KR20140129003A - 냉각 장치 - Google Patents

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Abstract

유체를 냉각하기 위한 냉각 장치는 냉각될 유체가 그 상부 영역으로 공급되고 냉각된 유체가 그 하부 영역에서 배출되는 수직 냉각탑을 포함한다. 냉각탑에서 유체는 바닥에서 꼭대기로 흐르는 냉각 가스에 의해 냉각된다. 유체가 안내되는 적어도 하나의 설비가 냉각 가스가 흘러 지나가는 냉각탑의 가스 공간에 구비된다. 각 설비는 양 사이드에서 증기에 투과성이 있는 유체 비투과 멤브레인 벽에 의해 냉각탑의 가스 공간으로부터 적어도 부분적으로 분리된다.

Description

냉각 장치{Cooling Device}
본 발명은 수직 냉각탑(vertical cooling tower)을 가지는 액체, 특히 물을 냉각하기 위한 냉각 장치에 관한 것이다. 나아가 본 발명은 다단식 멤브레인 증류 장치(multistage membrane distillation apparatus) 및 그러한 냉각 장치를 가지는 멤브레인 증류 플랜트(membrane distillation plant)에 관한 것이다.
발전소에서 사용되는 습식 냉각탑에서, 냉각될 물은 가능한 얇은 막(film)으로 넓은 면적에 살수된다. 가능한 좋은 살수 표면(trickle surfaces) 상의 물의 분배를 달성하기 위해, 습윤제(wetting agents)가 물에 첨가될 수 있다.
자연 통풍 냉각탑(natural draft cooling tower)에서, 상향풍(upwind)이 상부 영역에서 냉각탑에 공급되고 그 하향 경로 상에서 증발에 의해 냉각되는 온수(hot water)에 의해 발생한다. 이 점에 있어서, 압력, 온도 및 습도의 환경 변수(environmental parameters)를 가지는 공기가 아래에서 냉각탑 내로 흐른다. 공기는 포화 한계(saturation limit)에서 냉각탑의 상부 영역을 떠난다.
종래의 관례적인 냉각탑에서, 냉각탑에서의 유기물의 성장이 습하고 뜨거운 표면 때문에 발생할 수 있다. 특정 작동 조건 아래에서, 그 중에서도 소독제의 사용에 의해 또는 페하(pH)의 명백한 이동에 의해 단지 방지될 수 있는 레지오넬라균(legionella)이 생길 수 있다.
냉각탑으로 유입되는 자연수는 미네랄과 같은 성분을 함유한다. 특정 경우에, 신선한 물의 요구를 낮추기 위해 또한 냉각탑에서 물 성분의 농도가 특정 한계 값을 초과하여 증가하는 것을 허용하지 않기 위해 요구되는 취출수(blowdown water)의 양을 작도록 유지하기 위해 가능한 높아야 하는 자연수와 함께 유입되는 성분의 농도가 달성될 수 있다. 이 점에 있어서, 소위 스케일링(scaling), 즉 메네랄 퇴적물의 형성의 위험이 농도의 한계 값을 결정한다. 이 한계 값은 스케일 억제제(antiscalants)의 사용에 의해 허용가능하게 상향 조정될 수 있다. 그러나, 취출수가 그러한 스케일 억제제에 의해 추가로 오염될 수 있다. 이것은 자연 통풍 냉각탑과 유도 통풍 습식 냉각탑(induced draft wet cooling towers) 모두에 적용된다.
물이 공기와 직접 접촉을 하지 않고 튜브와 같은 파티션 벽에 의해 공기로부터 분리되는 소위 우회식 냉각탑(indirect cooling towers)이 또한 이미 알려져 있다. 그러한 냉각탑은 공기가 건조 표면 위의 팬(fan)에 의해 송풍되는 유도 통풍을 가진다. 그러한 냉각탑은 증발에 의해 냉각되는 습식 냉각탑의 낮은 온도에 도달하지 않는다. 증발에 의한 상(phase) 변화에 의해 온도 변화가 상승하지 않기 때문에, 표면이 또한 훨씬 크다.
액체를 냉각하기 위한 종래의 냉각 장치는 US 4,452,300 A에 의해 알려져 있다.
앞서 언급된 문제들을 해소할 수 있는 초기 언급된 개선된 냉각 장치를 제공하는 것이 본 발명의 기본 목적이다. 이 점에서, 열 교환 과정이 가능한 한 건조한 표면에서 발생해야 하며, 종래의 습식 냉각탑의 열적 표면 성능은 건조 열 교환기 표면에도 불구하고 달성되어야 한다. 나아가, 냉각 장치가 유익하게 사용되는 그러한 냉각 장치를 가지는 멤브레인 증류 플랜트가 구비되어야 한다.
그 목적은 청구항 제1항의 특징을 가지는 냉각 장치에 의해 본 발명에 따라 달성된다. 본 발명에 따르면, 냉각될 액체가 상부 영역에 공급되고 냉각된 액체가 하부 영역에서 배출되는 수직 냉각탑을 포함하는 냉각 장치가 액체, 특히 물을 냉각하기 위해 제공된다. 이 점에 있어서, 액체는 바닥에서 꼭대기로 흐르는 냉각 가스, 특히 공기에 의해 냉각탑에서 냉각된다. 그 내부에서 액체가 안내되는 적어도 하나의 설비가 냉각 가스가 흘러 지나가는 냉각탑의 가스 공간에 구비된다. 이 점에 있어서, 각 설비는 그 양 사이드에서 증기 투과, 액체 비투과 멤브레인 벽에 의해 적어도 부분적으로 냉각탑의 가스 공간으로부터 분리되는 적어도 하나의 액체 통로를 포함한다.
