KR20150035561A - 메니스커스 증발에 의해 요소들을 제어하는 방법 - Google Patents

Abstract

방법은 액체에 존재하는 요소들을 제어하도록 작용하고; 액체 질량은 액체 질량의 인식가능한 증발을 발생시키도록 하는 온도 및 압력 조건들을 야기하고; 적어도 하나의 고체 표면은 이러한 고체 표면 상에서 액체의 적어도 메니스커스를 확립하도록 부분적으로 액체 질량의 내부에 그리고 부분적으로 액체 질량의 외부에 배열되고; 이러한 메니스커스의 형태 및/또는 크기 및/또는 확장부 및/또는 위치 및/또는 온도는, 상기 메니스커스를 통한 액체의 증발이 제어되도록 제어되고; 이들 요소들의 임의의 증착이 또한 제어된다.

Description

액체에 존재하는 요소들을 제어하는 방법, 및 그 응용들 {METHOD FOR CONTROLLING SUBSTANCES PRESENT IN A LIQUID AND ITS APPLICATIONS}

본 발명은 액체에 존재하는 요소들(substances)을 제어하는 방법과, 그 응용들에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하기 위한 기기에 관한 것으로, 이것은 이들 방법들의 응용이다.

본 명세서에 사용된 "요소들의 제어(control of the substances)"는, "엔지니어링(engineering)" 분야에서 "제어"라는 단어에 주어지는 잘 알려진 광의의 의미에 따라 이들 요소들을 감소시키거나 일정하게 유지하거나 증가시키는 것에 목적을 둔 행동들을 의미한다; 그러므로, 본 명세서에 사용된 "요소들의 제어"는 존재하는 요소들의 간단한 증명 또는 존재하는 요소들의 양의 간단한 측정 어느 것도 의미하지 않는다.

액체, 예를 들어(이뿐만이 아니라) 물에 존재하는 요소들의 제어는 많은 실제적인 응용들을 갖는다.

이러한 동작을 수행하기 위한 여러 가지 알려진 방법들이 있다; 물리적 유형의 알려진 방법들 및 화학적 유형의 알려진 방법들이 있다; 요소들의 큰 집단들(families) 상에서 동작하는 알려진 방법들, 및 단지 하나 또는 2개의 요소들 상에서 동작하는 알려진 방법들이 있다.

본 발명자는 액체 및 요소들에 관해 넓은 응용의 제어 방법들을 제공하는 것에 목적을 둔다.

본 발명자는 고체 요소들, 특히 즉, 매우 작고, 작거나 중간 크기의 고체 입자들의 형태로 액체에 존재하는 고체 요소들에 초점을 맞추었다; 크고 무거운 고체 입자들은 자연스럽게 침전하는 경향이 있다. 하지만, 본 발명에 따른 방법들은 또한 다른 상황들에서도 유용하다.

본 발명자는 액체의 증발 현상을 제어하지만, 비말 동반(entrainment)(액체의 표면으로부터 유래하는 스팀의 흐름에 의한 비말 동반)을 고려하여 요소들의 제어, 그리고 메니스커스(meniscus)에 인접한 고체 표면 상으로의 물질의 증착을 포함하여, 메니스커스가 있는 곳에서 발생하는 현상의 제어를 수행하도록 결정하였다; 증발 현상이 또한 끓는 온도 아래의 온도에서 발생한다는 것을 유의할 가치가 있다.

본 발명에 따라 액체에 존재하는 요소들을 제어하는 주요 방법은 일반적으로 본 명세서의 일체부(integral part)인 첨부된 청구항들에 의해 한정된다.

이 방법에서의 2가지 가장 중요한 응용들, 즉 요소들의 분리 및 요소들의 반응은 본 명세서의 일체부인 2개의 첨부된 청구항들에 한정된다.

이러한 주요 방법은 다수의 기기들을 통해 상이한 방식들로 구현될 수 있다; 본 특허 출원은 그러한 기기들 중 몇몇을 기재하지만, 하나의 특정한 유리한 기기만을 청구한다; 이러한 특정한 유리한 기기의 이해는 도 1 및 도 7을 참조하여 용이하게 된다.

본 발명의 기술적 특징들 및 그 장점들은 첨부된 도면들과 함께 고려될 아래의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 액체에 존재하는 요소들을 제어하는 방법들을 수행하는데 사용될 수 있는 기기를 도시한 도면.
도 2는 컨테이너의 벽에 인접한 메니스커스를 도시한 도면.
도 3은 컨테이너의 벽에 인접한 냉각된 메니스커스를 도시한 도면.
도 4는 컨테이너의 주변(perimeter) 벽에 인접한 고체 계층화(layered) 표면에 인접한 액체의 오목 메니스커스를 도시한 도면.
도 5는 컨테이너의 주변 벽의 한 측부와 고체 이동가능 표면의 양쪽 측부들에 의해 형성된 3개의 오목 메니스커스를 도시한 도면.
도 6은 강제로 습식성을 유지하는 컨테이너의 벽에 인접한 메니스커스를 도시한 도면.
도 7은 스팀을 수집하기 위해 "스커트(skirt)"를 갖는 컨테이너의 벽에 인접한 메니스커스를 도시한 도면.

상기 설명 및 상기 도면들 모두는 단지 예시적이 목적을 위해 고려될 것이므로, 철저하지 않다; 본 발명은 다른 상이한 실시예들에 따라 구현될 수 있다.

본 발명은 증발, 비등, 마란고니(Marangoni) 효과, 메니스커스들 및 용량, 액체와 고체 사이의 마찰 및 접착과, 물론 물리학, 유체 역학, 열역학 및 기본 화학의 우수한 기술적 및 과학적 지식을 가지고 이해될 수 있다; 그러한 지식은 다음에 오는 상세한 설명에서 알려진 것으로 간주된다.

