KR20170093438A - 유체 분리 장치 - Google Patents

Abstract

유체 분리 장치가 제공된다. 유체 분리 장치는 튜브형 유체 분리막, 및 유체 분리막 내부에 삽입된 이격재로서, 복수의 줄기부, 및 줄기부 사이의 공간에 배치되고 두께 방향으로 형성된 복수의 개구를 포함하는 망부를 포함하는 이격재를 포함한다.

Description

유체 분리 장치{Fluid separating device}

본 발명은 유체 분리 장치에 관한 것이다.

현재 전 세계적으로 관심의 대상이 되는 지구 온난화는 이산화탄소와 메탄가스 등에 의한 온실효과가 큰 역할을 하고 있다. 이러한 온난화는 생태계를 교란시킬 뿐만 아니라 인간의 사회생활에 커다란 영향을 미치고 있어서 온실가스의 대기 중 방출을 줄이고자 하는 노력이 여러 방면에서 진행되고 있다.

이산화탄소는 최근 온실가스로 가장 주목을 받는 것 중 하나이다. 이산화탄소는 하수처리장, 폐수처리장 및 매립장 등에서는 폐기물 연소 시에 생성되는 것 외에도 화력 발전소 또는 제철소 등에서 다량 생성될 수 있다. 따라서, 폐가스 중에서 이산화탄소만을 분리하여 제거하는 기술이 연구되고 있다. 이산화탄소 이외에도, 수소 연료에 대한 관심이 증폭되면서, 수소 가스를 분리하는 기술도 많은 관심의 대상이 되고 있다. 또한, 순수하게 분리된 산소나 질소 등도 다양한 분야에 활용이 가능하기 때문에 그 분리 방법에 대한 연구가 지속되고 있다. 향후, 특정 기체나 액체의 활용 기술이 발전함에 따라, 더욱 다양한 유체에 대한 분리 기술이 필요할 것으로 전망된다.

특정 유체의 분리는 단순히 분리 이론을 정립하는 것만으로는 산업계에서 활용하기 어렵다. 일 예로, 이산화탄소 분리 기술은 흡수법, 흡착법, 심냉법 또는 막분리법 등이 오래 전부터 제시되어 왔지만, 막대한 에너지가 필요하다거나, 부작용이 있다든지, 대형화가 어렵다는 등의 현실적인 이유로 현재까지 상용화된 예는 극히 미미한 수준이다.

그나마, 막분리법이 다른 방법에 비해 상대적으로 저에너지를 사용하기 때문에, 상용화에 적합하다는 평가가 있다. 막분리법에서 지금까지 연구되고 있는 방향은 주로 분리막의 분리 효율을 높이는 데에 있다. 실험실 내에서 90% 이상의 분리 효율을 나타낼 수 있는 작은 사이즈(예컨대 1인치X1인치)의 분리막을 개발하는 것이 1차 목표이다. 대형화 및 상용화는 그 다음 과제로 여겨지고 있다.

실험실 내에서 90% 이상의 분리 효율을 얻어내기 위하여, 많은 연구자들은 분리막의 두께를 보다 얇게 만들고, 분리막 내외부의 압력 차이를 보다 높게 설정하고자 한다. 그러나, 두께가 얇고, 압력이 높을수록 분리막의 내구성이 취약해진다. 따라서, 일부의 연구자들은 위와 같은 조건에서도 내구성을 갖춘 분리막의 재질에 대한 연구도 병행한다.

그러나, 위와 같이 실험실 수준에서 고효율 분리막을 개발하였다 하더라도, 이를 상용화하는 것은 별개의 문제이다. 우선, 박막의 분리막은 대량으로 생산하는 것이 매우 어려울 뿐만 아니라 고가의 원재료를 사용하여야 하므로 생산 비용도 크게 증가한다. 또한, 박막의 분리막을 대형화된 장비에 적용하려면 수 많은 분리막을 조립하여야 하므로, 조립 시간 및 조립 비용이 증가한다. 또한, 고효율을 위해 높은 압력을 사용하므로 처리비용이 증가한다. 이론적으로 분리가 가능하더라도 생산 및 처리 비용 등이 과도하면, 현실적인 상용화는 불가능하다.

따라서, 낮은 처리 비용을 가지면서도 비용 대비 우수한 분리 효율을 갖고, 상업적인 규모로 적용가능한 유체 분리 기술의 개발이 필요한 실정이다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 분리 효율이 개선된 유체 분리 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치는 튜브형 유체 분리막, 및 상기 유체 분리막 내부에 삽입된 이격재로서, 복수의 줄기부, 및 상기 줄기부 사이의 공간에 배치되고 두께 방향으로 형성된 복수의 개구를 포함하는 망부를 포함하는 이격재를 포함한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치는 복수의 판상형 유체 분리막, 및 상기 유체 분리막 사이에 인접하도록 배치된 이격재로서, 복수의 줄기부, 및 상기 줄기부 사이의 공간에 배치되고 두께 방향으로 형성된 복수의 개구를 포함하는 망부를 포함하는 이격재를 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 유체 분리관 및 유체 분리 장치에 의하면, 유체 분리막에 인접하게 이격재가 배치되어 유체 분리막이 밀착되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 이격재가 분리 유체를 신속하게 배출하는 줄기부를 포함함으로써, 설정 압력을 잘 유지할 수 있다. 특히, 상업적인 규모로 적용하기 위해 길이가 긴 유체 분리막을 사용하더라도, 신속한 유체 배출을 통해 길이 방향의 압력 불균일을 개선할 수 있어, 길이 증가에 따른 분리 효율 저하를 감소시킬 수 있다.

