KR20170087894A - 압출방지 하이드로사이클론 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다음을 포함하는 하이드로사이클론에 대한 것이다:
중공의 내부 공간(11)을 정의하며, 상기 중공의 내부 공간(11)은 끝이 잘린 원뿔형 단면(111)을 갖는 하부부분에 의해 신장된 실린더형 단면(110)을 갖는 상부부분을 가지며, 상기 끝이 잘린 원뿔형 단면(111)의 직경은 상기 본체(10)의 하부 부분을 향해 감소하는, 본체(10); 액체 및 고체의 혼합물을 상기 실린더형 부위(110) 내로 안내하는 주입구(12); 상기 내부 공간(11)의 하부 말단과 연결되며, 상기 액체로부터 실질적으로 분리된 상기 고체의 배출을 위한 언더플로우 배출구(13); 상기 내부 공간(11)의 상부 말단과 연결되며, 상기 고체로부터 실질적으로 분리된 상기 액체의 배출을 위한 오버플로우 배출구(15). 상기 오버플로우 배출구(13)는 끝이 잘린 원뿔형 단면(111)을 갖는 상기 하부 부위의 하부 말단으로부터 신장하고, 끝이 잘린 원뿔형 단면을 가지며, 그 직경은 상기 하이드로사이클론의 하부 부분을 향해 증가한다.

Description

압출방지 하이드로사이클론{ANTI-EXTRUSION HYDROCYCLONE}

본 발명의 분야는 혼합물 중의 액상 및 고상을 분리하기 위한 유출물(effluent) 처리 섹터에서 통상적으로 사용되는 하이드로사이클론의 설계 및 제조에 대한 것이다.

하이드로사이클론은 액체-고체 분리를 수행하기 위해서 특정 유출물의 처리 중에 통상적으로 사용된다.

본 출원인은, 예를 들어, Actiflo®의 이름으로 상업적으로 유통된 수-처리 공정을 시행할 때 하이드로사이클론들을 사용한다. 이러한 매우 동일한 하이드로사이클론들이 물 또는 산업 유출물을 처리하기 위한 다른 방법에 사용된다.

상기 Actiflo® 타입의 수처리 방법은 연속적인 고정(settling) 또는 퇴적(sedimentation) 단계 중에 고정시키기 위해 포함하는 플록(flocs)을 신속하게 야기하기 위해 예비적으로 응고된 및/또는 응집된 물이 모래와 같은 밸러스트와 접촉되는 중에 밸러스트된 응집의 단계를 포함한다.

이러한 고정 단계는 적어도 부분적으로 처리된 물 및 고정된 슬러지 및 밸러스트의 혼합물의 제조를 유도한다.

이러한 처리 방법의 성능 수준을 유지하기 위해, 밸러스트 농도는 처리 중에 필수적으로 일정하게 유지되어야 한다.

성능 수준을 유지하면서 밸러스트 소비 제한 및 그로 인한 운전 비용 감소를 위해, 상기 밸러스트는 처리 중에 재생되어야 한다. 이를 위해서, 슬러지와 밸러스트의 혼합물은 하이드로사이클론으로 이송되어야 하며, 상기 하이드로사이클론 내에서 밸러스트에 의해 형성된 고상이 필수적으로 액상으로부터 분리된다.

액체, 슬러지 및 밸러스트의 혼합물은 내부 실린더형-끝이 잘린 원뿔 형상(internal cylindrical-truncated cone shape)을 가지며, 그 직경은 상기 사이클론의 언더플로우 부분(underflow part)을 향해 감소하는 하이드로사이클론의 본체 내 측면으로 가압 하에서 도입된다. 공급 압력의 효과하에, 소용돌이(vortex)가 내부 구멍(interior cavity) 내에 생성된다. 상기 소용돌이는 상기 구멍의 주변부 벽(peripheral wall)에 대하여 상기 고상을 평평하게 하는 경향이 있다. 상기 고상은 그 후에 상기 하이드로사이크론의 언더플로우 부분을 향해 흐르며, 반면, 액상은 상기 하이드로사이클론의 오버플로우 배출구(overflow outlet)를 향해 상승한다.

모래 및 소량의 액체 및 슬러지의 혼합물이 상기 방법에 밸러스트를 재도입하기 위해 적어도 부분적으로 재생되도록 하기 위해 언더플로우로 추출된다. 액체, 슬러지 및 소량의 밸러스트의 혼합물은 오버플로우로 추출된다.

이러한 하이드로사이클론의 수행은 상기 방법에서 재생될 수 있도록 밸러스트의 효율적인 회수를 가능하게 한다. 그러므로, 이들의 수행은 밸러스트 소모는 물론 고유의 비용을 감소시키는데 도움을 준다.

물, 슬러지 및 밸러스트 혼합물에서 액상과 고상의 효율적인 분리를 확보하기 위하여, 이러한 혼합물은 높은 압력, 일반적으로 2bar 수준의 압력하에서 하이드로사이클론 내로 도입되어야 한다. 이를 위하여, 고-전력 펌프가 사용될 필요가 있다. 그러나, 이러한 펌프는 에너지 소비가 많은 장치이다.

