WO2020045773A1 - 가스분리용 평판형 분리막 모듈 - Google Patents

가스분리용 평판형 분리막 모듈 Download PDF

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WO2020045773A1
WO2020045773A1 PCT/KR2019/000494 KR2019000494W WO2020045773A1 WO 2020045773 A1 WO2020045773 A1 WO 2020045773A1 KR 2019000494 W KR2019000494 W KR 2019000494W WO 2020045773 A1 WO2020045773 A1 WO 2020045773A1
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WO
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pipe
separator
gas
separation
membrane module
Prior art date
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PCT/KR2019/000494
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English (en)
French (fr)
Inventor
이중원
이정빈
김경민
김준한
엄용석
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한국전력공사
주식회사 아스트로마
한국동서발전(주)
한국남동발전 주식회사
한국서부발전 주식회사
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/08—Flat membrane modules
    • B01D63/082—Flat membrane modules comprising a stack of flat membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/22—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion
    • B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02C—CAPTURE, STORAGE, SEQUESTRATION OR DISPOSAL OF GREENHOUSE GASES [GHG]
    • Y02C20/00—Capture or disposal of greenhouse gases
    • Y02C20/40—Capture or disposal of greenhouse gases of CO2

Definitions

  • the present invention relates to a membrane for capturing carbon dioxide from a gas discharged after combustion as a method of global warming.
  • the technology to capture carbon dioxide after combustion includes chemical absorption, adsorption, and separation membranes.
  • the membrane technology is an eco-friendly process that does not use chemicals, and it is spotlighted as a low energy use process because no additional steam is required.
  • Separation membranes are generally assembled in a pressure-resistant container together with a gap agent and manufactured in the form of a module, and are used in the form of a flat sheet, spiral wound, tube, and hollow fiber according to their shape. fiber).
  • Separation membrane module for gas separation serves to selectively permeate the target components from the injected gas stream to discharge to the permeate stream and the rest to the residual gas stream.
  • Membrane modules of spiral wound and hollow fiber membranes are preferred for the installation of large-area membranes in the same space.
  • dust in the exhaust gas acts as a cause of deterioration of the membrane.
  • the application of desert membrane modules is difficult or requires dust removal equipment for frequent maintenance or shearing.
  • One object of the present invention to solve the above-described problems, to provide a structure of a plate separation membrane module for gas separation to prevent the separation membrane is operated in a negative pressure state.
  • another object of the present invention is to provide a structure of a gas separation plate membrane module for effectively fixing a plurality of membranes to effectively improve the contact area between the gas and the membrane.
  • the membrane module according to the present invention is formed to penetrate one surface of the enclosure, the inner space to form a first pipe, a separation space for introducing a gas mixture into the inner space to form a first gas of the gas mixture It is provided to penetrate the separator assembly, the membrane assembly to be introduced into the separation space, the second pipe and the enclosure communicating with the separation space to discharge the first gas introduced into the separation space to the outside of the enclosure, And a third pipe communicating with the inner space to discharge the remaining gas except the first gas to the outside of the housing, wherein the membrane assembly is formed in a flat shape and may be provided in plurality in one direction. .
  • the separator assembly the first separator and the second separator which are bonded to each other to form the separation space, the gap agent disposed between the first separation membrane and the second separation membrane so as to maintain the separation space, and the separation space
  • a conduit pipe disposed on both sides of the gap agent to guide the first gas introduced into the separation space, and one side communicating with the separation space so as to discharge the first gas to the outside. It is coupled to one end of, the other side may include a discharge pipe connected to the second pipe.
  • the first and second separation membranes are formed to be porous to selectively permeate the gas mixture according to the permeation rate or molecular size of the mixed gas.
  • the gap agent is formed of a network having a plurality of grids, the plurality of grids may each have a size of 0.5 mm ⁇ 2 cm.