본 발명에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 튜브형 유체 분리막 및 그 내부에 배치된 이격재의 사시도이다.
도 5는 도 4의 이격재의 평면도이다.
도 6은 도 5의 A 영역의 사시도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이격재의 사시도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

소자(elements) 또는 층이 다른 소자 또는 층"위(on)"로 지칭되는 것은 다른 소자 바로 위에 또는 중간에 다른 층 또는 다른 소자를 개재한 경우를 모두 포함한다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

비록 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 제1 구성요소는 본 발명의 기술적 사상 내에서 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다. 도 1을 참조하면, 유체 분리 장치(1)는 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체를 분리하는 데에 사용되는 장치이다.

유체는 기체나 액체일 수 있다. 유체 혼합물(MF)은 서로 다른 복수의 유체를 포함한다. 예를 들어, 유체 혼합물(MF)은 화력발전소나 공장의 배기가스, 자동차 배기가스, 부생 가스, 폐기물 매립가스, 폐수 등일 수 있다.

복수의 기체는 상호 균일하게 완전히 혼합될 수도 있지만, 그에 제한되지 않는다. 예를 들어, 제1 유체와 제2 유체를 포함하는 유체 혼합물이 배치된 공간 내에서 특정 부위에는 제1 유체만 존재하고, 다른 특정 부위에는 제2 유체만 존재할 수도 있다. 또한, 특정 부위에서의 제1 유체의 함량이 다른 특정 부위에서의 제1 유체의 함량보다 클 수도 있다.

특정 유체의 분리는 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체를 완전히 분리하는 것 뿐만 아니라, 입력된(제공된) 유체 혼합물(MF)로부터 특정 유체의 함량이 높아진 유체 혼합물(F1, F2)을 출력(생성)해내는 것을 포함한다. 입력되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 그 함량비가 3:1인 경우를 예로 하여 설명하면, 출력되는 유체(MF1, MF2)가 100% 이산화탄소인 경우 또는 출력되는 유체 혼합물(MF1, MF2)의 질소와 이산화탄소 함량비가 3:1보다 작은 경우에는 이산화탄소의 분리가 이루어진 것으로 해석된다. 출력되는 유체(MF1, MF2)가 100% 질소이거나 출력되는 유체 혼합물(MF1, MF2)의 질소와 이산화탄소 함량비가 3:1보다 큰 경우에는 질소의 분리가 이루어진 것으로 해석된다. 아울러, 특정 유체의 함량이 높아진 정도가 클수록 특정 유체 분리의 효율이 높은 것으로 해석된다.

분리되는 유체의 예로는 상술한 이산화탄소나 질소 이외에도 다양할 수 있다. 예를 들어, 아세톤, 암모니아, 아르곤, 벤젠, 부탄(n-C4H10), 이황화탄소(CS2), 일산화탄소, 에탄, 에틸렌, 헬륨, 헥산(n-C6H14), 수소, 황화수소, 메탄, 메탄올, 일산화질소, 이산화질소, 아산화질소(N2O), 옥탄, 산소, 펜탄, 프로판, 이산화황, 톨루엔, 수증기 등이 분리되는 대상 유체가 될 수 있으나, 그에 제한되는 것은 아니다.

유체 분리 장치(1)는 챔버(20), 챔버(20) 내부에 배치된 유체 분리막(10), 및 이격재(미도시)를 포함한다. 설명의 편의를 위해 도 1에서는 이격재의 도시를 생략하였다.

유체 분리막(10)은 튜브 형상으로 이루어질 수 있다. 유체 분리막(10)의 내부(10s1)와 유체 분리막(10)의 외부(10s2)는 유체 분리막(10)을 기준으로 물리적으로 분리되어 있다. 즉, 유체 분리막(10)을 기준으로 공간이 분할된다. 적어도 일부의 유체는 유체 분리막(10)을 통과하여 유체 분리막(10)의 내외부(10s1, 10s2)를 소통할 수 있고, 이것이 특정 유체 분리에 이용된다.

유체 분리막(10) 내부에는 이격재(미도시)가 배치될 수 있다. 이격재는 유체 분리막(10)의 내벽이 상호 밀착하는 것을 방지하는 역할을 할 수 있다. 이격재에 대한 상세한 설명은 후술된다.

챔버(20)는 제한된 공간을 제공한다. 챔버(20) 내부의 공간은 챔버(20) 외부의 공간과 물리적으로 구분된다. 챔버(20)는 내부에 공급되는 유체의 이동을 공간적으로 제한한다. 또한, 챔버(20)는 그 내부의 온도, 압력, 습도 등과 같은 다양한 공정 변수를 챔버(20) 외부와 상이하게 독립적으로 제어하도록 할 수 있다. 챔버(20)의 제한된 공간은 반드시 밀폐된 공간만을 의미하지는 않으며, 외부와 소통하는 개방 공간을 포함할 수 있다.

예를 들어, 챔버(20)는 적어도 3개의 유체 출입구(21, 22, 25)를 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 챔버(20)는 유체 투입구(25), 제1 유체 배출구(21), 및 제2 유체 배출구(22)를 포함한다.