나아가, 현재의 하이드로사이클론은 처리되는 물의 부유물(suspended matter (SM)) 농도의 변화에 민감하다. 그러나, 처리되는 물의 SM 부하(SM load)는 일년에 걸쳐 매우 크게 변화한다. 처리되는 물이 높은 SM 농도를 갖는 기간 중에, 이러한 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구는 물이 고이게 되는 경향이 있을 수 있다. 그러면, 상기 하이드로사이클론은 상기 언더플로우 내의 슬러지 및 밸러스트 혼합물을 배출하는데 어려움을 갖게 된다: 이러한 현상은 "막힘(clogging)"이라 한다. 슬러지와 밸러스트의 일부는 그 후에 처리된 물과 함께 오버플로우로 배출되며, 밸러스트의 손실 및 처리된 물의 품질 저하를 야기한다.

본 발명은 특히 이와 같은 상이한 문제의 적어도 일부에 대하여 효율적인 해결책을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.

특히, 적어도 하나의 구현예에 따르면, 본 발명의 목적은 처리되는 유출물의 SM 농도 변화에 대하여 낮은 민감성을 나타내는 하이드로사이클론을 제공하고자 하는 것이다.

특히, 본 발명의 목적은, 적어도 하나의 구현예에 따르면, 막힘 현상에 대한 낮은 민감성을 갖는 이러한 종류의 하이드로사이클론을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 적어도 하나의 구현예에서, 적어도 종래의 하이드로사이클론과 비교하여, 낮은 에너지 소모를 유도하는 이러한 종류의 하이드로사이클론을 제공하고자 하는 것이다.

특히, 적어도 하나의 구현예에 따르면, 본 발명의 목적은 적어도 종래의 하이드로사이클론과 비교하여 낮은 공급 압력으로 효율적으로 작동할 수 있는 하이드로사이클론을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 적어도 하나의 구현예에 따르면, 신뢰성 있는, 그리고/또는, 강력한 그리고/또는 설계하기에 단순한 이러한 종류의 하이드로사이클론을 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 위하여, 본 발명은 다음을 포함하는 하이드로사이클론을 제안한다:

- 중공의 내부 공간(hollow interior cavity)을 정의하는 본체(body)로서, 상기 중공의 내부 공간은 끝이 잘린 원뿔형 단면(truncated conical section)을 갖는 하부 부위(lower portion)에 의해 신장된 실린더형 단면(cylindrical section)을 갖는 상부 부위(upper portion)를 가지며, 상기 끝이 잘린 원뿔형 단면의 직경은 상기 본체의 하부 부분(lower part)을 향해 감소하는, 본체;

- 액체 및 고체의 혼합물을 상기 실린더형 부위(cylindrical portion) 내로 안내하는 주입구(inlet);

- 상기 내부 공간의 하부 말단(lower end)과 연결되고, 상기 액체로부터 본질적으로 분리된 상기 고체의 배출을 위한 언더플로우 배출구(underflow outlet);

- 상기 내부 공간의 상부 말단(upper end)과 연결되고, 상기 고체로부터 본질적으로 분리된 상기 액체의 배출을 위한 오버플로우 배출구(overflow outlet);

여기서, 상기 언더플로우 배출구는 끝이 잘린 원뿔형 단면의 하부 부위의 하부말단으로부터 신장하고, 끝이 잘린 원뿔형 단면을 가지며, 그 직경은 상기 하이드로사이클론의 하부 부분을 향해 증가한다.

그러므로, 본 발명의 이러한 견지에 따르면, 상기 하이드로사이클론의 바닥을 향해 직경이 넓어지는 끝이 잘린 원뿔형 단면을 갖는, 언더플로우 배출구의 시행은 유체의 소용돌이 거동(whirling motion)을 방지할 수 있게 돕는다.

이것은 하이드로사이클론 내의 액상 및 고상의 분리를 발전시키도록 도우며, 상기 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구의 막힘 현상을 방지한다. 그러므로, 본 발명에 따른 하이드로사이클론은 처리될 유체의 SM 농도의 변화에 덜 민감하다.

이는 또한 공급 압력을 감소시키면서, 혼합물 내의 액상 및 고상의 분리를 높은 수준으로 유지시킨다. 그러므로, 에너지 소비가 하이드로사이클로닝에 의한 액체/고체 분리의 수행에 내재된 비용과 함께 감소된다.

하나의 변형에 따르면, 상기 언더플로우 배출구의 윤곽(contour)은 적어도 하나의 나선형 그루브(helical groove)를 포함하며, 상기 나선형 그루브의 와인딩 센스(winding sense)는 상기 내부 공간 내의 액체의 와인딩 센스 (또는 순환 센스(circulation sense))와 동일하다.

이러한 그루브의 실행은 상기 하이드로사이클론의 하부 부분에서 유체의 회전을 지속시킨다. 이는 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구의 막힘을 방지하는 것을 돕고, 그리고, 처리될 유체의 SM 농도의 변화에 대하여 덜 민감하도록 돕는다.

하나의 변형에 따르면, 상기 적어도 하나의 그루브는 상기 내부 공간의 상기 하부 부위의 윤곽 상에서 부분적으로 신장된다.

이는 또한 하이드로사이클론의 하부 부분에서 상기 유체의 회전을 지속시키고, 그리고, 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구의 막힘을 방지하는 역할 및 처리될 유출물의 SM 농도의 변화에 덜 민감하게 하는 역할을 수행한다.

하나의 변형에 따르면, 상기 나선형 그루브는 중공을 형성한다.

이는 하이드로사이클론 내로 유체를 효율적으로 안내할 수 있게 한다. 하나의 변형으로서, 상기 그루브는 또한 내부 공간 내에 돌출 형상부(protruding feature)를 형성시킬 수 있다.