이 구조에 의해, 한편으로는 열 교환 과정이 건조 표면에서 일어나게 되고, 반면 다른 한편으로는 이들 건조 표면에도 불구하고 종래의 습식 냉각탑의 열적 표면 성능이 달성된다. 설비 또는 설비들은 그 표면이 바닥으로부터 꼭대기로 흐르는 냉각 가스로부터 아래로 흐르는 액체를 분리하는 증발기로서 작용한다.
증발기로 작용하는 설비의 표면에서의 생물의 성장이 회피된다. 설비의 정의된 표면은 직접 화학물 세정을 위해 쉽게 접근 가능하다. 설비의 모든 표면이 정의된 방식으로 접근 가능하기 때문에, 화학 물질의 사용이 줄어들 수 있으며, 각 화학물질 세정제의 최적의 균일한 분포가 달성된다. 화학물질 세정이 정의된 표면에서의 스케일링(scaling)의 위험을 피하도록 이루어질 수 있기 때문에, 냉각탑 액체의 더 높은 농축이 가능하다.
특히 서로 수직으로 직렬로 이어지도록 연결되는 복수의 설비는 냉각 가스가 흘러 지나가는 냉각탑의 가스 공간에 구비될 수 있다.
적어도 하나의 설비는 병렬로 연결되는 복수의 액체 통로를 포함하고 각각 대체로 수직으로 연장된다. 이 점에 있어서, 병렬로 연결되는 액체 통로는 특히 서로 이웃하게 수평으로 배열될 수 있다.
본 발명에 따른 냉각 장치의 바람직한 실시예에 따르면, 병렬로 연결되고, 서로 이웃하게 수평방향으로 배열되고, 적어도 두 개의 상호 대향되게 배치되는 사이드에서 멤브레인 벽, 특히 평탄 멤브레인(flat membrane)에 의해 냉각 탑의 가스 공간으로부터 각각 분리되는 복수의 액체 통로를 포함하는 적어도 하나의 설비가 구비되며, 이때 수평방향으로 인접하는 각 쌍의 액체 통로는 가스 공간에 작용하는 냉각 가스 흐름의 냉각 가스가 흐르는 가스 통로를 횡방향으로 경계지우는 상호 마주하는 멤브레인 벽, 특히 평탄 멤브레인 벽을 가진다.
이 점에 있어서, 각 설비는 유리하게는 상호 연결된 복수의 프레임 요소를 포함할 수 있으며, 이때 액체 통로 및 가스 통로의 기능 유닛은 그러한 프레임 요소의 형태로 각각 구비된다.
프레임 요소는 바람직하게는 그물 구조를 구비하고 이들 그물 구조에 의해 서로 연결된다.
프레임 요소는 스페이서, 특히 그리드 형태(grid-like)의 스페이서를 각각 구비할 수 있다.
각 액체 통로와 이에 인접하는 가스 통로 사이에 구비되는 멤브레인 벽은 바람직하게는 각각 서로 인접하는 두 개의 프레임 요소 중 하나에 연관될 수 있다.
개별 프레임 요소를 서로 연결하는 웹 구조는, 예를 들어 그에 의해 프레임 요소가 서로 용접되거나 접착될 수 있는 용접 그물 구조 또는 접착 구조일 수 있다. 용접 그물 구조인 경우에, 예를 들어 프레임 요소를 연결하기 위해 마찰 용접 과정, 레이저 용접 과정 및/또는 가열 요소 용접 과정이 사용될 수 있다.
서로 수직으로 이어지고 직렬로 연결되는 설비는 바람직하게는 그들의 액체 통로가 액체로 각각 완전히 채워지도록 서로 연결될 수 있다.
예를 들어 이것은 액체의 배출 흐름이 차단되고 물의 헤드(head)가 높아지도록 하여 달성될 수 있다. 그러나 물의 헤드는 냉각 탑의 하부 영역에서의 각 멤브레인이 더 높은 정압(static pressure)으로 인해 냉각 탑의 상부 영역에서보다 더 높은 압력 부하에 노출되도록 하는 결과를 가지게 된다.
본 발명에 따른 냉각 장치의 바람직한 실시예에 따르면, 특히 이러한 압력 부하의 저감을 위해, 수직으로 인접하는 설비는 액체 흐름의 방향에서 볼 때 이전 설비의 액체 통로의 하부 영역에 구비되는 액체 배출구와 다음 설비의 액체 통로의 상부 영역에 구비되는 액체 유입구 사이에 배열되고, 이전 설비의 액체 배출구에서부터 시작하여 적어도 이 설비의 가능한 가장 높은 액체 높이까지 먼저 위 방향으로 안내되는 리턴 통로를 통해 각각 서로 연결된다.
각 설비의 액체 안내 액체 통로 또는 통로들이 액체로 각각 완전히 채워지는 것은 적어도 가능한 가장 상단의 액체 높이까지의 이전 설비의 액체 배출구에서의 리턴의 상방향 안내에 의해 담보된다.
이 점에 있어서, 리턴 통로는 특히 U 파이프 방식으로 구성될 수 있다. 이 점에 있어서, U 파이프 방식으로 구성된 리턴 통로의 배출 흐름 파트의 상부 영역은 바람직하게는 그 양 사이드에서 증가 투과 및 액체 비투과이고 한편으로는 액체와 접촉하고 다른 한편으로는 냉각탑의 가스 공간과 접촉하는 추가 멤브레인 벽에 의해 적어도 부분적으로 경계지워지는 통로 섹션을 유익하게 포함할 수 있다. 그에 따라 자유롭게 외부로 흐르는 액체에 의해 냉각 탑의 각 설비에서 냉각 탑 높이 이상의 액체 정체를 피하면서 냉각 탑 설비의 액체의 헤드의 높이가 각 멤브레인 벽에 단지 최대로 항상 부하를 가하게 된다.