제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)는 유체 혼합물 또는 유체(F1, F2)가 챔버 외부로 배출(출력)되는 통로가 된다. 유체 분리막(10)의 내부 공간은 제1 유체 배출구(21)와 공간적으로 연결된다. 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(10)의 내부 공간과 연결되지 않는다.

유체 투입구(25)는 유체 혼합물(MF)이 챔버(20) 내부로 투입(입력)되는 통로가 된다. 일 실시예에서, 유체 투입구(25)는 도 1에 도시된 바와 같이, 유체 분리막(10)의 내부 공간과 연결되지 않는다. 이 경우, 유체 혼합물(MF)은 유체 투입구(25)를 통해 챔버(20) 내부이자 유체 분리막(10)의 외부(10s2)로 투입된다. 챔버(20) 내부에 투입된 유체 혼합물 중 유체 분리막(10)을 통해 유체 분리막(10)의 내부(10s1)로 이동한 유체 성분들은 제1 유체 배출구(21) 측으로 배출('MF1' 참조)되고, 유체 분리막(10) 외부(10s2)에 잔류한 유체 성분들은 제2 유체 배출구(22) 측으로 배출('MF2' 참조)될 수 있다. 유체 투입구(25)를 통해 제공되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 유체 분리막(10)을 통한 이산화탄소의 이동도가 질소보다 높을 경우, 유체 분리막(10) 외부(10s2)는 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮아지면서 질소의 농도는 상대적으로 높아지고, 유체 분리막(10) 내부(10s1)는 이산화탄소의 농도가 높아지면서 질소의 농도는 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 제2 유체 배출구(22)에서는 상대적으로 질소의 함량이 높은 유체 혼합물(MF2)이 배출되고, 제1 유체 배출구(21)에서는 상대적으로 이산화탄소의 함량이 높은 유체 혼합물(MF1)이 배출될 수 있다.

제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)를 통해 배출된 유체 혼합물(MF1, MF2)들은 각각 특정 성분들의 농도가 상대적으로 높아진 상태에 있게 되다. 제1 유체 배출구(21) 또는 제2 유체 배출구(22)에서 배출된 유체 혼합물(MF1, MF2)을 상기한 유체 분리 장치(1)에 다시 투입하거나, 다른 유체 분리 장치에 투입하는 것을 1회 이상 반복하면, 특정 성분의 농도를 더욱 높일 수 있다. 제1 유체 배출구(21)와 제2 유체 배출구(22)에서 배출된 유체 혼합물(MF1, MF2)은 선택적으로 폐기되거나 탱크 등에 저장될 수 있고, 필요에 따라 다른 다양한 분야에 사용될 수 있다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리 장치(2)는 유체 혼합물(MF)이 유체 분리막(11)의 내부(11s1)로 투입되는 점에서 도 1의 실시예와 상이하다.

유체 분리막(11) 제1 유체 배출구(21)와 공간적으로 연결되거나, 제1 유체 배출구(21)를 통과하여 일단(11E1)이 챔버(20)의 외부로 노출되고, 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(11)과 공간적으로 연결되지 않는 점은 도 1의 실시예와 동일하다. 다만, 본 실시예의 경우, 유체 분리막(11)의 내부 공간은 유체 투입구(25)와 연결될 수 있다.

유체 혼합물(MF)은 유체 투입구(25)를 통해 유체 분리막(11) 내부(11s1)로 투입된다. 유체 분리막(11) 내부(11s1)에 투입된 유체 혼합물 중 유체 분리막(11)을 통해 유체 분리막(11)의 외부(11s2)로 이동한 유체 성분들은 제2 유체 배출구(22) 측으로 배출('MF2' 참조)되고, 유체 분리막(11) 내부(11s1)에 잔류한 유체 성분들은 제1 유체 배출구(21) 측으로 배출('MF1' 참조)될 수 있다. 유체 투입구(25)를 통해 제공되는 유체 혼합물(MF)이 질소와 이산화탄소를 포함하고, 유체 분리막(11)을 통한 이산화탄소의 이동도가 질소보다 높을 경우, 유체 분리막(11) 내부(11s1)는 이산화탄소의 농도가 상대적으로 낮아지면서 질소의 농도는 상대적으로 높아지고, 유체 분리막(11) 외부(11s2)는 이산화탄소의 농도가 높아지면서 질소의 농도는 상대적으로 낮아지게 된다. 따라서, 제1 유체 배출구(21)에서는 상대적으로 질소의 함량이 높은 유체 혼합물이 배출되고, 제2 유체 배출구(22)에서는 상대적으로 이산화탄소의 함량이 높은 유체 혼합물이 배출될 수 있다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 유체 분리 장치의 개략도이다.

도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 유체 분리 장치(3)는 유체 분리막(12)이 판상형으로 형성된 점이 도 1의 실시예와 다른 점이다.