도 1은, 요소들(도면에 도시되지 않음)이 존재하는 액체(102)의 질량을 포함하는 컨테이너(101)를 도시한다; 컨테이너는 원통형 대칭을 갖고, 특히 뚜껑을 갖는 그릇(pot)과 같이 보인다. 액체(102)를 가열하도록 적응된 가열 수단(103)이 있다; 이 도면에서, 가열 수단(103)은 컨테이너(101)의 바닥(특히 이것은 평평한 바닥이다)에 인접하고, 예를 들어 전기 저항의 중심에 위치되고, 전기 저항에 의해 구성될 수 있다; 가열 수단(103)은 컨테이너(101)의 바닥을 가열하고, 전도에 의해, 액체 질량(102)을 가열한다; 알려진 바와 같이, 이러한 가열은 액체(102)의 증발을 야기하고, 온도가 충분히 상승하면, 액체(102)의 끓음을 야기한다. 컨테이너(101)의 상부 부분은 돔-형태(dome-shaped)이고, 발전기 스팀이 가열로 인해 빠져나갈 수 있는 개구부(105)를 갖는다. 액체를 컨테이너(101)에 주입하고, 예를 들어 프로세스의 시작시 액체를 채우고, 프로세스 동안 증발된 액체를 완전히 또는 부분적으로 대체하도록 적응된 2개의 덕트들(104A 및 104B){특히, 가열 수단(103)의 우측에 하나가 있고, 좌측에 하나가 있음}이 있다; 덕트들의 수, 덕트들의 위치 및 배향(orientation)은 이 도면에 대해 상이할 수 있고, 예를 들어, 단지 하나의 중앙 수직 덕트는 가열 수단(103)의 중간에 제공될 수 있지만, 이들 덕트들이 하나보다 많은 경우에 대칭적으로 배열된다는 것이 유리하다. 이 도면은 컨테이너(101)의 모든 측벽(이에 따라 주변 벽)에서 특정 높이로 내부적으로 형성된 오목 메니스커스(그 치수들은 이 도면에서 의도적으로 과장되었다)를 도시한다; 중앙 지역(106)(특히, 원)에서, 액체(102)의 자유 표면(상부 부분에 위치되는)은 완전히 평평하다; 주위(peripheral) 지역(107)(특히 원형 왕관)에서, 액체(102)의 자유 표면(상부 부분에 위치되고, 메니스커스를 포함하는)은 위쪽으로 굴곡지는데 - 이러한 주위 지역은 예를 들어, 수 mm 폭을 갖는 것으로 간주될 수 있다; 상부 자유 표면 아래에서, 중앙 지역(106)에서의 액체의 얇은 층은 다른 요소들을 갖지 않는 것으로 간주될 수 있고, 이것은 이 도면에서 수평의 점선으로 개략적으로 표시된다. 이 도면은 컨테이너(101)의 하부 중앙 지역으로부터 컨테이너(101)의 상부 주위 지역(메니스커스가 있는 곳)으로의 액체 상(phase)에서의 물질의 흐름뿐 아니라, 액체(102)의 상부 자유 표면으로부터 개구부(105)로의 가스 상에서의 물질의 흐름을 개략적으로 도시한다; 아래에 더 구체적으로 설명되는 바와 같이, 중앙 영역(106)에 대해 주위 지역(107)에서의 자유 표면으로부터, 즉 메니스커스로부터 더 큰 증발이 있다.

도 1에 도시된 기기는 본 발명에 따라 액체에 존재하는 요소들을 제어하는 방법들을 제공하는데 사용될 수 있다.

본 발명에 따라, 액체 질량(여기서 다른 요소들이 존재함)은 액체의 인식가능한 증발을 발생시키도록 온도 및 압력 조건들을 야기하고, 적어도 하나의 고체 표면은 부분적으로 상기 액체 질량의 내부에 그리고 부분적으로 상기 액체 질량의 외부에 배열되어, 이러한 고체 표면 상에서 액체의 하나(또는 그 이상)의 인식가능한 메니스커스를 확립한다; 도 1의 특정한 경우에, 고체 표면은 컨테이너(101)의 측벽의 내부 표면에 의해 구성되며, 이러한 내부 표면은 수직이지만, 또한 경사질 수 있다.

적절한 전략들은, 개구부(105)로부터 나오는 스팀이 액체에 존재하는 요소들 중 하나 또는 몇몇 또는 전부에서 특히 "풍부하거나" 특히 "부족한" 것임을 보장하는데 사용될 수 있다. 따라서, 액체는 이들 요소들에서 "곤궁하게" 되거나 "풍부하게" 될 것이다; 명백하게, 컨테이너로의 추가 액체의 임의의 첨가는 그 상황을 변화시킨다.

본 발명의 목적을 위해, "인식가능한 증발"은, 예를 들어 처리 컨테이너에 포함된 액체 질량의 5-25%, 바람직하게 10-20%가 1시간에 증발된다는 것을 의미한다; 대안적으로, 예를 들어, 액체 질량의 온도(예를 들어, 평균 온도)를 언급할 수 있고, 이것이 60℃만큼 감소된 액체의 끓는 온도보다 더 높다는 것을 보장하고, 바람직하게 이것이 40℃만큼 감소된 액체의 끓는 온도보다 더 높다는 것을 보장하고, 더 바람직하게 이것이 20℃만큼 감소된 액체의 끓는 온도보다 더 높다는 것을 보장할 수 있다.

본 발명의 목적들에 대해, "인식가능한 메니스커스"는, 예를 들어 액체가 고체 표면에 가깝게 적어도 2mm만큼, 바람직하게 적어도 4mm만큼, 더 바람직하게 적어도 6mm만큼 상승한다는 것을 의미하고 - 도 2에서, 상승은 높이(B1)와 높이(A1) 사이의 차이에 대응하고, 도 3에서, 상승은 높이(B2)와 높이(A2) 사이의 차이에 대응한다.

