KR20200012898A - 기체로부터 피흡수질을 스크러빙하기 위한 회전식 흡수 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

기체로부터 피흡수질을 스크러빙하기 위한 장치 및 방법이 기재되어 있다. 본 회전식 흡수 장치는 기체 유입구, 기체 배출구, 흡수 액체 유입구 및 흡수 액체 배출구를 갖는 하우징; 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착되고 상기 유입구들 및 배출구들에 연결되는 로터로서, 축방향으로 공통 회전축에 평행하게 연장되는 복수의 스크러빙 채널을 포함하는 로터; 및 상기 로터를 회전시키기 위한 수단을 포함한다. 상기 장치 및 방법은 선택성 및 효율이 개선된 기체의 스크러빙을 제공한다.

Description

기체로부터 피흡수질을 스크러빙하기 위한 회전식 흡수 장치 및 방법

본 발명은 기체로부터 피흡수질(absorbate)을 스크러빙(scrubbing)하기 위한 회전식 흡수 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 기체로부터 피흡수질을 스크러빙하는 방법에 관한 것이다.

원치 않는 성분들(피흡수질)로부터 폐기체를 스크러빙하는 작업은 오랫동안 수행되었다. 전형적인 스크러빙 처리 설비는 특정 기체 성분 형태의 피흡수질이 기체로부터 액체로 전해질 수 있도록 기체 스트림을 소위 흡수 액체(absorbent liquid)와 접촉시킨다. 스크러빙은 예를 들어 배출을 제한하는 데 사용될 수 있다. 스크러빙은 당업계에서는 흡수(absorption)로도 지칭된다.

스크러빙 중에는 기체로부터 흡수 액체로 성분의 전달이 일어난다. 실제로 흡수 액체로 전달되는 기체 성분의 수준은 여러 다른 요인들 중에서도 피흡수질이 흡수 액체에 용해될 수 있는 능력에 의해 결정된다. 헨리의 법칙(Henry's Law)은 1atm 미만의 부분 압력을 갖는 성분 및 저농도에 대해 액체에서의 기체 용해도에 적용된다. 즉,

p = H.x

여기서,

p = 분압(Pa)

x = 몰분율

H = 헨리 상수(Pa).

이는 임의의 원하는 최종 농도를 위한 흡수 액체에서의 피흡수질의 최대 농도를 계산할 수 있게 한다.

기체를 스크러빙하는 종래의 방법은 액체 분무, 습식 트레이 컬럼 및 습식 충전 컬럼에 의한 것이다. 공지된 장치들은 만족스럽게 동작할 수 있지만, 특히 그들의 효율에 있어서는 개선이 필요하다. 예를 들어, 효율은 특정 양의 피흡수질을 흡수하는 데 필요한 흡수 액체의 양과 관련될 수 있다.

US 2,662,759호는 다셀형 분류(fractionation) 장치를 개시하고 있다. 그 목적은 유입되는 매체를 다양한 성분으로 분류하는 것인데, 이는 별도로 추가되는 액체에 용해시켜 기체로부터 성분을 제거하는 스크러빙과는 완전히 그 목적이 다르다. 분류와 스크러빙은 공정 기술의 서로 다른 단위 작업이고, 이들의 물리학은 실질적으로 상이하여 설계 및 운전 방법에서 차이가 수반된다. US 2,662,759호의 칼럼은 축방향으로 배열된 회전 요소 및 이들 사이에 고정판을 포함하며, 이들 둘 다에 채널이 제공된다. 따라서, 회전에 이어서 다수의 축방향 후속 스테이지에서 비회전이 있고, 이에 따라 각 스테이지는 전통적인 분류 컬럼에서의 트레이와 동등하다. 이 구성은 방사상 혼합을 향상시켜 농도 및 온도에서의 수평 불균일을 감소 시킨다고 한다. 단계 평형에 도달하는 것이 실제로 분류 칼럼의 바람직한 특징이다. 그러나, 회전 및 비회전 요소의 배열로 인해 US 2,662,759호의 장치는 스크러빙에 적합하지 않다. 각각의 회전 및 비회전 요소 사이의 수직 공간은 갭을 제공하고, 흡수 액체가 이 갭을 통해 흡수 액체에 작용하는 원심력에 의해 반경 방향으로 이동된다. 따라서 유입된 흡수 액체는 장치의 상류 단부(상단)로부터 수직 거리에서 칼럼의 반경 방향 외측 부분으로 점점 더 많이 이동할 것이다. 이는 채널에 걸쳐 흡수 액체의 불균일한 분포를 야기할 것이고, 원하는 스크러빙은 일어나지 않을 것이다.

본 발명의 목적은 종래기술에 비해 효율이 개선된 기체로부터 피흡수질을 스크러빙하기 위한 흡수 장치를 제공하는 것이다. 추가 목적은 기체로부터 피흡수질을 스크러빙하기 위한 보다 콤팩트한 흡수 장치를 제공하는 것이다. 또 다른 목적은 기체로부터 피흡수질을 스크러빙하기 위한 보다 효율적인 방법을 제공하는 것이다.

이러한 그리고 다른 목적은 청구항 1에 따른 장치에 의해 제공된다. 본 발명은 기체로부터 피흡수질을 스크러빙하기 위한 회전식 흡수 장치로서, 상기 장치가 기체 유입구, 기체 배출구, 흡수 액체 유입구 및 흡수 액체 배출구를 갖는 하우징; 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착되고 상기 유입구들 및 배출구들에 연결된 로터로서, 축방향으로 공통 회전축에 대해 평행하게 연장되는 복수의 스크러빙 채널을 포함하는 로터; 및 상기 로터를 회전시키기 위한 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치를 제공하는 것이다. 상기 채널은 흡수 액체 유입구와 흡수 액체 배출구 사이에서 로터의 축방향 전체 길이에 걸쳐 벽으로 그 둘레가 둘러싸여 있으며; 상기 장치는 흡수 액체의 지속적인 흐름을 흡수 액체 유입구로 제공하기 위한 수단을 더 포함한다.