  • the conduit may be formed in a cylindrical shape extending in the height direction of the housing, the outer circumferential surface of the direction facing the gap agent of the conduit may be formed to open.
  • the discharge tube may be made of a material that can be deformed in shape, and may include a discharge tube spring installed inside the discharge tube to maintain a flow path through which the first gas passes.
  • the separator module may further include a cassette provided in the inner space and formed of a plurality of frames, and the plurality of separator assemblies may be mounted in the cassette, respectively.
  • the membrane module is mounted to the cassette, and further comprises a collection tube provided between the discharge tube and the second pipe, the collection tube extends along the one direction, the discharge tube of the plurality of membrane assembly And may be connected respectively.
  • a plurality of tubes coupled to the discharge tube are formed on an outer circumferential surface of the collection tube, and the plurality of tubes may be alternately formed along the one direction.
  • the collecting pipe may include first and second collecting pipes respectively connected to the conduit pipes provided at both sides of the gap agent, and the second pipe may be coupled to the first and second collecting pipes simultaneously.
  • the separator module may further include a clip formed to fix the separator assembly to the cassette, and at least one separator assembly may be mounted at predetermined intervals from each other.
  • the enclosure may be formed in a hexahedral shape
  • the first pipe may penetrate one surface of the enclosure
  • the second and third pipes may penetrate a surface facing the one surface
  • the first pipe may extend along the one direction, and a plurality of through holes through which the gas mixture flows may be formed along the one direction on an outer circumferential surface of the first pipe.
  • the third pipe may extend along the one direction, and a plurality of through holes may be formed along the one direction on an outer circumferential surface of the third pipe so that the remainder except the first gas may be introduced into the gas mixture. .
  • first pipe may be provided above the separator assembly
  • second pipe may be provided below the separator assembly
  • the first and second separators may be integrally formed.
  • a plurality of separator modules may be provided, and the plurality of separator modules may share any one surface of the enclosure.
  • Separation membrane assembly is formed porous and selectively permeate the gas mixture according to the permeation rate or the size of the molecule, the separator to form an inner space, the gap provided in the inner space to maintain the inner space, the It is provided in the interior space, respectively disposed on both sides of the gap agent to guide the gas introduced into the interior space of the gas mixture, and is formed to penetrate the separation membrane, one end is combined with the conduit tube It may include a discharge tube forming a flow path that is formed so that the gas guided by the tube passes to the outside.
  • the gap agent is formed of a network having a plurality of gratings, each of the plurality of gratings may have a size of 0.5 mm ⁇ 2 cm.
  • the discharge tube may be made of a material capable of deformation of the shape, and may include a discharge tube spring installed inside the discharge tube to maintain the flow path.
  • Gas separation plate membrane module according to the present invention is provided with a plurality of membrane assembly in the form of a plate therein, the contact area with the injected gas can be widened to facilitate the separation of the mixture.
  • the separator assembly may be provided with a gap agent and a conduit therein to prevent performance degradation caused by bending the separator.
  • conduit tube is coupled to the discharge tube formed of a flexible material so that the shape is deformable, and the spring is provided inside the discharge tube to maintain the flow path through which the gas moves, as well as to easily deform the discharge tube. Coupling with the collecting tube can be facilitated. Accordingly, assembly of the separator module may be facilitated.
  • the membrane assembly may be provided in plural units by the clip, maintenance may be easy. Accordingly, when a gas mixture including dust or the like is injected and dust or the like is attached to the membrane assembly, maintenance such as washing can be easily performed. Due to this, it is possible to minimize the performance degradation caused by the adhesion of dust to the separation foil assembly. In addition, the manufacturing cost and the module weight can be reduced by fixing the separator assembly with a clip.
  • the first and second pipes extend in the inside to eject / inject gas through the plurality of through holes, the gas mixture can be evenly distributed in the enclosure. As a result, contact between the injected gas mixture and the separator may be facilitated.
  • FIG. 1 shows a membrane module according to the invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the membrane assembly shown in FIG. 1.