하나의 변형에 따르면, 상기 언더플로우 배출구의 길이는 상기 내부 공간의 끝이 잘린 원뿔형 하부 부위 및 상기 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구 사이의 접합부 직경의 3배보다 더 크다.

상기 언더플로우의 길이는 바람직하게는 내부 공간의 끝이 잘린 하부 부위 및 하이드로사이클론의 언더플로우 사이의 접합부 직경의 10배와 동일하거나 보다 작을 것이다.

보다 짧은 길이는 끝이 잘린 원뿔형 언더플로우 배출구의 시행에 의해 기재되는 효과, 즉, 액체/고체 분리를 개선하며, 처리되는 유출물의 SM 농도의 변화에 대하여 하이드로사이클론을 보다 덜 민감하게 만들며, 동시에 공급 압력을 감소시키는 효과를 제한한다. 그럼에도 불구하고 지나치게 큰 길이는 중대한 헤드 손실(head loss)을 야기할 것이다.

하나의 변형에 따르면, 회전 축에 대한 언더플로우 배출구의 끝이 잘린 원뿔형 섹션의 각 a는 10° 내지 25°의 범위이다.

하나의 변형에 따르면, 상기 오버플로우 배출구는 끝이 잘린 원뿔형 배관을 포함하며, 이는 상기 실린더형 부위의 연장선 내에서 신장하며, 상기 하이드로사이클론의 상부 부분의 방향으로 증가하는 직경을 갖는다.

이는 공급 압력을 감소시키고, 하이드로사이클론 내에서 유체의 회전을 유지시킨다.

하나의 변형에 따르면, 상기 끝이 잘린 원뿔형 배관은 상기 내부 공간과 연결되는 주입구 및 상기 본체 내에 만들어진 주변 하우징(peripheral housing) 내로 안내하는 배출구를 포함하며, 상기 오버플로우 배출구는 상기 본체에 대하여 측면으로 신장하는 배출 배관(discharge tubing)을 더욱 포함하고, 상기 배출 배관은 상기 주변 하우징과 연결되는 주입구 및 상기 본체 외부로 안내하는 배출구를 포함한다.

이 변형에 따르면, 상기 하이드로사이클론의 오버플로우 배출구는 스필-오버(spill-over) 타입이다. 사실, 내부 공간으로부터 나오는 상기 액상은 수집 박스(collecting box) 또는 케이스(case)를 구성하는 주변 하우징으로 넘치고, 이 박스로부터 측면 배출 배관(lateral discharge tubing)을 통해 흐른다. 이는 비등방성을 유지하며, 그 때문에, 오버플로우에서 스필-오버의 회전을 유지한다. 상기 슬러지는 비등방성 흐름(anisotropic flow)을 가진다. 즉, 이 흐름은 그 흐름이 측정되는 하이드로사이클론의 위치에 따라 (센스(sense) 및 속도가) 상이하다. 이는 특히 하이드로사이클론 내부에서 슬러지의 회전 운동 및 슬러지의 특성(완전하게 균질이 아닌 층)으로부터 발생한다. 만약, 배출 유닛(discharge unit)이 스필-오버(예를 들어, 배관)와 상이하게 된다면, 그 흐름은 강제되고, 유지하고자 하는 소용돌이에 극심한 스트레스를 가하게 될 것이다. 그러므로, 상기 스필-오버 박스(spill-over box)(스필-오버의 수집 박스) 타입은 상기 흐름에 대하여 스트레스를 가하지 않도록 해 줄 수 있다.

하나의 변형에 따르면, 회전 축에 대한 상기 오버플로우 배출구의 상기 끝이 잘린 원뿔형 배관의 각 b는 10° 내지 30 ° 범위이다.

이는 오버플로우를 위한 낮은 헤드 손실을 얻을 수 있게 하는 한편, 회전 운동을 유지시킨다.

하나의 변형에 따르면, 상기 주입구는 상기 본체의 세로축에 대하여 나선을 따라 신장하는 하나의 주입구 배관을 포함한다.

이는 내부 공간 내로 상기 혼합물의 도입 속도를 증가시키고, 원심효과(centrifugal effect)를 증가시킨다. 역으로, 원심효과와 동등한 수준으로, 유속(flow rate) 및 공급 압력이 감소될 수 있다.

하나의 변형에 따르면, 주입구 배관은 상기 본체 1 회전에 대하여 ¼ 내지 ¾ 회전의 길이로 상기 나선을 따라 신장한다.

이는 액체/고체 혼합물의 속도에 대한 높은 수준의 가속을 제공하며, 하이드로사이클론 내부에서의 원심 효과를 증가시킨다.

하나의 변형에 따르면, 상기 주입구 배관은 상기 본체의 바닥(bottom)을 향해 경사지게 신장한다.

이는 상기 혼합물이 하이드로사이클론으로 유입되자마자 언더플로우를 향해 지향하게 한다. 그러므로, 하이드로사이클론의 하부부분을 향한 고체의 순환을 유리하게 하며, 이는 유해한 액체/액체 분리 공정 없이 공급 압력을 감소시킨다.

하나의 변형에 따르면, 상기 본체의 횡단 축(transversal axis)에 대한 상기 주입구 배관의 각은 30° 이하이다.

하나의 변형에 따르면, 상기 내부 공간의 실린더형 부위에 대한 상기 주입구 배관의 연결은 접선으로(tangentially) 이루어진다.

이는 상기 혼합물이 하이드로사이클론에 유입되자마자 상기 혼합물이 상기 내부 공간의 주변 벽(peripheral wall)에 맞서 배치되도록 하며, 액체/고체 분리를 개선하고, 공급 압력을 감소시킨다.