따라서 U-파이프 장치에서의 냉각탑 액체의 안내가, 예를 들어 U-파이프 장치가 180도의 편차(deflection)를 갖는 위 방향으로 안내하는 파이프, 하향 파이프, 및 소수성 미세다공성 멤브레인을 포함하는 적어도 하나의 멤브레인 벽에 의해 경계지워지는 개별 액체 통로를 통한 흐름 이후에, 가능하게 된다. 개별 냉각탑 설비에서 배출되는 액체는 적어도 하나의 멤브레인에 의해 경계지워지는 냉각탑 설비의 개별 액체 통로가 액체로 완전히 채워지도록 상방향으로 안내된다. 하향 파이프의 크기는 결코 액체로 완전히 채워지지 않고 그에 따라 꼭대기로부터 바닥까지 냉각탑 설비의 정수압(hydrostatic pressure)의 추가가 없도록 형성된다. 하향 파이프가 하향 시간 동안 비어있도록, U 파이프 장치는 그 상부 영역에서 증기 투과 및 특히 공기 투과인 미세다공성, 소수성 멤브레인으로 유익하게 끼워진다. 따라서 하향 파이프는 냉각될 물의 스위칭 오프(switching off) 시에 비어질 수 있으며 이와 반대로 작동 전환 시에 가스 또는 공기가 멤브레인을 통해 흘러 나가거나 흘러 들어올 수 있기 때문에 가스 쿠션 또는 공기 쿠션이 형성될 수 없다.
본 발명에 따른 멤브레인 증류 플랜트는 청구항 제13항의 구성에 의해 특징된다. 본 발명에 따르면, 멤브레인 증류 플랜트는 증발기, 액체를 농축하기 위한 응축기 뿐만 아니라 복수의 농축 및 증발 단계를 포함하는 다단 멤브레인 증류 장치를 가지고 청구항 제1항 내지 제12항 중 어느 하나에 따른 본 발명에 따른 냉각 장치를 가진다. 이 점에 있어서, 농축될 액체는 멤브레인 증류 장치의 응축기와 냉각 장치를 포함하는 시스템으로 공급된다. 냉각 장치는 액체를 사전 농축하기 위한 멤브레인 증류 장치의 상류 측에 연결된다. 사전 농축 동안 냉각된 액체는 냉각 장치로부터 냉각 유체로서 응축기로 공급된다.
본 발명에 따른 멤브레인 증류 플랜트의 바람직한 실시예에 따르면, 멤브레인 증류 장치의 응축기는 증기 공간 및 이로부터 응축 벽에 의해 분리되고 설비 또는 설비들을 포함하고 농축될 액체가 냉각제로 순환하는 사전 농축 동안 냉각 회로의 일부인 냉각 유체 통로를 포함한다.
따라서 가능한 새로운 과정이 냉각탑 설비를 가지는 액체의 냉각 및 농축의 조합으로부터 얻어진다. 이 점에 있어서, 특히 사전 농축기로서 건조 표면을 가지는 습식 냉각탑을 사용하는 소금을 함유하는 물의 가능한 농축이 유리하다.
예를 들어, 증발기, 액체를 농축하기 위한 응축기 뿐만 아니라 복수의 응축 및 증발 단계를 포함하는 다단 멤브레인 증류 장치는 WO 2007/054311에 기재되어 있다.
그러한 멤브레인 증류 장치로, 액체가 증발되고 열 에너지를 이용하여 다시 응축된다. 액체의 증발에서, 각 성분들은 주어진 온도 및 그 온도에 의존하는 증기 압력에서 증발하여 개별 요소들이 응축된다. 증발된 액체는 미세다공성, 증기 투과, 액체 비투과 멤브레인에 의해 증기 공간으로부터 분리된다. 멤브레인을 통과하는 증기는 농축된 액체와 증기 공간 사이의 온도 차이 또는 증기 압력 차이에 의해 농축될 액체와 멤브레인 사이의 경계 표면에서 생긴다.
이어지는 각 응축 및 증발 단계에서의 증기 공간은 특히 농축될 액체와 증기의 흐름을 줄이기 위해 이전 응축 및 증발의 멤브레인 벽에 바로 인접할 수 있으며, 여기서 멤브레인 벽은 다음 응축 및 증발 단계의 증기 공간으로부터 이전 응축 및 증발 단계의 액체 통로를 분리한다.
예를 들어, 증발기는 가열 유체 통로, 농축될 액체를 위한 액체 통로, 액체 통로로부터 가열 유체 통로를 분리하는 교환기 벽, 및 교환기 벽의 반대측에 배치되는 사이드에서 액체 통로를 경계지우는 멤브레인 벽을 포함하고, 여기서 첫 번째 응축 및 증발 단계의 증기 공간은 증발기의 멤브레인에 바로 인접할 수 있으며 이 멤브레인 벽은 첫 번째 응축 및 증발 단계의 증기 공간으로부터 증발기의 액체 통로를 분리할 수 있다. 이미 언급된 바와 같이, 예를 들어 응축기는 증기 공간, 냉각 유체 통로, 및 냉각 유체 통로로부터 증기 공간을 분리하는 응축 벽을 포함할 수 있다. 응축기의 증기 공간은 마지막 응축 및 증발 단계의 멤브레인 벽에 바로 인접할 수 있으며 그에 의해 이 멤브레인 벽은 응축기의 증기 공간으로부터 마지막 응축 및 증발 단계의 액체 통로를 분리한다.
