KR20220107063A - 다성분 물질의 연속적인 열 분리 장치 - Google Patents

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앙나르 헬레네스
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헬레네스 홀딩 에이에스
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Abstract

본 발명은 용기 내의 처리 챔버로 공급되는 물질의 연속적인 열 분리를 위한 장치에 관한 것이다. 용기 이외에, 이 장치는 외부 열원이 있는 가열 디바이스 및 외부 회전 구동부가 있는 회전 메커니즘을 포함한다. 가열 디바이스 및 회전 구동부는, 가열 디바이스와 회전 구동부 모두가 각각의 작동 입력 전력(P hd 및 P rm )에서 작동될 때, 물질의 적어도 하나의 액체 구성 부분의 증발 온도(T e ) 이상인 결과적인 작동 온도(T op )가 용기의 내부 표면 근방의 체적(V p ) 내에서 획득되도록 구성된다.

Description

다성분 물질의 연속적인 열 분리 장치
본 발명은 주로 처리 챔버로 유동하는 다성분 물질의 연속적인 열 분리 장치에 관한 것이다.
이 장치는 폐기물과 부산물의 열 분리를 위한 메인 간접 에너지 기여자로서 폐열을 활용하는 데 특히 적합하다. 분리는 가열에 의해 물질로부터 유체를 제거하는 것을 수반한다.
고체 물질과 증발 가능한 액체를 모두 함유하는 다양한 물질은 물질을 액체의 증발 온도보다 높은 온도로 가열함으로써 열적으로 분리될 수 있다.
가열의 결과, 액체는 액체 상으로부터 기체 상으로 상이 변경되고, 고체는 건조된다. 이러한 열 분리 프로세스를 위한 장치는 본 기술 분야에 널리 알려져 있으며 일반적으로 "열 탈착 유닛(Thermal Desorption Unit)"(TDU) 또는 건조기로서 지칭된다. 열 처리 동안, 액체는 일반적으로 나중 또는 추가 처리 단계로 다시 액체 상으로 응축된다.
TDU는 식품 생산으로부터의 폐기물 및 부산물, 도시 슬러지, 정제 프로세스 또는 드릴링으로부터의 폐기물, 및 하나 이상의 증발 가능한 액체를 함유하는 다양한 기타 물질과 같은 많은 수의 다양한 물질을 처리하는 데 사용된다.
오늘날, 시장에서 상업적으로 이용 가능한 일반적인 열 분리 기술은 대략 2개의 범주, 즉
- 간접 가열 열 분리
- 마찰 기반 열 분리로 나뉠 수 있다.
대부분의 기존 TDU 기술은 간접 가열을 기초로 한다. 외부 열원은 컨테이너의 외부 벽을 가열하고 열은 컨테이너의 내부 표면을 통해 가열될 물질로 전달된다.
외부 열원은 원론적으로 컨테이너 내부 물질의 관련 액체를 증발시키는 데 필요한 온도로 물질을 가열할 수 있는 임의의 것이 될 수 있다. 가장 많이 사용되는 열원은 스팀, 고온 오일, 화염, 가열된 가스 또는 배기가스 및 전기(케이블, 요소, 인덕션 등)이다.
간접 방법을 사용하는 물질 건조 장치의 예는 특허 공개 GB1575576A호에 개시되어 있다. 이 간행물은 특히 드릴 절단물로부터 휘발성 물질을 제거하기 위한 유정 드릴 절단물 및 드릴링 유체의 혼합물의 처리에 관한 것으로, 가열 챔버 내의 절단물을 가열하여 내부의 휘발성 물질을 기화시키기 위한 히터를 포함한다. 절단물의 가열은 외부 전기 저항 요소 또는 열 전달 유체를 수반할 수 있으며, 열 전달 유체는 차례로 전기적 여기된 보조 열 교환기에 의해 가열된다.
폐기물을 분리하기 위한 관련 종래 기술의 간접 해결책을 개시하는 다른 관련 간행물은 슬러지를 건조하기 위한 증발기를 개시하는 US 5.375.343 A호 및 유동성 물질을 건조하기 위한 장치를 개시하는 US 3.808.701 A호가 있다.
US 5.375.343호의 증발기는 본질적으로 증발기의 길이에 걸쳐 연장되는 날개가 장착된 중공 원통형 및 외부 구동 로터를 포함한다. 장치는 증발기를 따른 점진적인 가열을 가정한다. 또한, US 3.808.701호의 장치는 수평으로 배열된 원통형 도관 및 도관 내에서 내부적으로 회전하는 로터를 포함한다. 로터는 도관의 내부 벽과 작동식으로 관련된 날개형 요소를 지지하며, 이는 유동성 물질을 와이핑하고, 순환시키며, 분쇄하고, 스크래핑하는 역할을 한다.
기존의 모든 간접(연속) 방법에는 시간(및 거리)이 경과함에 따라 질량이 점진적으로 가열되는 내부 운반 메커니즘이 있다. 온도는 약 섭씨 100도까지 상승하지만, 물의 증발에 필요한 모든 에너지가 폐기물로 전달되기 때문에 시간이 걸리게 된다. 물질이 또한 오일과 같이 증발 온도가 더 높은 액체를 함유하면, 이러한 액체의 대부분은 이후에 물질을 추가로 가열하기 전에 증발되지 않는다. 이러한 상황에서, 내부 운반 메커니즘은 길이가 10 내지 20 미터인 경우가 많으며, 폐기물의 모든 액체가 증발되는 데 최대 20분이 소요될 수 있다.
기존의 간접 방법의 주요 과제는 컨테이너 내부 표면으로부터 가열 대상 물질로의 열 전달이다. 시작부터, 이 물질 또는 물질들은 "습윤된 고체(들)"이다. 물과 가능하게는 오일과 같은 기타 액체는 일체형 부분이며 "자유"가 아니다. 이 물질은 중력에 의해 영향을 받으며 용기/컨테이너의 하부 영역(즉, 하단) 또는 그 근방에 위치될 것이다. 고체가 가열됨에 따라, 고체가 건조되고, 결과적으로 열 전달 속도가 곧 감소될 것이다. 강철로부터 액체 함유 물질로의 열 전달 속도는 처음에는 더 높지만, 열 전달은 점진적으로 컨테이너의 내부 벽과 물질의 건조된 고체 사이의 열 전달과 동일하거나 유사한 수준에 도달한다. 통상적인 드릴링 폐기물 조성, 즉, 오일, 물 및 광물성 고체에 대한 약 75W/m2K보다 간접 해결책에서 더 나은 평균 열 전달을 달성하는 것은 일반적으로 어려운 것으로 고려된다. 한 가지 과제는 고체가 가열된 표면에 절연층을 형성함으로써, 열 전달 효율을 감소시킨다는 사실과 관련이 있다. 단백질 함유 고체의 경우, 이는, 이러한 고체가 열에 의해 크게 영향을 받는 특성을 갖고 있어 잠재적으로 가치 있는 고체의 원치 않는 분해를 초래하기 때문에, 특별한 과제이다.
다른 한편으로, 마찰 기반 열 분리는 간접 열 분리와 매우 상이한 원리, 즉, 회전 구동으로부터 유도된 운동 에너지를 마찰에 의해 열 에너지(열)로 전달하는 원리를 기초로 한다. 이러한 마찰 기반 프로세스에서, 물질 수용 챔버의 내부 표면은 외부로부터 가열되지 않는다. 대신, 간접 해결책과 확실히 대조적으로, 전체 열 전달 표면, 즉, 폐기물에 있는 모든 건조된 입자의 결집된 표면은 완전히 프로세스 챔버 내에 있다. 이 결집된 표면적은 간접 해결책의 대응 열 전달 표면에 비교하여 매우 큼으로써, 내부 운반 메커니즘이 무의미하게 된다.
마찰 기반 해결책은 회전 에너지에 완전히 의존하므로, 잉여 열원이나 기타 외부 간접 열원을 이용하지 않는다.
또한, 마찰 기반 해결책의 에너지 손실은 일반적으로 상당하다. 예를 들어, 디젤 엔진이 필요한 회전 에너지 및/또는 디젤 발전기로부터 발생하는 전력을 생성하는 데 사용되는 경우 약 2/3의 손실이 통상적이다.
다음 특허 간행물은 공지된 마찰 기반 건조기의 관련 예를 개시한다.
US4869810(A)호는 드릴링 머드, 표백토(bleaching earth), 오일 탱크로부터의 슬러지, 오일 셰일 등으로부터 수중 오일 및 기타 증발 가능한 액체를 분리하는 방법을 개시하며, 머드의 공극에서 별개의 부분을 결속하는 모세관력은 마찰 증발기에서 파괴된다는 사실로 인해 머드는 종래의 증발보다 낮은 온도에서 증발된다.
WO02092187(A1)호는 증발에 의해 오일 함유 물질로부터 증발될 수 있는 오일, 물 및 기타 성분을 분리하는 방법을 개시한다. 증발은, 제2 성분의 증발에 의해 확립된 기체 상의 활용으로 인해 성분의 대기 비등점보다 낮은 온도에서 달성된다. 처리 챔버 및 상기 처리 챔버에 장착된 로터를 포함하는, 유체 함유 물질의 건조 수단이 또한 포함된다. 로터는 스윙할 수 없는 다수의 고정 로터 아암을 포함하고 처리 챔버의 내부 표면은 매끄럽다.
공지된 모든 마찰 기반 건조기의 작동은 회전 에너지의 광범위한 사용에 의존한다. 따라서, 잉여 에너지와 같은 대체 에너지 소스의 사용은 제한적이다.
임의의 공지된 열 기술(간접 방법 및 마찰 기반 방법 모두)의 일반적인 단점은 높은 작동 비용 및/또는 높은 투자 비용을 유발하는 많은 양의 에너지 소비이다.
이러한 이유로, 매립이나 소각과 같이 더 저렴하고 덜 효율적인 해결책이 선택되는 경우가 많다. 이러한 더 저렴한 해결책은 환경적 위험과 잠재적으로 가치 있는 자원의 낭비로 인해 문제가 되는 경우가 많다.
상기의 관점에서, 본 발명의 목적은 종래 기술 해결책의 사용과 관련된 전술한 문제 중 하나 이상을 해결하거나 적어도 완화하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 특정 목적은 보다 콤팩트한 장치를 사용할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 장치에 공급되는 다성분 물질의 보다 효율적인 분리를 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 장치 내로 공급되는 다성분 물질의 보다 효과적인 혼합을 제공하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 폐열원을 이용함으로써 건조 동안 보다 유리한 에너지 소비를 유발하는 방법을 제공하는 것이다. 사용되지 않은(유출된) 폐열/잉여 열을 활용하면 작동 비용을 크게 감소시킬 수 있다.
추가로, 또는 대안적으로, 본 발명은 오일 또는 건조된 바이오매스와 같은 발열량(calorific value)을 갖는 프로세스에서 분리된 성분을 포함하는 다른 잉여 에너지원의 효과적인 활용을 가능하게 하는 방법을 제공하는 목적을 갖는다. 이러한 폐기물의 예는 폐유, 폐용제, 폐기물 파생 연료, 카페트 및 텍스타일 폐기물, 플라스틱 또는 혼합 플라스틱 폐기물, 자동차 분쇄기 잔류물 및 육골분(meat/bone meal)(MBM)이 있다.
폐기물로부터의 잉여 열 및/또는 발열 성분은 현장, 예를 들어, 석유 드릴링 플랫폼에서 열 분리에 사용될 수 있다.
또한, 폐기물로부터의 잉여 열 및/또는 발열 성분은 다른 에너지 기여자를 부분적으로 또는 완전히 대체할 수 있다.
일부 기존 해결책은 열 분리를 위한 메인 에너지 공급으로서 잉여 열을 활용할 수 있다. 그러나, 이러한 해결책은 열 전달 용량이 제한되며 반드시 큰 가열 표면과 긴 내부 운반 메커니즘이 필요하다. 결과적으로, 크기가 커서 에너지 손실이 더 높으며, 열 손실을 피하고 위험을 감소하기 위해 비교적 더 큰 가열 표면을 보호/단열해야 한다.
본 발명은 독립 청구항에 기재되고 특징지어지며, 종속 청구항은 본 발명의 다른 특징을 설명한다.
일 양태에서, 본 발명은 처리 챔버 내로 공급되는 물질의 연속적인 열 분리에 적절한 분리 장치에 관한 것이다. 물질은 성분 중 적어도 하나가 증발 온도(T e )에서 증발할 수 있는 2개 이상의 성분을 포함한다.
분리 장치는 길이(l c ), 높이(H), 폭(W) 및 외부 표면을 갖는 처리 챔버를 둘러싸는 내부 표면을 갖는 용기 벽을 포함하는 용기를 포함한다. 길이(l c ) 및 높이(H)는 평균 길이(l c ), 챔버의 길이방향에 직교하고 길이방향을 따라 챔버 연장부를 가로지르는 평균 높이/폭(H, W)으로서 각각 정의된다는 점에 유의한다.
용기는 물질을 처리 챔버 내로 공급하기 위한 물질 입구, 고체 상태 입자와 같은 물질의 증발되지 않은 부분을 처리 챔버로부터 방출하기 위한 제1 출구, 처리 챔버로부터의 가스 및/또는 증기와 같은 물질의 증발된 부분을 방출하기 위한 제2 출구, 및 회전 메커니즘을 더 포함한다.
회전 메커니즘은 처리 챔버의 길이(l c )(이하, L 방향으로 약칭함)를 따라 처리 챔버 내에 적어도 부분적으로 배열된 회전 가능한 액슬 및 회전 가능한 액슬에 고정되고 액슬로부터 직교하여 연장되는 혼합 디바이스를 포함한다. 상기 회전 가능한 액슬은 바람직하게는 L 방향을 따라 처리 챔버의 중심축(C)(높이(H)와 폭(W)의 중간 위치)과 정렬되도록 배열된다. 더욱이, 상기 회전 가능한 액슬은 바람직하게는 L 방향을 따라 용기의 원위 단부 중 적어도 하나의 중심 지점을 통해 연장되며, 회전 가능한 액슬의 단부 중 적어도 하나는 용기의 외부 표면 외부에 위치된다. 또한, 혼합 디바이스의 반경방향 최외측 부분은 바람직하게는 반경방향으로 분리된 복수의 혼합 돌출부를 포함한다. 이들 혼합 돌출부는, 예를 들어 축방향 및 반경방향 모두에 분포된 단일 반경방향 돌출 로드 및/또는 혼합 디바이스 디스크의 반경방향 돌출부 내에 배열된 축방향 지향 로드의 형태일 수 있다.