판상형의 유체 분리막(12)은 챔버(20) 내부를 막아 공간을 분리한다. 본 실시예의 경우, 유체 분리막(12)의 일측이 도 1의 유체 분리막(10)의 외부 공간에 대응되고, 유체 분리막(12)의 타측이 도 1의 유체 분리막(10) 내부 공간에 대응된다. 유체 투입구(25)과 제1 유체 배출구(21)는 유체 분리막(12)의 일측에 형성되고, 제2 유체 배출구(22)는 유체 분리막(12)의 타측에 형성된다. 도면으로 도시하지는 않았지만, 유체 분리막(12)이 챔버(20)의 내부 공간을 완전히 분할하지 않고, 대신 모듈화되어 제공될 수도 있다. 상기 모듈은 챔버(20) 내부에 배치되고, 해당 모듈 내에서 유체 분리막(12)이 공간을 분할하는 구조를 가질 수 있다. 상기 모듈은 외곽 공간을 한정하고 밀폐하는 최외곽 커버를 포함할 수 있고, 이 경우 챔버(20)는 생략될 수도 있다.

상술한 도 1 내지 도 3의 실시예에서, 유체 분리막(10, 11, 12)은 챔버(20) 내에 복수개가 배치될 수 있다. 튜브형 유체 분리막(10, 11)의 경우 복수의 유체 분리막(10, 11)이 인접 배치될 수 있다. 판상형 유체 분리막(12)의 경우, 복수의 유체 분리막(12)이 소정 간격을 가지며 나란하게 배치되어 챔버(20) 내부의 공간을 복수로 구분하거나, 복수의 유체 분리막(12)이 적층된 형태로 모듈화되어 제공될 수도 있다. 이 경우, 유체 분리막(12) 사이에는 유체 분리막(12)들의 밀착을 방지하는 이격재(미도시)가 배치될 수 있다.

이하, 상술한 유체 분리막 및 이격재에 대해 더욱 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명의 몇몇 실시예에 따른 튜브형 유체 분리막 및 그 내부에 배치된 이격재의 사시도이다. 도 5는 도 4의 이격재의 평면도이다. 도 6은 도 5의 A 영역의 사시도이다.

도 4 내지 도 6을 참조하면, 유체 분리막(100)의 연장 방향(Z)에 수직으로 자른 단면은 폐곡선을 이룬다. 유체 분리막(100)의 단면은 원형에 비해 찌그러진 형상을 갖는다. 유체 분리막(100)의 예시적인 단면 형상은 타원형이다. 타원과 원의 외주가 동일하다고 가정할 때, 타원은 원에 비해 차지하는 공간이 작다. 따라서, 동일한 공간 내에 원보다 타원이 더 많이 배치될 수 있다. 유체의 이동은 유체 분리막(100)을 통해 유체 분리막(100)의 두께 방향으로 이루어지므로, 유체가 유체 분리막(100) 표면에 노출되는 면적이 넓을수록 유체의 이동량은 증가하게 된다. 유체 분리막(100)의 외주가 동일하다면 단면 형상이 원형이든 타원형이든 동일한 표면적을 갖기 때문에 유체의 이동량은 이론적으로 동일하다. 다만, 유체 분리막(100)의 단면 형상이 타원형이면 동일한 공간 내에 더 많은 수가 배치될 수 있으므로, 전체 표면적은 증가할 수 있다. 또한, 동수의 유체 분리막(100)을 적용하더라도, 동일한 공간 내에서 타원형의 경우가 원형의 경우에 비해 더 큰 외주, 다시 말하면 더 넓은 표면적을 가질 수 있다. 따라서, 타원형이 원형에 비해 공간 대비 유체 이동 효율은 더 큰 것으로 이해할 수 있다.

유체 분리막(100)의 단면 형상은 타원 이외에도 직사각형 또는 모서리가 둥근 직사각형 형상이나 일 방향이 길이가 상대적으로 긴 폐곡선 형상일 수 있다. 이 경우에도 원형에 비해 공간 대비 유체 이동 효율이 개선될 수 있다. 아울러, 유체 분리막(100)은 주름진 형상을 가질 수도 있다. 유체 분리막(100)이 주름진 형상을 가지면, 유체 분리막(100)은 제공된 공간 대비 더욱 넓은 표면적을 가질 수 있다.

이하의 실시예에서, 유체 분리관의 단면 형상은 타원형인 것을 예로 하여 설명하기로 한다. 또한, 단면 형상의 폭이 가장 큰 방향을 제1 방향(장경 방향, X)으로 정의하고, 그에 수직한 방향을 제2 방향(Y)으로 정의한다. 도 4를 참조하면, 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭은 제2 방향(Y)의 폭보다 크다. 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭은 이론적으로 유체 분리막(100)의 단면 외주 길이의 1/2π 보다 크고, 단면 외주 길이의 1/2이하이다. 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭이 유체 분리막(100)의 단면 외주 길이의 1/2π인 경우는 유체 분리막(100) 단면이 원인 경우이고, 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)의 폭이 유체 분리막(100)의 단면 외주 길이의 1/2인 경우는 유체 분리막(100)의 내벽이 실질적으로 밀착된 경우에 해당된다. 일 실시예에서, 유체 분리막(100) 제1 방향(X)의 폭과 유체 분리막(100) 단면 외주 길이의 비는 1/4 내지 49/100의 범위 내에서 설정될 수 있다. 상기 비율이 1/4 이상이 되어야 공간 대비 실효적인 유체 이동 효율이 개선될 수 있다. 상기 비율이 49/100 이하로 유지하는 것이 유체 분리막(100)의 내벽이 완전히 밀착되어 유체 분리막(100)의 내부(100s1)가 폐쇄되는 것을 방지하는 데에 도움을 준다.