요소들을 제어하는 방법의 기본 요소들 중 하나(아마도 가장 중요한)는 메니스커스를 통해 액체의 증발을 제어하도록 메니스커스(또는 하나보다 많은 경우에 메니스커스들)의 형태 및/또는 크기 및/또는 확장부(extension) 및/또는 위치 및/또는 온도를 제어하는 것이다; 메니스커스는 오목하거나 볼록하고, 약간 아치형이다; 메니스커스는 약간 높을 수 있다; 메니스커스는 약간 길 수 있다; 메니스커스는 안정하거나 이동가능할 수 있고, 처리 기기의 부분들에 관해 다양하게 배열될 수 있다; 메니스커스는 약간 고온일 수 있다; 물론, 많은 구현 가능성들이 있다는 것이 이해된다.

이 요소는 오목 메니스커스의 경우에, 메니스커스의 지역에서 강력한 증발이 존재한다는 점과, 증발이 발생하는 존재하는 요소들의 비말 동반을 증발이 야기한다는 점과, 메니스커스 지역에서의 액체에 존재하는 요소들의 더 큰 농도가 있다는 점과, 액체에 존재하는 요소가 고체 표면 상에 증착하려는 경향이 있고, 증발이 요소의 농도, 액체의 유형, 요소의 유형, 고체 표면의 물질의 유형을 포함하는 다양한 파라미터들(물론, 온도는 또한 증착에 영향을 미친다)에 의존한다는 점에서 본 발명자의 관찰로부터 도출된다. 볼록 메니스커스의 경우에, 그 상황은 변화된다.

본 명세서에 사용된 "메니스커스의 형태, 크기, 확장부, 위치, 온도의 제어"는 "엔지니어링" 분야에서 "제어"라는 단어에 주어지는 잘 알려진 광의의 의미에 따라 이들 크기들(magnitudes)을 감소시키거나 일정하게 유지하거나 증가시키는 것에 목적을 둔 행동들을 의미한다; 그러므로, 본 명세서에 사용된 "~의 제어"는 이들 크기들의 간단한 증명 또는 간단한 측정 어느 것도 의미하지 않는다.

본 발명자의 다른 중요한 관찰은, (오목) 메니스커스가 있는 자유 (곡선) 표면으로부터의 증발(단위 면적당)이 매우 높다는 것이고, 메니스커스가 없는 자유 (평평한) 표면으로부터의 증발(단위 면적당)에 비교되고. 액체의 자유 평평한 표면(얇은 상부 층)에서, 액체가 매우 깨끗하다는 것이 적절하다. 그러므로, 약간 상이한 함량을 갖는 적어도 2개의 증발들이 고려된다; 사실상, 갑작스럽고 간헐적인 것처럼 이들 2개와 매우 상이한 제 3 증발이 또한 존재하는데, 즉 증발은 액체 질량 내의 스팀의 구성 또는 기포들로부터 그리고 액체의 자유 표면들쪽으로의 상승(ascent)으로부터 도출된다.

최근의 연구들에 기초하여, (오목) 메니스커스의 영역이 3개의 서브-영역들로 분리된다는 것은 언급할 가치가 있다: 고유 메니스커스의 하부 서브-영역, 얇은 증발 필름을 갖는 이러한 서브-영역의 위, 그리고 이것 위에, 고체의 비-증발 표면에 의해 흡수된 얇은 필름을 갖는 서브-영역; 메니스커스를 나타낼 때, 최상위 서브-영역은 일반적으로 무시된다.

언급된 바와 같이, 다양한 가능한 제어들 중에서, 메니스커스에서의 고체 표면 상에 액체에 존재하는 요소들을 증착하는 것의 제어가 있다; 이것은 매우 작은, 작거나 중간 크기의 입자들(크고 무거운 고체 입자들은 자연스럽게 침전되는 경향이 있다)의 형태로 고체 상태로 존재하는 경우 하나(또는 그 이상)의 요소들에 대해 매우 효과적으로 달성될 수 있다; 액체 및 요소들이 일반적으로 처리 프로세스의 참된 주제이기 때문에, 이러한 제어는 고체 표면 및 그 표면 특성들(또한 표면이 어떻게 생성되는 지에 의존할 수 있음)의 물질의 선택에 의해, 특히 "접착 증착물들(adhering deposits)"을 발생시키는 액체에 존재하는 요소들 중 하나(또는 그 이상)를 단단히 유지할 수 있는 능력에 의해 발생되고 - 예를 들어, 본 발명에 따른 프로세스는 매우 특정한 요소 또는 요소들의 집단을 제어하는 것만을 목적으로 할 수 있다.

메니스커스를 생성하는데 사용된 고체 표면이 도 1의 기기의 경우에서와 같이, 액체를 함유하는 컨테이너의 주변 벽의 내부 표면에 대응하는 것이 가능하다. 하지만, 다중 메니스커스를 생성할 필요성, 및/또는 컨테이너의 주변을 지나 연장하고 및/또는 고체 표면에 사용될 물질이 컨테이너를 생성하는데 적합하지 않은 메니스커스들을 생성할 필요성이 있을 수 있다; 이들 경우들에서, 예를 들어, 고체 표면 또는 고체 표면들은 액체의 적어도 자유 표면에서 컨테이너의 벽들의 표면들로부터 별개이다.

고체 표면은 도 4 및 도 5(양쪽 도면들에서, 메니스커스들은 의도적으로 과장된 치수들을 갖는다)에 도시된 바와 같이 이동가능할 수 있다; 도 4에서, 고체 표면(408)은 제거될 수 있는, 특히 위쪽으로 비말 동반될 수 있는 층들을 갖는다; 도 5에서, 고체 표면(508)은 수직으로(화살표 V), 반복적으로 위쪽 및 아래쪽으로, 특히 수평으로(화살표 H), 반복적으로 좌측 및 우측으로, 특히 컨테이너(501)의 주변 벽 근처로 이동할 수 있다.

고체 표면은 액체에 반복하여 삽입되고 액체로부터 추출될 수 있다. 이것은, 예를 들어 회전 이동에 의해 얻어질 수 있다; 고체 표면이 축이 액체의 표면에 평행한 상태로 배열되는 원이라면, 원이 회전할 때 액체와 접촉하는 표면의 연속적인 교체가 있다.