응축 및 증발은 적어도 실질적으로 비활성 가스(inert gas) 없이 그리고 각 후속 응축 및 증발 단계에서 이전 응축 및 증발 단계보다 더 낮은 압력 및 온도 하에서 발생할 수 있다. 농축될 액체는 진공에 의해 그 절대 압력을 낮추도록 작용될 수 있으며, 멤브레인 증류 장치의 각 액체 통로에서의 농축될 액체의 절대 압력은 이 액체 통로에서의 액체 온도에 대응하여 비등 증기 압력(boiling vapor pressure) 아래로 낮춰질 수 있다. 응축 및 증발 단계 및 응축기의 증기 공간은 진공에 의해 그 절대 압력이 대기 압력(environmental pressure) 아래로 낮춰지도록 작용될 수 있다. 멤브레인 증류 장치의 바람직한 실시예에 따르면, 각 증기 공간의 절대 압력은 인접하는 멤브레인 벽을 통해 이웃하고 추가로 인접하는 멤브레인 벽을 통한 증기의 흐름에 작용하는 차이 압력에 의해 적어도 실질적으로 농축될 액체의 증기 압력까지 낮춰질 수 있다. 따라서 인접하는 멤브레인 벽에 통해 이웃하는 농축될 액체의 증기 압력에 적어도 실질적으로 대응하는 개별 증기 공간의 진공은 멤브레인 벽을 통한 증기의 흐름에 작용하여 차이 압력에 의해 증가되고, 이때 증가된 진공은 낮춰진 절대 압력에 대응한다는 것이 고려되어야 한다.
다른 관점에서, 예를 들어 멤브레인 증류 장치는 WO 2007/054311에 기재된 바와 같이 구성될 수 있다.
본 발명이 실시예들 및 도면을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이고, 도면은 다음과 같다.
도 1은 냉각 장치의 예시적인 실시예의 개략적인 도시이다.
도 2는 병렬로 연결되고 바람직하게는 대체로 수직으로 연장되는 복수의 액체 통로를 가지는 냉각탑의 예시적인 설비의 개략적인 도시이다.
도 3은 U-파이프 방식으로 구성되는 리턴 통로를 가지는 냉각탑의 예시적인 설비의 개략적인 도시이다.
도 4는 액체 프레임(liquid frame)으로 사용될 수 있는 프레임 요소의 예시적인 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 5는 냉각 가스 프레임(cooling gas frame)으로 사용될 수 있는 프레임 요소의 예시적인 실시예의 개략적인 정면도이다.
도 6은 예를 들어 도 4 및 도 5에 따른 복수의 프레임 요소를 포함하는 냉각탑의 설비의 예시적인 실시예의 개략도 및 사시 확대도이다.
도 7은 예를 들어 냉각 가스 프레임을 위한 그리드형 스페이서(grid-like spacer)의 예시적인 실시예의 개략적인 사시 도면이다.
도 8은 다단식 멤브레인 증류 장치 및 냉각 장치를 포함하는 멤브레인 증류 플랜트의 예시적인 실시예의 개략적인 도시이다.
도 1은 예를 들어 물인 액체(12)를 냉각하기 위한, 냉각될 액체(12')가 그 상부 영역(16)에서 공급되고 냉각된 액체(12'')가 그 하부 영역(18)에서 배출되는 수직 냉각탑(14)을 가지는 냉각 장치(10)의 예시적인 실시예의 개략적인 도시를 보여준다.
액체(12)는 바닥에서 상부로 흐르는 냉각 가스(20), 예를 들어 공기에 의해 냉각탑(14) 내에서 냉각된다. 이 점에 있어서, 예를 들어 유입 공기 및/또는 주변 공기가 하부 영역에서 냉각탑(14)으로 공급될 수 있다. 그리고 나서 그에 따라 배출 공기 또는 가습 공기는 냉각탑(14)의 상부 영역에서 배출된다. 냉각탑(14)의 하부 영역에서의 냉각 능력을 향상시키기 위해, 유도 통풍(induced ventilation)을 일으키는 하나 이상의 팬(fan)(90)이 구비될 수 있다.
액체(12)가 안내되는 적어도 하나의 설비(24)가 냉각 가스(20)가 흘러 지나가는 냉각탑(14)의 가스 공간(22)에 구비된다. 이 점에 있어서, 각 설비(24)는 양 사이드에서 증기 투과(vapor-permeable), 액체 비투과(liquid-tight) 멤브레인 벽(28)에 의해 냉각탑(14)의 가스 공간(22)으로부터 적어도 부분적으로 분리되는 적어도 하나의 액체 통로(26)를 포함한다.
도 1을 참조로 인식될 수 있는 바와 같이, 서로 수직으로 이어지고 직렬로 연결되는 복수의 설비(24)가 냉각 가스(20)가 흘러 지나가는 냉각탑(14)의 가스 공간(22)에 구비될 수 있다.
도 2는 냉각탑(14)의 설비(24)의 예시적인 실시예의 개략적인 도시이다. 이에 따라, 각 설비(24)는 병렬로 연결되고 바람직하게는 대체로 수직으로 각각 연장되는 복수의 액체 통로(26)를 포함한다. 이 점에 있어서, 액체 통로(26)는 도시된 바와 같이 특히 서로 연이어 수평방향으로 배열될 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 대응하는 설비(24)는 병렬로 연결되고, 서로 연이어 수평방향으로 배열되고, 멤브레인 벽(28) 특히 평탄 멤브레인(flat membrane)(다시 도 1 참조)에 의해 서로 대향되게 배치되는 적어도 두 사이드에서 냉각탑(14)의 가스 공간(22)으로부터 각각 분리되는 복수의 액체 통로(26)를 포함한다. 이 점에 있어서, 수평방향으로 인접하는 액체 통로(26)의 각 쌍은 가스 공간(22)에 작용하는 냉각 가스 흐름의 냉각 가스(20)가 흐르는(다시 도 1 참조) 가스 통로(30)를 횡방향으로, 즉 두 개의 개별 액체 통로(26) 사이에서, 경계지우는 상호 마주하는 멤브레인 벽(28), 특히 평탄 멤브레인을 가진다.