분리 장치는 회전 가능한 축의 단부 또는 그 근방에 작동식으로 연결된 회전 구동부, 및 처리 챔버와 내부 표면 외부에, 예를 들어 외부 표면에 및/또는 용기 벽 내부에 배열된 가열 디바이스를 더 포함한다. 가열 디바이스는 내부 표면을 통해 열 에너지를 혼합 디바이스의 외부 반경방향 경계와 처리 챔버의 길이(l c )를 따른 내부 표면 사이에 한정된 처리 챔버 내의 최소 주변 체적(V p )으로 전달하도록 구성된다.
용어 '반경방향'은 이후에 L 방향에 직교하여 배향된 용기 내의 방향으로 정의된다는 점에 유의한다.
회전 구동부는 전기 모터, 연소 엔진 및 터빈 중 적어도 하나일 수 있다.
최소 주변 체적(V p )의 정의는 용기의 내부 벽(들)과 (모든 공간 방향에서) 혼합 디바이스의 외부 경계 외부 사이의 체적으로서 해석되어야 한다. 따라서, 혼합 디바이스 구조 사이의 임의의 빈 공간은 최소 주변 체적(V p )의 일부를 형성하지 않는다. 예를 들어, 용기가 내부 길이(l c ) 및 1 미터의 내경(d c )을 갖는 컨테이너이고 회전 가능한 액슬에 고정된 혼합 디바이스의 최외측 구조가 반경방향으로 평균 0.95 미터(d md ), 축방향으로 평균 0.90 미터(l md ) 연장되면, 최소 주변 체적(V p )은 다음과 같다:
V p = V 실린더 - V 혼합 디바이스 = 1/4π(d c 2l c - d md 2l md )
Figure pct00001
0.15 m3
여기서, d c = 1 미터, l c = 1 미터, d md = 0.95 미터 그리고 l md = 0.90미터이다.
혼합 디바이스는 회전축을 중심으로 반경방향 대칭인 바람직한 배향 상태로 회전 가능한 액슬에 축방향 오프셋으로 고정된 복수의 회전 디스크, 및 복수의 회전 디스크를 상호 연결하는 복수의 세장형 물체를 포함한다. 용기의 내부 벽과 회전 디스크의 외부 경계 사이의 체적은 본 명세서에서 최대 주변 체적으로 정의된다.
가열 디바이스 및 회전 구동부는, 가열 디바이스와 회전 구동부 모두가 각각의 작동 입력 전력(P hd 및 P rm )에서 작동될 때, 증발 온도(T e ) 이상인 결과적인 작동 온도(T op )가 최소 주변 체적(V p ), 바람직하게는 전체 최소 주변 체적(V p )의 적어도 일부 내에서 획득되도록 구성된다.
이러한 특정 구성으로, 분리 장치는 T e 에서 증발 가능한 성분(들)을 초기에 처리 챔버로 공급되는 물질의 평균 열 전달 속도보다 훨씬 높은 열 전달 속도를 갖는 증기 구름으로 증발시킬 수 있다.
더욱이, 회전 가능한 액슬은 또한 하나 초과의 회전 구동 유닛, 예를 들어 2개의 전기 모터, 전기 모터 및 연소 엔진 등에 연결될 수 있다고 예상될 수 있다.
예시적인 구성에서, 혼합 디바이스의 반경방향 직경(d md )과 처리 챔버의 반경방향 직경(d c ) 사이의 비율은 0.8 내지 1.0이다.
또한, 반경방향으로 분리된 복수의 혼합 돌출부는 혼합 디바이스의 축방향 길이(l md )에 걸쳐 회전 가능한 액슬을 따라 축방향으로 분포된 하나 이상의 세트로 분할될 수 있다. 각각의 세트에서 혼합 돌출부의 개수는, 해당 세트의 바로 전면의 축방향 위치에서 회전 가능한 액슬의 방향을 따라 볼 때, 회전 가능한 액슬 둘레의 완전한 원에서 축방향으로 가장 가까운 혼합 돌출부의 개수로서 정의된다.
전술한 바와 같이, 혼합 디바이스는 복수의 회전 디스크를 상호 연결하는 복수의 세장형 물체를 더 포함할 수 있다.
적어도 8개의 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부의 세트를 갖는 바람직한 예에서, 회전 구동부는 중력의 상당한 영향을 피하기 위해 초당 5 미터를 초과하는, 보다 바람직하게는 내부 표면에서 강렬한 혼합과 거의 즉각적인 가열 및 증발을 보장하기 위해 초당 20 미터 이상인 주변 회전 속도를 생성하도록 구성된다. 주변 회전 속도(v p )는 혼합 디바이스의 외부, 바람직하게는 최외측의 반경방향 경계에서 측정된다. 따라서, 혼합 디바이스가 반경방향 돌출 요소를 포함하는 경우, 최외측의 반경방향 경계가 방해 수단이 될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 이러한 경계는 혼합 디바이스의 세장형 물체일 수 있다.
초당 20 미터 이상의 주변 회전 속도에서, 최소 주변 체적(V p ) 내에서 물질의 적어도 일부에 대해 난류 유동 특성이 생성된다. 난류 유동 특성을 생성하는 것이 목표인 경우, 혼합 디바이스의 주요 목적은 운동 에너지를 마찰 열로 변환하는 것이 아니라 처리 챔버 내에 난류 증기 구름 - 주로 컨테이너의 내부 표면을 통해 외부 열원에 의해 가열됨 - 에 도달하고 유지하며 그리고 (동시에) 유입 물질에 함유된 고체가 생성된 증기 구름에 지속적으로 현탁되도록 처리 챔버 내부의 물질을 교반함으로써 증기 구름으로부터 유입 물질로의 지속적인 열 전달을 확보하는 것이다.
각각의 세트에서 필요한 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부의 개수는 다음 관계식에 따라 결정될 수 있고
# mp = C (d md /v p,min ),
여기서, C는 12π 이상의 상수이고, # mp 는 각각의 세트에서 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부의 개수이며, d md [m]은 각각의 세트에서 혼합 디바이스의 반경방향 직경이고 v p,min [m/s]는 내부 표면에 가장 가까운 각각의 혼합 돌출부의 위치에서 최소 주변 회전 속도이다.
전술한 바와 같이, 최소 주변 회전 속도(v p,min )는 작동 중에 최소 주변 체적(V p ) 내에서 물질에 대한 중력의 영향이 없거나 미미한 것이 보장되도록 설정된다. 예를 들어, d md = 1.1 m이고 v p,min = 5 m/s인 경우, # mp 는 적어도 8이어야 한다.
최소 주변 체적(V p ) 내에서 기판의 증발되지 않은 부분 및 증발된 부분이 작동 중에 난류 유동 특성을 달성하는 것을 보장하기 위한 더욱 더 바람직한 실시예에서, 상수 C는 각각의 세트에서 혼합 돌출부의 개수를 결정할 때 45π 이상, 예를 들어 60π 또는 80π로 설정될 수 있다. 따라서, 내부 표면에서 강렬하고 거의 즉각적인 가열이 달성된다. 예를 들어, d md = 1.1 m이고 v p,min = 25 m/s인 경우, # mp 는 C가 45π인 상태에서 적어도 6이어야 한다.
최소 주변 회전 속도(vp,min), 각각의 세트에서 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부의 개수(# mp ), 및 혼합 디바이스의 반경방향 직경(d md ) 사이의 위의 관계는 그 속도에 의해 설정된 각각의 혼합 돌출부로부터의 힘으로 인한 혼합/충돌 효과를 고려하지 않는다는 점에 유의한다.
반경방향으로 분리된 혼합 돌출부는 L 방향을 따라 오프셋으로 분포된 복수의 반경방향 돌출 요소를 포함할 수 있다. '반경방향 돌출 요소'라는 용어는 본 명세서에서 상당한 반경방향 구성요소로 배향되는 요소, 바람직하게는 세장형 요소, 예컨대 로드로서 정의된다. 반경방향 구성요소는 바람직하게는 요소의 총 길이의 50% 초과, 예를 들어 100%를 구성한다.
로드와 같은 복수의 반경방향 돌출 요소는 복수의 세장형 물체에 연결될 수 있으며, 가장 바람직하게는 예를 들어 나사를 사용하여 교체 가능하게 연결될 수 있다.
또한, 복수의 반경방향 돌출 요소는 회전 가능한 액슬 둘레에서 반경방향 대칭적으로 배열될 수 있다.
복수의 반경방향 돌출 요소 중 적어도 하나는 물질의 혼합 속도를 향상시키도록 설계된 내부 표면에 가장 가까운 단부 또는 그 근방에서 방해 수단 또는 구조를 포함할 수 있다. 방해 수단은, 예를 들어 날카로운 에지, 디스크, 망치 형상, 에어포일 등의 형상을 취할 수 있다. 적어도 후자의 2개의 예시적인 형상은 헤드 또는 선단 에지가 회전 메커니즘의 회전 방향을 향하도록 배향되어야 한다.
가열 디바이스는 최소 주변 체적(V p )의 적어도 일부 내에서 작동 온도(T op )에 도달하고 유지하는 데 필요한 총 열 에너지의 적어도 60%, 보다 바람직하게는 적어도 65%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 70%, 예를 들어 75%를 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 총 열 에너지의 잔여 부분은 회전 메커니즘의 회전 운동에 의해 생성된다.
분리 장치의 한 예시적인 구성에서, 처리 챔버는 내부 반경방향 직경(d c )(또는 일정하지 않은 경우 평균 내부 반경방향 직경(d c ))를 갖는 원통형 형상을 갖고, 여기서 길이(l c )와 내부 반경방향 직경(d c ) 사이의 비율(l c /d c )은 4.0 이하, 더욱 더 바람직하게는 2.5 이하, 더욱 더 바람직하게는 2.0 이하, 더욱 더 바람직하게는 1.5 이하, 예를 들어 1이다.
추가로, 또는 대안적으로, 상기 예시적인 구성에 대해, 혼합 디바이스는 입구로부터 출구로 L 방향을 따른 물질의 순 운반에 기여하지 않도록 배열되고 설계될 수 있다. 예를 들어, 방해 수단 및/또는 세장형 물체의 형상은 물질이 L 방향을 따라 푸시되지 않거나 미미한 양이 푸시되도록 될 수 있다.
다른 예시적인 구성에서, 복수의 회전 디스크 중 적어도 하나는 작동 동안 물질의 증발된 부분이 통과하게 하기 위한 적어도 하나의 관통 개구를 디스플레이한다. 이러한 관통 개구 중 적어도 하나는 회전축을 중심으로 반경방향 대칭적으로 설계될 수 있다. 더욱이, 적어도 하나의 관통 개구는 회전 가능한 액슬에 가장 근접하게 위치된 각각의 회전 디스크의 반경방향 절반에 배열될 수 있다.
특정 구성에서, 물질 입구가 있는 용기의 원위 단부에 가장 가깝게 위치된 회전 디스크는 콤팩트하고, 즉, 임의의 관통 개구가 없는 반면, 나머지 디스크는 이러한 개구를 디스플레이한다. 이에 의해, 물질의 증발되지 않은 부분이 제2 출구에서 용기 밖으로 전혀 유동되지 않거나 미미한 양이 유동되는 것이 보장된다.
용기는 내부 표면의 적어도 일부에 배열된 복수의 내부 리브를 더 포함할 수 있으며, 이에 의해 처리 챔버의 표면적을 증가시킬 뿐만 아니라 최소 주변 체적(V p ) 내에서 물질의 난류 발생을 증가시킬 수 있다. 내부 리브 각각은 처리 챔버 내로 반경방향으로 돌출되어 있다. 복수의 리브는 바람직하게는 내부 표면의 원주 둘레에서, 특히 L 방향을 따라 배향된 내부 벽에서 오프셋으로 분포된다.
또 다른 예시적인 구성에서, 가열 디바이스는 용기 벽의 외부 표면과 인클로저의 내부 표면 사이에 공극이 생성되도록 용기 둘레에 배열된 인클로저를 더 포함한다. 인클로저는 가열된 유체를 공극으로 공급하고 가열된 유체를 공극으로부터 방출하기 위한 열 입구 및 열 출구를 각각 포함한다. 공극의 적어도 일부는 또한 L 방향에 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 외부 핀을 포함할 수 있고, 이에 의해 외부 벽의 표면적을 증가시켜 열이 용기 벽으로 더 효율적으로 전달되게 할 수 있다. 외부 리브는 용기 벽의 외부 표면 및/또는 인클로저의 내부 표면(들)에 고정될 수 있다.
열 입구 및 열 출구를 통해 공극을 통과하는 가열된 유체는 스팀, 고온 증기, 용융 물질, 가열된 액체, 발전기로부터의 잉여 배기가스 및 엔진, 터빈 및/또는 소각로로부터의 잉여 배기가스 중 적어도 하나일 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 가열 디바이스는, 예를 들어 L 방향을 따라 연장되는 가열 채널 내에 삽입된 가열 로드의 형태로 용기 벽 내에 배열된 적어도 하나의 가열 요소, 예를 들어 적어도 하나의 전기 가열 요소를 포함할 수 있다. 이러한 가열 로드는 용기의 원주 둘레에 오프셋으로 분포될 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 가열 디바이스는 용기의 외부 표면 둘레에 배열된 전기 가열 요소, 마이크로파 히터 및/또는 유도 히터를 포함할 수 있다.