고체의 이동가능 표면은 물질의 증착에 영향을 미치도록 가열될 수 있다. 고체의 이동가능 표면은 액체에 다시 삽입되기 전에 세척(요소/요소들의 증착물들의)될 수 있다.

고체 표면은 표면(508) 및 컨테이너(501)의 주변 벽에 관련하여 도 5에서 화살표 H로 도시된 바와 같이, 액체를 함유하는 컨테이너의 주변 벽에 더 가까이 그리고 주변 벽으로부터 멀어지게 반복하여 이동될 수 있다; 따라서, 메니스커스는 더 많이 구부러지고, 표면 및 벽의 상부 부분들을 적신다. 또한, 이 경우에, 고체 표면 및/또는 주변 벽은 물질의 증착에 영향을 주도록 가열될 수 있다. 또한 이 경우에, 고체 표면 및/또는 주변 벽은 반복하여 세척될 수 있다.

메니스커스 또는 메니스커스들을 생성하는데 사용된 고체 표면은 제거가능할 수 있다; 예를 들어, 요소/요소들의 증착물들이 특정한 레벨 또는 두께를 초과할 때 제거될 수 있다; 이러한 제거는 예를 들어, 고체 표면의 단지 외부 표면(액체, 특히 메니스커스의 지역과 접촉하는 것)의 전체 또는 부분일 수 있다. 도 4는 복수의 얇은 층들에 의해 구성된 컨테이너(401)의 주변 벽에 인접한 고체 표면(408)을 도시하는데, 이러한 복수의 얇은 층들은 서로 인접하고, 이들 사이에서 슬라이딩(slide)할 수 있다; 따라서, 요소/요소들의 증착물들이 특정한 레벨 또는 두께를 초과할 때, 최외각 층(즉, 액체, 특히 메니스커스의 지역과 접촉하는 것)이 제거될 수 있는데, 특히 위쪽으로 비말 동반될 수 있고, 새로운 층은 액체(402)와 접촉한 상태로 남아있다.

이전에 언급된 바와 같이, 복수의 고체 표면들을 액체질량 내부의 부분 및 액체 질량의 외부 부분에 배열할 수 있어서, 액체의 복수의 메니스커스들은 고체 표면들 상에서 확립된다; 이들 고체 표면들은 일반적으로 단단하지만, 반드시 단단할 필요는 없다는 것이 명백하다; 메니스커스들이 오목하거나 볼록한 지의 여부에 따라 메니스커스들의 작용이 상이하다는 것과, 메니스커스의 구성이 액체, 및 액체와 가스 사이의 경계 지역에서 고체 표면의 물질에 의존한다는 것을 명심할 가치가 있다. 고체 표면의 세척(필요시 또는 유용한 경우, 또는 원하는 임의의 경우에)은 다양한 방식들로 수행될 수 있다.

고체 표면은 슬라이딩에 의해 그 위에 증착된 요소들이 세척될 수 있다; 이러한 슬라이딩은 고체 표면에 인접한 하나 이상의 부재들에 의해 얻어질 수 있고, 이동 수단(특히 자기력을 이용하여)에 의해 이동될 수 있다; 이러한 슬라이딩은 액체의 자유 표면 상에서 부유(floating)하고 자유롭게 이동가능한 부재들에 의해 얻어질 수 있다.

대안적으로, 예를 들어, 고체 표면은 초음파에 의해 그 위에 증착된 요소들에 의해 세척될 수 있다.

메니스커스 영역에서 발생하는 현상은 메니스커스를 생성하는데 사용된 고체 표면의 온도에 의해 영향을 받는다; 그러므로, 제어 방법의 이용에 따라, 이러한 메니스커스 영역을 가열하거나 냉각하는데 유용할 수 있다; 이러한 온도에 영향을 미치는 가장 직접적인 방법은 고체 표면의 온도를 제어하는 방법이다 - 컨테이너(201)의 측부 벽의 부분에 인접한 메니스커스(209)를 구체적으로 도시한 도 2를 참조할 수 있다. 이러한 제어는, 고체 표면이 컨테이너의 벽에 대응할 때 특히 중요하다; 더욱이, 컨테이너가 액체의 증발을 얻도록 가열되면(도 1에서와 같이), 이러한 열의 부분은 전도에 의해 메니스커스 영역으로 전달된다.

도 2에서, 컨테이너(201)의 벽의 온도를 제어하기 위한 특정한 전략은 없고, 메니스커스(209)는 특정한 형태 및 특정한 확장부를 취하는데, 즉 높이(A1)(컨테이너에서 액체의 레벨을 고려)에서 시작하고, 높이(B1)에서 (실질적으로) 종료한다.

도 3에서, 컨테이너(301)의 벽의 외부 측부 상에 수단(310)이 위치되는데, 이러한 수단은 자체적으로 벽을 냉각시켜, 인접한 메니스커스(309)를 냉각시킨다; 메니스커스(309)가 상이한 형태 및 상이한 확장부를 취하는데, 즉 높이(A2)(컨테이너에서 액체의 레벨을 고려)에서 시작하여, 높이(B)보다 더 큰 높이(B2)에서 (실질적으로) 종료한다는 것이 관찰된다; 고체 표면은 이에 따라 더 습식 상태로 유지되어, 그 안에 증착된 고체 입자들이 그로부터 분되고 스팀에 의해 비말 동반될 가능성을 감소시킨다; 더욱이, 메니스커스가 냉각되면, 증발은 감소하고, 스팀의 기포들이 그 안에 형성될 가능성이 추가로 감소된다. 도 3에서, 수단(310)은 높이들(A2 및 B2)과 완전히 정렬되지만, 이것이 반드시 필요하지 않다는 것이 명확할 가치가 있다; 이와 반대로, 이들은 높이(A2)보다 약간 아래로 그리고 높이(B2)보다 약간 위로 연장해야 한다; 더욱이, 수단(310)은 컨테이너에서 액체의 레벨을 고려해야 하고, 이것은 처리 기간 동안 일정해서는 안 된다.