본 발명의 장치는 기체로부터 피흡수질을 효율적으로 흡수할 수 있게 한다. 이에, 기체로부터 피흡수질을 스크러빙하는 것을 목표로 하는 본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 회전식 흡수 장치를 제공하는 것, 기체를 기체 유입구로 공급하고, 흡수 액체를 흡수 액체 유입구로 공급하는 것, 하우징 내에서 로터를 회전시켜 흡수 액체가 스크러빙 채널의 내향 벽에 한정되어 거기에 막을 형성하게 하는 것, 기체로부터 흡수 액체로의 피흡수질의 분자 수송을 허용하는 것, 기체 배출구를 통해 기체를 배출시키고 흡수 액체 배출구를 통해 흡수 액체를 배출시키는 것을 포함하는 방법을 포함한다. 하우징과 회전 로터의 스크러빙 채널로 유입되는 기체는 흡수제 또는 흡수 액체로 지칭되는 액체에 의해 흡수되는 피흡수질로 지칭되는 화합물을 함유한다. 일반적인 작동에서, 채널 벽 상에 형성된 막이 피흡수질의 적어도 일부를 흡수하고, 일 실시예에서 피흡수질(피흡수질의 일부)를 함유하는 막은 스크러빙 채널에서 기체와 평행하게 흐르고 결국 채널을 떠날 때는 액적으로 부서진다. 로터의 회전으로 인해, 흡수 액체의 액적은 액체가 폐기 및/또는 수집되는 곳인 하우징의 흡수 액체 배출구를 향해 로터의 회전 중심축에 대해 방사상 외측으로 밀려나간다.

본 발명의 회전식 흡수 장치는 예를 들어 스프레이 타워와 같은 공지된 흡수 장치에 비해 상대적으로 소형 사이즈로 설계될 수 있다는 이점을 갖는다. 소형 사이즈는 로터 내에 작은 크기의 복수의 바람직하게는 평행한 채널을 제공함으로써 달성된다. 스크러빙 채널의 단면 크기는 특정 응용에 따라 넓은 범위 내에서 선택될 수 있다. 채널의 적합한 단면 폭은 1 mm, 심지어 0.1 mm 정도로 작을 수 있으며, 바람직하게는 10 mm, 보다 바람직하게는 5 mm로 제한된다. 로터의 회전으로 인해, 흡수기 액체는 각 채널의 내향 벽을 향하여 이동하여 결국 거기에 제한되어 0.001 내지 1 mm, 보다 바람직하게는 0.010 내지 0.1 mm의 작은 두께의 막을 형성한다. 채널의 작은 단면 폭 및 막의 작은 두께는 기체로부터 흡수 액체로의 피흡수질의 분자 수송에 대한 낮은 저항성을 촉진한다.

회전 로터의 다른 유리한 효과는 흡수 액체가 액적 형태로 적어도 부분적으로 분리되어 액체 배출구로 밀려간다는 것이다. 이러한 회전에 의한 분리로 인해, 종래기술에서 일반적으로 이루어지는 바와 같은, 실제 흡수 장치의 하류에 별도의 액체 분리기의 설치하는 것을 하지 않아도 된다.

본 발명의 장치를 사용하는 결과는 흡수에 의해 기체 중에 성분(피흡수질)을 제거하기 위한 작고 효과적인 시스템이다. 본 발명의 장치는 또한 기체를 냉각시키고 액막(liquid film)에 흡수된 응축된 성분을 제거하는 데에 사용될 수 있다.

원심력의 작용으로 인해, 로터의 스크러빙 채널을 통과할 때 회전하게 되는 액체와 기체는, 회전축에 평행하게 연장되고 로터에서 채널의 경계를 형성하는 반경 방향 경계를 향해 회전축으로부터 멀리 방사상으로 이동한다. 스크러빙 채널의 외측 경계는 이 경계에 도달하여 머물 수 있는 이러한 액체 부분들을 수집하기 위한 수단으로 작용하고, 이 액체 부분들은 이후에 수집 경계를 따라 평행하게 흐르는 기체로부터 제거 될 수 있다. 액체가 수집 경계에 도달하고 기체 피흡수질을 흡수하는 작용의 정도는 액체 분자가 수집 경계에 도달하는 시간, 그 체류 시간, 기체가 채널을 통과하는 시간으로부터 평가될 수 있다. 당업자는 액막 형성 및 기체 성분의 흡수의 원하는 효과를 달성하기 위해 기체의 적절한 축방향 속도를 채택 할 수 있을 것이다. 로터 및 스크러빙 채널의 적합한 축방향 범위는 채널의 단면 폭의 100 내지 5000 배만큼 클 수 있다.

회전식 흡수 장치의 일 실시예에서 기체와 액체가 로터의 상류에 삽입되며, 이 장치에는 로터의 상류에 기체 유입구 및 흡수제 유입구가 제공된다. 본 실시예에서 기체 및 흡수 액체는 동일한 방향으로 흐르고, 즉 병류 흐름(con-current flow)을 나타낸다. 액체에 대해 기체의 흐름 방향을 다르게 정의할 수도 있다. 역류의 실시예에서, 흡수 액체 및 세정할 기체는 서로 반대 방향으로 흐른다. 역류 스크러빙의 주요 장점은 기체가 깨끗해질수록 흡수 액체의 오염물 농도가 낮아진다는 것이다.