분리 장치는 유동(S i )에서 처리 챔버 내로 물질의 유동을 공급하기 위한 공급 디바이스, 작동 중에 제2 출구로부터 방출된 물질의 증발된 부분을 스크러빙하기 위한 스크러버, 및 작동 중에 제1 출구로부터 방출되는 증발되지 않은 부분을 수집하기 위한 고체 배출 탱크를 더 포함할 수 있다.
유동(S i )은 적절한 기간, 예를 들어 1분 또는 10분 또는 30분 또는 1시간 또는 3시간에 걸쳐 평균을 낸 경우 kg/h 단위의 유량으로서 측정될 수 있다.
열 에너지가 잉여 소스로부터 파생되는 경우, 본 발명은 다른 에너지 입력을 대체할 수 있고, 그에 의해 작동 에너지 비용을 크게 감소시키고 및/또는 CO2 등가물의 배출을 상당히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 개념적 사상은 증발이 즉각적으로 또는 거의 즉각적으로 발생하도록 외부 열원으로부터 폐쇄된 용기 내부에서 증발될 물질로 충분한 열 전달을 생성하는 것이다. 이는 증발이 더 점진적으로 발생하는 전통적인 간접 방법과 분명한 대조를 이룬다.
이러한 즉각적인 또는 거의 즉각적인 증발은, 외부 열원으로부터의 열이 주로 물질의 고체(예를 들어, 폐기물)로 전달되지 않고, 대신에 증발된 액체 및 (이미) 건조된 고체 입자를 함유하는 '증기 구름'에 전달되기 때문에 본 발명의 분리 장치에 의해 달성된다. 용기에 주입된 물질이 물을 함유하는 경우, '증기 구름'은 통상적으로 많은 양의 스팀을 함유한다.
열은 이후에 이 가열된 증기 구름으로부터 혼합 디바이스에 의한 혼합 하에 유입 물질로 전달된다. 높은 열 전달을 보장하기 위해, 이러한 혼합은 유리하게는 매우 강렬해야 하고 증기 구름을 구성하는 성분이 난류 유동 특성, 즉, 빠른 가속/방향 변경을 갖는 높은 내부 속도를 경험하는 지점까지여야 한다.
전술한 바와 같이, 강렬한 혼합/난류는 회전 메커니즘을 처리 챔버에 삽입함으로써 달성된다. 회전 메커니즘의 한 가지 목적은 최적의 혼합을 확보하고 전술한 가열 시스템과 함께 증기 구름을 생성하여 용기 벽으로부터 증기 구름의 다양한 성분으로 최적의 열 교환을 확보하는 것이다. 따라서, 물질 내에서 증발 가능한 성분의 즉각적인 또는 거의 즉각적인 증발이 달성된다.
결과적으로, 적어도 하나의 바람직한 실시예에서, 용기는, 작동 중에 항상, 내부 벽으로부터 그리고 또한 유입 물질로 최적의 열 전달 능력을 갖는 증기 구름을 함유한다.
고체 상태 입자는 원심력으로 인해 용기의 주변으로(즉, 전술한 최소 주변 체적(V p ) 내에) 강제되지만, 물과 같은 증발 가능한 성분의 지속적인 증발은 모든 내부 방향에서 강한 내향력을 생성함으로써, V p 에서도 높은 비율의 증발된 액체를 확보한다.
용기의 내부 벽에 대해 강렬한 혼합/난류를 생성하고 유지함으로써, 내부 표면이 깨끗하게 유지된다. 이 세정 프로세스는 작동 중 지속적인 최적의 열 전달 능력을 달성하는 목적을 추가로 돕는다. 혼합으로 인해, 고체 상태 입자는 내부 표면에 층을 형성할 수 없는데, 이들 표면은 증발된 액체와 고체 상태 입자를 모두 함유하는 증기 구름에 의해 지속적으로 "세정" 되기 때문이다. 강렬한 혼합은 또한 중력에 대항하여, 전체 내부 표면을 열 전달에 사용할 수 있음을 추가로 보장한다.
즉각적인 증발과 강렬한 혼합/난류의 결과로서, 분리 장치는 물질을 점진적으로 가열하는 내부 운반 메커니즘 없이 지속적으로 작동할 수 있다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 용기는 실질적으로 수평 위치에 배열될 수 있다. 그러나, 본 기술 분야의 숙련자는 용기가 또한 실질적으로 수직 위치에, 또는 실질적으로 수평 위치와 실질적으로 수직 위치 사이의 임의의 위치에 배열될 수 있다는 것을 알 것이다.
가열 디바이스와 회전 메커니즘의 조합은 알려진 간접 열 해결책보다 훨씬 더 효율적인 열 전달을 보장하는 열 탈착 유닛을 설정한다. 혼합 디바이스는 회전을 통해 물질을 분산 및 교반시킴으로써, 처리 챔버 내부에 "증기 구름 효과"를 제공한다.
처리 챔버 내부의 "증기 구름"의 강렬한 혼합은 주로 스팀 및 기타 증발된 액체 뿐만 아니라 폐기물의 고체 및 입자도 매우 짧은 시간 동안 처리 챔버의 내부 표면과 접촉하게 하고, 그 후, 증기와 입자는 내부 표면과 접촉 해제되게 이동되어 지속적으로 다른 새로운 증기 및 입자로 대체된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 처리 챔버의 내부 표면으로부터의 열 전달은 다음과 같이 발생한다:
- 혼합 디바이스는 처리 챔버에 존재하는 물질 성분에 강렬한 혼합(바람직하게는 난류)을 생성함으로써, (가열 디바이스에 추가하여) 증기 구름을 제공한다. 증기 구름은 증기(예를 들어, 수증기 및 오일과 같은 다른 기화된 액체로부터의 증기) 및 고체/입자를 포함할 수 있다.
- 내부 표면에 대한 이러한 강렬한 혼합은 내부 표면으로부터 증기 구름으로 높은 열 전달을 제공한다.
- 처리 챔버의 내부 표면으로부터 교환된 열(열 에너지)은 강렬한 혼합으로 인해 즉시 또는 거의 즉시 전체 증기 구름으로 분포된다.
전술한 바와 같이, 증기 구름의 고체 및 입자와 조합된 강력한 혼합은 가열 표면을 항상 깨끗하게 유지함으로써, 처리 챔버의 내부 표면으로부터 증기 구름으로의 열 전달을 향상시킨다. 증기 구름의 강한 교반은 처리 챔버 내부에 존재하는 물질의 전부 또는 거의 모두가 건조된 고체 및 거의 동일한 조성(즉, 상이한 성분 사이의 비율) 및 온도를 갖는 증기를 함유하도록 할 것이다.
더욱이, 적어도 L 방향을 따라 내부 표면이 가열되고 증기 구름과 접촉한다. 따라서, 다른 알려진 간접 방법에서와 같이 용기의 하단 영역만이 물질에 열을 전달하는 데 활성인 것을 피할 수 있다. 따라서, 열이 증기 구름으로 전달되고 혼합으로 인한 증기 구름이 처리 챔버의 전체 가열 표면과 접촉하기 때문에, 종래 기술 해결책에 비교하여 더 큰 유효 가열 표면이 획득된다.
다른 양태에서, 본 발명은 분리 장치를 사용하여 처리 챔버로 유동하는 물질을 열적, 바람직하게는 연속적 분리하는 방법에 관한 것이다.
분리 장치는 길이(l c ), 높이(H) 및 폭(W)의 처리 챔버를 둘러싸는 내부 표면을 갖는 용기 벽을 갖는 용기를 포함하고, 용기는 각각 적어도 하나의 물질 입구, 증발되지 않은 성분을 위한 적어도 하나의 제1 출구 및 증발 가능한 성분을 위한 적어도 하나의 제2 출구, 처리 챔버 외측에, 예를 들어 외부 표면에 및/또는 용기 벽 내에 배열된 가열 디바이스, 및 처리 챔버의 길이(l c )를 따라(이하, L 방향이라 지칭됨) 지향된 처리 챔버 내에 배열된 회전 가능한 액슬을 포함하는 회전 메커니즘을 포함한다. 회전 메커니즘은 L 방향에 직교하여 상당한 거리, 바람직하게는 처리 챔버의 중심축(C TC )과 내부 벽 사이의 선형 거리의 적어도 80%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 90% 연장되도록 회전 가능한 액슬에 고정된 혼합 디바이스를 더 포함한다. 혼합 디바이스의 반경방향 최외측 부분, 예를 들어 혼합 디바이스의 반경방향 연장의 최대 20%, 또는 반경방향 범위의 최대 10%는 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부의 축방향 오프셋 세트를 포함하여, 내부 표면에서 물질의 적어도 일부, 바람직하게는 모든 증발된 물질의 강렬한 혼합을 가능하게 한다. 중심축(C TC )은 L 방향을 따라 배향되고 처리 챔버의 평균 폭(W)과 평균 높이(H)의 중간 위치에 위치 설정된 축으로서 정의된다.
일 실시예에서, 혼합 돌출부는 혼합 디바이스의 잔여 부분의 최외측 경계로부터 반경방향으로 돌출하고 회전 가능한 액슬의 길이의 적어도 80%를 따라 간격을 두고 분포되는 로드의 형태일 수 있다.
다른 실시예에서, 돌출부는 회전 가능한 액슬에 평행한 혼합 디바이스의 길이에 걸쳐 연속적으로 연장된다. 예를 들어, 이러한 돌출부는 혼합 디바이스 디스크의 반경방향 돌출 부분 사이에 배열된 축방향 로드일 수 있다.
이 방법은 다음 단계를 포함한다(임의의 순서로):
A. 가열 디바이스의 사용에 의해 내부 표면을 가열하여, 바람직하게는 단계 B의 회전 메커니즘이 동작 중으로 설정될 때, 가열 디바이스로부터 내부 표면을 통해 혼합 디바이스(혼합 돌출부를 포함)와 내부 표면 사이에 한정된 처리 챔버의 최소 주변 체적(V p )으로 열 에너지를 전달하는 단계 - 여기서, 존재하는 경우, 열 에너지는 내부에서 생성된 증기 구름으로 전달됨(아래의 단계 D 참조) -,
B. 회전 가능한 액슬에 작동 가능하게 고정된 회전 구동부를 사용하여 초당 5 미터의 최소 주변 회전 속도(v p,min )를 초과하는 혼합 디바이스의 반경방향 외부 경계(즉, 혼합 돌출부의 반경방향 외부 경계)에서 측정된 주변 회전 속도(v p )로 회전 메커니즘을 회전시키는 단계,
C. 공급 디바이스, 바람직하게는 자동 공급 디바이스를 사용하여 적어도 하나의 물질 입구를 통해 처리 챔버 내로 물질을 공급하는 단계 - 물질은 2개 이상의 성분을 포함하고, 여기서 성분 중 적어도 하나는 증발 온도(T e )(예를 들어, 200℃ 미만)에서 증발될 수 있음 -,
D. - 가열 디바이스의 입력 전력 및
- 처리 챔버 내로의, 즉, 적어도 하나의 물질 입구 중 적어도 하나를 통한 물질의 유동,
- 회전 구동부의 입력 전력 및
- 적어도 하나의 제1 출구로부터 방출된 물질의 증발되지 않은 부분의 출력 유동 중 적어도 하나를 조절하여,
최소 주변 체적(V p )의 적어도 일부로 전달된 총 열 에너지가 작동 중에 증발 온도(T e )를 초과하는 작동 온도(T op )를 초래하고, 가열 디바이스에 의해 최소 주변 체적(V p )의 일부로 전달된 열 에너지의 양은 전달된 총 열 에너지의 60% 초과, 바람직하게는 적어도 65%, 더 바람직하게는 적어도 70%, 예를 들어 75%를 구성하는 단계.
강렬한 혼합과 조합된 전달된 총 열 에너지는 증발된 부분(들), 즉, 유체 상태(기체 또는 액체)의 성분(들)과, 건조 고체와 같은 증발되지 않은 부분의 혼합물을 포함하는 증기 구름을 생성한다.
그 결과, 최소 주변 체적(V p ) 내에서, 즉 내부 표면 상에서 또는 그 근방에서 거의 즉각적인 가열 및 증발이 초래된다.
혼합 디바이스의 최외측 반경방향 부분은 바람직하게는 반경방향으로 분리된 복수의 혼합 돌출부를 포함한다.
또한, 반경방향으로 분리된 복수의 혼합 돌출부는 혼합 디바이스의 축방향 길이(l md )에 걸쳐 회전 가능한 액슬을 따라 축방향으로 분포된 하나 이상의 세트로 분할될 수 있다. 각각의 세트에서 혼합 돌출부의 개수는, 해당 세트의 바로 전면의 축방향 위치에서 회전 가능한 액슬의 방향을 따라 볼 때, 회전 가능한 액슬 둘레의 완전한 원에서 축방향으로 가장 가까운 혼합 돌출부의 개수로서 정의된다.
더욱이, 회전 메커니즘의 최소 주변 회전 속도(v p,min )는 다음과 같이 추가로 정의되고
v p,min = C(d md /# mp ),
여기서,
C는 12π 이상의 상수이며,
# mp 는 각각의 세트에서 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부의 개수이고
d md [m]은 혼합 디바이스(즉, 혼합 돌출부를 포함)의 반경방향 직경이다.
반경방향으로 분리된 혼합 돌출부는, 예를 들어 상호 반경방향 오프셋을 갖는 복수의 축방향 평면과 정렬될 수 있고, 모든 축방향 평면은 중심축(C TC )과 교차한다.
각각의 세트의 혼합 돌출부가 반경방향 로드 형태이고, 이들 로드가 서로에 대해 실질적으로 축방향으로 이동되지 않으면, 내부 표면에서 물질의 증발되지 않은 부분과 증발된 부분의 최대 혼합이 처리 챔버 내의 하나의 반경방향 평면 또는 그 근방에서 발생한다. 이러한 구성에서, 혼합 디바이스는 혼합 돌출부의 복수의 이러한 반경방향 디스크를 포함한다. 혼합 돌출부가 혼합 디바이스의 반경방향 최외측 부분을 구성하는 축방향 로드 형태인 경우, 단일 세트만 존재할 수 있다.