  • FIG. 2 is a perspective view of the membrane assembly shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the membrane assembly shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 shows a cassette according to the invention.
  • FIG. 5 is a view showing a combined state of the membrane assembly and the clip shown in FIG.
  • 6a and 6b show clips according to the invention
  • FIG. 9 shows a separator device according to the invention.
  • the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component.
  • the term “and / or” includes any combination of a plurality of related items or any of a plurality of related items.
  • the membrane module according to the present invention in the gas mixture is a mixture of various gases, such as the injected exhaust gas, selectively permeate the gas according to the permeation rate of each gas or the size of the molecules to separate the gas mixture and target material Can be captured.
  • Such a membrane module may be applicable to various fields such as separation and capture of carbon dioxide, as well as hydrogen and nitrogen compounds.
  • FIG. 1 is a view showing a membrane module according to the present invention.
  • the membrane module 100 is a housing assembly 110 forming the outer appearance of the membrane module 100, the membrane assembly 120 for separating the injected mixed gas provided inside the housing 110
  • the first to third pipes 130, 140 and 150 mounted on the enclosure 110 may include a cassette 160 to fix the separator assembly 120 inside the enclosure 110.
  • the enclosure 110 forms an exterior of the separator module 100 and forms an internal space accommodating respective components therein.
  • the housing 110 may be formed in a hexahedral shape, but is not limited thereto, and may be provided in various shapes according to needs and designs.
  • the first to third pipes 130, 140 and 150 coupled to communicate with the outer and inner spaces of the enclosure 110 may be coupled to the enclosure 110.
  • the first to third pipes 130, 140, and 150 may be provided as hollow cylindrical pipes, and may form flow paths through which the respective gas separated by the gas mixture or the membrane assembly 120 flows. have.
  • the first pipe 130 is formed to inject a gas mixture to be separated, such as exhaust gas into the interior space of the housing 110, the second and third pipe 140 is the membrane assembly 120 Each gas separated by) may be formed to be discharged.
  • the membrane assembly 120 is provided inside the enclosure 110 to selectively permeate at least one gas and the first gas of the gas mixture introduced into the enclosure 110 so that the gas mixture is separated from the other gases. Can be separated.
  • FIG. 2 is a perspective view of the membrane assembly shown in FIG. 1
  • FIG. 3 is an exploded perspective view of the membrane assembly shown in FIG. 2.
  • each of the membrane assemblies 120 may include a membrane assembly 120 including a first separator 121, a second separator 122, a gap agent 123, a conduit 124, and a discharge tube 125. Can be.
  • the first separator 121 and the second separator 122 may be coupled to each other to form a separation space sealed from an inner space of the enclosure 110.
  • a first gas of the gas mixture may pass through the first separation membrane 121 and the second separation membrane 122.
  • the first separator 121 and the second separator 122 may be formed of a polymer membrane, zeolite, graphite, or a composite thereof.
  • the materials of the first separator 121 and the second separator 122 are not limited thereto, and materials capable of selectively permeating some substances in the gas mixture based on the size of molecules and the solubility of the surface of the separator.
  • the first separator 121 and the second separator 122 may be used.
  • the first and second separators may be porous.
  • the first separator 121 and the second separator 122 may be formed of a polymer silicon layer.
  • first separator 121 and the second separator 122 may be formed in a flat plate shape such that the separator assembly 120 has a flat plate shape.
  • first separator 121 and the second separator 122 may each have a rectangular shape.
  • the separator assembly 120 may include a gap agent 123 formed to maintain the separation space formed by the first separator 121 and the second separator 122.
  • the gap agent 123 may be provided in the separation space, and may serve as a support for supporting the first separation membrane 121 and the second separation membrane 122 not to be bent.
  • the gap agent 123 may be formed by the pressure difference between the gas mixture flowing into the inner space of the wing 110 and the first gas separated into the separation space and introduced into the separation space.