하나의 변형에 따르면, 상기 주입구 배관의 단면은 상기 실린더형 부위(cylindrical portion)를 향해 점진적으로 감소한다.

이는 상기 혼합물의 흐름을 촉진하고, 혼합물이 하이드로사이클론으로 유입되자마자 상기 혼합물을 내부 공간의 주변 벽에 맞서 위치시키는 역할을 수행하여, 액체/고체 분리를 개선하고, 공급 압력을 감소시킨다.

하나의 변형에 따르면, 상기 주입구 배관의 최대 단면은 상기 실린더형 부위 단면의 30% 내지 50% 범위이며, 상기 주입구 배관의 최소 단면은 상기 실린더형 부위 단면의 20% 내지 30% 범위이다.

하나의 변형에 따르면, 상기 주입구 배관은 원형 단면을 가지며, 상기 내부 공간의 실린더형 부위에 대한 상기 주입구 배관의 연결은 타원형으로 만들어진다.

이는 또한 상기 혼합물이 하이드로사이클론으로 유입되자마자 상기 혼합물을 내부 공간의 주변 벽에 맞서 위치시키는 역할을 하여, 액체/고체 분리를 개선하고, 공급 압력을 감소시킨다.

하나의 변형에 따르면, 상기 타원형상으로 성형된 연결부의 단반경과 장반경 사이의 비는 1 내지 2의 범위이다.

하나의 변형에 있어서, 상기 주입구 배관의 원형 단면으로부터 내부 공간의 실린더형 부위를 갖는 이 배관의 타원형 형상의 연결부까지의 통과는 서서히 이루어진다.

이는 하이드로사이클론의 공급 압력을 감소시킨다.

하나의 변형에 따르면, 상기 실린더형 부위 내부 공간의 상부 윤곽은 상기 내부 공간 내에서 액체의 회전 센스와 동일한 와인딩 센스로 나선형으로 신장한다.

이는 유체가 하이드로사이클론에 들어오자마자 유체의 회전을 지속시키며, 언더플로우 배출구를 향하는 흐름으로 지향하게 하며, 실린더형 부위의 정상(top)에서 불용 체적(dead volume)을 제거하며, 그리하여 하이드로사이클론 내부의 액상 및 고상의 분리를 좋게 하고, 그리고, 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구의 혼잡 현상(phenomenon of congestion)을 제한한다. 그러므로, 상기 하이드로사이클론은 처리되는 유출물의 SM 농도 변화에 덜 민감하다. 이는 또한 하이드로사이클론의 공급 압력을 감소시킬 수 있게 한다.

하나의 변형에 따르면, 상기 내부 공간의 상기 실린더형 부위의 상부 윤곽은 타원형으로 성형된 연결부의 정상에서 바닥까지 나선형으로 신장한다.

이는 내부 공간의 나선형-성형된 상부 윤곽의 사용의 영향을 최대화시킨다.

하나의 변형에 따르면, 상기 하이드로사이클론은 끝이 잘린 원뿔형 단면을 갖는 상기 하부 부위와 상기 언더플로우 배출구 사이의 접합부에서 내부 공간 내로 상수(service water)를 주입하는 수단을 포함한다.

이러한 주입 수단은, 극단적인 경우로서, 상기 하이드로사이클론이 폐쇄된 경우, 퓨즈(fuse)로서 역할을 수행할 수 있음을 의미한다.

본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 간단한 삽화 및 비전면적 예시적인 방식으로 제공된 다음의 설명 및 첨부된 도면으로부터 나타날 것이며, 도면은 다음과 같다:
도 1은 본 발명에 따른 하이드로사이클론의 정면도를 도시한 것이다;
도 2는 본 발명에 따른 하이드로사이클론의 세로축 및 하이드로사이클론의 배출 배관의 축을 통과하는 평면을 따른 단면을 나타내는 도면이다;
도 3은 본 발명에 따른 주입구 배관 및 실린더형 단면의 상부 부위의 내부 윤곽의 부분적인 개략적 도면을 나타낸다;
도 4는 본 발명에 따른 하이드로사이클론의 주입구 배관 및 실린더형 단면을 갖는 상부 부위의 개략적인 평면도를 나타낸다.
도 5는 상부부분이 제거된 본 발명에 따른 하이드로사이클론의 평면도를 나타낸다;
도 6은 본 발명에 따른 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구의 측면 투시도를 나타낸다;
도 7은 주입구 배관 시스템이 기울어진 본 발명에 따른 하이드로사이클론의 변형된 정면도를 나타낸다.

1. 구조

도 1 내지 7을 참조하여, 본 발명에 따른 하이드로사이클론의 일 예를 제공한다.

그러므로, 이들 도면에 제공된 바와 같이, 이러한 하이드로사이클론은 세로축을 따라 신장하는 본체(10)를 포함한다. 상기 본체(10)는 중공의 내부 공간(11)을 포함한다.

상기 중공의 내부 공간(11)은 다음을 포함한다:

실린더형 단면을 갖는 상부 부위(110) 및

끝이 잘린 원뿔형 단면을 갖는 하부 부위(11)로서, 이러한 끝이 잘린 원뿔형 단면을 갖는 부위는 상기 하이드로사이클론의 바닥을 향하여 실린더형 단면으로 신장하여 형성되는 하부부위(11).