바람직한 구성에서, 각각의 세트의 혼합 돌출부는 5개의 반경방향으로 분리된 축방향 평면과 정렬되도록, 즉, 중심축(C TC )을 따라 볼 때 서로 바로 후방에 설정된다. 전체 혼합 디바이스 길이(l md )에 걸쳐 총 100개의 혼합 돌출부가 있고 각각의 세트에 10개의 혼합 돌출부(# mp = 10)가 있는 특정 구성에서, 축방향 오프셋 반경방향 평면에 정렬된 9개의 추가 세트가 있다.
본 발명의 다른 예에서, 각각의 세트 내의 혼합 돌출부(들) 각각 또는 일부는 축방향으로 이동될 수 있다. 따라서, 혼합 디바이스의 축방향 길이(l md )를 따라 별개의 반경방향 평면에서 최대 혼합을 갖는 대신에, 내부 표면의 원주 둘레에 하나 이상의 스위핑 영역에서 최대 혼합이 발생한다.
후자의 예의 한 버전에서, 혼합 돌출부는 혼합 디바이스의 전체 축방향 길이(l md )에 걸쳐 축방향으로 지속적으로 이동된다.
특정 실시예에서, 회전 구동부의 입력 전력 및/또는 가열 디바이스의 입력 전력은 적어도 하나의 제1 출구로부터 방출되는 출력 유동에 의해 제어된다.
최소 주변 체적(V p )의 정의는 용기의 내부 벽(들)과 (모든 공간 방향에서) 혼합 디바이스의 외부 경계 외부 사이의 체적으로서 해석되어야 한다. 따라서, 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부 사이의 빈 공간은 최소 주변 체적(V p )의 일부를 형성하지 않는다. 예를 들어, 용기가 내부 길이(l c )와 내경(d c )이 모두 1미터인 컨테이너이고, 회전 가능한 액슬에 고정된 혼합 디바이스가 반경방향으로 평균 0.95 미터 연장되는 직경 d md 을 가지며 축방향으로 평균 0.90 미터 연장되는 길이(l md )를 가지면, 최소 주변 체적(V p )은 다음과 같다:
V p = V 실린더 - V 혼합 디바이스 = (1/4)π(d c 2l c - d md 2l md )
Figure pct00002
0.15 m3,
여기서, d c = 1 미터, l c = 1 미터, d md = 0.95 미터 그리고 l md = 0.90 미터이다.
따라서, 이 예에서, V p 는 용기의 전체 내부 체적의 약 20%를 구성한다.
8개의 혼합 돌출부 및 1.1 m의 직경으로 5 m/s 초과의 주변 회전 속도를 유지함으로써 또는 대안적으로 위에서 정의된 바와 같이 최소 주변 회전 속도(v p,min ) 이상인 주변 회전 속도(v p )로 유지함으로써, 중력의 영향이 회피되거나 대부분 회피되기 때문에, 내부 표면의 전부 또는 대부분이 열 전달에 이용되는 것이 보장된다. 더욱이, 내부 표면이 깨끗하게 또는 거의 깨끗하게 유지됨으로써, 기존 간접 해결책보다 상당히 높은 열 전달을 유지한다.
예를 들어, 1.1 미터의 직경 및 반경방향 최외측 부분에 배열된 8개의 혼합 돌출부 세트(각각의 세트의 혼합 돌출부는 공통 축방향 평면에서 상호 정렬됨)를 갖는 혼합 디바이스의 경우, 상기 관계식(vp,min = C(d md /#mp))을 사용한 혼합 디바이스의 최소 주변 회전 속도(v p,min )는 초당 약 5미터(5 m/s)가 된다.
내부 표면에서, 주변 회전 속도(v p )는 물질에 구심력(F c )을 생성한다. 이러한 구심력(F c )의 기본 공식은 다음과 같다:
F c = 2mv p 2/d md ,
여기서,
m[kg]은 혼합 돌출부의 최외측 단부에서 영향을 받는 질량이며,
v p [m/s]는 주변 회전 속도이고
d md [m]은 혼합 디바이스의 직경이다.
더욱이, 동일한 위치에서 지배적인 중력(F g )은
F g = mg이고,
여기서,
g[m/s2]는 중력 상수 = 9.8이고
m[kg]은 전술한 영향을 받는 질량이다.
구심력(F c )과 중력(F g ) 사이의 비율은 따라서 다음과 같다
F c /F g = (2v p 2)/(d md g) ≒ 0.2(v p 2 /d md )
구심력(Fc)은 주변 회전 속도(v p )의 제곱에 비례하므로, 5 m/s 이상의 속도 및 약 1.1 미터의 혼합 디바이스 직경(d md )이 약 5, 즉, 1보다 상당히 높은 비율 F c /F g 을 제공한다.
따라서, 분리 동안 중력의 바람직하지 않은 영향을 피하기 위해, 주변 회전 속도(v p )는 (이러한 구성으로) 5 m/s만큼 낮을 수 있다.
더욱이, 각각의 반경방향 평면/스위핑 영역(들)에 대해 8개의 혼합 돌출부의 세트(# mp = 8)가 있고 혼합 디바이스 직경이 2 미터(d md = 2)인 혼합 디바이스는 9.4 m/s의 최소 주변 회전 속도(v p,min )를 초래한다. 유사한 결과가 # mp = 13 및 d md = 3.25 m로 획득된다. 따라서, 작동 중 중력의 심각한 영향을 피하기 위해 필요한 최소 속도는 혼합 디바이스 직경(d md )을 변경하거나 혼합 돌출부의 개수(#mp)를 변경하거나 그 조합에 의해 변경될 수 있다.
'반경방향'이라는 용어는 이하에서 L 방향에 직교하는 방향을 의미한다는 점에 유의한다.
유리한 작동에서, 회전 메커니즘의 주변 회전 속도(v p )는, 최소 주변 체적(V p ) 내에서 물질(증기 구름 형태)의 임의의 증발되거나 기화된 성분/부분의 일부 또는 전부가 난류 유동 특성, 즉, (층류와 달리) 압력 및 유동 속도의 혼란스러운 변화의 내부 상태를 특징으로 하는 이동 패턴을 취득하도록 조절된다.
이러한 난류 유동 특성의 존재는 용기 벽과 증기 구름 사이의 온도 차이 △T를 측정함으로써 검출될 수 있다. △T의 상당한 강하가 측정되고, 및/또는 최소 △T가, 예를 들어 약 50 K로 발견되면, 내부 벽을 향해 지향되는 유체 유동의 양이 높아져 난류 속도 패턴을 나타낸다.
최소 주변 체적(V p ) 내에서 고도의 난류를 생성하기 위해, 회전 메커니즘의 주변 회전 속도(v p )는 vp,min= C(d md /#mp)(C ≥ 45π)의 최소 주변 회전 속도(v p,min )를 초과하는 속도, 즉, 작동 중 중력 효과로부터의 상당한 영향을 피하기 위해 전술한 속도 기준의 적어도 3.75배로 설정될 수 있다.
상기와 동일한 예시적인 구성, 즉, 반경방향 최외측 부분에 배열된 8개의 혼합 돌출부 세트를 갖는 혼합 디바이스 및 1.1 미터의 직경(d md )을 갖는 혼합 디바이스를 사용하여, 혼합 디바이스의 최소 주변 회전 속도(v p,min )는 이 유리한 작동에서 약 19.4m/s이다.
더욱 고도의 난류 및 열 전달 효율을 보장하기 위해, 더 유리한 작동은 다음의 최소 주변 회전 속도(v p,min )를 갖고
vp,min = C(d md /# mp ),
여기서, C ≥ 60π, 또는 보다 우수하게는 C ≥ 80π이다.
상기 예시적인 구성으로, v p,min 은 각각 약 25.9 m/s 또는 약 34.5 m/s일 것이다. 증가된 주변 회전 속도(v p )는 난류를 증가시켜 원하는 열 전달 효율의 증가를 초래한다.
24개의 혼합 돌출부의 세트(# mp = 24)와 1.1 m의 혼합 디바이스 직경(d md )을 사용하여, 동일한 강렬한 혼합(난류 유동 특성을 생성)이 11.5 m/s를 초과하는 속도로 획득된다. 그러나, 더 높은 속도는 혼합 체적에 걸쳐 스위프 개수의 증가에 기여할 뿐만 아니라 더 격렬한 물질 충돌('블로잉 효과')에 기여하기 때문에, 열 전달 효율은 동일한 패스 개수에 비교하여 감소되지만 더 높은 주변 속도를 갖는다.
이들 예는 혼합 디바이스의 길이(l md )를 따라 공통 축방향 평면에 정렬된 혼합 돌출부 세트를 가정한다는 점에 유의한다.
이 특정 구성에 대한 다른 가능한 최소 주변 회전 속도(v p,min )는 20 m/s 초과, 25 m/s 초과 또는 30 m/s 초과일 수 있다. 이 구성을 위한 난류 유동 특성에 대한 강렬한 혼합을 보장하는 주변 회전 속도(v p )의 특정 예는 40 m/s일 수 있다.
난류 유동 특성은 물질의 고체가 더 높은 SG를 갖는 물질(예를 들어, 드릴링 폐기물의 고체)에 비교하여 낮은 비중(specific gravity)(SG)(예를 들어, 바이오매스)을 갖는 경우에 더 낮은 주변 회전 속도로 달성될 것이다.
최소 주변 회전 속도(vp,min), 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부의 개수(# mp ), 및 혼합 디바이스의 반경방향 직경(d md ) 사이의 위의 관계는 그 속도에 의해 설정된 각각의 혼합 돌출부로부터의 힘으로 인한 혼합 효과를 고려하지 않는다는 점에 유의한다. 따라서, C, d md 및 # mp 의 각각의 특정 구성에 대해, 0보다 더 큰 vp,min의 더 낮은 임계값이 있다.
또한, 혼합 돌출부 세트가 축방향 정렬로부터 크게 벗어나는 경우(즉, 공통 축방향 평면과 교차), 전술한 관계식은 조절 인자(f mp )에 의해 보정될 수 있다:
vp,min = f mp C (d md /#mp)
여기서, 조절 인자(f mp )는 혼합 디바이스의 길이에 따른 축방향 정렬로부터의 편차 정도에 따른 현상학적 인자이다. 축방향 정렬 정도가 낮으면 f mp 가 높게 된다. 예를 들어, C = 80π, d md = 1.1, v p.min = 34.5 m/s 및 # mp = 100이 혼합 디바이스의 길이(l md )를 따라 반경방향 및 축방향으로 균등하게 분포되고 거의 무작위 반경방향 분포인 경우, f mp = 12.5이다.
분리 장치의 예시적인 구성에서, 회전 메커니즘의 회전 가능한 액슬은 챔버의 중심축(C TC )과 정렬되도록 배열된다.
다른 예시적인 구성에서, 회전 가능한 액슬은 용기의 적어도 하나의 원위 단부 벽의 중심 지점을 통해 연장된다.
또 다른 예시적인 구성에서, 처리 챔버는 반경방향 직경(d c )(또는 일정하지 않은 경우 평균 반경방향 직경(d c ))를 갖는 원통형 형상을 갖고, 여기서 길이(l c )와 반경방향 직경(d c )(L/d c ) 사이의 비율은 4.0 이하, 보다 바람직하게는 2.5 이하, 더욱 더 바람직하게는 2.0 이하, 더욱 더 바람직하게는 1.5 이하, 예를 들어 1이다.
추가로, 또는 대안적으로, 상기 예시적인 구성에 대해, 혼합 디바이스는 입구로부터 출구로 L 방향을 따른 물질의 순 운반에 기여하지 않도록 배열되고 설계될 수 있다. 예를 들어, 방해 수단 및/또는 세장형 물체의 형상은 물질이 L 방향을 따라 푸시되지 않거나 미미한 양이 푸시되도록 될 수 있다.
또 다른 예시적인 구성에서, 혼합 디바이스는 회전축을 중심으로 반경방향 대칭인 바람직한 배향 상태로 회전 가능한 액슬에 축방향 오프셋으로 고정된 복수의 회전 디스크, 및 복수의 회전 디스크를 상호 연결하는 복수의 세장형 물체를 포함한다. 복수의 회전 디스크 중 적어도 하나는 작동 동안 물질의 증발된 부분이 통과하게 하기 위한 적어도 하나의 관통 개구를 디스플레이할 수 있다. 이러한 관통 개구 중 적어도 하나는 회전축을 중심으로 반경방향 대칭적으로 설계될 수 있다. 더욱이, 적어도 하나의 관통 개구는 회전 가능한 액슬에 가장 근접하게 위치된 각각의 회전 디스크의 반경방향 절반에 배열될 수 있다. 이 특정 구성에서, 최대 주변 체적은 용기의 내부 벽과 회전 디스크의 외부 경계 사이의 체적으로서 정의될 수 있다.
또 다른 예시적인 구성에서, 물질 입구(즉, 제2 출구(5)의 대향 단부에서)가 있는 용기의 원위 단부에 가장 가깝게 위치된 회전 디스크는 콤팩트하고, 즉, 임의의 관통 개구가 없는 반면, 나머지 디스크는 이러한 개구를 디스플레이한다. 이에 의해, 원심력으로 인해 내부 표면에 존재하는 처리 챔버 내의 건조 물질과 같은 증발되지 않은 부분(들)이 혼합 디바이스, 즉, 기체 또는 기체 성분이 물질의 가장 지배적인 부분을 구성해야 하는 챔버의 섹션으로 안내되지 않는 것이 보장된다. 따라서, 원위 단부에서의 회전 디스크가 폐쇄되지 않으면, 증발되지 않은 부분(들)이 디스크의 개구를 통해 회전 가능한 액슬 근방의 물질의 증발된 부분(들)의 유동으로 안내될 가능성이 있다. 증발되지 않은 부분(들)의 이러한 유동은 제2 출구로부터 증발되지 않은 부분(들)이 원치 않게 방출될 위험을 증가시킨다.