유체 분리막(100)은 특정 유체의 소통을 허용한다. 유체 분리막(100)은 특정 유체를 유체 분리막(100)의 일측과 타측의 양 방향으로 소통시킬 수 있다. 특정 유체는 유체 분리막(100)의 표면에 용해, 흡수 또는 흡착되어 유체 분리막(100)의 매질 내부를 이동함으로써 소통될 수도 있고, 화학적인 결합과 분해를 통해 유체 분리막(100)을 통과할 수도 있을 것이다. 유체는 크누센 확산(Knudsen diffusion), 분자 확산(molecular diffusion), 표면 확산(surface diffusion), 초미세기공 확산(super micropore diffusion) 등과 같은 확산 방식이나, 여과, 삼투 등의 방식으로 이동할 수 있다.

특정 유체가 유체 분리막(100)을 통과하기 위한 에너지는 이에 제한되는 것은 아니지만, 유체 분리막(100) 일측과 타측(튜브 형상에서는 내외부)의 압력이나 유체의 농도 차이, 유체들이 갖는 운동 에너지, 유체와 유체 분리막(100) 사이에 상호 작용하는 물리적, 화학적 에너지 등에 의해 제공될 수 있다.

유체 분리막(100)은 셀롤로스 아세테이트, 폴리술폰, 실리콘 고무 등과 같은 고분자 물질이나 실리카계 세라믹스, 실리카계 유리, 알루미나계 세라믹스, 스텐레스 다공체, 티탄 다공체, 은 다공체 등의 무기 물질을 포함하여 이루어질 수 있다. 유체 분리막(100)을 구성하는 물질의 선택에는 혼합 유체의 종류와 분리하고자 하는 대상 및 유체의 선택도 뿐만 아니라, 제조 방법의 용이성, 대량 생산 가능성, 내구성 등이 함께 고려될 수 있다. 일반적으로 고분자 물질은 무기 물질보다 상대적으로 제조가 간편하다. 예를 들어 실리콘 고무의 경우, 압출 방식으로 원하는 형상을 만들기 쉽고, 대량 생산 또한 용이하다. 실리콘 고무는 그 종류 및 제조 방식에 따라 상이하긴 하지만, 이산화탄소와 질소의 선택비가 대략 3:1 이상이고, 5:1 이상인 것도 제조하기가 어렵지 않아서, 이산화탄소와 질소의 혼합 기체로부터 이산화탄소를 선택적으로 분리하는 데에 용이하게 사용될 수 있다.

유체 분리막(100)은 플렉시블한 물질로 이루어질 수 있다. 유체 분리막(100)의 구성 물질이 플렉시블하면, 구부리기가 쉬워서 다양한 형상으로 설치하기 용이하다. 또한, 유체 분리막(100)은 신축성과 탄성을 갖는 물질로 이루어질 수 있다. 튜브 형상의 유체 분리막(100)이 신축성과 탄성이 있으면, 유체 분리막(100) 내부에 이격재(150)를 삽입하였을 때, 이격재(150)의 폭 방향으로 잘 늘어나고, 복원력에 의해 이격재(150)의 유동을 억제할 수 있다. 실리콘 고무는 위와 같은 특성들을 모두 갖고 있어, 우수한 유체 분리막(100) 재료가 될 수 있다.

유체 분리막(100)은 외주를 따라서 일체형으로 이루어질 수 있다. 여기서, 일체형이라 함은, 복수의 분리막을 접합하여 튜브 형태로 이루어지거나, 하나의 분리막을 말아서 양단을 접합하여 튜브 형태로 이루어진 것이 아니고, 외주를 따라서 접합된 부분 없이 전체가 하나로 이루어진 경우를 의미한다. 압출 등의 방법으로 처음부터 튜브 형상으로 만들어진 경우가 일체형으로 형성된 예이다.

유체 분리막(100)의 평균 두께는 유체 분리막(100)의 제조 방식과 연관이 있다. 상술한 바와 같이, 유체 분리막(100)은 대량 생산이 용이한 압출 방식으로 제조될 수 있다. 예를 들어, 실리콘 고무와 같은 고분자 물질은 압출 방식에 의해 튜브 형태로 제조될 때, 0.05mm 이상의 평균 두께를 가져야 용이한 제조가 가능하며, 상업적인 대량 생산도 할 수 있다. 한편, 유체 분리막(100)의 평균 두께가 두꺼울수록 유체의 이동 거리가 길어져 분리 효율이 떨어진다. 유체 분리막(100)의 평균 두께가 2mm를 초과하면 저에너지를 사용하는 유체 분리 장치에서 유체 이동도가 급격히 저하될 뿐만 아니라, 공간 대비 유체 분리막(100)의 표면에 유체를 접촉시키는 면적도 감소하여 유체 분리 효율이 저하됨이 확인되었다. 상기 관점에서, 유체 분리막(100)의 평균 두께는 0.05mm 내지 2mm의 범위에서 선택되는 것이 바람직하다.

연장 방향으로의 유체 분리관(100)의 길이(L)는 너무 짧으면 설치 회수가 증가하여야 하므로 취급성에 불리하고, 상업적 규모로 적용하기에 적합하지 않다. 따라서, 유체 분리관(100)의 길이(L)는 500mm 이상인 것이 바람직하다. 한편, 유체 분리관(100)의 길이가 너무 길면 저에너지 사용만으로는 유체 분리관(100)으로 진입한 유체를 배출하기가 어렵고, 유체 분리관(100) 내부의 특정 유체의 농도를 균일하게 제어하기 어렵다. 따라서, 유체 분리관의 길이는 5000mm 이하인 것이 바람직하다.