여기서, 상기 끝이 잘린 원뿔형 단면은 회전체인 원뿔의 끝이 잘린 부위이다. 그 직경은 하이드로사이클론의 바닥을 향하여 감소하는 경향을 갖는다.

상기 하이드로사이클론은, 예를 들어, 물, 고정된 슬러지 및 밸러스트의 혼합물과 같은, 액체 및 고체의 혼합물을 위한 주입구(12)를 포함한다.

이러한 주입구(12)는 주입구 배관(120)을 갖는다. 이러한 주입구 배관(120)은 원형 단면을 갖는다. 이 주입구 배관(120)의 축은 하이드로사이클론 본체의 횡단 축에 대하여, 즉, 본체(10)의 수직축에 대하여 직교하는 축에 대하여 아래 방향으로, 30° 이하의 각도 b로 기울어져 있다(도 7 참조). 그러므로, 이러한 주입구 배관(120)의 주입구는 그 배출구보다 높다. 하나의 변형으로서, 이 주입구 배관은 기울어지지 않을 수 있다(도 1 및 2 참조). 이 경우, 상기 본체(10)의 수직축에 대하여 직교하는 축을 따라 신장할 것이다.

상기 주입구 배관(120)은 상기 본체(10)의 수직축에 대하여 나선형을 형성한다. 이러한 나선형은 상기 본체(10)의 주변의 ¼ 내지 ¾까지 신장한다.

상기 주입구 배관(120)과 내부 공간(10)의 실린더형 부위(110)의 연결은 접선으로(tangentially) 수행된다.

상기 주입구 배관(120)의 단면은 상기 실린더형 부위(110)를 향하여 점진적으로 감소한다.

상기 주입구 배관의 최대 단면, 즉, 그 주입구의 단면은 상기 실린더형 부위(110)의 단면의 30% 내지 50%의 범위이며, 상기 주입구 배관(120)의 최소 단면은 상기 실린더형 부위(110)의 단면의 20 내지 30% 범위이다.

상기 주입구 배관(120)은 원형 단면을 갖는다. 상기 내부 공간(10)의 실린더형 부위(110)에 대한 연결은 바람직하게는 타원형으로 이루어진다. 다른 말로, 상기 연결부(17)는 타원의 형상을 갖는다.

상기 주입구 배관(120)과 실린더형 부위(110) 사이의 상기 타원형 형상의 연결부(17)의 단반경과 장반경 사이의 비는 1 내지 2의 범위이다.

상기 주입구 배관(120)의 원형 단면으로부터 내부 공간(11)의 실린더형 부위(110)에 대한 주입구 배관의 타원형 형상 연결부까지의 통과는 서서히 수행된다.

내부 공간(11)의 실린더형 부위(110)의 상부 윤곽(112)은 상기 내부 공간(11) 내부에 액체의 순환의 센스와 동일한 와인딩 센스로 나선형으로 신장하며, 바람직하게는 주입구 배관(120)과 실린더형 부위(110) 사이의 타원형의 성형된 연결부(17)의 정상(171)에서 바닥(172)까지 그렇게 한다.

상기 하이드로사이클론은 주입구 배관(120)을 통해 하이드로사이클론 내로 도입된 혼합물의 액체로부터 본질적으로 분리된 고체의 배출을 위한 언더플로우 배출구(13)를 포함한다. 이 언더플로우(13)는 내부 공간(11)의 하부 말단, 보다 구체적으로는, 끝이 잘린 원뿔형 부위(11)의 하부 말단과 연결된다.

상기 언더플로우 배출구(13)는 하부 끝이 잘린 원뿔형 단면 부위(111)의 하부말단으로부터 신장한다. 끝이 잘린 원뿔형 단면(130)을 가지며, 그 직경은 하이드로사이클론의 하부 부분을 향해 증가한다. 이러한 끝이 잘린 원뿔형 부위는 이러한 구현예에서, 회전체인 끝이 잘린 원뿔이다. 이는 상기 본체(10)의 외부로 개방된다.

언더플로우(13)의 길이(L)는 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구의 내부 공간의 하부 끝이 잘린 원뿔형 부위 간의 접합부 직경의 3배 이상이다. 수직축 또는 회전 축에 대한 언더플로우 배출구(13)의 끝이 잘린 원뿔형 부위(130)의 각 a는 10° 내지 25°범위이다.

상기 언더플로우 배출구(13)는 적어도 하나의 나선형의 그루브를 포함하며, 그 와인딩 센스는 내부 공간(11) 내에서, 예를 들어, 하이드로사이클론의 내부에 도입된 고체 및 액체로 구성된 액체 혼합물인 액체의 순환 센스와 동일하다. 그루브의 개수는 바람직하게는 짝수이다. 이 숫자는 예를 들어, 2개 또는 4개와 같을 수 있다. 상기 그루브는 언더플로우 배출구(13)의 끝이 잘린 원뿔형 단면(130)의 주변부 상에 균일하게 분포될 것이다. 상기 그루브 또는 그루브들은 바람직하게는 언더플로우 배출구(13)의 끝이 잘린 원뿔형 단면(30)의 표면상에 형성된 중공의 특징일 것이다. 선택 가능한 것으로서, 이러한 특징들은 언더플로우 배출구의 끝이 잘린 원뿔형 단면의 표면상의 산마루(ridges)일 수 있으며, 예를 들어, 이들은 언더플로우 배출구(13) 내부에 추가의 두께를 형성할 수 있다.

상기 그루브 또는 그루브들(14)은 내부 공간의 하부 부위의 윤곽 상에서 부분적으로 신장한다.