또 다른 예시적인 구성에서, 용기는 내부 표면의 적어도 일부에 배열된 복수의 내부 리브를 더 포함할 수 있으며, 이에 의해 처리 챔버의 표면적을 증가시킬 뿐만 아니라 최소 주변 체적(V p ) 내에서 물질의 난류 발생을 증가시킬 수 있다. 내부 리브 각각은 처리 챔버 내로 반경방향으로 돌출되어 있다. 복수의 리브는 바람직하게는 내부 표면의 원주 둘레에서, 특히 L 방향을 따라 배향된 내부 벽에서 오프셋으로 분포된다. 그러나, 복수의 리브 각각은 또한 L 방향에 직교하는 내부 표면의 원주를 따라 배열되고, L 방향을 따라 오프셋으로 분포될 수 있다.
또 다른 예시적인 구성에서, 가열 디바이스는 용기 벽의 외부 표면과 인클로저의 내부 표면 사이에 공극이 생성되도록 용기 둘레에 배열된 인클로저를 포함한다. 인클로저는 용기 벽을 통해 처리 챔버로 열을 전달하기 위한 목적으로 가열된 유체를 공극으로 공급하기 위한 열 입구 및 공극으로부터 냉각된 유체를 방출하기 위한 열 출구를 포함한다. 공극의 적어도 일부는 또한 핀과 같은 복수의 돌출 요소를 포함할 수 있으며, 이에 의해 외부 벽의 표면적을 증가시켜 열이 용기 벽으로 더 효율적으로 전달되게 할 수 있다. 돌출 요소/핀은 용기 벽의 외부 표면에 고정되며 가능하게는 인클로저의 내부 표면(들)에도 고정된다. 또한, 핀은 L 방향으로 연장될 수 있다.
열 입구 및 열 출구를 통해 공극을 통과하는 가열된 유체는 스팀, 고온 증기, 용융 물질, 가열된 액체, 또는 엔진, 터빈 또는 소각로로부터의 배기가스 중 적어도 하나일 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 가열 디바이스는, 예를 들어 L 방향을 따라 연장되는 채널 내에 삽입된 가열 로드의 형태로 용기 벽 내에 배열된 적어도 하나의 가열 요소, 예를 들어 적어도 하나의 전기 가열 요소를 포함할 수 있다. 이러한 가열 로드는 용기의 원주 둘레에 오프셋으로 분포될 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 가열 디바이스는 용기의 외부 표면 둘레에 배열된 전기 가열 시스템, 마이크로파 가열 시스템 및/또는 유도 가열 시스템을 포함할 수 있다.
분리 장치는 유동(S i )에서 처리 챔버 내로 물질의 유동을 공급하기 위한 공급 디바이스, 작동 중에 제2 출구로부터 방출된 물질의 증발된 부분으로부터 미세 고체를 제거하기 위한 스크러버, 및 작동 중에 제1 출구로부터 방출되는 증발되지 않은 부분을 방출 및 수집하기 위한 고체 배출 시스템을 더 포함할 수 있다.
유동(S i )은 적절한 기간, 예를 들어 1분 또는 10분 또는 30분 또는 1시간 또는 3시간에 걸쳐 평균을 낸 경우 kg/hr 단위의 질량 유량으로서 측정될 수 있다.
단계 D를 참조하면, 가열 디바이스에 대한 입력 전력 및/또는 회전 구동부에 대한 입력 전력은 일정한 수준으로 설정될 수 있으며, 여기서 유동(S i )은 최소 주변 체적(V p )의 적어도 일부 내에서 작동 온도(T op )가 달성되고 유지되도록 조절된다.
대안적으로, 유동(S i )은 일정한 속도로 설정될 수 있고, 가열 디바이스에 대한 입력 전력 및/또는 회전 구동부에 대한 입력 전력은 최소 주변 체적(V p )의 적어도 일부 내에서 작동 온도(T op )가 달성되고 유지되도록 조절된다.
또 다른 예시적인 구성에서, 분리 장치는 처리 챔버 내의 및/또는 처리 챔버에서의 온도가 직접 또는 간접적으로 측정될 수 있도록 배열된 온도 센서, 및 온도 센서, 공급 디바이스, 가열 디바이스 및/또는 회전 구동부와 신호 통신하는 제어 시스템을 더 포함한다. 상기 온도는, 예를 들어 처리 챔버의 내부 표면에서 및/또는 제2 출구에서 및/또는 제1 출구에서 및/또는 용기 벽 내부에서 및/또는 용기 벽의 외부 표면 상의 어딘가에서 측정될 수 있다. 처리 챔버 내부 또는 처리 챔버에서 측정된 온도는 본 명세서에서 물질 온도로서 정의될 것이다.
제어 시스템은 온도 센서 측정된 물질 온도에 기초하여 유동(S i ), 가열 디바이스에 대한 입력 전력 및 회전 구동 모터에 대한 입력 전력 중 적어도 하나를 자동으로 조절하도록 구성된다. 온도 측정은 시간 간격으로 또는 연속적으로 또는 그 조합으로 수행될 수 있다. 이러한 측정값의 위치는 처리 챔버의 내부에서, 처리 챔버에서 또는 그에 인접하여 임의의 위치에서, 예를 들어 제1 출력 또는 근방에서 및/또는 물질 입력 또는 그 근방에서 있을 수 있다.
예를 들어, 단계 D는 다음과 같은 부분 단계를 포함할 수 있다:
- 온도 센서를 사용하여 물질의 온도를 측정하는 단계,
- 물질 온도를 물질 온도의 함수로서 새로운 유동(S n )을 다시 계산하는 제어 시스템으로 송신하는 단계, 및
- 공급 디바이스에 신호를 송신하여 유동(S i )을 새로운 유동(S n )으로 조절하는 단계.
이들 부분 단계는 통상적으로 가열 디바이스의 입력 전력과 회전 구동부의 입력 전력을 일정하거나 거의 일정하게 설정된 작동 파라미터로 유지하면서 수행된다.
열 에너지가 잉여 소스로부터 파생되는 경우, 본 발명은 전력과 같은 다른 에너지 입력의 대체 또는 감소를 가능하게 함으로써, 전체 에너지 비용 및/또는 소비를 상당히 감소시키고 및/또는 CO2 등가물의 배출을 상당히 감소시킬 수 있다.
다른 양태에서, 본 발명은 처리 챔버 내로 공급되는 물질의 연속적인 열 분리에 적절한 분리 장치에 관한 것이다. 물질은 성분 중 적어도 하나가 증발 온도(T e )에서 증발할 수 있는 2개 이상의 성분을 포함한다.
분리 장치는 길이(l c )와 높이(H) 및 외부 표면을 갖는 처리 챔버를 둘러싸는 내부 표면을 갖는 용기 벽을 포함하는 용기를 포함한다. 길이(l c ) 및 높이(H)는 평균 길이(l c ) 및 챔버의 길이방향에 직교하고 길이방향을 따라 챔버 연장부를 가로지르는 평균 높이(H)로서 각각 정의된다는 점에 유의한다.
용기는 물질을 처리 챔버 내로 공급하기 위한 물질 입구, 고체 상태 입자와 같은 물질의 증발되지 않은 부분을 처리 챔버로부터 방출하기 위한 제1 출구, 처리 챔버로부터의 가스 및/또는 증기와 같은 물질의 증발된 부분을 방출하기 위한 제2 출구, 및 회전 메커니즘을 더 포함한다.
회전 메커니즘은 처리 챔버의 길이(l c )(이하, L 방향으로 약칭함)를 따라 처리 챔버 내에 적어도 부분적으로 배열된 회전 가능한 액슬 및 회전 가능한 액슬에 고정되고 액슬로부터 직교하여 연장되는 혼합 디바이스를 포함한다. 상기 회전 가능한 액슬은 바람직하게는 L 방향을 따라 처리 챔버의 중심축(C TC )(높이(H)와 폭(W)의 중간 위치)과 정렬되도록 배열된다. 더욱이, 상기 회전 가능한 액슬은 바람직하게는 L 방향을 따라 용기의 원위 단부 중 적어도 하나의 중심 지점을 통해 연장되며, 회전 가능한 액슬의 단부 중 적어도 하나는 용기의 외부 표면 외부에 위치된다.
분리 장치는 회전 가능한 액슬의 단부 또는 그 근방에 작동식으로 연결된 회전 구동부, 및 처리 챔버와 내부 표면 외부에, 예를 들어 외부 표면에 및/또는 용기 벽 내부에 배열된 가열 디바이스를 더 포함한다. 가열 디바이스는 내부 표면을 통해 처리 챔버 내의 최소 주변 체적(V p )으로 열 에너지를 전달하도록 구성된다.
최소 주변 체적(V p )의 정의는 제1 양태의 정의와 동일하다.
회전 구동부는 전기 모터, 연소 엔진 및 터빈 중 적어도 하나일 수 있다.
혼합 디바이스는 회전축을 중심으로 반경방향 대칭인 바람직한 배향 상태로 회전 가능한 액슬에 축방향 오프셋으로 고정된 복수의 회전 디스크, 및 복수의 회전 디스크를 상호 연결하는 복수의 세장형 물체를 포함한다.
가열 디바이스 및 회전 구동부는, 가열 디바이스와 회전 구동부 모두가 각각의 작동 입력 전력(P hd 및 P rm )에서 작동될 때, 증발 온도(T e ) 이상인 결과적인 작동 온도(T op )가 최소 주변 체적(V p ), 바람직하게는 전체 최소 주변 체적(V p )의 적어도 일부 내에서 획득되도록 구성된다.
이러한 특정 구성으로, 분리 장치는 T e 에서 증발 가능한 성분(들)을 초기에 처리 챔버로 공급되는 물질의 평균 열 전달 속도보다 훨씬 높은 열 전달 속도를 갖는 증기 구름으로 증발시킬 수 있다.
더욱이, 회전 가능한 액슬은 또한 하나 초과의 회전 구동 유닛, 예를 들어 2개의 전기 모터, 전기 모터 및 연소 엔진 등에 연결될 수 있다고 예상될 수 있다.
혼합 디바이스는 L 방향을 따라 오프셋으로 분포된 복수의 반경방향 돌출 요소를 더 포함할 수 있다. '반경방향 돌출 요소'라는 용어는 본 명세서에서 상당한 반경방향 구성요소로 배향되는 요소, 바람직하게는 세장형 요소, 예컨대 로드로서 정의된다. 반경방향 구성요소는 바람직하게는 요소의 총 길이의 50% 초과, 예를 들어 100%를 구성한다.
로드와 같은 복수의 반경방향 돌출 요소는 복수의 세장형 물체에 연결될 수 있으며, 가장 바람직하게는 예를 들어 나사를 사용하여 교체 가능하게 연결될 수 있다.
또한, 복수의 반경방향 돌출 요소는 회전 가능한 액슬 둘레에서 반경방향 대칭적으로 배열될 수 있다.
복수의 반경방향 돌출 요소 중 적어도 하나는 물질의 혼합 속도를 향상시키도록 설계된 내부 표면에 가장 가까운 단부 또는 그 근방에서 방해 수단 또는 구조를 포함할 수 있다. 방해 수단은, 예를 들어 날카로운 에지, 디스크, 망치 형상, 에어포일 등의 형상을 취할 수 있다. 적어도 후자의 2개의 예시적인 형상은 헤드 또는 선단 에지가 회전 메커니즘의 회전 방향을 향하도록 배향되어야 한다.
바람직한 예에서, 회전 구동부는 초당 5 미터를 초과하는, 더 바람직하게는 초당 20 미터 이상인 주변 회전 속도를 생성하도록 구성된다. 주변 회전 속도는 혼합 디바이스의 외부, 바람직하게는 최외측의 반경방향 경계에서 측정된다. 따라서, 혼합 디바이스가 반경방향 돌출 요소를 포함하는 경우, 최외측의 반경방향 경계가 방해 수단이 될 수 있다. 대안적으로 또는 추가로, 이러한 경계는 혼합 디바이스의 세장형 물체일 수 있다.
초당 20 미터 이상의 주변 회전 속도에서, 최소 주변 체적(V p ) 내에서 물질의 적어도 일부에 대해 난류 유동 특성이 생성된다. 난류 유동 특성을 생성하는 것이 목표인 경우, 혼합 디바이스의 주 목적은 운동 에너지를 마찰 열로 변환하는 것이 아니라 처리 챔버 내에 난류 증기 구름에 도달하고 유지하며 그리고 (동시에) 유입 물질에 함유된 고체가 생성된 증기 구름에 지속적으로 현탁되도록 처리 챔버 내부의 물질을 교반함으로써 증기 구름으로부터 유입 물질로의 지속적인 열 전달을 확보하는 것이다.
가열 디바이스는 최소 주변 체적(V p )의 적어도 일부 내에서 작동 온도(T op )에 도달하고 유지하는 데 필요한 총 열 에너지의 적어도 60%, 보다 바람직하게는 적어도 65%, 더욱 더 바람직하게는 적어도 70%, 예를 들어 75%를 제공하도록 구성될 수 있다. 따라서, 총 열 에너지의 잔여 부분은 회전 메커니즘의 회전 운동에 의해 생성된다.
분리 장치의 한 예시적인 구성에서, 처리 챔버는 반경방향 직경(d c )(또는 일정하지 않은 경우 평균 내부 반경방향 직경(d c ))를 갖는 원통형 형상을 갖고, 여기서 길이(l c )와 반경방향 직경(d c ) 사이의 비율(l c /d c )은 4.0 이하, 더욱 더 바람직하게는 2.5 이하, 더욱 더 바람직하게는 2.0 이하, 더욱 더 바람직하게는 1.5 이하, 예를 들어 1이다. 이 구성은 감소된 비용 및 더 높은 콤팩트성으로 인해 유리한 것으로 고려되며, 분리 장치는 최소 주변 체적(V p ) 내에서 즉각적인 또는 거의 즉각적인 가열 및 증발을 허용하므로, 분리 프로세스를 완료하기 위해 특정 챔버 길이를 초과할 필요가 없다.