도 3에 도시된 해법의 대안으로서, 메니스커스에서 컨테이너의 벽의 온도에 영향을 미치는 많은 방식들이 있다; 예를 들어, 심지어 간단한 얇아짐(thinning)은 효과를 갖는다. 다양한 가능한 해법들은 2가지 카테고리들로 분리될 수 있다: 벽과 연관되거나 벽에 일체화되고, 메니스커스와 수평으로 정렬된 지역에 또는 약간 낮고 및/또는 약간 높은 지역에 열을 도입하거나 제거하는 능동적 해법들과, 벽과 연관되거나 벽에 일체화되고, 벽을 따라 열의 흐름을 촉진시키거나 방해하는 수동적 해법들. 컨테이너의 벽의 온도가 또한 메니스커스의 지역쪽으로의 액체의 대류 운동으로 인한 열의 도입, 및 메니스커스의 지역에서의 증발로 인한 열의 흡수에 의해 영향을 받음을 알 수 있을 것이다.

또한, 벽의 지점(point)마다 변하는 매우 정확한 온도 제어를 수행하는 것이 가능하다.

액체에 존재하는 요소들의 제어는 또한 컨테이너에서 액체의 레벨을 제어함으로써 얻어질 수 있다; 더욱이, 이들 요소들이 습식성으로 남아있고 안정하는 한, 고체 표면/표면들 상의 임의의 증착물들은 발생기의(nascent) 스팀에 의한 비말 동반에 크게 기여하지 않는다. 그러므로, 고체 표면들로부터 작거나 매우 작은 고체 입자들의 분리를 제한하기 위해 컨테이너에서 액체의 레벨을 일정하게 유지하는 것이 매우 유리하다; 또한 컨테이너가 가득 찰 때까지 컨테이너에서 액체의 레벨을 아마도 느리게 증가시키는 것이 가능하다. 이들 응용들에 대해, 컨테이너의 바닥에서 압력을 측정함으로써 액체의 레벨을 리코딩하는 것이 유리하다(심지어 반드시 엄격하지 않더라도); 따라서, 리코딩은 연속적이고 정밀하다. 액체가 온도로 인해 그리고 액체의 레벨이 감소하는 것을 방지(전술한 이유로 인해)하기 위해 증발하기 때문에, 컨테이너로의 액체의 도입은 구상될 수 있다; 바람직하게, 이러한 도입은 컨테이너의 중심 또는 주변 상에서, 특히 메니스커스들이 존재하지 않는 곳에서, 액체의 표면 영역들을 저해하지 않도록(유입에 의해 야기된 교란 또는 와동으로) 컨테이너의 바닥에서 느리게 발생한다.

전술한 바와 같이, 액체는 증발을 야기하도록 가열되어야 한다.

제 1 가능성은 액체를 끓는 온도에 있게 하는 것이다; 증발은 이에 따라 매우 강력해진다; 하지만, 스팀의 기포들이 너무 크지 않은데, 즉 끓음은 격렬하지 않다는 것이 보장되어야 한다.

스팀의 기포들을 방지(또는 임의의 경우에 크게 제한함)하도록, 액체는 끓는 온도 아래, 예를 들어, 끓는 온도(℃로 표현됨)의 70% 내지 99%의 범위에 있는 온도, 또는 더 유리하게 끓는 온도(℃로 표현됨)의 80% 내지 90%의 온도로 가열될 수 있다.

액체의 온도에 대해 이들 관찰을 할 때, 열원이 집중되고(도 1의 경우에서와 같이), 열원 근처의 액체가 상당히 고온이 될 수 있어서, 심지어 액체가 끓는 온도보다 평균적으로 더 낮은 온도(심지어 단지 약간의)에 있더라도 스팀의 기포들을 발생시킬 수 있다는 것을 명심해야 한다.

엄밀하게 이러한 이유(스팀의 임의의 기포들)로 인해, 열원이 중앙 영역에 있어서, 스팀의 임의의 기포들을 갖는 고온 액체의 대류 운동이 컨테이너(또는 메니스커스를 생성하도록 적응된 고체 표면들)의 주변 벽들에서 나타나지 않고, 메니스커스 또는 메니스커스들에 도달하지 않고, 컨테이너의 주변 벽들(또는 메니스커스를 생성하도록 적응된 고체 표면들) 상의 증착물들로부터 고체 요소들의 입자들을 분리할 위험이 없는 것이 유리하다; 이들 증착물들이 약간 부착될 수 있고(이것은, 특히 물질 및 벽의 특성들에 의존한다), 약간 컴팩트(compact)할 수 있다(이것은, 특히 증착물을 형성하는 요소에 의존한다)는 것을 고려해야 한다. 이러한 동일한 이유(스팀의 임의의 기포들)로 인해, 벽들 자체가 대류 운동 및 스팀의 기포들의 원인이 될 위험을 방지하기 위해 컨테이너의 주변 벽들(수직 또는 경사진)이 냉각되는 것이 유리하다.

스팀의 기포들과 관련하여, 스팀의 기포의 형성 단계에서, 형성 지역에서 액체에 존재하는 임의의 요소들이 기포에 병합되고, 기포 자체에 의해 위로 비말 동반되는 경향이 있다는 것을 고려할 가치가 있다; 하지만, 병합된 요소들은 기포의 상향(upward) 경로를 따라 손실될 가능성이 있고, 그 경로가 충분히 길면, 기포는 다른 요소들을 다소 갖지 않는 액체의 자유 표면에 도달한다. 이들 고려사항들은 일반적으로 스팀의 기포들이 기포들과 벽들의 내부 표면 사이의 가능한 상호 작용들로 인해 컨테이너의 벽들을 따라 그리고 컨테이너의 벽들의 바닥에서 형성하는 경우 적용되지 않는다.

메니스커스 또는 메니스커스들을 제어하는 것에 더하여 또는 대안적으로, 본 발명은 상기 메니스커스를 통한 액체의 증발로 인해 흐름의 제어를 제공할 수 있다; 본 발명자의 관찰들에 따라, 이러한 흐름은 일반적으로 액체 자체와 다른 요소들에서 풍부해진다.