회전식 흡수 장치의 다른 실시예에서, 기체 배출구 및 흡수 액체 배출구는 로터의 하류에 위치된다.

스크러빙 채널의 양은 응용에 따라 넓은 범위 내에서 선택될 수 있다. 회전식 흡수 장치의 적합한 실시예는 10 이상, 보다 바람직하게는 100 이상, 가장 바람직하게는 1000 이상의 양의 스크러빙 채널을 포함한다. 그 양을 증가시키면 로터에 걸친 압력 강하를 희생하여 효율을 증가시킬 수 있다. 하나의 회전 로터에 많은 개수의 채널을 결합하면 많은 양의 세척할 기체를 처리하기 위한 수단을 제공한다.

채널은 임의의 가능한 방식으로 로터에 제공될 수 있는데, 예를 들면 큰 실린더를 천공하여 실린더의 회전축에 평행하게 배열된 원하는 양의 채널이 제공될 수 있다. 다른 가능성은 복수의 좁게 이격된 동심 실린더를 제공하는 것이고, 2 개의 인접한 실린더 사이의 각각의 고리(annulus)는 적어도 하나의 방위상으로 배치된 축방향 연장 파티션에 의해 분할된다. 로터를 만드는 다른 수단도 고려될 수 있다.

채널은 흡수 액체 유입구와 배출구 사이에서 로터의 전체 축방향 길이에 걸쳐 벽으로 그 둘레가 완전히 둘러싸인다. 채널 벽에 구멍이나 개구부가 없으면 원심력의 작용으로 인해 흡수 액체가 반경 방향으로 누출되는 것을 효과적으로 방지할 수 있다. 이는 회전 요소의 전체 길이에 걸쳐 흡수 액체의 균일한 분포를 유지하도록 지원한다. 하부(하류) 단부에서, 원심력은 회전 요소 또는 로터를 떠날 때 흡수 액체를 방사상으로 밀어내는 수단으로서 작용한다. 따라서, 피흡수질이 채워진 액체는 작동 방식에 따라 하부(하류) 단부에서 회전 요소 또는 로터에 들어오거나 떠나가는 기체로부터 효과적으로 분리된다.

흡수 액체 유입구에 흡수 액체의 지속적인 흐름을 제공하기 위한 수단은 펌프를 포함할 수 있고, 또는 예를 들어 흡수 액체가 물을 포함하는 경우에는 물 공급 시스템에 의해 제공될 수 있다.

유입된 흡수 유체는 각각의 스크러빙 채널의 수집 경계에서 유체 막을 성장시킨다. 로터가 그 회전축이 수직이 되게 설치되면, 수집된 유체는 중력에 의해 아래로 흐르지 않고 바람직하게는 전단력으로 인해 스크러빙 채널에서의 기체 흐름에 동반될 것이다. 상기 채널에서의 전단력 크기는 스크러빙 채널의 압력 구배에 영향을 받을 수 있다. 이 압력 구배는 상류 기체의 압력, 즉 기체 유입구에서의 기체 압력에 의해 결정될 수 있다.

채널에서 전단력을 임의의 바람직한 크기로 증가시킬 수 있도록, 본 발명의 일 실시예는 유입구(공급) 기체를 위한 가압 수단을 추가로 포함하는 장치에 관한 것이다. 상기 방법의 상응하는 실시예에서, 유입구(공급) 기체는 최상의 결과를 위해 1 내지 20 bar, 보다 바람직하게는 1 내지 10 bar의 압력으로 가압된다.

원심력으로 인해, 로터와 그 스크러빙 채널을 떠날 때의 액체는 외측으로 밀려난다. 회전 그 자체는 분자 수송 및 흡수에 큰 영향을 미치지 않을 수 있다. 하지만 로터의 회전은 형성된 액막을 채널 벽에 유지시켜 그 막이 상기 벽을 벗어나는 것을 방지한다. 결과적으로, 얻어진 흡수와는 별도로, 기체와 액체의 양호한 분리가 흡수 장치에 내재된다. 따라서, 채널을 빠져 나갈 때 액체가 기체 스트림으로부터 잘 분리되어 수집될 수 있다. 하우징에서, 흡수 유체의 연속적인 수송을 위한 수단이 제공될 수 있다.

채널은 바람직하게는 회전축에 실질적으로 평행하게 제공된다. 회전축에 평행하지 않게 위치한 수집 벽을 적용하면 수집 경계에 평행하게 작용하는 원심력의 성분이 생기고 채널 벽을 따라 수집된 유체 막의 연속적인 수송을 강화하기 위한 또는 강화시키는 작용을 할 수 있다. 그러나, 이러한 경사 벽은 특히 층류 조건 하에서, 코리올리(Coriolis) 힘에 의한 2 차 유동과 같은 2 차 유동을 유발할 수 있다. 이러한 2 차 힘은 액체 입자의 방사상 이동 및 정착 과정을 방해 할 수 있다. 0.1 내지 1 라디안 정도의 작은 경사가 유리할 수 있다.

회전식 흡수 장치의 일 실시예는 로터의 상류 및/또는 하류에 제공된 흐름 안내 수단을 더 포함하며, 선택적으로 상류 흐름 안내 수단은 로터를 회전시키기 위한 수단으로서 작용한다.

회전식 흡수 장치의 적절한 실시예는 볼류트(volute), 고정자 블레이드 또는 임펠러, 또는 이들의 조합을 포함하는 흐름 안내 수단을 갖는다. 이는 특히 로터의 스크러빙 채널의 상류 및/또는 하류에 설치되어 구동되는 흐름 안내 수단을 제공할 때, 유입 기체를 회전시켜 장치에서의 압력 손실을 최소화할 수 있다. 흐름 안내 수단은 일부 실시예에서 로터를 회전시키기 위한 수단으로서 작용할 수 있다.