냉각될 고온 액체(12')는 따라서 상부에서부터 냉각탑(14)으로, 최초 액체 통로(26)로, 또는 멤브레인 요소로 공급될 수 있다. 냉각 가스, 특히 공기는 액체(12)의 흐름의 방향과 반대로 액체 통로(26)를 형성하는 멤브레인 요소들을 통해 하부에서부터 위 방향으로 흐른다. 냉각 가스는 위 방향으로 흐르는 동안 가열되고 물로 차징(charged)되고, 이때 농도는 감소하고 상승하는 냉각 가스 흐름 또는 공기 흐름이 도입된다.
상부에서 바닥으로 흐르는 액체(12)는, 바람직하게는, 냉각탑(14)의 설비(24)에서 상부 영역에서의 고온에서 하부 영역에서의 저온으로 일정한 온도 이력을 갖도록 안내된다.
액체는 냉각될 액체의 전체 헤드가, 유익하게는, 도 3을 참조하여 이하에서 더 상세히 설명될 멤브레인 벽(28), 특히 흐름 방향의 하부 멤브레인 벽에 부하를 가하지 않도록 상부로부터 하부로 공급된다.
설비(24)는 개별 요소들로 이루어질 수 있다. 이 점에 있어서, 이들 개별 요소는 예를 들어 직사각형 또는 정사각형의 프레임 요소일 수 있다. 그러한 프레임 요소는 적어도 한 사이드에서 증기 투과, 액체 비투과 멤브레인 벽(28)에 의해 걸쳐질 수 있다. 예를 들어 이들 프레임 요소는 각 수직 방향으로, 각 설비(24)에서 수평방향으로 서로 이어지도록, 설치될 수 있다. 프레임 요소는 액체(12)가 바닥에서 상부까지 흘러가게 된다. 액체 통로(26) 및 가스 통로(30)는 서로 결합되는 프레임 요소로부터 얻어진다.
예를 들어 증기 투과, 액체 비투과 멤브레인 벽(28)은 미세다공성 소수성 멤브레인(microporous hydrophobic membrane), 예를 들어 PTFE로 구성되는 것일 수 있다.
따라서 각 설비(24)는 서로 연결된 복수의 프레임 요소(32)를 포함할 수 있으며, 이때 액체 통로(26) 및 가스 통로(30)의 기능적 유닛들은 그러한 프레임 요소(32)의 형태로 각각 구비될 수 있다.
프레임 요소(32)는 그물 구조(web structures)(34)를 구비할 수 있으며 이들 그물 구조(34)를 통해서 서로 연결될 수 있다(또한 도 4 및 도 6 참조).
더욱이, 프레임 요소(32)는, 특히 멤브레인 벽(28)을 지지하기 위해, 스페이서(spacer)(36), 특히 그리드형(grid-like) 스페이서를 각각 구비할 수 있다(특히 도 4 및 도 7 참조).
개별 액체 통로(26) 및 이에 인접하는 개별 가스 통로(30) 사이에 구비되는 멤브레인 벽(28)은 두 개의 상호 인접하는 각 프레임 요소(32) 중 어느 하나에 연결될 수 있다.
도 2를 참조로 인식될 수 있는 바와 같이, 냉각될 액체는 유입 흐름(inflow)(38)을 통해서 각 설비(24)의 첫 번째 프레임 요소(32)로 공급되며, 반면에 냉각된 액체는 배출 흐름(outflow)(40)을 통해서 설비(24)의 마지막 프레임 요소(32)로부터 방출된다.
수직으로 서로 이어지고 직렬로 서로 연결되는 설비(24)는 그들의 액체 통로(26)가 액체(12)로 각각 완전히 채워지도록 서로 특히 연결될 수 있다.
예를 들어 도 3을 참조로 인식될 수 있는 바와 같이, 이 목적을 위해, 수직으로 인접하는 설비(24)는, 액체(12)의 흐름의 방향에서 볼 때 앞선 설비의 액체 통로(26)의 하부 영역에 구비되는 액체 배출구(44)와 다음 설비(24)의 액체 통로(26)의 상부 영역에 구비되는 액체 유입구 또는 유입 흐름(38) 사이에 배치되며 이전 설비(24)의 액체 배출구(44)에서부터 시작하여 적어도 이 설비(24)의 가능한 최상측 액체 레벨에 이르기까지 먼저 위 방향으로 안내되는, 리턴 통로(42)에 의해 서로 각각 연결될 수 있다.
U 파이프의 형태로 구성된 리턴 통로(42)의 배출 흐름 파트(48)의 상부 영역은 바람직하게는 양 사이드에서 증기 투과 및 액체 비투과이고 한편으로는 액체(12)와 접촉하고 다른 한편으로는 냉각탑(14)의 가스 공간(22)과 접촉하는 추가 멤브레인 벽(52)에 의해 적어도 부분적으로 경계지워지는 통로 섹션(50)을 포함할 수 있다.