상기 하이드로사이클론은 주입구 배관을 통해 하이드로사이클론 내로 도입된 혼합물의 고형분으로부터 본질적으로 분리된 액체의 배출을 위한 오버플로우 배출구(15)를 포함한다. 이 오버프로우 배출구는 내부공간(11)의 상부 말단, 보다 구체적으로, 실린더형 상부 부위(110)의 상부 말단과 연결된다.

상기 오버플로우 배출구(15)는 실린더형 부위(110)의 연장선 내에서 신장하는 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)을 포함한다. 그 직경은 하이드로사이클론의 상부 부위를 향해 증가한다. 이 구현예에서, 회전체인 끝이 잘린 원뿔을 구성한다.

오버플로우 배출구(15)의 상기 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)은 내부 공간(11)과 연결되는 주입구(1510)를 포함하며, 이 경우, 상부 실린더형 부위(110) 및 상기 본체(11) 내에 만들어진 주변부 하우징(16) 내로 안내하는 배출구(1511)와 연결된다. 이러한 주변부 하우징은 수집 박스이다. 상기 오버플로우 배출구(15)는 나아가 배출 배관(152)를 포함하며, 이는 본체(10)의 수직축에 대하여 본질적으로 직교하는 축을 따라 본체에 대하여 측면으로 신장한다. 이러한 측면 배출 배관(152)은 주변부 하우징(16)과 연결하는 주입구(1521) 및 본체(10) 외부로 안내하는 배출구(1522)를 포함한다. 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)으로부터 비롯되는 액체가 주변부 하우징(16)으로 넘치거나 흘러넘치고, 배출 배관 시스템(152)으로 흘러가게 되는 것을 고려하면, 상기 오버플로우 배출구(15)는 스필-오버 배출구(spill-over outlet)이다.

수직축 또는 회전 축에 대한 오버플로우 배출구의 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)의 각은 10° 내지 30°의 범위이다.

하나의 변형으로, 상기 하이드로사이클론은 하부 끝이 잘린 원뿔형 부위 및 언더플로우 배출구 사이의 접합부에서 내부 공간 내로 상수를 주입하기 위한 수단들을 포함한다. 이러한 주입 수단들은 예를 들어, 상수 주입구 파이프(60)를 포함할 수 있다.

상기 끝이 잘린 원뿔형 하부 부위 및 상기 언더플로우 배출구 사이의 접합부에서 상수를 주입하는 점은 하이드로사이클론이 막히게 되는 극단적인 경우에, 퓨즈로서 역할을 수행할 수 있으며, 그리하여 그것이 뚫릴 수 있게 할 수 있다.

2. 작동

본 발명에 따른 하이드로사이클론은 통상적으로, 예를 들어, 물 및 밸러스트를 함유하는 고정된 또는 퇴적 슬러지의 혼합물과 같은 혼합물의 액상 및 고상의 분리를 수행하기 위해 시행될 수 있다.

이를 위하여, 이러한 혼합물은 낮은 압력, 바람직하게는 0.3 내지 1.5bar 범위의 압력하에서 주입구 배관(120)을 통해 하이드로사이클론 내부로 도입된다.

이러한 주입구 배관의 나선 형상으로 인해, 유체는 주입구 배관 내부로 가속화되고, 원심력 효과가 증가한다. 반대로, 동일한 원심력 효과로 인해, 공급물 유속 및 수두 손실(head loss)이 작아질 수 있다. 그러므로, 공급 압력을 감소시키는 것이 가능하다.

주입구 배관의 단면이 감소하기 때문에, 유체는 가속화되고, 그러므로, 상기 그래프에서 언급한 바와 같은 동일한 효과를 생성한다. 원심력 효과는 외부 벽에 맞서 고형물을 편평하게 배치하는 경향이 있다.

상기 주입구 배관은 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구를 향해 기울어져 있다. 그러므로 유체가 하이드로사이클론으로 들어가자마자 상기 유체는 하이드로사이클론의 내부 공간(11) 내부로의 흐름 센스로 지향하게 된다. 이는 또한 내부 공간의 정상에서 고체 물질을 가두고, 분리의 품질을 저해하는 "불용 체적(dead volume)"을 방지함으로써 공급 압력을 감소시킨다.

상기 유체는 주입구 배관(120) 및 실린더형 상부 단면 사이의 타원형으로 성형된 연결부를 통해 통과함으로써 실린더형 상부 부위(110)를 관통한다. 나아가, 이러한 연결은 실린더형 상부 부위(110)의 내부 주변부 윤곽에 대하여 접선으로 만들어진다. 이러한 연결부의 기하학적 특징으로 인해, 상기 고체는 물론 액체도 이러한 공간으로 들어오자마자 하부 공간(11)의 내부 벽 근처에서 평평하게 배치되어 남게 된다.

상기 유체는 내부 공간(11)의 실린더형 부위(110)의 상부 윤곽(112)을 따라 흐르며, 상기 내부 공간(11)은 주입구 배관(120) 및 실린더형 부위(110) 사이의 타원형으로 성형된 연결부의 정상에서 바닥으로, 내부 공간(11) 내부에서 액체의 회전 센스와 동일한 와인딩 센스로 나선형으로 신장된다. 이것은 실린더형 상부 부위(110)의 상부 영역에서 데드존(dead zones)을 회피하고, 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구를 향해 순환되어야 하는 유체를 이송시키며, 그리고 공급 압력을 감소시키는 것을 가능하게 한다.