피흡수질(피흡수질의 일부)을 함유하는 흡수 액체를 효과적으로 수집하기 위해, 회전식 흡수 장치의 일 실시예는 흡수 액체 배출구에 연결되는 흡수 액체 수집기를 추가로 포함한다. 이 수집기는 바람직하게는 장치의 하우징 내에 제공되며, 예를 들어 하우징의 측벽에 대해 제공되는 원주형 릿지 또는 트레이로 구현될 수 있다.

로터에서 채널의 비교적 작은 단면 폭 때문에, 채널 내의 기체는 채널의 경계 벽에 놓인 액막에 다소 강한 전단력을 가할 수 있습니다. 이로 인해 액체가 기체 스트림과 같은 방향으로 흐를 수 있다. 기체와 액체가 동일한 방향으로 흐르고, 이러한 병류(con-current flows)에 의한 흡수의 추가적인 향상은 로터가 직렬로 제공되는 장치의 바람직한 실시예에 의해 달성 될 수 있다. 이와 관련하여 적합한 일 실시예는 하우징이 그 하우징 안에서 회전을 위해 장착된 제1 및 제2 로터를 포함하고, 제2 로터가 제1 로터로부터 축방향 하류에 제공되는 회전식 흡수 장치를 제공한다.

일 실시예에 따른 회전식 흡수 장치는 제1 및 제2 로터의 상류에 각각 위치한 제1 및 제2 흡수 액체 유입구를 포함하되, 제1 실시예와 조합될 수 있는 다른 실시예는 제1 및 제2 로터의 하류에 각각 위치한 제1 및 제2 흡수 액체 배출구를 포함한다.

회전식 흡수 장치의 또 다른 실시예에서, 제1 및 제2 흡수 액체 배출구 중 적어도 하나는 제1 및 제2 흡수 액체 유입구 중 적어도 하나에 재연결되고, 제2 흡수 액체 배출구가 제1 흡수 액체 입구에 재연결되는 장치가 특히 바람직하다. 서로 직렬로 배치된 2개의 로터의 경우, 제1 로터를 빠져 나가는 기체가 제2 로터로 들어가고, 새로운 흡수 액체가 제2 로터에 공급된다. 제 2 로터를 떠날 때, 부분적으로 사용된 흡수 액체는 제1 로터에 공급되어, 더욱 완전하게 활용된 흡수 액체로 이 로터를 떠나게 된다.

작동 시, 기체 중의 피흡수질의 농도는 액체 중의 피흡수질의 농도가 증가하면서 감소할 것이다. 액체 내의 특정 농도에 대응하는, 기체에서의 평형 농도는 온도를 포함하는 여러 가지 요인에 의해 결정된다. 액체의 온도가 높을수록 기체의 평형 농도는 높아진다. 따라서, 온도의 감소는 회전식 흡수 장치의 수율에 유리한 영향을 미치며, 바람직하게는 50 ℃ 미만, 보다 바람직하게는 40 ℃ 미만, 보다 바람직하게는 실온, 가장 바람직하게는 10 ℃ 미만의 온도에서 작동된다.

흡수된 성분의 전환을 돕는 화학 물질을 흡수 액체에 첨가하여 함으로써, 수율, 즉 액체에 의한 피흡수질의 흡수를 증가시킬 수 있다. 따라서 흡수된 기체와 반응하는 화학 물질을 첨가하면 흡수 수율에 긍정적인 영향을 미칩니다.

물 이외에 유기 액체가 흡수 액체로 사용될 수 있다. 적절한 경우에, 화학 물질 또는 미생물이 흡수 액체에 용해되어 있는 기체를 전환 또는 중화시키기 위해 흡수 액체에 첨가될 수 있다. 헨리의 법칙(Henry's Law)에 따르면, 이 전환에 의해 액체의 농도가 감소하여 더 많은 기체가 용해될 수 있다.

회전식 스크러빙 장치에서 액체-기체 비율은 흡수 액체 유량과 기체 스트림 유량 사이의 관계를 포함한다. 본 발명의 장치는 종래의 장치와 비교하여 원하는 잔류 방출을 실현하기 위해 m³기체당 더 적은 양의 액체를 필요로 할 수 있다.

원심으로 유도된 채널에서의 유체 입자의 시선 속도(radial velocity)는 매우 작을 수 있지만, 기체 및 액체의 유동에서의 작은 섭동은 기체 성분의 흡수 과정 및 외부 경계 벽에서의 액막 형성에 유리할 수 있다. 따라서, 스크러빙 채널의 수력학적 직경 및 평균 축방향 기체 속도는 채널의 레이놀즈 수가 1800을 초과하고, 보다 바람직하게는 2000을 초과하고, 기체가 (잠재적으로) 난류로 스크러빙 채널을 통과하도록 선택되는 방법의 실시예가 바람직하다. 난류는 일반적으로 채널을 통한 레이놀즈 수가 1800보다 큰 경우, 바람직하게는 2000보다 큰 경우에 달성된다. 레이놀즈 수는 주지되어 있고, 채널을 통한 기체 유동의 평균 축방향 속도, 캐리어 기체의 동점도 및 채널의 수력학적 직경에 의존한다. 수력학적 직경은 주지된 원리에 따라 결정될 수 있으며, 원형 채널 단면적에 대해서 그 직경과 동일하다. 기체의 평균 축방향 속도는 스크러빙 채널 위의 압력 구배에 의해 영향을 받을 수 있다. 스크러빙 채널에서 난류가 우세하면 아마도 흡수 액체로의 기체 분자의 더 나은 수송으로 인해 흡수 효율이 향상되는 것으로 나타났다. 난류 조건 하에서 액체에 작용하는 전단력이 층류 조건 하의 전단력에 비해 증가 할 것이다. 전단력의 증가는 기체와 액체의 병류를 일으킬 수 있고, 기체와 액체의 난류 및 병류가 스크러빙 채널에서 일어나는 방법의 실시예가 특히 바람직하다.