이러한 스팀의 흐름은 응축될 수 있고, 액체 자체로 되돌아갈 수 있다. 예를 들어, 도 7에서, 컨테이너(701)의 벽은 액체(702)의 오목 메니스커스에서, 그 위에 아래로 구부러진 플랜지(711)(바람직하게)를 갖는다; 플랜지 위에서, 플랜지(711)를 냉각하도록 적응된 냉각 수단(712)이 유리하게 존재할 수 있다{이들은 또한 아래 및 위로 컨테이너(701)의 벽을 간접적으로 냉각시킨다}; 스팀이 메니스커스로부터 위로 상승할 때, 플랜지(711)에 의해 유지되는데, 플랜지(711)는 냉각되고 응축하여, 이를 액체 아래쪽으로 되돌린다.

대안적으로, 스팀의 흐름은 컨테이너로부터 제거될 수 있다. 예를 들어, 도 7에서, 제거 덕트에 연결될 수 있는 플랜지(711) 바로 아래에 개구부(713)가 있다; 제거에 후속하여, 스팀은 컨테이너(701)로부터 응축(예를 들어, 냉각에 의해)될 수 있다.

도 7의 해법에서, 스팀은 컨테이너(701)로부터 부분적으로 응축되고 부분적으로 제거될 것이라는 것이 주지되어야 한다.

당업자에게 명백한 바와 같이, 플랜지의 형태 및 크기는 도 7에 도시된 것과 상이할 수 있다; 플랜지는 바람직하게 적어도 5mm, 더 바람직하게 적어도 10mm, 더 바람직하게 적어도 15mm만큼 컨테이너의 내부쪽으로 돌출한다.

당업자에게 명백한 바와 같이, 존재시, 냉각 수단은 매우 작은, 심지어 널(null) 크기의 플랜지와 연관될 수 있다; 특히, 컨테이너(701)의 형태 및 상부 확장부는 플랜지로서 작용할 수 있다; 냉각 수단의 기능은 메니스커스로부터 유래하는 스팀의 응축을 촉진시키는 것이다.

부재(711)와 동일하거나 유사한 플랜지는 "스커트", 특히 "냉각된 스커트"로서 한정될 수 있다. 이러한 스커트는 메니스커스 근처에, 즉 이를 생성하는 고체 표면 근처에 위치된다. 다수의 스커트들이 존재할 수 있으며, 이들 스커트들은 각 메니스커스를 위한 것이다. 스커트는 또한 이동가능할 수 있어서, 컨테이너에서 액체의 레벨의 이동들(상승하거나 하강하는)에 후속할 수 있다.

메니스커스로부터 유래하는 스팀은 스커트에 의해 액체의 평평한 표면으로부터 유래하는 스팀으로부터, 그리고 스팀의 상승하는 기포들로부터 유래하는 스팀으로부터 분리 상태를 유지할 수 있다; 그러므로, 이들 3개의 소스들의 스팀 함량에 기초하여 구별이 발생할 수 있다.

메니스커스 또는 메니스커스들에 더하여, 또는 이의 대안으로서, 본 발명은 메니스커스의 자유 표면을 제외하고, 액체의 자유 (상부) 표면으로부터 제거될 액체의 얇은 층(본 발명자의 관찰들에 따라, 매우 순수하고 요소들을 갖지 않음)을 제공할 수 있다.

이러한 제거는 예를 들어, 광체(radiant) 가열 수단에 의해 인식가능한 증발을 발생시키도록 액체를 가열함으로써, 그리고 메니스커스 또는 메니스커스들을 조사(irradiate)하지 않고 액체의 자유 (상부) 표면을 조사하도록 이들 가열 수단을 위치시킴으로써 얻어질 수 있다.

대안적으로, 이러한 제거는 예를 들어, 기계적 수단에 의해, 특히 액체 자체를 함유하는 컨테이너의 주변 벽의 에지에서 액체의 레벨을 약간 더 높게 유지함으로써 수행될 수 있다.

메니스커스 또는 메니스커스들의 제어에 더하여, 또는 이의 대안으로서, 본 발명은 메니스커스 위에서 습식성이 될, 특히 습식성을 유지할 메니스커스 또는 메니스커스들을 생성하는데 사용된 고체 표면을 제공할 수 있다; 따라서, 그 위에 증착된 고체 입자들이 그로부터 분리되고 스팀에 의해 비말 동반될 가능성은 감소된다.

도 6에서, 습식성 표면은 액체(602)를 함유하는 컨테이너(601)의 주변 벽이다. 특히, 고체 표면 상의 액체의 하향(downward) 흐름(615)이 제공된다; 이것은 개구부(614)로부터 빠져나간다; 물론, 개구부들은 고체 표면의 길이를 따라 배열된 복수의 개구부들이다.

대안적으로, 고체 표면 상으로의 액체의 스프레이가 제공될 수 있다.

이전에 설명되고 예시된 해법들은 함께 조합될 수 있다.

요소들을 함유하는 액체는 적어도 제 1 단계와, 제 1 단계에 연속적인 제 2 단계에서 처리될 수 있다; 제 1 단계에서, 상기 요소들 중 하나 이상은 적어도 부분적으로 응집된다(agglomerate); 제 2 단계에서, 적어도 부분적으로 응집된 요소들을 갖는 액체는 증발한다. 이전에 기재되고 예시된 해법들 중 하나 이상은 제 2 단계에서 사용될 수 있다. 이에 따라 응집된 요소들은 스팀의 흐름에 비말 동반될 가능성이 훨씬 적어진다; 더욱이, 응집이 고려가능한 경우, 입자들은 컨테이너의 바닥에 남아있다.

본 발명은 고체 요소들의 경우에 특히 효과적이다.