상기 유체는 끝이 잘린 원뿔형 하부 부위(111) 안으로 통과하여 내부 공간(11) 내부로 흐르는 것을 지속한다. 그 후에 상기 고상이 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구(13)를 향해 흐르는 한편, 액상은 하이드로사이클론의 오버플로우 배출구(15)까지 상승한다.

상기 고상은 언더플로우(13)를 향해 끝이 잘린 원뿔형 하부 단면(111)으로부터 흐른다. 끝이 잘린 원뿔형 단면(111)의 하부 영역의 주변부 윤곽 상으로 신장하는 그루브를 따라 흐른다. 이 구역에서 그루브(14)의 사용은 유체의 회전을 유지시키며, 그 안으로 도입된 혼합물의 SM 부하에 대한 하이드로사이클론의 민감도를 감소시킨다.

유체의 고체 부분은 언더플로우 배출구(13)의 끝이 잘린 원뿔형 단면(130) 내부를 흐른다. 그 직경이 바닥을 향하여 넓어지는 끝이 잘린 원뿔형 단면을 갖는 언더플로우의 사용은 유도된 흐름을 방지할 수 있게 하며, 그리하여 하이드로사이클론 내부에서 유체의 회전을 유지시킨다. 이는 공급 압력을 감소시킨다.

끝이 잘린 원뿔형 단면(130) 내부의 그루빙(14)은 유체의 회전을 유지시키며, 그 결과, 하이드로사이클론이 그 안에 도입된 혼합물의 SM 부하의 변화에 대하여 덜 만감하게 만든다.

상기 액상은 끝이 잘린 원뿔형 하부 부위(111)로부터 실린더형 상부 부위(110)까지 내부 공간(11)의 내부로 상승한 후, 오버플로우 배출구(15)의 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)까지 상승한다.

직경이 정상을 향해 넓어지는 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)의 사용은 오버플로우의 비등방성(anisotropy)을 유지시킨다. 이는 유체의 회전을 유지시킨다. 이는 또한 공급 압력을 감소시킨다.

액체는 그 후에 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)의 상부 부분으로부터 주변부 하우징(16)의 내부 안으로 흘러 넘친다. 그 후에 상기 주변부 하우징(16)으로부터 배출 배관(152)의 내부까지 흐른다.

액상은 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)으로부터 주변부 하우징(16)의 내부 내로 흘러넘치기 때문에, 오버플로우 배출구 내에 낮고, 일정한 높이의 물을 유지시키고, 그리하여 언더플로우를 제약하지 않는다.

3. 이점

본 발명에 따른 기술은 다음을 독립적인 또는 조합에 의한 실행에 의해 하이드로사이클론 내부에서의 유체의 회전을 용이하게 하며, 이러한 회전을 유지시킨다:

- 경사진 주입구 배관;

- 실린더형 상부 부위의 나선형 형상의 상부 표면;

- 끝이 잘린 단면의 언더플로우;

- 끝이 잘린 단면의 오버플로우;

- 스필-오버에 의한 액상의 배출;

- 언더플루오의 끝이 잘린 단면 내부의 그루빙

- 내부 공간의 끝이 잘린 원뿔형 하부 부위의 하부 영역에서의 그루빙.

이러한 모든 것이 하이드로사이클론 내부에서 액상 및 고상의 분리를 유리하게 하는데 참여하며, 하이드로사이클론의 언더플로우의 막힘 현상을 억제한다.

본 발명에 따른 기술은 다음의 독립적인 또는 조합에 의한 실행에 의해 하이드로사이클론의 공급 압력을 감소시킨다:

- 나선-형상의 주입구 배관;

- 주입구 배관과 실린더 형상 상부 부위 사이의 타원형으로 성형되고, 접선적인 연결부;

- 주입구 배관 단면의 내부 공간을 향한 감소;

- 주입구 배관 및 내부 공간에 대한 연결부 사이에서 원형에서 타원형으로의 형상의 점진적 변화;

- 주입구 배관의 기울기;

- 실린더형 상부 부위의 상부 표면의 나선형 형상;

- 언더플로우 배출구의 끝이 잘린 원뿔형 단면;

- 오버플로우 배출구의 끝이 잘린 원뿔형 배관;

- 스필-오버에 의한 액상의 배출.

본 발명에 따른 기술은 그 내부에 도입된 혼합물의 SM 부하의 변화에 대한 하이드로사이클론의 민감도를 감소시키며, 그리하여 다음의 독립적인 또는 조합에 의한 실행에 의해 언더플로우의 막힘 현상을 억제한다.

- 언더플로우 배출구의 끝이 잘린 원뿔형 단면 내부의 그루빙;

- 내부공간의 끝이 잘린 원뿔형 하부 부위의 하부 영역에서의 그루빙;

- 스필-오버에 의한 액상의 배출.