레이놀즈 수가 충분히 클 경우 채널의 난류 기체 유동이 우세할 것이다. 유속 및 채널 직경의 실제적으로 현실적인 값에 있어서, 난류가 되기 위해 충분히 큰 기체 밀도 값을 가지려면 2 bar 또는 심지어 5 bar의 채널 압력이 필요하다. 난류와 결합하여 증가된 압력과 밀도에서, 기체가 액막 상에 작용하는 전단력은 기체와 액체의 흐름이 적어도 부분적으로 동일 방향으로 발생할 정도로 클 것이다. 채널의 수직 위치에 대해서도, 중력이 기체의 상향 흐름과 반대로 중력에 의한 액체의 하향 흐름을 야기하기에 충분히 크지 않을 수 있다. 그러면 채널의 역류가 불가능할 수 있다. 반면, 2 bar 또는 5 bar 미만의 더 적당한 압력에서는, 기체 흐름이 일반적으로 층류이며 전단력이 더 이상 중력을 초과 할 수 없다. 그 후, 상부(장치의 상류 단부)에 액체를 주입하여 그 액체가 하향으로 흐르고 하부(장치의 하류 단부)에서 주입된 기체가 상향으로 흐르도록 함으로써 역류 작동이 가능할 수 있다. 상향 기체 흐름을 유도하기 위해 필요한 요구되는 압력차를 부여하기 위해 팬이 제공 될 수 있다. 이 실시예에서, 스크러빙된 기체는 상단에서 로터를 떠나고 피흡수질로 채워진 액체는 하단으로 나간다.

본 출원에 개시된 실시예들은 이러한 실시예들의 모든 가능한 조합의 형태로 조합될 수 있고, 그리고 각각 개별 실시예는 분할출원의 대상이 될 수 있음을 명백히 언급하는 바이다.

상기 간단한 설명, 및 본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련하여 제시된 현재 바람직하지만 그럼에도 단지 예시적인 실시예에 대한 이하의 상세한 설명을 참조하여 보다 충분히 이해할 수 있을 것이다. 여기서,
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 흡수 장치의 개략적인 평면도이고,
도 1b는 도 1a에 도시된 실시예의 평면 A-A에 따른 단면의 개략적인 측단면도이고,
도 2는 본 발명에 따른 회전식 흡수 장치의 다른 실시예의 측단면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 회전식 흡수 장치의 또 다른 실시예의 개략적인 측면도이고,
도 4a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 회전식 흡수 장치의 개략적인 평면도이고, 그리고
도 4b는 도 4a에 도시된 실시예의 평면 A-A에 따른 단면의 개략적인 측단면도이다.

도 1a 및 1b를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회전식 흡수 장치(100)가 도시되어 있다. 상기 장치(100)는 원통형 하우징(16)을 포함하고 상기 하우징 내에는 베어링(19)에 의해 지지된 샤프트(18) 상에 로터(17)가 장착되어 있다. 로터(17)는 회전축(20)에 평행하게 배열된 다수의 축방향으로 연장되는 스크러빙 채널(1)로 구성된다. 채널(1)은 채널(1) 내에서 잠재적으로 난류가 얻어질 될 수 있도록 치수가 정해진다.

로터(17)는 베어링(19)에 회전 가능하게 장착되고 원하는 경우 외부 구동될 수 있는 샤프트(18)에 고정된다. 로터(17)와 하우징(16) 사이에 발생할 수 있는 누출은 적절한 밀봉 장치에 의해 방지 될 수 있다. 하우징(16)에는 기체 유입구(2)와 기체 배출구(3)가 제공된다. 기체 유입구(2)는 원통형 하우징(16)의 상류 단부에서 원통형 하우징(16)의 위치(4)에 접선 방향으로 배치되어 하우징(16)에서 유입 기체의 소용돌이 회전운동을 유도하는 덕트로 구성된다. 상기 소용돌이 기체 운동은 회전 모터와 같은 외부 구동 수단 없이 하우징(16) 내에서 로터(17)의 회전을 유도한다.

기체 배출구 구성(3)은 기체 유입구 구성(2)의 거울상이며, 원통형 하우징(16)의 하류 단부에서 하우징(16)의 위치(5)에 접선 방향으로 배치되어 배출 기체가 위치(5)에서 하우징(16)을 떠날 때 소용돌이 회전운동을 변환 운동(translating motion)으로 안내하는 덕트를 포함한다.

접선 방향 유입구(2) 및 배출구(3)와는 별도로, 로터(17)의 상류 단부와 하류 단부에 제공된 고정식 곡선 블레이드(미도시)에 의해서도 회전 기체 운동이 발생 및 소멸될 수 있다. 정적 블레이드 구조의 내부는 로터(17)의 베어링(19)을 포함할 수 있다.