추가로, 또는 대안적으로, 상기 예시적인 구성에 대해, 혼합 디바이스는 입구로부터 출구로 L 방향을 따른 물질의 순 운반에 기여하지 않도록 배열되고 설계될 수 있다. 예를 들어, 방해 수단 및/또는 세장형 물체의 형상은 물질이 L 방향을 따라 푸시되지 않거나 미미한 양이 푸시되도록 될 수 있다.
다른 예시적인 구성에서, 복수의 회전 디스크 중 적어도 하나는 작동 동안 물질의 증발된 부분이 통과하게 하기 위한 적어도 하나의 관통 개구를 디스플레이한다. 이러한 관통 개구 중 적어도 하나는 회전축을 중심으로 반경방향 대칭적으로 설계될 수 있다. 더욱이, 적어도 하나의 관통 개구는 회전 가능한 액슬에 가장 근접하게 위치된 각각의 회전 디스크의 반경방향 절반에 배열될 수 있다.
특정 구성에서, 물질 입구가 있는 용기의 원위 단부에 가장 가깝게 위치된 회전 디스크는 콤팩트하고, 즉, 임의의 관통 개구가 없는 반면, 나머지 디스크는 이러한 개구를 디스플레이한다. 이에 의해, 물질의 증발되지 않은 부분이 제2 출구에서 용기 밖으로 전혀 유동되지 않거나 미미한 양이 유동되는 것이 보장된다.
용기는 내부 표면의 적어도 일부에 배열된 복수의 내부 리브를 더 포함할 수 있으며, 이에 의해 처리 챔버의 표면적을 증가시킬 뿐만 아니라 최소 주변 체적(V p ) 내에서 물질의 난류 발생을 증가시킬 수 있다. 내부 리브 각각은 처리 챔버 내로 반경방향으로 돌출되어 있다. 복수의 리브는 바람직하게는 내부 표면의 원주 둘레에서, 특히 L 방향을 따라 배향된 내부 벽에서 오프셋으로 분포된다.
또 다른 예시적인 구성에서, 가열 디바이스는 용기 벽의 외부 표면과 인클로저의 내부 표면 사이에 공극이 생성되도록 용기 둘레에 배열된 인클로저를 더 포함한다. 인클로저는 가열된 유체를 공극으로 공급하고 가열된 유체를 공극으로부터 방출하기 위한 열 입구 및 열 출구를 각각 포함한다. 공극의 적어도 일부는 또한 L 방향에 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 외부 핀을 포함할 수 있고, 이에 의해 외부 벽의 표면적을 증가시켜 열이 용기 벽으로 더 효율적으로 전달되게 할 수 있다. 외부 리브는 용기 벽의 외부 표면 및/또는 인클로저의 내부 표면(들)에 고정될 수 있다.
열 입구 및 열 출구를 통해 공극을 통과하는 가열된 유체는 스팀, 고온 증기, 용융 물질, 가열된 액체, 발전기로부터의 잉여 배기가스 및 엔진, 터빈 및/또는 소각로로부터의 잉여 배기가스 중 적어도 하나일 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 가열 디바이스는, 예를 들어 L 방향을 따라 연장되는 가열 채널 내에 삽입된 가열 로드의 형태로 용기 벽 내에 배열된 적어도 하나의 가열 요소, 예를 들어 적어도 하나의 전기 가열 요소를 포함할 수 있다. 이러한 가열 로드는 용기의 원주 둘레에 오프셋으로 분포될 수 있다.
대안적으로 또는 추가로, 가열 디바이스는 용기의 외부 표면 둘레에 배열된 전기 가열 요소, 마이크로파 히터 및/또는 유도 히터를 포함할 수 있다.
분리 장치는 유동(S i )에서 처리 챔버 내로 물질의 유동을 공급하기 위한 공급 디바이스, 작동 중에 제2 출구로부터 방출된 물질의 증발된 부분을 스크러빙하기 위한 스크러버, 및 작동 중에 제1 출구로부터 방출되는 증발되지 않은 부분을 수집하기 위한 고체 배출 탱크를 더 포함할 수 있다.
유동(S i )은 적절한 기간, 예를 들어 1분 또는 10분 또는 30분 또는 1시간 또는 3시간에 걸쳐 평균을 낸 경우 kg/h 단위의 유량으로서 측정될 수 있다.
열 에너지가 잉여 소스로부터 파생되는 경우, 본 발명은 다른 에너지 입력을 대체할 수 있고, 그에 의해 작동 에너지 비용을 크게 감소시키고 및/또는 CO2 등가물의 배출을 상당히 감소시킬 수 있다.
본 발명의 개념적 사상은 증발이 즉각적으로 또는 거의 즉각적으로 발생하도록 외부 열원으로부터 폐쇄된 용기 내부에서 증발될 물질로 충분한 열 전달을 생성하는 것이다. 이는 증발이 더 점진적으로 발생하는 전통적인 간접 방법과 분명한 대조를 이룬다.
이러한 즉각적인 또는 거의 즉각적인 증발은, 외부 열원으로부터의 열이 주로 물질의 고체(예를 들어, 폐기물)로 전달되지 않고, 대신에 증발된 액체 및 (이미) 건조된 고체 입자를 함유하는 '증기 구름'에 전달되기 때문에 본 발명의 분리 장치에 의해 달성된다. 용기에 주입된 물질이 물을 함유하는 경우, '증기 구름'은 통상적으로 많은 양의 스팀을 함유한다.
열은 이후에 이 가열된 증기 구름으로부터 혼합 디바이스에 의한 혼합 하에 유입 물질로 전달된다. 높은 열 전달을 보장하기 위해, 이러한 혼합은 유리하게는 매우 강렬해야 하고 증기 구름을 구성하는 성분이 난류 유동 특성, 즉, 빠른 가속/방향 변경을 갖는 높은 내부 속도를 경험하는 지점까지여야 한다.
전술한 바와 같이, 강렬한 혼합/난류는 회전 메커니즘을 처리 챔버에 삽입함으로써 달성된다. 회전 메커니즘의 한 가지 목적은 최적의 혼합을 확보하고 전술한 가열 시스템과 함께 증기 구름을 생성하여 용기 벽으로부터 증기 구름의 다양한 성분으로 최적의 열 교환을 확보하는 것이다. 따라서, 물질 내에서 증발 가능한 성분의 즉각적인 또는 거의 즉각적인 증발이 달성된다.
결과적으로, 적어도 하나의 바람직한 실시예에서, 용기는, 작동 중에 항상, 내부 벽으로부터 그리고 또한 유입 물질로 최적의 열 전달 능력을 갖는 증기 구름을 함유한다.
고체 상태 입자는 원심력으로 인해 용기의 주변으로(즉, 전술한 최소 주변 체적(V p ) 내에) 강제되지만, 물과 같은 증발 가능한 성분의 지속적인 증발은 모든 내부 방향에서 강한 내향력을 생성함으로써, V p 에서도 높은 비율의 증발된 액체를 확보한다.
용기의 내부 벽에 대해 강렬한 혼합/난류를 생성하고 유지함으로써, 내부 표면이 깨끗하게 유지된다. 이 세정 프로세스는 작동 중 지속적인 최적의 열 전달 능력을 달성하는 목적을 추가로 돕는다. 혼합으로 인해, 고체 상태 입자는 내부 표면에 층을 형성할 수 없는데, 이들 표면은 증발된 액체와 고체 상태 입자를 모두 함유하는 증기 구름에 의해 지속적으로 "세정" 되기 때문이다. 강렬한 혼합은 또한 중력에 대항하여, 전체 내부 표면을 열 전달에 사용할 수 있음을 추가로 보장한다.
즉각적인 증발과 강렬한 혼합/난류의 결과로서, 분리 장치는 물질을 점진적으로 가열하는 내부 운반 메커니즘 없이 지속적으로 작동할 수 있다.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 용기는 실질적으로 수평 위치에 배열될 수 있다. 그러나, 본 기술 분야의 숙련자는 용기가 또한 실질적으로 수직 위치에, 또는 실질적으로 수평 위치와 실질적으로 수직 위치 사이의 임의의 위치에 배열될 수 있다는 것을 알 것이다.
가열 디바이스와 회전 메커니즘의 조합은 알려진 간접 열 해결책보다 훨씬 더 효율적인 열 전달을 보장하는 열 탈착 유닛을 설정한다. 혼합 디바이스는 회전을 통해 물질을 분산 및 교반시킴으로써, 처리 챔버 내부에 "증기 구름 효과"를 제공한다.
처리 챔버 내부의 "증기 구름"의 강렬한 혼합은 주로 스팀 및 기타 증발된 액체 뿐만 아니라 폐기물의 고체 및 입자도 매우 짧은 시간 동안 처리 챔버의 내부 표면과 접촉하게 하고, 그 후, 증기와 입자는 내부 표면과 접촉 해제되게 이동되어 지속적으로 다른 새로운 증기 및 입자로 대체된다.
본 발명의 적어도 하나의 실시예에서, 처리 챔버의 내부 표면으로부터의 열 전달은 다음과 같이 발생한다:
- 혼합 디바이스는 처리 챔버에 존재하는 물질 성분에 강렬한 혼합(바람직하게는 난류)을 생성함으로써, (가열 디바이스에 추가하여) 증기 구름을 제공한다. 증기 구름은 증기(예를 들어, 수증기 및 오일과 같은 다른 기화된 액체로부터의 증기) 및 고체/입자를 포함할 수 있다.
- 내부 표면에 대한 이러한 강렬한 혼합은 내부 표면으로부터 증기 구름으로 높은 열 전달을 제공한다.
- 처리 챔버의 내부 표면으로부터 교환된 열(열 에너지)은 강렬한 혼합으로 인해 즉시 또는 거의 즉시 전체 증기 구름으로 분포된다.
전술한 바와 같이, 증기 구름의 고체 및 입자와 조합된 강력한 혼합은 가열 표면을 항상 깨끗하게 유지함으로써, 처리 챔버의 내부 표면으로부터 증기 구름으로의 열 전달을 향상시킨다. 증기 구름의 강한 교반은 처리 챔버 내부에 존재하는 물질의 전부 또는 거의 모두가 건조된 고체 및 거의 동일한 조성(즉, 상이한 성분 사이의 비율) 및 온도를 갖는 증기를 함유하도록 할 것이다.
더욱이, 적어도 L 방향을 따라 내부 표면이 가열되고 증기 구름과 접촉한다. 따라서, 다른 알려진 간접 방법에서와 같이 용기의 하단 영역만이 물질에 열을 전달하는 데 활성인 것을 피할 수 있다. 따라서, 열이 증기 구름으로 전달되고 혼합으로 인한 증기 구름이 처리 챔버의 전체 가열 표면과 접촉하기 때문에, 종래 기술 해결책에 비교하여 더 큰 유효 가열 표면이 획득된다.
처리 챔버는 대기압으로 설정될 수 있다. 대안적으로, 처리 챔버 압력은 대기압 미만, 예를 들어 0.3 bar 이하의 압력일 수 있다.
본 발명의 이해를 용이하게 하기 위해 다음 도면이 첨부된다. 도면은 본 발명의 실시예를 도시하며, 이는 이제 단지 예로서 설명될 것이고, 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 분리 장치의 개략적인 측면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 분리 조립체의 개략적인 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 분리 장치의 제1 실시예의 절취 측면 사시도이다.
도 4는 도 3의 분리 장치의 절취 측면 사시도이고, 내부 리브는 용기의 내부 표면 상에 배열된다.
도 5는 도 3의 분리 장치의 절취 정면 사시도이고, 절취 평면은 장치의 용기 내로 더 위치된다.
도 6은 도 3에 도시된 분리 장치의 주변 부분의 절취 측면 사시도이고, 하나의 반경방향 돌출 요소는 별개의 도면에 더 상세히 도시되어 있다.
도 7은 도 3 내지 도 5의 분리 장치의 측면 사시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 분리 장치의 제2 실시예의 절취 측면 사시도이고, 하나의 난류 생성 세장형 물체는 별개의 도면에 더 상세히 도시되어 있다.
도 9는 도 8의 분리 장치의 절취 측면 사시도이고, 내부 리브는 용기의 내부 표면 상에 배열된다.
도 10은 본 발명에 따른 분리 장치의 회전 메커니즘의 측면 사시도이다.
이하에서, 본 발명의 실시예는 첨부 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 그러나, 도면은 도면에 도시된 주제로 본 발명을 제한하도록 의도되지 않음을 이해하여야 한다.
명료함을 위해, 별개의 실시예와 관련하여 설명된 본 발명의 특정 특징은 단일 실시예에서 조합하여 제공될 수도 있음이 이해된다. 반대로, 간결함을 위해, 단일 실시예의 맥락에서 설명된 본 발명의 다양한 특징은 개별적으로 또는 임의의 적절한 하위 조합으로 제공될 수도 있다. 특히, 하나의 특정 실시예와 관련하여 설명된 특징은 다른 실시예와 관련하여 설명된 특징과 상호 교환 가능할 수 있다는 것이 이해될 것이다.
특히, 본 발명의 제1 실시예를 도시하는 도 1을 참조하면, 분리 장치(100)는 내부 표면(1a) 및 외부 표면(1b)을 갖는 원통형 용기(1) 내부의 처리 챔버(2)로 유동하는 물질(12)의 연속적인 열 분리를 수행하도록 구성된다. 용기는 내부 길이(l c )의 원통형 벽 및 원통형 벽의 각각의 단부 상에 배열된 내경(d c )의 2개의 원형 단부 벽(또는 대안적으로 높이(H)와 폭(W)이 있는 타원형 또는 직사각형 또는 정사각형)을 포함한다.
공급 디바이스(20)(도 2)를 사용하여 물질 입구(3)로 공급되는 물질(12)은 다성분(A n , 여기서 n>1)으로 구성되며, 여기서 이들 성분(12b)(A e m , 여기서 m≤n) 중 하나 이상은 별개의 증발 온도(T e i , 여기서 i= 1...m)로 증발될 수 있다. 따라서, 물질(12)의 부분(12a)(A n-m )은 처리 챔버(2) 내의 설정된 작동 온도(T op ≥T e i ) 내에서 증발되지 않은 것으로 고려될 수 있다. 증발 불가능한 부분(12a) 및 증발 가능한 부분(12b)은 각각 제1 및 제2 출구(4, 5)를 통해 용기(1)로부터 방출된다. 작동 동안, 증발 불가능한 부분(12a)과 증발 가능한 부분(12b)의 혼합물을 포함하는 증기 구름(12c)이 형성된다. 상기 증기 구름(12c)은 유체(기체 및/또는 액체) 및 고체/입자 모두를 포함한다.
