KR920000537B1 - 액체에 대한 기체용해법 및 그 장치 - Google Patents

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내용 없음.

Description

액체에 대한 기체용해법 및 그 장치
제1도는 생화학적 산소요구량이 있는 물을 산소화반응 시키는 장치의 개략도.
제2도는 제1도에 예시된 장치중의 일부를 구성하는 스파지파이프의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
2 : 탱크 4 : 폐수
6 : 유출구 8 : 파이프
10 : 펌프 12 : 도관
14 : 스퍼지파이프 16 : 오리피스
18 : 산소공급파이프 20 : 벤추리
22 : 좁은통로 24 : 유출구
26 : 도관
본 발명은 액체속에 기체를 용해시키는 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 수용액이나 비수용액중에 있는 여러 가지 성분중의 한가지 성분으로서의 산소를 포함하는 기체 혼합물 또는 산소를 용해시키는 것에 관한 것이다. 본 발명인들에 의한 영국특허 명세서 제1,455,567호에는 액체를 유동시켜 가압하고, 처리된 기체를 이 가압된 액체흐름속으로 도입하여 약간의 기체를 용해시키고, 용해된 기체와 미용해된 기체를 함유한 액체의 흐름을 난류조건하에 액체속으로 도입함으로서 미세한 기포형태의 미용해된 기체를 액체속으로 도입되게 하여 기체를 용해시키면서 기체가 액체속에서 소모되도록 하는 액체처리방법이 상술되어 있다. 이 영국특허 명세서에 나온 방법은 폐수중에 있는 산소를 용해시켜 하수처리효율을 향상시키는 수단으로서 특히 기술적으로나 경제적으로 성공을 보고있는 것이다. 이 방법이 성공을 보게된 이유중 최소한 그 일부는 동일한 동력소비에서 조작하는 종래방법에 비하여 액체 전체 체적중에 함유되는 기체의 량을 휠씬 많이 할 수 있다는 사실에 기인하고 있다. 기체 기포의 운반체로서 액체흐름을 이용하므로서 평형상태에서 완전포화된 액체를 생성하는데 필요한 이론량으로 단순히 한정하게 되는 경우보다 액체를 가압하지 않고서도 액체 전체 체적속으로 상당히 많은 량의 기체를 성공적으로 함유시켜 이동시키면서 용해시킬 수 있는 것이다. 큰 정수두 조건하에 일정위치에서 액체속으로 기체를 도입할 필요없이 이런 결과를 얻을 수 있게 된다. 그럼에도 불구하고 본 발명인들은 영국특허 명세서 제1,455,567호에 상술된 방법과 장치의 효율을 개선하고자 노력을 기울여온터이고, 따라서 본 발명의 목적은 이러한 목적을 달성할 수 있는 방법과 장치를 제공함에 있는 것이다.
그러므로 본 발명에서는 액체의 흐름을 가압하고 이 가압된 흐름속으로 기체를 도입하여 흐름속에 난류를 형성시켜 이속에 있는 약간의 기체를 용해시키고 용해안된 기체 기포를 액체중에 분산시킨 다음, 액체중의 기체 기포 분산물을 액체가 이동할 때보다 휠씬 낮은 압력의 액체가 있는 최소한 하나의 유출구쪽으로 이동시키며, 이 유출구를 통하여 액체속으로 액체흐름을 도입하므로서 생성된 난류에 의하여 잔류하고 있는 거의 모든 용해안된 기체기포를 액체중 용해되게 하거나 소모되도록 하고, 이때 액체흐름중에서 이동되는 약간의 기체를 하향류쪽에서 취하여 상향류쪽에 있는 흐름쪽으로 순환시키는 단계로 구성된 액체중에 기체를 용해시키는 방법을 제공하고 있다.