하우징(16)의 상부에는 그 상류 단부에 (신선한) 흡수 액체(21)를 위한 유입구(6)가 제공된다. 도시된 실시예에서, 액체(21)가 적절한 분무 장치에 의해 화살표(23)를 따라 로터(17) 위에 분무된다. 액체(21)가 로터(17)의 상부에 분무되고 축(20) 주위에서 로터의 회전이 채널(1) 상에 액체(21)의 균일한 분포를 제공한다. 로터(17)의 하류측에서는, 이제 피흡수질을 포함하는 흡수 액체(21)(피흡수질-함유 액체(22)로 칭함)가 로터(17)의 외측 경계 벽의 축방향 연장을 형성하는 원통형 쉘(7)의 대향 벽을 떠난다. 원통형 쉘(7) 벽의 내측에서는, 피흡수질-함유 액체(22)의 새로운 막이 형성되고, 이 액막은 원통형 쉘(7) 벽의 외측단에서 부서져서 액적으로 하우징(17) 내부에 제공된 원통형 융기부 형태의 액체 수집 챔버(8)로 밀려간다. 흡수 액체는 배출구(13)에서 하우징(16)을 떠난다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 수직 배열의 대안으로서, 일 실시예에 따른 회전식 흡수 장치(100)가 수평으로 위치될 수 있다. 채널(1) 내부의 액체(21)의 흐름은 로터(17)의 채널(1) 내부에서 흐르는 기체에 의해 가해지는 원심력 및 전단력에 의해 제어된다. 로터(17)의 채널(1)을 떠날 때, 피흡수질-함유 액체(22) 및 액적의 운동은 원심력에 의해 지배된다. 중력은 액체 흐름이 회전식 흡수 장치 외부에 제공된 수집 탱크(미도시)에 놓일 때에만 중요해진다.

기체 흐름과 독립하여 로터(17)를 회전시킬 필요가 있을 때 외부 구동장치 또는 엔진이 사용될 수 있다. 이러한 실시예에서 로터를 회전시키기 위한 이러한 수단은 예를 들어 자기 결합을 통해 로터(17)에 연결될 수 있다. 이러한 실시예에서는 하우징(16)을 관통하는 샤프트 피어싱이 필요하지 않으므로, 기체의 이탈을 방지하기 위해 복잡한 밀봉 장치의 사용을 방지하는 이점을 유지한다.

채널(1)의 작은 단면 폭으로 인해, 기체는 상류 단부에서 하류 단부까지 로터(17)를 따라 이동하면서 액체(21)에 다소 강한 전단력을 가할 것이다. 이는 액체(21)가 기체와 동일한 (하류) 방향(24)으로 흐르게 한다. 스크러빙 작업의 효율을 개선하기 위해, 도 2를 참조하면, 회전식 흡수 장치(100)의 일 실시예는 공통 샤프트(18) 상에 제공된 제1 로터(17a)와 제2 로터(17b)의 상류에 각각 배치되는, 흡수 액체(21a)를 위한 제1 흡수 액체 유입구(6) 및 흡수 액체(21b)를 위한 제2 흡수 액체 유입구(14)를 포함할 수 있다. 제1 로터(17a)의 하류 단부에는 제1 흡수 액체 배출구(13)가 제공되는 반면, 제2 흡수 액체 배출구(15)는 제2 로터(17b)의 하류에 제공되고, 상기 배출구(15)는 제1 유입구(6)에 재연결된다. 기체는 유입구(9)에서 장치(100)의 상단에서 접선으로 장치(100) 안으로 들어가고, 배출구(10)를 통해 하부에서 장치(100)를 떠난다. 회전 로터(17a, 17b)는 상단부(11) 및 하단부(12)에서 공통 샤프트(18)에 장착되어 있다. 로터들(17a, 17b)이 서로 축방향 거리를 유지하여 제1 로터(17a)에서 배출되는 액체를 제거하기 위한 배출구(13)를 제공할 수 있게 하고, 신선한 액체(21b)를 유입구(14)를 통해 제2 로터(17b)의 상류 단부에 주입한다. 제1 로터(17a)를 빠져 나가는 기체는 제2 로터(17b)로 들어가고, 새로운 흡수 액체(21b)가 유입구(14)를 통해 제2 로터(17b)에 공급된다. 제2 로터(17b)를 떠날 때, 부분적으로 사용된 흡수 액체가 제1 로터(17a)로 복귀하여 보다 완전하게 또는 심지어 완전히 활용된 흡수 액체(22b)로 로터(17a)를 떠난다.

선택적으로 공통 샤프트 상에 직렬 장착된 로터의 양은 역류 흡수의 구성을 보다 상세하게 근사하기 위해 2 개 이상으로 연장 될 수 있다. 그러므로, 적어도 2개의 로터, 보다 바람직하게는 적어도 3개의 로터, 및 더욱 바람직하게는 적어도 5개의 로터를 포함하는 회전식 흡수 장치를 채택하는 것이 가능하다.

회전식 흡수기(100)의 제 3 실시예가 도 3에 도시되어있다. 유입 기체 흐름(26)의 기체 압력이 압축기(25) 형태의 압축 수단에 의해 증가되고 가압된 기체가 기체 유입구(2)를 통해 본 발명에 따른 회전식 흡수기(100)의 로터의 하우징으로 유입된다. 신선한 스크러빙 유체 또는 흡수 액체가 기체 내의 오염물을 제거하기 위해 유입구(6)를 통해 하우징(16)으로 유입된다. 세정된 기체는 기체 배출구(3)을 통해 배출되고 사용된 흡수기 유체는 배출구(13)을 통해 배출된다. 압축기(25)는 회전식 흡수기(100)의 로터의 스크러빙 채널에서 난류를 설정하는 데 사용된다.

도 4a 및 4b를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 회전식 흡수 장치(100)가 도시되어 있다. 장치(100)는 2 가지 차이점을 제외하곤, 도 1a 및 1b에 도시된 실시예와 유사하다. 먼저, 하우징(16)에는 원통형 하우징(16)의 하류 단부에서 하우징(16)의 위치(4)에 접선 방향으로 위치하여 하우징(16) 내에서 유입 기체의 소용돌이 회전 운동을 유도하는 덕트로 구성된 기체 유입구(2)가 제공된다. 기체 배출구 구성(3)은 기체 유입구 구성(2)의 거울상이고, 원통형 하우징(16)의 상류 단부에서 하우징(16)의 위치(5)에 접선 방향으로 배치되어, 위치(5)에서 하우징(16)을 떠날 때 배출 기체를 소용돌이 회전 운동으로부터 변환 운동(translation motion)으로 안내하는 덕트를 포함한다.