용기(1)는 용기(1)의 중심 길이방향 축(C)과 정렬된 회전 가능한 액슬(7a)을 갖는 회전 메커니즘(7)을 포함한다. 액슬(7a)은 용기(1)의 길이(L)에 걸쳐 그리고 단부 벽 중 적어도 하나, 바람직하게는 양자 모두를 통해 연장된다.
회전 메커니즘(7)은 처리 챔버(2) 내부의 회전 가능한 액슬(7a)에 고정된 혼합 디바이스(7b-d)를 더 포함한다. 혼합 디바이스(7b-d)는 액슬(7a) 상에 직교하여 견고하게 고정된 적어도 하나, 바람직하게는 적어도 2개의 회전 시브 또는 디스크(7b) 및 디스크(7b)의 외부 반경방향 단부에 고정된 복수의 혼합 돌출부/돌출 요소(7d)를 포함한다. 복수의 디스크(7b)의 경우, 이들은 액슬(7a)의 길이방향을 따라(즉, 축 C를 따라) 간격/오프셋으로 배열된다. 도 1에는 총 7개의 이격된 디스크(7b)가 도시되어 있으며, 가장 좌측의 디스크를 제외한 모든 디스크는 액슬(7a) 근방에 개구(7b1)를 디스플레이함으로써, 증발된 성분(12b)이 이를 통해 유동할 수 있게 한다. 물질 입구(3)(도 7 참조)를 디스플레이하는 단부 벽에 가장 근접하게 배열된 단일 폐쇄 디스크(7b)의 주요 목적은 증기 구름(12c)에서 나온 고체가 회전 가능한 액슬(7a)과 돌출 요소(7d) 사이의 체적으로 진입하는 것을 방해함으로써, 고체가 증발된 부분(12b)과 혼합되고 제2 출구(5)를 통해 방출되는 것을 방지한다.
고체가 제2 출구(5)를 빠져나가는 것을 추가로 방지하기 위해, 2개의 원주방향으로 연장된 플레이트(23)로 구성된 좁은 슬릿이 제2 출구(5)에 가장 가까운 디스크(7b) 및 인접한 내부 벽(1a)에 각각 고정된다.
혼합 디바이스(7b-d)는 디스크(7b) 외부 림(7b2) 또는 그 근방에 고정된 복수의 바아(7c)를 더 포함하며, 각각의 바아(7c)는 길이 및 용기(1)의 중심축(C)을 따라 (평행하게) 지향되는 배향을 가져, 2개 이상의 디스크(7b)의 상호 연결, 바람직하게는 모든 디스크(7b)의 상호 연결을 허용한다.
도 1 내지 도 6에 도시된 제1 실시예의 경우, 혼합 디바이스(7b-d)는 또한 용기(1)의 원통형 벽의 내부 표면(1a)을 향해 반경방향으로, 즉, 용기(1)의 중심축(C)에 직교하여 돌출하도록 각각의 바아(7c)에 교체 가능하게 연결된 복수의 로드(7d)를 포함한다. 로드(7d)의 주요 목적은 증기 구름(12c)의 강렬한 혼합을 생성하여 내부 벽(1a)으로부터의 열 전달을 향상시키는 것이다.
도 1에 도시된 특정 구성의 경우, 실험에 따르면 증기 구름(12c)의 강렬한 혼합이 내부 용기 벽에 가장 가까운 로드(7d)의 단부에서 측정된 34.5 m/s의 주변 속도(v p )로 달성되었다. 실험 동안, 혼합 디바이스(7a-d)는 전체 혼합 디바이스 길이(l md )를 따라 간격을 두고 분포된 8개의 로드(7d) 세트(#mp = 8)를 갖는다. 각각의 세트의 8개의 로드(7d)는 혼합 디바이스(7b-d)의 전체 원주를 따라 간격을 두고 추가로 분포되어 있다. 혼합 디바이스(7b-d)는 1.1 m의 직경(d md )을 갖고 내부 용기 직경(d c )은 1.2 m이었다.
이 특정 구성에서 34.5 m/s의 주변 속도는 분당 600 회전수(600 r.p.m)의 회전 속도(ω rev )에 대응한다. 혼합 디바이스의 원주를 따라 8개의 로드(7d)가 있는 경우, 이는 내부 용기 벽(11a)의 특정 영역에 걸쳐 분당 4800 스위프(4800 s.p.m.)에 대응한다.
스위프 개수를 일정하게 유지하기로 결정하면, 로드/혼합 돌출부의 외부 반경방향 경계에서 최소 주변 회전 속도(v p,min )가 다음과 같이 공식화될 수 있음이 추론될 수 있다:
vp,min = 80π(d md /#mp),
여기서, d md 는 혼합 디바이스의 직경이고 # mp 는 혼합 돌출부의 개수이다.
추가 실험에 따르면 난류 특성을 갖는 증기 구름은 4800보다 훨씬 낮은, 최소 2700 s.p.m.까지의 s.p.m. 수로 달성될 수 있다. 이는 vp,min = 45π(d md /#mp)의 최소 주변 회전 속도에 대응한다. 특히, 도 6을 참조하면, 내부 표면(1a)에 가장 근접하게 위치된 각각의 로드(7d)의 단부(7d1)의 형상은, 회전 메커니즘(7)과 내부 표면(1a)의 반경방향 범위에 의해 결정되는 최소 주변 체적(V p )에서 증기 구름의 상기 혼합을 최적화하도록 변경될 수 있다. 도 6의 타원형 프레임 내의 상세한 도면에 도시된 바와 같이, 로드(7d)의 종단은 마주하는 내부 표면(1a)에 대해 평탄하거나 거의 평탄할 수 있다. 그러나, 단부(7d1)는 이 단부가 최소 주변 체적(V p )에 존재하는 증기 구름(12c)의 혼합에 기여하는 한 임의의 형상일 수 있다. 도 1의 타원형 프레임 내의 상세한 도면은 단부(7d1)의 가능한 형상의 다양한 예를 도시한다. 도 1의 타원형 프레임 내의 예시적인 로드(7d)는 모두 용기(1) 내에 도시된 로드(7d)에 대해 반시계 방향으로 90°회전된다는 점에 유의한다.
회전 메커니즘(7)의 회전 및 그에 의한 혼합 디바이스(7b-d)의 회전을 또한 보장하기 위해, 액슬(7a)의 단부 섹션(7a1)은 회전 구동부(10)에 연결된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 후자는 내부 및/또는 외부 회전 모터(10a)에 의해 동력을 공급받는다. 도 2에 도시된 예시적인 구성에서, 회전 구동부(10)는 회전 모터(10a), 전달 벨트(10b), 및 회전 모터(10a)의 단부 섹션(7a1) 및 회전 가능한 액슬 둘레에 각각 배열된 2개의 전달 풀리(10c)를 포함한다.
제1 출구(4)는 고체 상태 미립자(증발되지 않은 부분)(12a)를 방출하기 위한 전용이고, 제2 출구(5)는 증발된 부분(12b)을 방출하기 위한 전용이다. 제1 출구(4)를 통해 처리 챔버(2) 외부로 증기가 방출되는 것을 방지하기 위해, 회전 밸브(22)(도 1)가 제1 출구(4)에 고정됨으로써, 제1 출구(4)로부터 증발되지 않은 부분(12a)을 배출한다.
회전 밸브(22)를 통해 제1 출구(4)로부터 방출된 후, 증발되지 않은 부분(12a)은 용기(1)(도 2) 아래 또는 부분적으로 아래에 배열된 전용 고체 배출 컨테이너(40)에 의해 수집될 수 있다.
용기(1) 내부의 온도를 모니터링하기 위해, 다양한 위치에서 하나 이상의 온도 센서(19)가 처리 챔버(2) 내부 또는 근방에, 예를 들어 용기 벽 외부 또는 내부 및/또는 제1 출구(4) 내부에 배열될 수 있다. 후자의 위치는 도 1에 도시되어 있다.
증기(12b)는 응축 시스템(30)으로 공급될 수 있다. 후자는 3개의 단계로 수행될 수 있다:
- 증기(12b)는 소량의 고체 상태 미립자에 대해 증기(12b)를 세정하기 위해 가스 스크러버로 유동한다. 오일과 같은 소량의 제1 액체도 가스 스크러버 내에서 응축될 수 있다.
- 세정된 증기(12b)는 증기(12b)로부터 제1 액체를 응축시키기 위해 액체 응축기, 예를 들어 오일 응축기로 추가로 유동한다.
- 마지막으로, 제1 액체(예를 들어, 더 가벼운 오일)의 양이 없거나 감소된 세정된 증기는 적어도 물과 같은 제2 유형의 액체 및 적용 가능한 경우 제1 액체의 감소된 양을 응축하는 스팀 응축기로 유동한다.
도 1에서, 제1 출구(4) 및 제2 출구(5)는 회전 구동부(10)의 원위측 단부 벽에 인접하여 배열된 것으로 도시되어 있으며, 용기(1) 외부의 개구는 중심축(C)을 따라 지향되고 중심축(C)에 대해 각각 하향 틸트된다. 그러나, 제1 및 제2 출구(4, 5)는 작동 중에 증발되지 않은 부분(12a)과 증발된 부분(12b)의 방출을 허용하는 한 임의의 방향으로 구성될 수 있다. 제1 실시예의 도 3 내지 도 5 및 도 7과 제2 실시예의 도 8 및 도 9는 용기(1)의 베이스에서 처리 챔버(2)로부터 수직 개구를 갖는 제1 출구(4)의 대안적인 구성을 도시한다.
회전 메커니즘(7)/혼합 디바이스(7b-d)의 총 반경방향 직경(d md ), 즉, 중심축(C)으로부터 회전 메커니즘(7)의 반경방향 경계까지의 총 반경방향 길이의 2배는 바람직하게는 처리 챔버(2)의 직경(d c )의 95% 초과이다. 예를 들어, 원통형 용기(1)의 내경(d c )이 2 미터인 경우, 복수의 로드(7d) 각각의 단부(7d1)와 내부 표면(1a) 사이의 평균 거리는 바람직하게는 10 cm 미만, 예를 들어 3 또는 4 cm이어야 한다.
도 1 및 도 3 내지 도 9의 모든 예시적인 구성에서, 가열 디바이스(6)는,
중심축(C)을 따라(즉, 평행하게) 용기 벽 내에 배열된 기둥/로드(6'') 형상의 복수의 저항 가열 요소 및
인클로저(13)의 내부 표면과 용기(1)의 외부 표면(1b) 사이에 공극(14)을 형성하는 인클로저(13)를 포함하는 원통형 벽 둘레에 배열된 고온 유체 시스템을 모두 포함하는 조립체로서 도시되어 있다. 인클로저(13)는 가열된 유체(6')를 공극(14) 내로 공급하기 위한 열 입구(13a) 및 가열된 유체(6')를 공극(14) 밖으로 방출하기 위한 열 출구(13b)를 더 포함한다.
그러나, 가열 디바이스(6)는 용기(1)의 내부 벽(1a)을 가열할 수 있는 임의의 유형 및 임의의 개수의 가열 메커니즘을 포함할 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 대안 실시예에서, 가열 디바이스(6)는 컨테이너 벽 내부 및/또는 외부에서 단지 하나 이상의 저항 가열 요소로 구성되거나 상기 고온 유체 시스템만으로 구성될 수 있다. 가열 디바이스(6)는 대안적으로 또는 추가로 용기(1)의 외부 표면(1b) 상에 또는 그 근방에 및/또는 처리 챔버(2) 내부에 배열된 마이크로파 히터 시스템 및/또는 유도 히터 시스템을 포함할 수 있다.
도 7은 용기(1)의 단부 벽 중 하나가 2개의 물질 입구(3), 회전 가능한 액슬(7a)을 위한 개구, 및 검사/서비스 해치(18)를 디스플레이하는 분리 장치(100)를 도시한다. 그러나, 이 단부 벽은 임의의 개수의 물질 입구(3) 및 임의의 개수의 해치(18)를 포함할 수 있음을 이해하여야 한다. 도 7에 도시된 특정 구성의 경우, 2개의 물질 입구(3) 중 하나만이 작동 중에 사용된다. 다른 하나는, 예를 들어 용기(1)의 잔여 부분과 동일한 재료로 또는 투명한 유리로 폐쇄될 수 있다. 대안적으로, 물질(12)은 작동 동안 양쪽 입구(3)를 통해 공급될 수 있다.
열 입구(13a) 내로 및 열 출구(13b) 밖으로 각각 향하는 검은색 화살표(6')는 고온 유체의 유동을 상징한다.
도 8 및 도 9는 분리 장치(100)의 제2 실시예를 도시한다. 제1 실시예와 비교하여, 복수의 로드(7d)가 생략된다. 따라서, 회전 메커니즘(7)은 회전 가능한 액슬(7a) 및 혼합 디바이스(7c-d)를 포함하고, 혼합 디바이스(7c-d)는 복수의 디스크(7b) 및 상호 연결 바아(7c)에 의해 설정된다. 결과적으로, 최소 주변 체적(V p ) 내에서 물질(12)의 원하는 혼합이 길이방향으로 지향된 바아(7c)에 의해 크게 보장된다.
최대화된 혼합을 가능하게 하기 위해, 바람직하게는 증기 구름(12c)이 V p 내에서 난류 유동 특성을 경험하는 정도까지, 바아(7c)의 형상은, 예를 들어 바아(7c)의 다양한 형상이 삽입되고 작동되는 반복 테스트를 통해 최적화될 수 있고, 각각의 작동 중 열 전달이 측정된다. 도 8 및 도 9는 길이방향 단면적 디스플레이가 삼각형 형상을 갖는 바아(7c)의 하나의 예시적인 구성을 도시한다. 삼각형 바아(7c)의 날카로운 에지(7c1)는 최소 주변 체적에서 더 많은 난류를 유도하고 증기 구름(12c)의 강렬한 혼합을 유도할 수 있다.