또한, 본 발명에서는 액체의 흐름을 가압하는 수단(예:펌프), 기체가 용해되는 액체를 수용하는 용기, 가압된 액체흐름을 액체속으로 도입하는 최소한 한 개의 노즐과 가압수단의 유출구를 서로 연결시켜 통하게 하는 도관, 이 도관을 통하여 흐르는 액체속으로 기체를 도입하는 수단, 액체흐름중에서 난류를 발생시켜 이 속에서 약간의 기체를 용해시키므로서 용해안된 기체기포가 액체속에 분산된 분산물을 만들도록 하는 수단, 도관의 비교적 하향류쪽에 있는 액체흐름으로부터 기체약간을 취하는 수단 및 이 기체를 비교적 상향류쪽에 있는 도관쪽으로 순환시키는 수단으로 구성되는 액체중에 기체를 용해시키는 장치를 제공하고 있다.
본 발명에 의한 방법과 장치에 의하여 액체흐름중에서 기체량과 액체량 사이의 비율을 크게 하므로서 본 발명인들에 의한 영국특허 명세서 제1,455,567호에 상술된 방법에 따른 용해효율을 향상시킬 수 있다. 필요에 따라서는 앞에 나온 바 있는 것보다 휠씬 작은 동력소비에서(즉, 액체흐름을 저압으로 처리하므로서) 용해된 기체에 대한 특수한 조건을 만족시키므로서 기체의 용해효율을 증가시킬 수 있다. 바람직한 것으로는 흐름속으로 원래부터 도입된 기체 약 60%를 취하여 비교적 상향류쪽으로 순환시키는 것이다. 바람직하게는 이 기체를 흐름으로부터 분리시는 것이다. 이 기체를 분리하여 순환시키기 위해서는 비교적 하향류쪽에 있는 도관으로부터 나오는 기체가 유출될 수 있도록 유출구를 구성하는 것이 바람직하다.
액체속에 있는 기체기포의 분산물이 이 유출구를 통과하여 이동하게 되므로서 약간의 기체가 자연적으로 도관으로부터 나와서 유출구속을 통과하여 유출구와 도관의 비교적 상향류쪽을 연결하는 파이프속으로 흘러들어가게 된다.
본 발명에 의한 장치에 있어서 한가지 바람직한 예는 액체가 흐르는 벤추리의 좁은 통로속에 파이프끝이 와 닿도록 하므로서 도관의 비교적 하향류쪽으로부터 기체를 끌어내어 비교적 상항류쪽으로 순환시키는 의부펌프를 설치할 필요가 없게한 것이다. 필요에 따라서는 액체흐름속으로 순환되는 기체를 맨먼저 이 흐름속에 도입되는 기체와 혼합시킬 수도 있다.
도관의 비교적 하향류쪽으로부터 이 도관의 비교적 상향류쪽으로 연결되는 파이프에 제한부를 구성하여 순환되는 기체의 량을 제한하도록 한다. 이 제한부에는 대표적으로 수동조작식의 유량제어밸브를 사용하는 것이 바람직하다.
제순환된 기체와 유입되는 기체를 재혼합할 필요는 없다. 한가지 대안으로서는 먼저 도입되는 하향류쪽에서 재순환 기체를 도입하는 것이다. 기체의 주유입구는 기체와 액체의 혼합물의 유속이 혼합물에서의 음속보다 작은 속도로 이동하는 곳에 위치하도록 하는 것이 좋다. 이렇게 하므로서 액체흐름이 초음속으로 가속되어 충격파를 생성되게 하므로서 액체흐름속에서 기체기포의 크기를 작게하여 액체속에서 기체기포 크기가 특히 작아진 분산물을 형성시키는 것도 바람직하다. 이런 충격파는 도관의 제한부속으로 액체를 통과시킬 때 발생한다. 이 제한부로서는 액체흐름속으로 재순환기체를 도입시키는 벤추리로 구성해도 좋다. 액체속에 있는 기체 분산물의 음속은 기체 자체에서의 음속보다 거의 작은데 산소－물 계에 있어서는 50피이트/초이다. 기체와 액체가 초음속으로 흐를때 생기는 충격파에 의하여 기체는 비교적 크기가 작은 기포로 된다.
충격파가 생기는 하향류쪽에서의 흐름의 속도를 다시 초음속 이하가 되게 감소시키는 것이 좋다.