액체 요소들이 고체 요소들과 전체적으로 유사한 방식으로 작용할 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 더욱이, 액체에서의 액체 요소는 "에멀젼(emulsion)", 즉 이종의 분산액(heterogeneous dispersion), 또는 "콜로이드 용액(colloidal solution)", 즉 "미세 이종의(microheterogeneous)" 분산액을 발생시킬 수 있다; 이들 경우들에서, 액체의 방울들은 고체의 입자들과 유사하다. 더욱이, 요소가 고체 상태 또는 액체 상태에 있다는 점은 용융 온도 및 분산되는 액체의 온도에 의존한다; 매우 자주, 액체의 끊는 점은 그 안에 분산된 요소의 용융 온도 아래지만, 본 발명은 심지어 이러한 조건이 충족되지 않더라도 유용할 수 있다.

더욱이, 동종의 용액에서 액체 요소들의 경우에, 메니스커스들의 영역들에서 요소들의 높은 농도의 현상, 및 액체의 굴곡진 자유 (상부) 표면을 갖는 영역들(메니스커스들이 있는 경우)과 액체의 평평한 자유 (상부) 표면을 갖는 영역들(메니스커스들이 없는 경우) 사이의 상이한 증발 현상.

본 발명은 액체에 존재할 수 있는 가스 요소들에 적용되지 않는다.

언급된 바와 같이, 위에서 설명되고 예시된 바와 같이 액체에 존재하는 요소들을 제어하는 방법들은 다양한 응용들을 갖지만, 기본적으로 2가지 응용들을 갖는다:

- 요소들의 분리,

- 요소들의 반응.

일반적으로, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소의 분리 방법은,

- 액체의 적어도 하나의 메니스커스의 확립과,

- 메니스커스의 자유 표면을 통한 액체의 증발의 제어를 제공한다;

요소의 제어된 흐름은 메니스커스의 자유 표면을 통해 발생된다.

더욱이, 요소의 증착은 메니스커스에서 부분적으로 액체 내부에 그리고 부분적으로 액체 외부에 적어도 하나의 고체 표면 상에서 제어될 수 있고, 요소의 제어된 흐름은 메니스커스의 자유 표면을 통해 발생된다.

본 발명이 어떻게 구현되고 사용되는 지에 따라, 액체로부터의 요소의 분리는 요소의 감소된 함량을 갖는 액체 또는 요소의 감소된 함량을 갖는 스팀을 생성함으로써 발생할 수 있다는 것이 이러한 점에서 강조될 가치가 있다; 즉, 스팀의 부분 상의 요소의 비말 동반이 촉진될 수 있거나, 스팀의 부분 상의 요소의 비말 동반이 방해될 수 있다.

특히, 고체 요소, 즉 매우 작거나 작거나 중간 크기의 고체 입자들의 형태인 고체 요소가 있다.

일반적으로, 액체에 존재하는 적어도 2개의 요소들 사이의 반응들(특히 화학적 반응들)을 촉진시키는 방법은

- 액체의 적어도 하나의 메니스커스의 확립과,

- 메니스커스의 자유 표면을 통한 액체의 증발의 제어를 제공한다;

2개의 요소들의 제어된 흐름은 메니스커스의 부피쪽으로 발생된다.

따라서, 작은 공간(즉, 메니스커스에 의해 한정된 부피)에서 반응물들의 농도에서의 증가가 이루어지고, 그러므로 이들 반응물들이 반응할 가능성은 증가한다.

더욱이, 메니스커스에서, 부분적으로 액체 내부에서 그리고 부분적으로 액체 외부에서 적어도 하나의 고체 표면 상의 2개의 요소들의 증착이 제어될 수 있으며, 이를 통해 고체 표면쪽으로의 2개의 요소들의 제어된 흐름이 발생된다.

이것은 특히 2개의 고체 요소들, 즉 매우 작거나 작거나 중간 크기의 고체 입자들의 형태의 고체 요소들이다.

본 명세서에 기재된 기술적 가르침들(teachings)을 이용하여, 액체의 증발을 제어함으로써, 스팀에 존재하고, 액체에 존재하는 요소들로부터 도출하는 요소들을 제어하는 것이 가능하다는 것을 나타낼 가치가 있다. 이것의 하나의 실제적인 응용은 고온 액체(예를 들어 끓는 온도)를 함유하는 컨테이너로부터 발산된 악취의 제어이다; 이것은 음식을 요리하기 위한 그릇들의 경우이다. 사실상, 냄새 감각들은 후각 시스템의 수용체들에 도달하는 가스로 분해된 임의의 취기제(odorant) 요소들에 의해 야기된다.

완료를 위해, 본 명세서에 기재된 많은 기술적 가르침들이 또한 분산 상이 액체 대신에 플라즈마인 경우에 사용될 수 있다는 것이 명확할 가치가 있다.

전술한 방법들 및 기기들은 분명한 산업적 응용을 갖는다.

예를 들어, 도 7에 도시된 디바이스(본 명세서에 청구됨)의 추가로 도 1에 도시된 것과 같은 기기를 참조하여, 컨테이너(101)에 함유된 액체(102)가 가열될 때, 상부 개구부(105)로부터 빠져나가는 스팀은 액체 자체에 존재하는 추가 요소들을 거의 갖지 않는다. 더욱이, 이러한 스팀은 훨씬 많은 액체(스팀의 형태로) 및 적은 추가 요소들이 상승하는 액체(102)의 자유 표면의 중앙 지역의 증발로부터 유래한다; 메니스커스가 있는 경우, 주위 지역(107)으로부터 유래하고 추가 요소들의 인식가능한 양들이 또한 상승하는 스팀은 플랜지(711)에 의해 저지되고, 수단(712)을 통해 재응축되거나, 개구부들(713)을 통해 방출된다. 컨테이너의 상부 부분으로부터 빠져나가는 순수한 흐름 및 추가 요소들로부터의 액체의 분리는 이에 따라 얻어진다.

