환시키는 단계로서, 측부 스트림은 전환 지점에서 예비 처리 라인으로부터 분지되는 것인 단계;
(c) 오존 기체를 함유하는 출력 기체 스트림을 제공하는 단계;
(d) 출력 기체 스트림을 하나 이상의 주입 지점에서 하나 이상의 측부 스트림내 물로 도입하여, 하나 이상의 주입 지점의 하류에서 오존 기체와 물을 포함하는 혼합된 상 스트림을 생성하는 단계;
(e) 혼합된 상 스트림을 전환 지점으로부터 하류에 위치한 재도입 지점에 도입하는 단계
를 포함하는 수 처리 방법.
양태 26:
제25 양태에 있어서,
(f) 단계(d) 수행 전에, 하나 이상의 측부 스트림내 물의 일부를 제2 압력으로 가압하는 단계로서, 예비 처리 라인내 물 스트림에서의 물은 제1 압력을 가지며, 제2 압력은 제1 압력보다 더 큰 것인 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
양태 27:
제25 양태 또는 제26 양태에 있어서,
(g) 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 갖는 팽창 섹션에 재도입 지점을 제공하는 단계로서, 제2 단면적은 제1 단면적보다 더 큰 것인 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
양태 28:
제27 양태에 있어서,
단계(g)는 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 보유하는 팽창 섹션에 재도입 지점을 제공하는 단계로서, 제2 단면적은 제1 단면적의 2배 이상인 것인 단계
를 포함하는 것인 수 처리 방법.

Claims

수 처리 방법으로서,
(a) 물 스트림을 예비 처리 라인을 통해 이송하는 단계,
(b) 예비 처리 라인으로부터 물 스트림을, 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 포함하는 팽창 섹션(expansion section) 내로 도입하는 단계로서, 제2 단면적은 제1 단면적보다 더 큰 것인 단계,
(c) 3% 이상의 오존 기체를 함유하는 기체 스트림을 제공하는 단계,
(d) 물 스트림이 팽창 섹션을 통과하여 흐르는 동안 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션 내로 기체 스트림을 도입하여, 하류 단부에서 오존 기체와 물을 포함하는 기체-액체 혼합된 상 스트림을 생성하는 단계, 및
(e) 혼합된 상 스트림을 팽창 섹션으로부터 하류에 위치한 모놀리스를 통해 통과시켜서, 오존 기체의 적어도 일부가 수 중에 용해되어 있는 반응 생성물을 생성하는 단계
를 포함하는 수 처리 방법.
제1항에 있어서, 단계(d)는
(i) 예비 처리 라인으로부터 물 스트림의 일부를 하나 이상의 측부 스트림으로 전환시키는 단계,
(ii) 기체 스트림을 측부 스트림 내로 도입하여 기체-액체 혼합물을 형성시키는 단계, 및
(iii) 기체-액체 혼합물을 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션 내로 주입하는 단계
를 포함하는 것인 수 처리 방법.
제2항에 있어서,
(f) 하나 이상의 측부 스트림에서 물 스트림의 일부의 압력을 제2 압력으로 증가시키는 단계로서, 예비 처리 라인 내의 물 스트림은 제1 압력을 갖고, 제2 압력은 제1 압력보다 더 큰 것인 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
제3항에 있어서, 단계(f)는 하나 이상의 측부 스트림과 유체 소통하게 위치한 펌핑 장치로 수행하는 것인 수 처리 방법.
제2항에 있어서,
하나 이상의 측부 스트림을 단계(d)(ii)가 수행되는 하류에서 복수개의 측부 스트림으로 분할하는 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
제2항에 있어서, 하나 이상의 측부 스트림을 단계(d)(ii)가 수행되는 상류에서 복수개의 측부 스트림으로 분할하는 단계를 추가로 포함하고, 여기서 단계(d)(ii)는 기체 스트림을 복수개의 측부 스트림 각각에 도입하여 복수개의 측부 스트림 각각에서 기체-액체 혼합물을 형성시키는 단계를 추가로 포함하고, 단계(d)(iii)는 복수개의 측부 스트림 각각으로부터 기체-액체 혼합물을 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 색션 내로 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것인 수 처리 방법.
제6항에서, 하나 이상의 주입 지점은 복수개의 주입 지점을 포함하고, 단계(d)(iii)는 복수개의 측부 스트림 각각으로부터 기체-액체 혼합물을 복수개의 주입 지점 중 상이한 하나의 지점에서 팽창 섹션 내로 주입하는 단계를 추가로 포함하는 것인 수 처리 방법.
제2항에 있어서, 단계(b)는 예비 처리 라인으로부터 물 스트림을, 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 포함하는 팽창 섹션 내로 도입하는 단계로서, 제2 단면적은 제1 단면적의 2배 이상인 것인 단계를 포함하는 것인 수 처리 방법.
제2항에 있어서, 단계(d)는 기체 스트림을 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션 내로 도입하는 단계로서, 하나 이상의 주입 지점은 기체 확산기(gas diffuser)를 포함하는 것인 단계를 포함하는 것인 수 처리 방법.
제1항에 있어서,
(g) 반응 생성물내 임의의 미용해된 기체를 반응 생성물의 액체 상 부분으로부터 분리하는 단계, 및
(h) 반응 생성물의 액체 상 부분의 적어도 일부를 유출 스트림으로 전환시키는 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
제10항에 있어서,
(i) 반응 생성물의 액체 상 부분의 적어도 일부를 예비 처리 라인에서 물 스트림으로 재순환시키는 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
제10항에 있어서,
(j) 과산화수소를 모놀리스로부터 상류에서 물 스트림 내로 주입하는 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
제1항에 있어서, 단계(e)는 혼합된 상 스트림을 하나 이상의 주입 지점으로부터 하류에서 촉매가 위에 함침되어 있는 모놀리스를 통해 통과시켜서, 물 스트림 내로 용해되는 오존 기체의 적어도 일부를 생성시키고 용해된 오존의 적어도 일부를 반응을 위한 촉매 표면으로 이동시키는 단계
를 추가로 포함하는 것인 수 처리 방법.