액체의 유속의 유출구의 바로 상향류에 있는 곳에 있는 분산물속으로 통과하는 음속의 이상이 되는 값까지 증가시키므로서 기체기포 크기를 한층 더 작게 하는데 효과적인 제2의 충격파를 생성시키는 것도 바람직하다. 제2의 충격파는 또다른 제한부, 대표적인 것으로는 각 유출구의 바로 상향류쪽에 있는 곳을 액체를 통과시켜 생성시키는 것이 좋다. 제2의 충격파는 액체속에 있는 기체 분산물이 액체의 주용적속으로 유입되기 바로 직전에 기포크기를 효과적으로 작게한다. 대표적인 것으로는 대기에 노출된 탱크중에 액체의 주용적을 수용하는 것이다. 유출구의 형상을 하나이상의 오리피스가 있는 파이프 모양으로 만들어 이 오리피스를 통하여 기체－액체 분산물이 액체의 주용적속으로 유입되게 한다.
본 발명을 첨부된 도면에 따라 설명하면 다음과 같다.
제1도와 제2도에 나온 상부가 개방된 탱크(2)에는 생화학적 산소요구량이 있는 폐(4)가 들어있고 이 탱크(2) 바닥 가까이에는 유출구(6)가 있어서 이것이 파이프(8)와 통해 있으며 이 파이프는 통과하는 액체를 가압하는 펌프(10)의 유입구에와 닿는다.
펌프(10)의 유출구는 길다란 도관(12)과 통해 있으며 이 도관(12)은 바닥가까이 있는 부분의 액체(4)속에 있는 스파지 파이프에서 끝난다. 이 파이프(14)에는 탱크의 다른쪽으로 향해있는 다수의 유출 오리피스(16)가 있다. 파이프(14) 대신에 단하나의 유출노즐을 사용해도 된다.
펌프(10) 유출구 하향류쪽과 이 펌프 가까운 곳에 있는 도관(16)속에 산소공급파이프(18)가 와 닿는다. 파이프(18)로부터 도관속을 통하여 이동하는 흐름속으로 산소를 공급한다. 이 산소를 가압된 흐름속으로 들어가게 할 수 있을 정도로 충분히 높은 압력에서 공급원(도면에 도시하지 않았음)으로부터 산소를 공급하는 것이다. 이 공급원은 압축된 기체상태의 산소를 수용한 하나이상의 실린더를 사용하던지 액체산소가 들어있는 진공절연 조치된 증발기를 사용해도 된다.
파이프(18)와 도관(12)의 결합부의 하향류쪽에는 좁은통로(22)가 있는 벤추리(20)가 있다.도관(26)의 한쪽끝은 벤추리(20)의 좁은통로(22)에서 끝이나고 다른쪽 끝은 파이프(14)에서 가까운 도관(12)의 하향류쪽에 있는 도관(12)벽속에 형성된 유출구(24)에서 끝이 나고 있다.
운전중에는 벤추리(20)속으로 액체가 이동함에 따라 좁은 통로(22)에서는 정지압력(static pressure)이 감소되어 액체를 떠나 도관(26)으로 들어가는 기체가 도관(26)을 따라 벤추리(20)방향으로 유인되어 벤추리(20)속을 흐르는 액체속으로 도입된다. 전형적으로 큰 기포를 가진 기체가 액체흐름에서 나와서 도관(26)으로 들어간다. 따라서 용해효율은 커지게 된다. 파이프(26)에 유량제어밸브(28)를 설치하여 유출구(24)로부터 벤추리(20)로 순환되는 기체의 비율을 제어하도록 수동식으로 조절한다. 전형적으로 순환되는 기체의 비는 20－60%가 되게 한다.