따라서 냉각탑 액체는 예를 들어 상방향의 리딩 파이프(leading pipe), 180도 편차(deflection), 다운 파이프(down pipe) 및 특히 소수성의 미세다공성 멤브레인을 포함할 수 있는 U-파이프 장치에서 액체 통로를 통한 흐름에 따라 안내될 수 있다. 냉각탑 설비에서 배출되는 액체는 이 점에서 냉각탑 설비의 액체 통로들이 항상 액체로 완전히 채워지도록 위 방향으로 안내된다. 다운 파이프 또는 배출 흐름 파트는 결코 액체로 완전히 채워지지 않고 탑에서 바닥으로 냉각탑 설비의 hydrostatic pressure의 추가가 없도록 형성된다. 다운 파이프가 하향 시간(downtime)에 비워질 수 있도록, U 파이프 장치는 예를 들어 양 사이드에서 특히 증기 투과 및 공기 비투과인 미세다공성, 소수성 멤브레인의 조각으로 그 상부 영역에서 맞춰진다. 따라서 다운 파이프는 냉각될 액체로의 스위칭 오프 시에 비워질 수 있고, 반대로 작동 시에 공기가 멤브레인을 통해 배출되고 유입되기 때문에 가스 쿠션 또는 공기 쿠션이 형성되지 않는다.
예를 들어 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 특히 냉각탑(14)의 각 설비(24)는 복수의 프레임 요소(32)를 가지는 모듈형 흐름 시스템으로 구성될 수 있다. 이 점에 있어서, 예를 들어, 액체 통로(26) 및 가스 통로(30)의 서로 다른 기능 유닛들은 프레임 요소(32)의 형태로 각각 구비될 수 있다.
바람직하게는 프레임 요소는 특히 각 설비(24)의 액체 통로(26) 및 가스 통로(30)를 형성하기 위해 서로 연결될 수 있는 그물 구조물들(34)을 구비한다. 이 점에 있어서, 예를 들어 서로 다른 프레임 요소는 그물 구조물(34)에 의해 서로 용접되거나 접착될 수 있다. 예를 들어 용접 그물 구조물이 사용되면, 예를 들어 마찰 용접 과정, 레이저 용접 과정 및/또는 가열 요소 용접 과정이 프레임 요소들을 연결하기 위해 사용될 수 있다.
프레임 요소(32)는 아웃터 프레임(54)에 의해 둘러싸이고 바람직하게는 특히 그리드형 스페이서(36)를 구비하는 인너 영역(56)을 각각 포함한다.
도 4는 액체 프레임으로 사용될 수 있는 프레임 요소(32)의 예시적인 실시예의 개략적인 정면도를 보여준다. 프레임 요소(32)는 스페이서(36)의 양 사이드에서 멤브레인 벽에 의해 각각 걸쳐질 수 있고 냉각탑(14)에서 상부에서 바닥으로 액체(12)를 안내한다. 액체(12)를 위한 배출구 개구(60) 뿐만 아니라 유입구 개구(58)는 프레임 요소(32)에 구비된다. 도 4를 참조로 인식될 수 있는 바와 같이, 개별 유입구 개구(58)는 예를 들어 프레임 요소(32)의 두 개의 상부 구석 영역에 구비될 수 있고 개별 배출구 개구(60)는 프레임 요소(32)의 두 개의 하부 구석 영역에 구비될 수 있다. 멤브레인 벽은 이 액체 프레임에 반드시 구비되어야 하는 것은 아니다. 대신에 그것들은 예를 들어 도 5에 도시된 바와 같이 냉각 가스 프레임에 구비될 수도 있다. 또한 프레임들이 멤브레인 벽을 가지는 사이드에서만 각각 걸쳐질 수도 있다는 것이 인식될 수 있다. 결정적인 것은 개별 액체 통로 및 이에 인접하는 개별 냉각 가스 통로는 그러한 멤브레인 벽에 의해 서로 분리된다는 것이다.
도 5는 냉각 가스 프레임에 사용될 수 있는 프레임 요소(32)의 예시적인 실시예의 개략적인 정면도를 나타낸다. 이 경우에 있어서, 프레임 요소(32)는 하부 영역에서 유입구 개구(60)를 형성하고 상부 영역에서 냉각 가스 또는 공기를 위한 배출구 개구(64)를 형성하도록 바닥과 상부 모두에서 개방된다.
예를 들어, 프레임 요소(32)의 두 개의 상부 구석 영역에서, 통로 개구(66)가 냉각될 액체(12')을 위해 구비된다. 예를 들어, 두 개의 하부 구석 영역에서, 냉각된 액체(12'')를 위한 통로 개구(68)가 구비된다.
그러한 냉각 가스 프레임은 냉각탑(14)에서 바닥에서부터 상부로 가스 흐름을 안내한다. 스페이서(36)와 같은 삽입물이 인접하는 프레임 요소 또는 이 냉각 가스 프레임 요소와 연결될 수 있는 인접하는 멤브레인 벽을 지지한다. 특히 그리드형 스페이서(36)가 냉각 가스의 유도된 와류(swirling) 및 멤브레인에서부터 공기로의 더 양호한 물 증기 전이(water vapor transition)를 제공한다. 이미 언급된 바와 같이, 냉각될 액체 또는 냉각된 액체를 위한 통로 개구(66, 68)는 상부와 바닥에 구비된다.
도 6은 복수의 프레임 요소(32)를 포함하는 냉각탑(14)의 설비(24)의 예시적인 실시예의 개략적 및 사시 확대도를 보여준다. 이 점에 있어서, 예를 들어 도 4 및 도 5에 도시된 종류의 액체 프레임(32') 및 냉각 가스 프레임(32'')은 서로 이어지도록 대신하여 설치될 수 있다. 이 점에 있어서, 냉각 가스(20) 및 액체(12)는 서로 반대방향으로 흐른다.
도 7은 예를 들어 냉각 가스 프레임을 위한 그리드형 스페이서(36)의 예시적인 실시예의 개략적인 사시도를 보여준다.