Claims (21)

1. - 중공의 내부 공간(11)을 정의하는 본체(10)로서, 상기 중공의 내부 공간(11)은 끝이 잘린 원뿔형 단면(111)을 갖는 하부 부위에 의해 신장된 실린더형 단면(110)을 갖는 상부 부위을 가지며, 상기 끝이 잘린 원뿔형 단면(111)의 직경이 상기 본체(10)의 하부 부분을 향해 감소하는, 본체(10);
   - 액체 및 고체의 혼합물을 상기 실린더형 부위(110) 내로 안내하는 주입구(12);
   - 상기 내부 공간(11)의 하부 말단과 연결되며, 상기 액체로부터 본질적으로 분리된 상기 고체의 배출을 위한 언더플로우 배출구(13);
   - 상기 내부 공간(11)의 상부 말단과 연결되며, 상기 고체로부터 본질적으로 분리된 상기 액체의 배출을 위한 오버플로우 배출구(15)
   를 포함하고, 여기서, 상기 언더플로우 배출구(13)은 끝이 잘린 원뿔형 단면(111)의 상기 하부 부위의 하부 말단으로부터 신장하고, 끝이 잘린 원뿔형 단면을 가지며, 그 직경은 상기 하이드로사이클론의 하부 부분을 향해 증가하며,
   상기 언더플로우 배출구(13)의 윤곽은 적어도 하나의 나선형 그루브(14)를 포함하고, 그 와인딩 센스는 상기 내부 공간(11) 내에서의 액체의 와인딩 센스와 동일한 것을 특징으로 하는, 하이드로사이클론.
2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 그루브(14)는 상기 내부 공간(11)의 상기 하부 부위(111)의 윤곽 상에서 부분적으로 신장되는 것인 하이드로사이클론.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 나선형 그루브(14)는 중공을 형성하는 것인 하이드로사이클론.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 언더플로우 배출구(13)의 길이는 상기 내부 공간(11)의 상기 끝이 잘린 원뿔형 하부 부위(111)와 하이드로사이클론의 언더플로우 배출구(13) 사이의 접합부 직경의 3배보다 큰 것인 하이드로사이클론.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 회전 축에 대한 언더플로우 배출구(13)의 끝이 잘린 원뿔형 단면(130)의 각 a는 10° 내지 25°의 범위인 하이드로사이클론.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 오버플로우 배출구(15)는 상기 실린더형 부위(110)의 연장선 내에서 신장하고, 상기 하이드로사이클론의 상부 부분의 방향으로 증가하는 직경을 갖는 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)을 포함하는 것인 하이드로사이클론.
7. 제6항에 있어서, 상기 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)은 상기 내부 공간(11)과 연결되는 주입구(1511) 및 상기 본체(10) 내에 만들어진 주변 하우징(16) 내로 안내하는 배출구(1512)를 포함하며, 상기 오버플로우 배출구(15)는 상기 본체(10)에 대하여 측면으로 신장하는 배출 배관(152)을 더 포함하며, 상기 배출배관(152)은 상기 주변 하우징(16)과 연결되는 주입구(1521) 및 상기 본체(10) 외부로 안내하는 배출구(1522)를 포함하는 것인 하이드로사이클론.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 회전 축에 대한 오버플로우 배출구(15)의 끝이 잘린 원뿔형 배관(151)의 각은 10° 내지 30°의 범위인 하이드로사이클론.
9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입구(12)는 상기 본체(10)의 수직축에 대하여 나선형으로 신장하는 주입구 배관(120)을 포함하는 하이드로사이클론.
10. 제9항에 있어서, 상기 주입구 배관(120)은 상기 본체 일회전의 ¼ 내지 ¾의 길이로 상기 나선형을 따라 신장하는 것인 하이드로사이클론.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 주입구 배관(120)은 상기 본체의 바닥을 향하여 경사지게 신장하는 것인 하이드로사이클론.
12. 제11항에 있어서, 상기 본체(10)의 횡단축에 대한 상기 주입구 배관(120)의 기울기의 각 b는 30° 이하인 하이드로사이클론.
13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 공간(11)의 실린더형 부위(110)에 대한 상기 주입구 배관(120)의 연결은 접선으로 되는 것인 하이드로사이클론.
14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입구 배관(120)의 단면은 실린더형 부위(11)를 향하여 점진적으로 감소하는 것인 하이드로사이클론.
15. 제14항에 있어서, 상기 주입구 배관(120)의 최대 단면은 상기 실린더형 부위(110)의 단면의 30% 내지 50% 범위이고, 상기 주입구 배관(120)의 최소 단면은 상기 실린더형 부위(110)의 단면의 20% 내지 30%의 범위인 하이드로사이클론.
16. 제9항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입구 배관(120)은 원형 단면을 가지며, 상기 내부공간(11)의 실린더형 부위(110)에 대한 상기 주입구 배관(120)의 연결부(17)은 타원형상으로 되는 것인 하이드로사이클론.
17. 제16항에 있어서, 상기 타원형상의 연결부(17)의 단반경과 장반경 사이의 비는 1 내지 2의 범위인 하이드로사이클론.
18. 제14항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주입구 배관(120)의 원형 단면으로부터 상기 내부 공간(11)의 실린더형 부위(110)를 갖는 이 배관의 타원형상의 연결부(17)까지의 통과는 서서히 수행되는 것인 하이드로사이클론.
19. 제9항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 공간(11)의 실린더형 부위(110)의 상부 윤곽(112)은 상기 내부 공간(11) 내에 액체의 회전 센스와 동일한 와인딩 센스로 나선형으로 신장하는 것인 하이드로사이클론.
20. 제19항에 있어서, 상기 내부공간(11)의 실린더형 부위(110)의 상부 윤곽(112)은 타원형으로 성형된 연결부(17)의 정상(171)에서 바닥(172)까지 나선형으로 신장하는 것인 하이드로사이클론.
21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 끝이 잘린 원뿔형 단면(111)을 갖는 상기 하부 부위와 상기 언더플로우 배출구(13) 사이의 접합부에서 상기 내부공간(11) 내로 상수를 주입하는 수단(60)을 포함하는 하이드로사이클론.
    

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