제1도에 예시된 장치를 시동하자면 펌프(10)를 작동시켜 탱크(2)로부터 물을 끌어낸다. 펌프(10)는 이속을 통과하는 액체의 압력을 2－4의 절대대기압까지 상승시킬 수 있는 종류의 것이다. 산소를 파이프(18)로부터 펌프(10)를 따라 나와 도관(12)속으로 들어가는 가압된 액체흐름속으로 도입한다. 도관(12)내의 기존 압력에서 산소를 용해하여 액체를 포화시키는데 필요한 평형값 이상으로 2－10배의 비율로 산소를 공급한느 것이 좋다. 따라서 도관(18)을 통하여 흐름(12)속으로 도입된 대부분의 산소는 용해되지 않는 상태로 있으며 물속에서 비교적 크기가 큰 기포형태로 산소가 분산된 분산물이 도관(12)과 파이프(18)의 결합부의 바로 아래쪽에서 형성된다. 이런 도관(12)부분에서의 액체의 유속은 음속의 속도보다는 작지만 기체기포가 난류에 의하여 분산된 상태로 있기에 충분한 속도이다. 유속이 너무 느리면 완류(slug flow)나 심지어는 층류가 일어나는데 이런 현상이 없도록 해야 한다. 완류가 일어나는 값이하의 한정된 값은 어떤 특별한 장치에 대해서도 실험적으로 측정되며 이는 존재하고 있는 기포의 크기와 관련된다. 일반적으로 극한 값이 2m/초 이하가 되지는 않을 것이다. 상류의 끝과 벤추리(20)의 좁은 통로(22) 사이의 영역에서 기체－액체 분산물의 유속은 커져서 분산물내의 음속의 속도를 초과하는 값이 된다. 따라서 벤추리(20)가 이 부분에서 충격파가 생기게 된다. 결과적으로 충격파로 인하여 생긴 난류로 인하여 비교적 크기가 큰 산소의 기포는 크기가 작거나 미세한 기포로 된다. 이렇게 되면 추가로 소량의 산소가 물에 용해된다. 벤추리(20)의 좁은통로(22)속을 통과하고나면 벤추리가 넓어짐에 따라 가압된 액체흐름의 속도는 줄어들게 되고 결국에는 흐름중에 있는 분산물속에 기포를 유지할 수 있기에 충분한 아음속으로 복귀한다. 도관(12)을 따라 액체가 흐름에 따라서 물속에 산소의 기포가 점차로 더욱더 용해하게 된다.
도관을 따라 일어나는 압력강하를 고려하여 액체중에 적절한 량의 기체가 용해되도록 도관(12)의 길이를 택한다. 액체가 스파지파이프(14)의 오리피스(16)를 통과함에 따라 액체가 분산될 때 음속이상의 속도로 다시 가속된다. 다라서 제2의 충격파가 생기며 이 제2 충격파는 액체가 유입되어 탱크내물(4)과 혼합될 때 극히 작은 산소기포를 다수 형성하는데 효과적이다. 오리피스(16)의 직경은 6mm－5mm범위 또는 그 이상이다. 물속에 분산된 산소기포는 말산분사형태로 각각의 오리피스(16)를 나간다. 산소기포의 크기가 이와 같은 상태로 탱크내의 물(4)속으로 기포가 유입되며 이때 오리피스(16)를 통하여 액체를 스파징(sparging)하므로서 난류가 생겨 대부분의 잔존하는 산소는 탱크내 액체속에서 용해되거나 소모되어 어떠한 산소도 탱크(2)내 액체표면으로부터 용해되지 않은 상태로 방출되지 않게 된다.(여기서 알 수 있는 것은 액체흐름을 가압하게 되면 액체중의 용해안된 산소와 평형을 이루게 된는 용존산소량이 증가하고 산란상태로 이동되는 기체의 기포를 용해시키는데 이용되는 액체의 운동에너지를 발생시키게 된다는 점이다). 대표적으로 액체주용적부분으로 들어가는 기체기포의 크기범위는 0.01－0.15mm이다.
벤추리(20)의 좁은 통로(22)에서 보다는 오히려 도관(18)을 통하여 액체속으로 산소를 도입하므로서 물속에 분산된 산소 기체분산물의 속도가 초음속값에 도달할 때 생기는 충격파를 이용한다. 만일 벤추리(20)의 좁은통로(22)를 통하여 가압된 액체흐름속으로 산소전부를 도입하면 상향류쪽에는 아무런 충격파가 생기지 않는다.