따라서 그러한 그리드형 스페이서(36)은 예를 들어 가스 통로(30)에 배열될 수 있다. 이 점에 있어서, 냉각 가스는 예를 들어 도 7에서 수평방향으로 연장되는 망의 방향으로 흐를 수 있다. 이에 도 7에서 수직이고 상하방향인 망(72)은 두 가지 기능을 갖는다. 즉 그것들은 적층 구조에서 멤브레인을 가스 통로를 향해 지지하고 가스 흐름에서 멤브레인에서 냉각 가스의 경계 층을 지속적으로 파괴하고, 그에 의해 멤브레인에서의 공기의 온도 및 농축 분극(concentration polarization) 형성이 일반적으로 극복된다.
도 8은 냉각 장치(14) 뿐만 아니라 다단식 멤브레인 증류 장치(74)를 포함하는 멤브레인 증류 플랜트(76)의 예시적인 실시예의 개략적인 도면을 보여준다. 이 점에 있어서, 냉각 장치(14)는 예를 들어 앞에서 설명된 바와 같이, 그 중에서 도 1 내지 도 7을 참조하여 형성될 수 있다.
액체(12)의 농축(concentration)을 위해 작용하는 다단식 멤브레인 증류 장치(74)는 증발기(evaporator) 또는 증기 생성기(vapor generator)(78), 응축기(condenser)(82) 뿐만 아니라 복수의 응축 및 증발 스테이지(80)를 포함한다.
농축될 액체(12')는 멤브레인 증류 장치(74)의 응축기(82)와 냉각 장치(14)를 포함하는 시스템으로 공급된다. 냉각 장치(10)는 액체(12)의 사전 농축시키기 위해 멤브레인 증류 장치(74)의 상류측에 연결된다. 냉각 장치(10)로부터의 냉각된 액체(12'')는 사전 농축(preconcentration) 동안 냉각 유체로서 응축기(82)로 공급된다.
멤브레인 증류 장치(74)의 응축기(82)는 증기 공간(84) 및 응축 벽(condensation wall)(86)에 의해 이로부터 분리되고 사전 농축 동안 냉각 장치(10)의 설비 또는 설비들(24)을 포함하는 냉각액 회로(coolant circuit)의 일부인 냉각 유체 통로(88)를 포함하고, 이때 이 냉각액 회로에서 농축될 액체는 냉각액으로서 순환한다.
따라서 다단식 농축 과정은 사전 농축을 위한 본 발명에 따른 설비를 구비하는 냉각탑을 가지고 하향류에 연결된 농축 과정을 가지는 그러한 멤브레인 증류 플랜트(76)로 구성될 수 있다. 예를 들어 비전형적인 가스의 이송을 위한 보어 홀(bore hole)로부터 오는 액체는 냉각탑과 사전 농축을 위한 응축기의 시스템으로 공급될 수 있다. 액체 또는 용액(12')이 응축 배출구 온도보다 낮은 온도에서 이 시스템으로 유입되면, 용액이 변형예1에 따른 도 8에서의 바닥 우측, 즉 냉각탑(14)의 배출구 다음에 공급될 수 있다. 농축될 액체 또는 용액(12')의 온도가 응축 배출구 온도와 같거나 높으면, 농축될 액체(12')는 변형예2에 따른 응축기(82) 다음 및 냉각탑(14) 이전에 공급된다(도 8의 상측 우측을 보라).
용액의 농도는 농축될 용액으로부터의 물의 증발에 의해 증가한다. 소위 취출수(blowdown water)는 특정한 미리 정의된 농축 진전(onward)로부터의 냉각탑의 용액 회로로부터 얻어질 수 있다.
취출수는 추가 농축으로 공급된다. 이 추가 농축은 증발기를 이용하여 발생할 수 있다. 이들 증발기는 특히 다단식 플래시(flash) 증발기일 수 있다. 초기에 설명된 대로, 멤브레인 증류 장치는 특히 진공 다중효과 멤브레인 증류 장치일 수 있다.
냉각탑에서 미리 농축된 용액은 가능한 많이 증발기에서 포화 이상으로 농축된다. 보통의 작동 상태에서, 농축된 용액은 농축 후의 플랜트의 환경보다 더 뜨거워서 함유된 소금의 일부는 농축된 용액의 배출 이후의 환경 온도에서 냉각에서 이미 결정화된다. 이들 소금 결정은 분리될 수 있고 남겨진 용액은 모두 또는 부분적으로 농축으로 다시 공급될 수 있다. 농축된 용액의 남겨진 부분은 또한 결정화기(crystallizer)에서 예를 들어 소금 결정 분리 이후에 모두 또는 부분적으로 추가 농축으로 공급될 수 있다.
10 냉각 장치
12 액체
12' 냉각될 액체
12" 냉각된 액체
14 냉각탑
16 냉각탑의 상부 영역
18 냉각탑의 하부 영역
20 냉각 가스
22 가스 공간
24 설비
26 액체 통로
28 멤브레인 벽
30 가스 통로
32 프레임 요소
32' 액체 프레임
32" 냉각 가스 프레임
34 그물 구조
36 스페이서
38 유입흐름, 유입구
40 배출흐름
42 리턴 통로
44 액체 배출구
46 액체 유입구
48 배출흐름 파트
50 통로 섹션
52 멤브레인 벽
54 아웃터 프레임
56 인너 영역
58 유입구 개구
60 배출구 개구
62 유입구 개구
64 배출구 개구
66 통로 개구
68 통로 개구
70 그물
72 그물
74 다단 멤브레인 증류 장치
76 멤브레인 증류 플랜트
78 증발기
80 응축 및 증발 단계
82 응축기
84 증기 공간
86 응축 벽
88 냉각 유체 통로
90 팬

Claims (14)

  1. 냉각될 액체(12')가 상부 영역(16)에서 공급되고 냉각된 액체(12'')가 하부 영역(18)에서 배출되는 수직 냉각탑(14)을 가지는 액체(12)를 냉각하기 위한 냉각 장치(10)로서,
    상기 냉각탑(14)에서 액체(12)가 바닥에서 꼭대기로 흐르는 냉각 가스(20)에 의해 냉각되며, 상기 액체(12)가 안내되는 적어도 하나의 설비(24)가 냉각 가스(20)가 흘러 지나가는 냉각탑(14)의 가스 공간(22)에 구비되고, 각 설비(24)는 적어도 하나의 액체 통로(26)를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 액체 통로(26)는 양 사이드에서 증기 투과, 액체 비투과 멤브레인 벽(28)에 의해 상기 냉각탑(14)의 상기 가스 공간(22)으로부터 적어도 부분적으로 분리되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치(10).