유체 분리막(100)의 내부에는 이격재(150)가 배치된다. 이격재(150)는 유체 분리막(100) 내부에 배치되어 유체 분리막(100)의 내벽이 밀착되어 폐쇄되는 것을 방지한다.

이격재(150)는 유체 분리막(100)과 동일한 길이를 가져 유체 분리막(100)의 연장 방향 전체에 걸쳐 배치될 수 있다.

이격재(150)의 폭 방향은 유체 분리막(100)의 제1 방향(X)에 대응되고, 이격재(150)의 두께 방향은 유체 분리막(100)의 제2 방향(Y)에 대응될 수 있다. 이격재(150)의 폭은 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경보다 작거나 같다. 이격재(150)의 폭이 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경과 동일하거나 그에 근접할수록, 유체 분리막(100) 내부(100s1)에서 이격재(150)의 유동이 억제되고, 폭 방향으로 이격재(150)가 배치되지 않은 공간에서 유체 분리막(100)의 내벽이 밀착되는 정도를 줄일 수 있다. 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경의 0.5배 이상이면, 이격재(150)의 유동과 유체 분리막(100)의 내벽의 밀착 방지에 관한 유의미한 효과가 있는 것으로 확인된다. 이러한 관점에서, 이격재(150)의 폭은 유체 분리막(100)의 제1 방향(X) 내경의 0.5 내지 1배의 범위를 가질 수 있다.

이격재(150)는 줄기부(ST)를 포함한다. 줄기부(ST)는 중공형으로 형성된다. 줄기부(ST)의 빈 내부 공간은 유체 이동로로 활용될 수 있다.

줄기부(ST)는 유체 분리막(100)의 튜브 내부로 진입한 분리 유체를 신속하게 배출시키는 역할을 할 수 있다. 유체 분리막(100)의 튜브 내부로 진입한 분리 유체는 도 1에서 설명한 바와 같이, 제2 유체 배출구를 통해 배출된다. 유체의 배출을 용이하게 하기 위해, 제2 유체 배출구 외부에 음압 펌프가 설치될 수 있다. 그런데, 제2 유체 배출구에 가까운 부분은 음압 펌프에 의해 강한 음압이 가해져 쉽게 배출될 수 있지만, 제2 유체 배출구로부터 먼 부분은 그 압력이 약하기 때문에 상대적으로 이동하기 어렵다. 특히, 유체 분리막(100)의 길이가 길고, 내경이 클수록 음압 펌프로부터 먼 지역은 그 압력이 약해지므로, 유체의 배출 동력을 충분히 전달받지 못할 수 있다. 아울러, 이격재(150)의 망부(BR)의 존재는 유체 이동에 방해가 될 수 있다.

줄기부(ST)는 위와 같은 압력 강하의 문제를 해결한다. 줄기부(ST)는 내부가 빈 중공 형상으로 형성되므로, 저용량의 음압 펌프만으로도 신속한 유체 배출이 가능해진다. 신속한 유체 배출이 이루어지면, 유체 분리막(100) 내부의 압력이 설정 압력으로 잘 유지되어 분리 효율이 개선될 수 있다. 특히, 상업적인 규모로 적용하기 위해, 유체 분리막(100)의 길이를 500mm 내지 5000mm로 형성하는 경우에도, 신속한 유체 배출을 통해 길이 방향의 압력 불균일을 개선할 수 있어, 길이 증가에 따른 분리 효율 저하를 감소시킬 수 있다. 상기 관점에서, 제2 유체 배출구는 이격재(150)의 줄기부(ST)와 연결되는 것이 바람직할 것이다.

줄기부(ST)는 길이 방향(Z)으로 연장된 적어도 하나의 수직 줄기부(STV) 및 폭 방향(X)으로 연장된 복수의 수평 줄기부(STH)를 포함할 수 있다. 수직 줄기부(STV)와 수평 줄기부(STH)는 상호 만나거나 교차할 수 있다. 상기 만나거나 교차하는 부위에서 수직 줄기부(STV)와 수평 줄기부(STH)의 내부 빈 공간이 서로 연결될 수 있다.

수직 줄기부(STV)는 길이 방향(Z)으로 유체의 이동 통로를 제공한다. 수직 줄기부(STV)의 단부는 유체 분리막(100)의 단부 또는 외부로 연결된다. 수직 줄기부(STV)는 길이 방향(Z)으로 중앙이나 가장 자리에 위치할 수 있다. 수직 줄기부(STV)의 내경은 수평 줄기부(STH)보다 클 수 있다.

수평 줄기부(STH)는 폭 방향(X)으로 유체의 이동 통로를 제공한다. 상술한 바와 같이 수평 줄기부(STH)는 수직 줄기부(STV)와 연결되어 있으므로, 수평 줄기부(STH)를 통해 이동한 유체는 수직 줄기부(STV)를 통해 배출될 수 있다.