유출구(24)를 구성한 도관(12)를 따라 액체가 흐를 때 액체는 직선으로 흐르게 되는 한편 비교적 작은 운동량을 가진 기체는 액체(특히 크기가 큰 기포)로부터 이탈하여 도관(12)쪽에 있는 도관(26)의 유입구속으로 흐르려는 성향을 띤다. 따라서 산란형태의 기체로부터 소량의 기체가 이탈되며 이들 기체는 전형적으로 매우 작은량의 액체를 지니기도 한다. 벤추기(20)에 의하여 생긴 흡입에 의하여 도관(26)속으로 이 기체가 효과적으로 끌려 들어가서 벤추리(22)의 좁은통로(20)속으로 들어간다. 밸브(280를 구성하여 이렇게 순환되는 산소량을 파이프(18)을 통하여 도관(12)속으로 도입되는 량의 20－60%로 제한하도록 한다. 유출구(24)가 있는 도관(12)의 부분과 벤추기(20)의 유출구 사이에 있는 도관(12)의 길이부분에 있는 액체속의 용해안된 산소기포의 량을 증가시키므로서 액체흐름속에서 산소를 용해시킬 수 있는 전반적인 효율도 증가한다.
이렇게 순환되는 산소가 없다면 최적의 효율을 얻기 위하여 벤추리(20)와 유출구(24) 사이의 도관길이를 보다 짧게하는 것 또한 가능하다. 또한 펌프(10)에서 보다 낮은 작동압력으로 동일량의 산소를 용해시킬 수도 있다. 대표적으로 펌프(10)를 작동시키는데 필요한 소요전력의 5－10%또는 그 이상을 절감할 수 있다.
필요에 따라서는 도관(12)을 에워싸고 있으며 도관벽속에 있는 오리피스를 통하여 서로 연결되어 있는 환상의 체임버(도면에 도시되지 않음)로 파이프(18)와 도관(12) 사이의 유니온을 구성할 수도 있다. 이와 유사한 구성을 사용하여 파이프(26)로부터 벤추리의 좁은 통로속으로 기체를 도입할 수 있다.

Claims (2)

  1. 액체의 흐름을 가압하고 가압된 흐름에 기체를 유입하고 흐름속에서 와류를 형성시켜 기체의 일부가 그속에 용해되게 하고 액체속에서 용해되지 않은 기포가 분산되게 한 후 액체속에서 기포분산을 가진 흐름을 이 흐름의 압력보다 휠씬 낮은 압력에 있는 액체저장소의 적어도 한 출구에 보내고 상기 출구를 통해서 흐름이 액체저장소에 유입되어 와류를 일으켜 모든 잔유 용해안된 기포가 저장소속의 액체에 용해되거나 또는 소비되게 하며, 흐름속에 유입된 일부 기체가 비교적 하향류 위치에서 수집되어 비교적 상향류 위치로 상기 흐름을 반송시킴을 특징으로 하는 액체중에 기체를 용해시키는 방법.
  2. 액체의 흐름을 가압하는 수단, 기체가 용해되는 액체를 수용하는 용기, 가압된 액체흐름을 액체속으로 도입하는 최소한 한 개의 노즐과 가압수단의 유출구를 서로 연결시켜 통하게 하는 도관, 이 도관을 통하여 흐르는 액체속으로 기체를 도입하는 수단, 액체흐름중에서 난류를 발생시켜 이속에서 약간의 기체를 용해시키므로서 용해안된 기체기포가 액체속에 분산된 분산물을 만들도록 하는 수단, 도관의 비교적 하향류쪽에 있는 액체흐름으로부터 기체 약간을 취하는 수단 및 이 기체를 비교적 상향류쪽에 있는 도관쪽으로 순환시키는 수단으로 구성되는 액체중에 기체를 용해시키는 장치.
KR1019850000394A 1984-01-24 1985-01-23 액체에 대한 기체용해법 및 그 장치 KR920000537B1 (ko)

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