Claims (22)

1. 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소(substance)를 분리하기 위한 기기로서,
   - 상기 액체(102, 702)의 질량을 내부적으로 함유하도록 배열된 컨테이너(101, 701)로서, 상기 적어도 하나의 요소의 양이 존재하는, 컨테이너(101, 701)와;
   - 상기 액체(102, 702)의 인식가능한(appreciable) 증발을 발생시키도록 하는 온도에서 상기 액체(102, 702)의 상기 질량을 가열하도록 배열된 가열 수단(103);
   을 포함하며,
   상기 컨테이너(101, 701)의 상부 부분은 돔-형태(dome-shaped)이고, 개구부(105)를 갖고, 상기 액체(102, 702)의 상기 질량의 가열로 인해 생성된 스팀은 상기 개구부로부터 빠져나갈 수 있으며,
   상기 컨테이너(101, 701)의 주변(perimeter) 벽은 상기 액체(102, 702)의 인식가능한 오목 메니스커스(meniscus)를 확립하도록 내부적으로 배열되는, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하기 위한 기기에 있어서,
   상기 컨테이너(101, 701)의 상기 주변 벽은, 상기 메니스커스에서, 상기 메니스커스 위에서, 바람직하게 아래로 구부러지는 내부 플랜지(711)를 갖는 것을 특징으로 하는, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하기 위한 기기.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 가열 수단(103)은 60℃만큼, 바람직하게 40℃만큼, 더 바람직하게 20℃만큼, 감소된 상기 액체의 끓는 온도보다 높은 온도에서 상기 액체(102, 702)의 상기 질량을 가열하도록 배열되는, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하기 위한 기기.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 가열 수단(103)은 1시간에 상기 액체의 상기 질량의 5-25%, 바람직하게 10-20%의 증발을 야기하도록 배열되는, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하기 위한 기기.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 컨테이너(101, 701)의 상기 주변 벽은 적어도 2mm, 바람직하게 적어도 4mm, 더 바람직하게 적어도 6mm만큼 상승되는 상기 액체(102, 702)의 오목 메니스커스를 확립하도록 내부적으로 배열되는, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하기 위한 기기.
5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플랜지(711)는 적어도 5mm만큼, 바람직하게 적어도 10mm만큼, 더 바람직하게 적어도 15mm만큼 상기 컨테이너(101, 701)의 내측으로 돌출하는, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하기 위한 기기.
6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플랜지(711) 위에는 상기 플랜지(711)를 냉각하도록 배열되는 냉각 수단(712)이 존재하는, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하기 위한 기기.
7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 플랜지(711) 아래에는 상기 액체(102, 702)의 가열로 인해 생성된 스팀을 빠져나가게 하도록 배열되는 적어도 하나의 개구부(713)가 존재하는, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하기 위한 기기.
8. 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법으로서, 상기 액체 질량은 상기 액체의 상기 질량의 인식가능한 증발을 발생시키도록 하는 온도 및 압력 조건들을 야기하고, 적어도 하나의 고체 표면은 상기 고체 표면 상의 상기 액체의 적어도 인식가능한 메니스커스를 확립하도록 부분적으로 상기 액체의 상기 질량의 내측에 그리고 부분적으로 상기 액체의 상기 질량의 외측에 배열되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법에 있어서,
   상기 메니스커스를 통한 상기 액체의 상기 질량의 증발이 제어되도록, 상기 메니스커스의 형태 및/또는 크기 및/또는 확장부(extension) 및/또는 위치 및/또는 온도가 제어되는 것을 특징으로 하는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 인식가능한 증발은 1시간에 상기 액체의 상기 질량의 5-25%, 바람직하게 10-20%의 증발에 대응하는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
10. 청구항 8 또는 9에 있어서,
    상기 온도 조건들은 60℃만큼, 바람직하게 40℃만큼, 더 바람직하게 20℃만큼, 감소된 상기 액체의 끓는 온도보다 높은 온도에 대응하는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
11. 청구항 8 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체에 대응하는 상기 인식가능한 메니스커스는 적어도 2mm만큼, 바람직하게 적어도 4mm만큼, 더 바람직하게 적어도 6mm만큼 상승되거나 하강되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
12. 청구항 8 내지 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메니스커스에서 상기 고체 표면 상으로의 상기 요소들의 증착이 제어되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 메니스커스에서 상기 고체 표면 상으로의 상기 요소들의 증착은, 수행된 후에 상기 증착을 제거하도록 적응된(adapted) 수단에 의해 제어되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
14. 청구항 8 내지 13 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 표면은 적어도 화학적 특성, 특히 물질, 및/또는 적어도 물리적 특성, 특히 거칠기(roughness)에 기초하여 선택되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
15. 청구항 8 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 표면의 온도가 제어되는, 특히 가열 및/또는 냉각되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
16. 청구항 8 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체를 함유하는 상기 컨테이너에서의 상기 액체의 레벨이 제어되는, 특히 일정하게 유지되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
17. 청구항 8 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 메니스커스를 통한 상기 액체의 증발로 인해, 스팀의 상기 스트림이 제어되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
18. 청구항 8 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체는, 상기 가열 수단에 의해 생성된 상기 액체에서의 대류 운동이 상기 메니스커스에 영향을 미치지 않도록 위치된 가열 수단에 의해 가열되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
19. 청구항 8 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    얇은 액체 층은, 특히 가열에 의해, 상기 메니스커스의 상기 자유 표면을 제외하고, 상기 액체의 상기 자유 표면에서 제거되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
20. 청구항 8 내지 19 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 표면은 상기 메니스커스 위에서 습식성(wet)인, 특히 습식성으로 유지되는, 액체 질량에 존재하는 요소들을 제어하는 방법.
21. 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하는 방법으로서,
    청구항 4 내지 20 중 어느 한 항에 따른 제어 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는, 액체에 존재하는 적어도 하나의 요소를 분리하는 방법.
22. 액체에 존재하는 적어도 2개의 요소들 사이의 반응들을 촉진하는 방법으로서,
    청구항 4 내지 20 중 어느 한 항에 따른 제어 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는, 액체에 존재하는 적어도 2개의 요소들 사이의 반응들을 촉진하는 방법.

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