수평 줄기부(STH)의 연장 방향은 폭 방향(X)과 완전히 동일할 것을 요하는 것은 아니다. 폭 방향과 소정 각도 경사진 방향으로 연장될 수도 있다. 직선이 아닌 곡선일 수도 있다.

일 실시예에서, 복수의 수평 줄기부(STH)는 각각 일정한 간격으로 상호 평행하게 배치될 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니며, 서로 다른 간격으로 배치될 수도 있다. 예를 들어, 일단에 가까운 곳(음압 펌프에 가까운 곳)은 넓은 간격으로 배치되고, 그로부터 멀어질수록 좁은 간격으로 배치될 수 있다.

수직 줄기부(STV)는 복수의 홀(STV_H)을 포함할 수 있다. 수직 줄기부(STV)의 홀(STV_H)은 수직 줄기부(STV)의 관벽을 두께 방향으로 관통하여 수직 줄기부(STV)의 외부와 수직 줄기부(STV)의 내부 빈 공간을 연결한다.

복수의 홀(STV_H)은 망부(BR) 부근에만 배치되거나, 다른 부위 대비 망부(BR) 부근에 더 많은 밀도로 배치될 수 있다. 유체 분리막(100)의 튜브에 음압이 형성되면, 수직 줄기부(STV)의 상하부는 인접한 유체 분리막(100)의 관벽과 밀착되어 그 사이에서는 유체의 이동 공간이 확보되기 어렵다. 반면, 망부(BR)와 인접한 수직 줄기부(STV) 측의 경우에는 수직 줄기부(STV)의 두께가 망부(BR)보다 두껍기 때문에 상대적으로 넓은 공간이 확보될 수 있다. 따라서, 이 부근에 복수의 홀(STV_H)이 배치됨으로써, 유체 분리막(100)의 튜브 내부로 진입한 분리 유체를 효과적으로 수직 줄기부(STV) 내부에 진입시킬 수 있다. 다만, 망부(BR) 부근 이외의 수직 줄기부(STV)의 상하부에 복수의 홀(STV_H)이 배치되더라도 무방하다. 예를 들어, 복수의 홀(STV_H)의 배치는 수직 줄기부(STV) 전체를 걸쳐 균일할 수도 있다.

수평 줄기부(STH)도 복수의 홀(STH_H)을 포함할 수 있다. 수평 줄기부(STH)의 홀(STH_H)은 수평 줄기부(STH)의 관벽을 두께 방향으로 관통하여 수평 줄기부(STH)의 외부와 수평 줄기부(STH)의 내부 빈 공간을 연결한다. 복수의 홀(SHV_H)은 수직 줄기부(STV)의 홀(STV_H)과 마찬가지로, 망부(BR) 부근에만 배치되거나, 다른 부위 대비 망부(BR) 부근에 더 많은 밀도로 배치될 수 있다.

다른 실시예에서, 수평 줄기부(STH)는 유체 이동 통로로 활용되지 않고, 단지 수직 줄기부(STV) 사이를 연결하는 기능만을 수행할 수도 있다. 이 경우, 수평 줄기부(STH)의 내부는 채워져 있거나, 수직 줄기부(STV)와의 교차 지점에서 상호 공간적으로 연결되지 않을 수 있으며, 수평 줄기부(STH)의 홀(STH_H)은 생략될 수 있다.

상술한 바와 같이, 이격재(150)가 수직 줄기부(STV) 및 수평 줄기부(STH)를 포함하게 되면, 유체 분리막(100)을 통과한 유체가 최단 거리를 통하여 신속하게 외부로 배출될 수 있다.

이격재(150)는 줄기부(ST) 외에 미세가지부(BR)를 더 포함할 수 있다. 미세가지부(BR)는 내부가 빌 수도 있고, 채워져 있을 수도 있다. 미세가지부(BR)는 유체가 소통할 수 있는 복수의 개구(OP)를 갖는다. 복수의 개구(OP)는 유체 분리막(100)의 내벽이 밀착하더라도, 그 사이에 소정의 공간이 확보되도록 하는 역할을 한다.

망부(BR)는 그물망 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 망부(BR)는 꼬인 그물망 구조를 가질 수 있다. 망부(BR)의 그물망을 구성하는 실들의 외경은 줄기부(ST)의 외경보다 작을 수 있다. 망부(BR)는 줄기부(ST)와는 달리 내부가 채워진 구조일 수 있다.

망부(BR)는 줄기부(ST) 사이의 공간에 배치될 수 있다. 일 실시예에서, 망부(BR)는 줄기부(ST)들 사이의 구획된 각 공간마다 하나씩 배치될 수 있다. 이 경우, 각 망부(BR)는 인접하는 줄기부(ST)들과 각각 결합될 수 있다. 망부(BR)와 줄기부(ST)의 결합 방법으로는 결합실이나 결합 철사를 이용한 고정, 접착제를 이용한 고정 등을 들 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

다른 실시예에서, 망부(BR)는 전체가 하나로 일체화되어 제공될 수 있다. 즉, 하나의 망부(BR)가 줄기부(ST)들에 의해 구획된 복수의 공간에 걸치도록 배치될 수 있다. 이 경우, 망부(BR)는 줄기부(ST)와 중첩될 수 있다. 망부(BR)와 줄기부(ST)는 결합실, 결합 철사, 접착제 등에 의해 상호 결합될 수도 있지만, 상호 고정되지 않고 인접 배치되기만 할 수도 있다.