도 1a 및 도 1b의 실시예에서와 같이, (신선한) 흡수 액체(21)를 위한 유입구(6)가 하우징(16)의 상부에서 그 상류 단부에서 제공된다. 로터(17)의 하류 측에서, 이제 피흡수질(피흡수질-함유 액체(22)로 칭함)를 함유하는 흡수 액체(21)는 로터(17)의 외측 경계 벽의 축방향 연장을 형성하는 원통형 쉘(7)의 대향 벽을 떠난다. 원통형 쉘(7) 벽의 내측에서, 피흡수질-함유 액체(22)의 새로운 막이 형성되고, 그 막은 원통형 쉘(7) 벽의 외부 단부에서 부서져서 액적으로 하우징(16) 내부에 제공된 원통형 융기부 형태의 액체 수집 챔버(8)로 밀려간다. 흡수 액체는 배출구(13)에서 하우징(16)을 떠난다.

도 4a 및 4b의 실시예는 스크러빙 장치의 하부(하류 단부)에서 주입된 기체가 상향으로 흐르면서 그 장치의 상부(상류 단부)에서 하방으로 흐르는 흡수 액체를 주입함으로써 스크러빙 장치의 역류 작동을 가능하게 한다. 압력차를 부여하고 기체 흐름을 보조하기 위해 팬이 제공될 수 있다. 스크러빙된 기체는 상부에서 회전 요소를 떠나고 피흡수질이 채워진 액체는 하부에서 나간다.

도 1a 및 도 1b의 실시예와 도 4a 및 도 4b의 실시예 사이의 두 번째 차이점은 후자는 흡수 액체의 오버플로우를 위한 복귀 도관(27)을 포함한다는 것이다. 복귀 도관(27)은 로터(17)의 상향 단부에서 하우징(16)에 연결되고 그리고 하우징(16)의 상류 단부에서 하우징의 상부에 제공된 유입구(6)에 연결된다. 오버플로우 된 흡수 액체는 도관(27)을 통해 유입구(6)로 복귀된다.

아래 설명된 바와 같이, 역류 및 난류 조건에서 장치를 작동할 때, 흡수 액체가 넘칠 수 있다. 레이놀즈 수가 충분히 클 경우에 채널에서 난류 기체 흐름이 우세하다. 유속 및 채널 직경의 실질적으로 현실적인 값에 있어서, 난류가 되기 위해 충분히 큰 기체 밀도 값을 가지려면 2, 3, 4 및 최대 5 bar의 채널 압력이 필요할 수 있다. 난류와 결합하여 증가된 압력와 밀도에서는, 기체와 액체 흐름이 동일한 방향으로, 즉 양쪽 모두 상향으로 흐를 수 있을 정도로 상향 스트리밍 기체가 채널에 형성된 액막 상에 작용하는 전단력이 클 수 있다. 채널이 수직 방향으로 배향된 경우에도, 채널에서 흡수 액체에 작용하는 중력은 기체의 상향 흐름과 반대 방향으로 흡수 액체의 하향 흐름을 야기하기에 충분히 크지 않을 수 있다. 경우에 따라 채널의 역류가 불가능할 수도 있다. 반면, 예를 들어 5 bar 미만, 보다 바람직하게는 4 bar 미만, 더욱 바람직하게는 3 bar 미만, 가장 바람직하게는 2 bar 미만의 보다 적당한 압력에서는, 상향 기체 흐름이 일반적으로 층류이고 채널 내의 피흡수질 액막 상에 상향 스트리밍 기체에 의해 가해지는 전단력은 더 이상 중력을 초과하지 않을 수 있다.

회전식 흡수 장치는 기체로부터 원하지 않는 기체 성분을 제거하기 위해 적용될 수 있다. 일 예는 메탄올 생산 공장의 가스 스트림에 존재하는 잔류 기체 메탄올을 스크러빙하는 것이다. 기체 메탄올의 양은 55 bar 및 주위 온도에서 45 Nm³/s의 기체 스트림에서 전형적으로 0.8 %이다. 회전식 흡수 장치(100)는 도 1에 도시된 구성에서 800 revs/분으로 회전하는 로터(17) 상에 2 l/s의 속도로 분무되는 물을 흡수 액체로 사용하여 메탄올의 농도를 0.04 %로 감소시킨다. 로터(17)는 0.35 m의 축방향 길이와 0.45 m의 직경을 가지는 원통형 쉘 내에 1.8 mm의 직경과 0.1 mm의 벽 두께를 가지는 45000 개의 모세관 채널을 포함한다.

본 발명에 따른 회전식 흡수 장치는 산업에서 자주 사용되는 스프레이 타워 및 습식 컬럼에 기반한 종래의 스크러빙 장치 및 방법을 개선한 것이다. 본 발명의 적용의 비제한적인 예는 CO₂, 암모니아, 수증기, 메탄올, SO₂, H₂S 등을 함유하는 기체의 스크러빙을 포함한다. 본 발명의 장치는 비교적 작은 기체 배출구로부터 기체 오염물을 제거하고 실내 기체 세정을 위해 유리한 치수 및 작동 조건을 갖는다. 이 장치는 또한 배기 기체로부터 SO₂를 스크러빙하는 데 사용될 수 있다. 본 발명의 장치의 비교적 작은 사이즈는 선박 및 다른 해상 응용에 특히 유리하다.