  2. 제1항에서,
    서로 수직으로 이어지고 직렬로 연결되는 복수의 설비(24)가 상기 냉각 가스(20)가 흘러 지나가는 상기 냉각탑(14)의 상기 가스 공간(22)에 구비되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에서,
    적어도 하나의 설비(24)는 병렬로 연결되고 각각 대체적으로 수직으로 연장되는 복수의 액체 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  4. 제3항에서,
    병렬로 연결되는 상기 액체 통로(26)는 서로 인접하게 수평 방향으로 배열되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  5. 제4항에서,
    병렬로 연결되고, 서로 이웃하게 수평으로 배열되며, 적어도 두 개의 서로 대향하도록 배치되는 사이드에서 멤브레인 벽(28), 특히 평탄 멤브레인에 의해 상기 냉각탑(14)의 상기 가스 공간(22으로부터 각각 분리되는 복수의 액체 통로(26)를 포함하는 적어도 하나의 설비(24)가 구비되며, 수평 방향으로 인접하는 각 쌍의 액체 통로(26)가 상기 가스 공간(22)에 작용하는 냉각 가스 흐름의 냉각 가스(20)가 흐르는 가스 통로(30)를 횡방향으로 경계지우는 상호 마주하는 멤브레인 벽(28), 특히 평탄 멤브레인을 가지는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  6. 제5항에서,
    각 설비(24)는 따라서 서로 연결된 복수의 프레임 요소(32)를 포함하고, 액체 통로(26) 및 가스 통로(30)의 기능 유닛은 그러한 프레임 요소(32)의 형태로 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  7. 제6항에서,
    상기 프레임 요소는 그물 구조(34)를 구비하고 이들 그물 구조(34)에 의해 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  8. 제6항 또는 제7항에서,
    상기 프레임 요소(32)는 스페이서(36), 특히 그리드 형태의 스페이서를 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에서,
    각 액체 통로(26)와 이에 인접하는 각 가스 통로(30) 사이에 구비되는 상기 멤브레인 벽(28)은 상기 각각 상호 이웃하는 두 개의 프레임 요소(32) 중 하나와 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  10. 전기 청구항 중 어느 한 항에서,
    상기 서로 수직으로 이어지고 직렬로 연결되는 설비(24)는 그 액체 통로(26)가 액체(12)로 완전히 각각 채워지도록 서로 연결되고, 수직으로 인접하는 설비(24)는 액체(12)의 흐름의 방향에서 볼 때 이전 설비의 액체 통로(26)의 하부 영역에 구비되는 액체 배출구(44)와 다음 설비(24)의 액체 통로의 상부 영역에 구비되는 액체 유입구 또는 유입 흐름(38) 사이에 배치되며 상기 이전 설비(24)의 액체 배출구(44)에서부터 시작하여 적어도 이 설비(24)의 가능한 가장 높은 액체 레벨에 이르기까지 먼저 위 방향으로 안내되는 리턴 통로(42)에 의해 각각 서로 연결되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  11. 제10항에서,
    상기 리턴 통로(42)는 U 파이프 방식으로 형성되는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  12. 제11항에서,
    상기 U 파이프 방식으로 구성된 상기 리턴 통로의 배출 흐름 파트(48)의 상부 영역은 바람직하게는 양 사이드에서 증기 투과 및 액체 비투과이고 한편으로는 상기 액체(12)와 접촉하고 다른 한편으로는 상기 냉각탑(14)의 상기 가스 공간(22)과 접촉하는 추가 멤브레인 벽(52)에 의해 적어도 부분적으로 경계지워지는 통로 섹션(50)을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 장치.
  13. 증발기(78), 액체(12)를 농축시키기 위한 응축기(82) 및 복수의 응축 및 증발 단계(80)를 포함하는 다단 멤브레인 증류 장치(74)를 가지고 전기 청구항 중 어느 하나에 따른 냉각 장치(10)를 가지는 멤브레인 증류 플랜트(76)로서,
    농축될 액체(12')는 상기 멤브레인 증류 장치(74)의 응축기(82) 및 냉각 장치(14)를 포함하는 시스템으로 공급되고, 상기 냉각 장치(14)는 상기 액체(12)를 사전 농축하기 위한 멤브레인 증류 장치(74)의 상류측에 연결되고, 사전 농축 동안 냉각된 액체(12'')는 냉각 유체(12'')로서 상기 냉각 장치(10)로부터 상기 응축기(82)로 공급되는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류 플랜트(76).
  14. 제9항에서,
    상기 멤브레인 증류 장치(74)의 상기 응축기(82)는 증기 공간(84) 및 응축 벽(86)에 의해 이로부터 분리되고 상기 사전 농축 동안 설비 또는 설비들(24)을 포함하는 냉각액 회로의 일부인, 여기서 냉각액 회로에서 농축될 액체는 냉각액으로서 순환하는, 냉각 유체 통로(88)를 포함할 수 있는 것을 특징으로 하는 멤브레인 증류 플랜트(76).
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