제1항에 있어서,
(k) 물 스트림의 일부를 전환하여 유입 스트림을 형성시키는 단계,
(l) 유입 스트림을 예비 처리 스트림 내로 주입하는 단계, 및
(m) 유출 스트림을 유입 스트림으로부터 하류에서 물 스트림 내로 주입하는 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
수 처리 시스템으로서,
물 스트림을 포함하는 예비 처리 라인;
예비 처리 라인을 따라 유체 소통하게 연결된 팽창 섹션으로서, 팽창 섹션은 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 포함하고, 제2 단면적은 제1 단면적보다 더 큰 것인 팽창 섹션;
3% 이상의 오존 기체를 함유하는 기체 스트림으로서, 하나 이상의 주입 지점에서 팽창 섹션과 유체 소통하는 기체 스트림; 및
유출구 단부와 유입구 단부를 가지며 예비 처리 라인과 유체 소통하는 모놀리스로서, 유출구 단부 및 유입구 단부는 팽창 섹션의 하류에 존재하고, 모놀리스는 물 스트림 및 기체 스트림이 통과하여 이동할 수 있는 복수개의 채널을 내부에 보유하는 것인 모놀리스
를 포함하는 수 처리 시스템.
제15항에 있어서,
팽창 섹션의 상류에 위치한 하나 이상의 측부 스트림으로서, 하나 이상의 측부 스트림은 예비 처리 라인으로부터 분지되는 제1 단부 및 팽창 섹션과 유체 소통하는 제1 단부와 반대되는 제2 단부를 가지며, 예비 처리 라인에서 물 스트림으로부터 유래된 물의 일부는 하나 이상의 측부 스트림을 통해 이송되는 것인 하나 이상의 측부 스트림
을 추가로 포함하는 수 처리 시스템.
제16항에 있어서, 하나 이상의 측부 스트림은 복수개의 측부 스트림을 포함하고, 복수개의 측부 스트림 각각은 분기 지점에서 시작하고, 복수개의 주입 지점 중 각 하나에서 종결하며 팽창 섹션과 유체 소통하는 것인 수 처리 시스템.
제17항에 있어서, 기체 스트림은 복수개의 접합부 중 상이한 하나에서 복수개의 측부 스트림 각각과 유체 소통하고, 복수개의 접합부 각각은 분기 지점의 하류에 위치하는 것인 수 처리 시스템.
제16항에 있어서, 기체 스트림은 접합점에서 하나 이상의 측부 스트림과 유체 소통하는 것인 수 처리 시스템.
제19항에 있어서, 접합점은 분기 지점의 상류에 위치하고, 그 분기 지점에서 하나 이상의 측부 스트림은 복수개의 측부 스트림으로 분할되고, 복수개의 측부 스트림 각각은 복수개의 주입 지점 각 하나에서 종결하며 팽창 섹션과 유체 소통하는 것인 수 처리 시스템.
제16항에 있어서,
하나 이상의 측부 스트림에 위치한 물의 압력을 증가시키는 하나 이상의 측부 스트림에 위치한 가압 장치
를 추가로 포함하는 수 처리 시스템.
제15항에 있어서, 모놀리스는 복수개의 평행 채널을 포함하는 것인 수 처리 시스템.
제15항에 있어서, 물 스트림과 유체 소통하고 과산화수소의 공급원에 연결되어 있는 과산화수소 포트를 추가로 포함하는 수 처리 시스템.
제15항에 있어서, 제2 단면적은 제1 단면적의 2배 이상인 것인 수 처리 시스템.
수 처리 방법으로서,
(a) 물 스트림을 예비 처리 라인을 통해 이송하는 단계;
(b) 예비 처리 라인으로부터 물 스트림의 일부를 하나 이상의 측부 스트림으로 전환시키는 단계로서, 측부 스트림은 전환 지점에서 예비 처리 라인으로부터 분지되는 것인 단계;
(c) 오존 기체를 함유하는 출력 기체 스트림을 제공하는 단계;
(d) 출력 기체 스트림을 하나 이상의 주입 지점에서 하나 이상의 측부 스트림내 물로 도입하여, 하나 이상의 주입 지점의 하류에서 오존 기체와 물을 포함하는 혼합된 상 스트림을 생성하는 단계;
(e) 혼합된 상 스트림을 전환 지점으로부터 하류에 위치한 재도입 지점에 도입하는 단계
를 포함하는 수 처리 방법.
제25항에 있어서,
(f) 단계(d) 수행 전에, 하나 이상의 측부 스트림내 물의 일부를 제2 압력으로 가압하는 단계로서, 예비 처리 라인내 물 스트림에서의 물은 제1 압력을 가지며, 제2 압력은 제1 압력보다 더 큰 것인 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
제25항에 있어서,
(g) 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 갖는 팽창 섹션에 재도입 지점을 제공하는 단계로서, 제2 단면적은 제1 단면적보다 더 큰 것인 단계
를 추가로 포함하는 수 처리 방법.
제27항에 있어서,
단계(g)는 제1 단면적을 갖는 상류 단부 및 제2 단면적을 갖는 하류 단부를 보유하는 팽창 섹션에 재도입 지점을 제공하는 단계로서, 제2 단면적은 제1 단면적의 2배 이상인 것인 단계
를 포함하는 것인 수 처리 방법.