이격재(150)의 줄기부(ST)와 망부(BR)는 합성 수지, 나일론, 폴리 에스테르 등의 고분자 물질이나, 금속 재질로 이루어질 수 있다. 이격재(150)의 줄기부(ST)와 망부(BR)는 동일한 물질로 이루어질 수 있다. 그러나, 이에 제한되는 것은 아니다.

본 실시예에서는 튜브형 유체 분리막(100) 및 그에 삽입되는 이격재(150)에 대해 설명하였지만, 위 설명을 토대로 당업자라면 판상형 유체 분리막 모듈에서도 실질적으로 동일한 구조를 갖는 이격재가 배치될 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 이격재의 사시도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 이격재(151)는 수직 줄기부(STV)가 망부 삽입구(STV_IN)를 더 포함하는 점이 도 6의 실시예와 다른 점이다. 또한, 도 7은 수평 줄기부가 생략된 경우를 예시한다.

테두리에 위치하는 수직 줄기부(STV)는 내측에 망부 삽입구(STV_IN)가 형성된다. 망부 삽입구(STV_IN)는 수직 줄기부(STV)의 연장 방향을 따라 연장된다. 망부 삽입구(STV_IN)는 수직 줄기부(STV) 내부의 빈 공간과 공간적으로 연결된다. 망부 삽입구(STV_IN)의 폭은 수직 줄기부(STV)의 내경보다 작을 수 있다.

중앙부에 위치하는 수직 줄기부(STV)는 양측에 망부 삽입구(STV_IN)가 형성될 수 있다. 즉, 중앙부에 위치하는 수직 줄기부(STV)는 2개의 관이 융합된 형상을 가지며, 양측으로 망부 삽입구(STV_IN)가 배치될 수 있다. 이 경우, 중앙부에 위치하는 수직 줄기부(STV)는 2개의 유체 이동 통로를 가질 수 있다.

망부(BR)는 인접하는 수직 줄기부(STV)의 망부 삽입구(STV_IN) 내로 삽입되고, 망부 삽입구(STV_IN)에 의해 눌려서 고정될 수 있다. 망부(BR)가 수직 줄기부(STV)의 망부 삽입구(STV_IN)에 삽입되지만, 그 사이는 완전히 폐쇄되지 않고 틈이 생겨 이를 통해 유체가 수직 줄기부(STV) 내부로 진입할 수 있다. 도면으로 도시하지는 않았지만, 망부 삽입구(STV_IN) 인근에 복수의 홀이 더 형성될 수도 있음은 물론이다.

본 실시예의 경우, 수직 줄기부(STV)의 내부 빈 공간을 통한 신속한 유체 배출이 가능할 뿐만 아니라, 망부(BR)를 수직 줄기부(STV)에 간편하게 결합할 수 있는 장점이 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 유체 분리 장치
10: 유체 분리막
20: 챔버
21: 제1 유체 배출구
22: 제2 유체 배출구
23: 유체 투입구

Claims (8)

1. 튜브형 유체 분리막; 및
   상기 유체 분리막 내부에 삽입된 이격재로서,
   복수의 줄기부, 및 상기 줄기부 사이의 공간에 배치되고 두께 방향으로 형성된 복수의 개구를 포함하는 망부를 포함하는 이격재를 포함하는 유체 분리 장치.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 줄기부는 상기 유체 분리막의 길이 방향으로 연장된 중공형의 수직 줄기부를 포함하고,
   상기 수직 줄기부는 복수의 홀을 포함하는 유체 분리 장치.
3. 제2 항에 있어서,
   상기 줄기부는 상기 유체 분리막의 폭 방향으로 연장되고, 상기 수직 줄기부와 교차하는 수평 줄기부를 더 포함하는 유체 분리 장치.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 줄기부는 상기 유체 분리막의 길이 방향으로 연장된 중공형의 수직 줄기부를 포함하고,
   상기 수직 줄기부는 상기 수직 줄기부의 연장 방향을 따라 연장되고, 상기 수직 줄기부의 내부 공간과 공간적으로 연결되며, 상기 망부가 삽입되는 망부 삽입구를 포함하는 유체 분리 장치.
5. 복수의 판상형 유체 분리막; 및
   상기 유체 분리막 사이에 인접하도록 배치된 이격재로서,
   복수의 줄기부, 및 상기 줄기부 사이의 공간에 배치되고 두께 방향으로 형성된 복수의 개구를 포함하는 망부를 포함하는 이격재를 포함하는 유체 분리 장치.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 줄기부는 상기 유체 분리막의 제1 방향으로 연장된 중공형의 제1 줄기부를 포함하고,
   상기 제1 줄기부는 복수의 홀을 포함하는 유체 분리 장치.
7. 제6 항에 있어서,
   상기 줄기부는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 연장되고, 상기 제1 줄기부와 교차하는 제2 줄기부를 더 포함하는 유체 분리 장치.
8. 제5 항에 있어서,
   상기 줄기부는 상기 유체 분리막의 길이 방향으로 연장된 중공형의 수직 줄기부를 포함하고,
   상기 수직 줄기부는 상기 수직 줄기부의 연장 방향을 따라 연장되고, 상기 수직 줄기부의 내부 공간과 공간적으로 연결되며, 상기 망부가 삽입되는 망부 삽입구를 포함하는 유체 분리 장치.
   

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