Claims (23)

1. 기체로부터 피흡수질(absorbate)을 스크러빙하기 위한 회전식 흡수 장치로서,상기 장치는 기체 유입구, 기체 배출구, 흡수 액체 유입구 및 흡수 액체 배출구를 갖는 하우징; 상기 하우징 내에 회전 가능하게 장착되고 상기 유입구들 및 배출구들에 연결되는 로터로서, 축방향으로 공통 회전축에 평행하게 연장되는 복수의 스크러빙 채널을 포함하는 로터를 포함하고, 상기 채널은 흡수 액체 유입구와 흡수 액체 유출구 사이에서 로터의 전체 축방향 길이에 걸쳐 벽으로 그 둘레가 둘러싸여 있고, 그리고 상기 장치는 상기 로터를 회전시키기 위한 수단 및 상기 흡수 액체 유입구에 흡수 액체의 지속적인 흐름을 제공하기 위한 수단을 더 포함하는, 회전식 흡수 장치.
2. 제1항에 있어서,
   기체 유입구 및 흡수 액체 유입구는 로터의 상류에 위치하고, 기체 유출구 및 흡수 액체 유출구는 로터의 하류에 위치하는, 회전식 흡수 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   유입구 기체의 압력을 증가시키도록 구성된 가압 수단을 더 포함하는, 회전식 흡수 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   복수의 스크러빙 채널의 개수가 10 이상, 더욱 바람직하게는 100 이상, 가장 바람직하게는 1000 이상인, 회전식 흡수 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
   흡수 액체 배출구에 연결되는 흡수 액체 수집기를 더 포함하는, 회전식 흡수 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   하우징은 상기 하우징에서 회전을 위해 장착된 제1 및 제2 로터를 포함하고, 상기 제2 로터가 제 1 로터로부터 축방향 하류에 제공된, 회전식 흡수 장치.
7. 제6항에 있어서,
   제1 및 제2 로터의 상류에 각각 위치하는 제1 및 제2 흡수 액체 유입구를 포함하는, 회전식 흡수 장치.
8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
   제1 및 제2 로터의 하류에 각각 위치하는 제1 및 제2 흡수 액체 배출구를 포함하는, 회전식 흡수 장치.
9. 제8항에 있어서,
   제1 및 제2 흡수 액체 배출구 중 적어도 하나는 제1 및 제2 흡수 액체 유입구 중 적어도 하나에 재연결되는, 회전식 흡수 장치.
10. 제9항에 있어서,
    제2 흡수 액체 배출구는 제1 흡수 액체 유입구에 재연결되는, 회전식 흡수 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    로터의 상류 및/또는 하류에 제공된 흐름 안내 수단을 더 포함하고, 선택적으로 상류 흐름 안내 수단은 로터를 회전시키기 위한 수단으로서 작용하는, 회전식 흡수 장치.
12. 제11항에 있어서,
    상기 흐름 안내 수단은 볼류트, 고정자 블레이드 또는 임펠러, 또는 이들의 조합을 포함하는, 회전식 흡수 장치.
13. 기체로부터 피흡수질을 스크러빙하는 방법으로서, 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 회전식 흡수 장치를 제공하는 단계, 기체 유입구에 기체를 공급하는 단계, 흡수 액체를 흡수 액체 유입구에 공급하는 단계, 상기 하우징 내에서 로터를 회전시켜서 흡수 액체가 스크러빙 채널의 내향 벽에 한정되어 거기에 막을 형성하도록 하는 단계, 기체로부터 흡수 액체로의 피흡수질의 분자 수송이 발생하게 하는 단계, 기체 배출구를 통해 기체를 그리고 흡수 액체 배출구를 통해 흡수 액체가 배출시키는 단계를 포함하는, 스크러빙 방법.
14. 제13항에 있어서,
    기체 및 흡수 액체가 로터의 상류에 공급되고, 기체 및 흡수 액체가 로터의 하류로 배출되는, 스크러빙 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    유입구 기체가 1 내지 20 bar, 보다 바람직하게는 1 내지 10 bar의 압력으로 가압되는, 스크러빙 방법.
16. 제14항 또는 제15항에 있어서,
    흡수 액체가 흡수 액체 배출구를 통해 배출되기 전에 수집되는, 스크러빙 방법.
17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 기체 및 액체는 상기 하우징에서 회전을 위해 모두 장착된 제1 및 제2 로터에 공급되고, 상기 제 2 로터는 상기 제 1 로터로부터 축방향 하류에 제공되는, 스크러빙 방법.
18. 제17항에 있어서,
    흡수 액체가 제1 및 제2 로터의 상류에 각각 위치한 제1 및 제2 흡수 액체 유입구로 공급되는, 스크러빙 방법.
19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    흡수 액체가 제1 및 제2 로터의 하류에 각각 위치한 제1 및 제2 흡수 액체 배출구를 통해 배출되는, 스크러빙 방법.
20. 제19항에 있어서,
    제1 및 제2 흡수 액체 배출구 중 적어도 하나로부터 배출되는 흡수 액체가 제1 및 제2 흡수 액체 유입구 중 적어도 하나로 다시 공급되는, 스크러빙 방법.
21. 제20항에 있어서,
    제2 흡수 액체 배출구로부터 배출되는 흡수 액체가 제1 흡수 액체 유입구로 다시 공급되는, 스크러빙 방법.
22. 제13항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    유입되는 기체 흐름을 하우징에 대해 접선 방향으로 안내함으로써 로터가 구동되는, 스크러빙 방법.
23. 제13항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    스크러빙 채널의 수력학적 직경 및 평균 축방향 기체 속도는 채널의 레이놀즈 수가 1800보다 크고, 그리고 기체가 난류로 스크러빙 채널을 통과하도록 선택되는, 스크러빙 방법.

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