전술한 분리 장치(100)는, 예를 들어 폐기물 및 부산물의 분리를 위한 주요 간접 에너지로서 폐열(6')을 사용하여 열 분리에 의해 물질(12)로부터 액체 및/또는 기체의 효과적인 제거를 가능하게 한다. 용기(1)의 조합된 외부 가열 및 물질 성분/증기 구름(12c)의 격렬한 혼합으로 인해, 분리 장치(100)는 (필요에 따라 현재 알려진 간접 분리 방법에서) 물질(12)의 점진적 가열을 야기하는 순 내부 운반 메커니즘의 존재 없이 연속적으로 작동할 수 있다.
전술한 장치(100)를 사용함으로써, 간접 분리 방법의 경우와 같이 열이 주로 폐기물 내의 고체에 전달되지 않는다. 대신에, 훨씬 더 높은 열 전달 계수를 갖는 증기 구름(12c)으로 열이 전달된다. 이 증기 구름(12c)은 주로(체적 기준) 증발된 액체/기체, 및 또한 고온의 증발되지 않은 입자로 구성된다. 유입되는 물질(12)에 물이 존재하는 경우, '증발된' 증기 구름(12c)은 반드시 스팀을 함유할 것이다.
작동 동안, 다음 프로세스 단계가 발생한다:
- 가열 디바이스(6) 및 회전 메커니즘(7)은 유입 물질(12)이 증기 구름(12c)으로 변환되게 한다.
- 가열 디바이스(6)로부터의 열 에너지는 용기(1)의 내부 표면(1a)으로부터, 생성된 증기 구름(12c)으로 전달된다.
- 열 에너지는 회전 메커니즘(7)으로부터의 강렬한 혼합/난류에 의해 이 가열된 증기 구름(12c)으로부터 유입 물질(12)로 후속적으로 전달된다.
종래 기술의 간접 가열 분리기에서 통상적으로 발견되는 강철로부터 건조된 고체로의 열 전달은 약 75 W/m2K인 것으로 경험된다. 이에 비교하여, 강철로부터 스팀(폐기물의 열 분리 동안 증기 구름(12c)의 통상적인 주요 성분이 될 것임)로의 열 전달은 상당히 높고, 통상적으로 약 6000 W/m2K이다.
따라서, 전술한 가열 단계를 통해 물질(12)을 가열함으로써, 본 발명의 장치는 75 W/m2K보다 훨씬 더 높은 열 전달 용량(단, 6000 W/m2K 미만)을 달성한다.
최종 열 전달은 특히 수분 함량에 따라 달라진다. 예를 들어, 1000 내지 1200 W/m2K의 열 전달 계수는 약 15% 물, 15% 오일 및 70% 증발되지 않은 물질(중량 기준)을 함유하는 물질에서 열 분리 테스트가 수행될 때 확인되었다. 후자는 드릴링 작업 후 절단물을 위한 통상적인 조성이다.
전술한 바와 같이, 강렬한 혼합/난류 메커니즘은 증기 구름(12c)으로부터 물질 입구(3) 및 이 물질의 다양한 성분을 통해 연속적으로 공급되는 물질(12)로 최적의 혼합 및 열 교환을 확보하여, 특히 물질(12) 내의 액체의 거의 즉각적인 증발을 유발한다. 이에 의해, 용기(1)는 - 항상 - 내부 표면(1a)으로부터 뿐만 아니라 유입 물질(12)로 최적의 열 전달 능력을 갖는 증기 구름(12c)을 수용할 것이다.
임의의 생성된 증기 구름의 입자는 원심력에 의해 반드시 처리 챔버 주변으로 강제되지만, 액체(예컨대, 물)의 지속적인 증발은 모든 내부 방향에서 강한 내부 힘을 생성함으로써, 주변에서 높은 비율의 증기(스팀)를 확보한다.
본 발명의 분리 장치를 사용한 테스트는 중량 기준으로 70%의 미네랄 고체, 15%의 물 및 15%의 오일을 함유하는 폐기물 물질(드릴링 작업으로부터의 절단물)을 처리하면서 수행되었다. 테스트는 약 1000W/m2K 내지 1200W/m2K의 열 전달 속도를 입증하였다. 더 많은 물을 함유하는 물질의 경우 더 높은 열 전달 속도가 예상된다.
이전의 설명에서, 본 발명에 따른 장치 및 방법의 다양한 양태가 예시적인 실시예를 참조하여 설명되었다. 설명의 목적으로, 장치와 그 작동에 대한 철저한 이해를 제공하기 위해 특정 숫자, 시스템 및 구성이 기재되었다. 그러나, 이러한 설명은 제한적인 의미로 해석되도록 의도되지 않는다. 예시적인 실시예의 다양한 수정 및 변형 뿐만 아니라 개시된 주제가 속하는 기술 분야의 숙련자에게 명백한 장치 및 방법의 다른 실시예가 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 고려된다.

Claims (20)

  1. 처리 챔버(2)로 공급되는 물질(12)의 연속적인 열 분리를 위한 분리 장치(100)로서, 물질(12)은 2개 이상의 성분을 포함하며, 성분 중 적어도 하나는 증발 온도(T e )에서 증발될 수 있고,
    분리 장치(100)는 용기(1)를 포함하며, 용기는,
    - 길이(l c ), 높이(H) 및 폭(W)을 갖는 처리 챔버(2)를 둘러싸는 내부 표면(1a)을 갖는 용기 벽,
    - 물질(12)을 처리 챔버(2)로 공급하기 위한 물질 입구(3),
    - 처리 챔버(2)로부터 물질(12)의 증발되지 않은 부분(12a)을 방출하기 위한 제1 출구(4),
    - 처리 챔버(2)로부터 물질(12)의 증발된 부분(12b)을 방출하기 위한 제2 출구(5) 및
    - 처리 챔버(2)의 길이(l c )를 따라 지향된 배향을 갖는 처리 챔버(2) 내에 배열된 회전 가능한 액슬(7a) 및 회전 가능한 액슬(7a)에 고정되고 액슬로부터 직교하여 연장되는 혼합 디바이스(7b-d)를 포함하는 회전 메커니즘(7) - 혼합 디바이스(7b-d)의 반경방향 최외측 부분은 반경방향으로 분리된 복수의 혼합 돌출부(7c, 7d)를 포함함 -,
    - 회전 가능한 축(7a)에 작동식으로 연결된 회전 구동부(10) 및
    - 처리 챔버(2) 외부에 배열된 가열 디바이스(6)를 포함하고, 가열 디바이스(6)는 내부 표면(1a)을 통해 처리 챔버(2)의 최소 주변 체적(V p )으로 열 에너지를 전달하도록 구성되고, 최소 주변 체적(V p )은 혼합 디바이스(7b-d)의 내부 표면(1a)과 외부 반경방향 경계 사이의 체적으로서 정의되는, 분리 장치에 있어서,
    혼합 디바이스(7b-d)는,
    회전 가능한 액슬(7a)에 축방향 오프셋으로 고정된 복수의 회전 디스크(7b)를 포함하고,
    가열 디바이스(6) 및 회전 구동부(10)는, 가열 디바이스(6)와 회전 구동부(6) 모두가 각각의 작동 입력 전력(P hd 및 P rm )에서 작동될 때, 증발 온도(T e ) 이상인 결과적인 작동 온도(T op )가 최소 주변 체적(V p )의 적어도 일부 내에서 획득되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 분리 장치(100).
  2. 제1항에 있어서, 혼합 디바이스(7b-d)의 반경방향 직경(d md )과 처리 챔버(2)의 반경방향 직경(d c ) 사이의 비율은 0.8 내지 1.0인, 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    반경방향으로 분리된 복수의 혼합 돌출부(7c, 7d)는 혼합 디바이스(7b-d)의 축방향 길이(l md )에 걸쳐 회전 가능한 액슬(7a)을 따라 축방향으로 분포된 하나 이상의 세트로 분할되고, 각각의 세트의 혼합 돌출부(7c, 7d)의 개수는 회전 가능한 액슬(7a)의 방향을 따라 볼 때 회전 가능한 액슬(7a) 둘레의 완전한 원에 있는 혼합 돌출부(7c, 7d)의 개수로 정의되고,
    각각의 세트의 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부(7c, d)의 개수는 다음 관계식에 따라 결정되고
    # mp = C(d md /v p,min ),
    여기서,
    C는 12π 이상의 상수이며,
    # mp 는 각각의 세트에서 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부(7c, d)의 개수이고,
    d md [m]은 혼합 디바이스(7b-d)의 반경방향 직경이며,
    v p,min [m/s]는 내부 표면(1a)에 가장 가까운 각각의 혼합 돌출부(7c, d)의 위치에서 최소 주변 회전 속도인, 분리 장치(100).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합 디바이스(7b-d)는 복수의 회전 디스크(7b)를 상호 연결하는 복수의 세장형 물체(7c)를 더 포함하는, 분리 장치(100).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부(7c, d)는 처리 챔버(2)의 길이(l c )를 따라 오프셋으로 분포된 복수의 반경방향 돌출 요소(7d)를 포함하는, 분리 장치(100).
  6. 제4항에 종속될 때 제5항에 있어서, 복수의 반경방향 돌출 요소(7d)는 복수의 세장형 물체(7c)에 교체 가능하게 연결되는, 분리 장치(100).
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서, 복수의 반경방향 돌출 요소(7d)는 회전 가능한 액슬(7a) 둘레에서 반경방향 대칭적으로 배열되는, 분리 장치(100).
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 반경방향 돌출 요소(7d) 중 적어도 하나는 물질(12)의 혼합 속도를 향상시키도록 설계된 내부 표면(1a)에 가장 가까운 단부 또는 그 근방에 방해 수단(7d1)을 포함하는, 분리 장치(100).
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    반경방향으로 분리된 복수의 혼합 돌출부(7c, 7d)는 혼합 디바이스(7b-d)의 축방향 길이(l md )에 걸쳐 회전 가능한 액슬(7a)을 따라 축방향으로 분포된 하나 이상의 세트로 분할되고, 각각의 세트의 혼합 돌출부(7c, 7d)의 개수는 회전 가능한 액슬(7a)의 방향을 따라 볼 때 회전 가능한 액슬(7a) 둘레의 완전한 원에 있는 혼합 돌출부(7c, 7d)의 개수로 정의되고,
    각각의 세트의 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부(7c, d)의 개수는 다음 관계식에 따라 결정되고
    # mp = C(d md /v p,min ),
    여기서,
    C는 45π 이상의 상수이며,
    # mp 는 각각의 세트에서 반경방향으로 분리된 혼합 돌출부(7c, d)의 개수이고,
    d md [m]은 혼합 디바이스(7b-d)의 반경방향 직경이며,
    v p,min [m/s]는 내부 표면(1a)에 가장 가까운 각각의 혼합 돌출부(7c, d)의 위치에서 최소 주변 회전 속도인, 분리 장치(100).
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 디바이스(6)는 최소 주변 체적(V p )의 적어도 일부 내에서 작동 온도(T op )에 도달하고 유지하는 데 필요한 총 열 에너지의 적어도 60%를 제공하도록 구성되는, 분리 장치(100).
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 처리 챔버(2)는 반경방향 직경(d c )을 갖는 원통형 형상을 갖고, 처리 챔버(2)의 길이(l c )와 처리 챔버(2)의 반경방향 직경(d c ) 사이의 비율은 4.0 이하인, 분리 장치(100).
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 회전 디스크(7b) 중 적어도 하나는 작동 동안 물질(12)의 증발된 부분(12b)이 통과하게 하기 위한 적어도 하나의 관통 개구(7b1)를 디스플레이하는, 분리 장치(100).
  13. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 관통 개구(7b1)는 회전축(7a)을 중심으로 반경방향 대칭적으로 설계되는, 분리 장치(100).
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    용기(1)는,
    - 내부 표면(1a)의 적어도 일부 상에 배열된 복수의 내부 리브(15)를 더 포함하고, 각각의 내부 리브(15)는 처리 챔버(2) 내로 반경방향으로 돌출되어 있는, 분리 장치(100).
  15. 제14항에 있어서, 복수의 내부 리브(15)는 내부 표면(1b)의 원주 둘레에 오프셋으로 분포되어 있는, 분리 장치(100).
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    가열 디바이스(6)는,
    용기 벽의 외부 표면(1b)과 인클로저(13)의 내부 표면 사이에 공극(14)이 생성되도록 용기(1) 둘레에 배열된 인클로저(13)를 더 포함하고, 인클로저(13)는 가열된 유체(6')를 공극(14) 내로 공급하기 위한 열 입구(13a) 및 상기 가열된 유체(6')를 공극(14)으로부터 방출하기 위한 열 출구(13b)를 포함하는, 분리 장치(100).
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 공극(14)의 적어도 일부는 처리 챔버(2)의 길이방향에 직교하는 방향으로 연장되는 복수의 외부 핀(16)을 포함하는, 분리 장치(100).
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 가열된 유체(6')는 스팀, 고온 증기, 용융 물질, 가열된 액체, 발전기로부터의 잉여 배기가스 및 엔진으로부터의 잉여 배기가스 중 적어도 하나인, 분리 장치(100).
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 디바이스(6)는 용기 벽 내에 배열된 적어도 하나의 가열 요소(10)를 포함하는, 분리 장치(100).
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 분리 장치(100)는,
    물질(12)의 유동을 처리 챔버(2)로 공급하기 위한 공급 디바이스(20),
    작동 중에 제2 출구(5)로부터 방출된 물질(12)의 증발된 부분(12b)을 스크러빙하기 위한 스크러버(30) 및
    작동 중에 제1 출구(4)로부터 방출된 물질(12)의 증발되지 않은 부분(12a)을 수집하기 위한 고체 배출 탱크(40)를 더 포함하는, 분리 장치(100).
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