  • the second separator 122 contracts and expands, the second separator 122 may be formed to support the second separator 122.
  • the gap agent 123 may be formed of a network having a plurality of lattice. The plurality of gratings may be formed to have a size of 0.5 mm to 2 cm each.
  • the first separator 121 and the second separator 122 is the phenomenon that the separator is excessively expanded or compressed by the pressure difference between the inner space and the separation space of the housing 110. By preventing it, the first separator 121 and the second separator 122 may be maintained at regular intervals to maintain the separation space.
  • both sides of the gap 123 may further include a conduit pipe 124 for guiding to discharge the first gas introduced into the separation space.
  • the conduit tube 124 may be formed in a cylindrical tube shape extending in one direction, it may be formed so that any one side is open along the one direction. That is, when the conduit 124 is viewed from above, it may be formed to form a C shape. In other words, an outer circumferential surface of the conduit 124 facing the gap 123 may be opened.
  • the one direction may be a direction along the surface of the separator assembly 120 formed in a flat plate shape.
  • the conductive pipes 124 may be provided in two and may be disposed with the gap agent 123 interposed therebetween. However, the present invention is not limited thereto and may be provided only at one side. In addition, the gap pipe 123 may be fitted into an open area of the conduit 124.
  • the conduit pipe 124 is a guide flow passage for guiding the first gas introduced into the separation space through the surfaces of the first separation membrane 121 and the second separation membrane 122 to the discharge tube 125 to be described later. Can be achieved.
  • the discharge pipe 125 may be coupled to one end of the conduit 124.
  • the discharge tube 125 may be connected to the second pipe 140 to discharge the first gas introduced into the separation space to the outside of the housing 110. That is, the discharge tube 125 may form part of the discharge passage of the first gas.
  • the discharge tube 125 may be provided between the first and second separation membranes 121 and 123 to communicate the separation space and the internal space.
  • the discharge tube 125 may be formed of a soft material to facilitate coupling with the conduit 124 and the collecting tube 180 to be described later. That is, the discharge tube 125 may be formed of a material capable of shape deformation.
  • the discharge tube 125 may be formed of a soft tube such as a rubber material, a polymer material, and Teflon.
  • a discharge tube spring 126 may be provided inside the discharge tube 125.
  • the discharge tube spring 126 may prevent the discharge tube 125 formed of a soft material from being blocked by being pressed or bent. That is, the discharge tube spring 126 may maintain the discharge passage of the first gas.
  • the first gas discharge passage can be maintained while the shape is deformed by the discharge tube spring 126 provided inside the discharge tube 125, the assembly of the membrane module 100 can be facilitated.
  • the discharge tube 125 is shown to be provided on the lower side of the membrane assembly 120, but is not limited thereto, and may be provided on the side or the upper side.
  • the discharge pipe 125 may be coupled to the collecting pipe 180 to be described later, and the collecting pipe 180 is connected to the second pipe 140 to discharge the first gas to the outside of the housing 110. You can.
  • the separator assembly 120 may be manufactured by bonding the first separator 121 and the second separator 122 formed of separate members. Specifically, as described above, the spacer 123 is disposed between the first separator 121 and the second separator 122 each having a rectangular shape, and the conduit pipes are disposed on both sides of the spacer 123. (124) is bonded.
  • the discharge pipe 125 is coupled to one end of the conductive pipe 124, and at least a portion of the discharge pipe 125 is disposed so that the outside of the first and second separation membranes 121 and 122 are located.
  • the first separator 121 and the second separator 122 are bonded along the edges of the second separator 122.
  • first separation membrane 121 and the second separation membrane 122 are formed in a quadrangular shape, all four side edges must be bonded. Unlike this, according to another embodiment of the present invention, the first separator 121 and the second separator 122 may be integrally formed.
  • first and second separators 121 and 122 may be formed in a cylindrical shape in which one side and the other side are open.
  • the separator assembly 120 may be formed by joining one side and the other side in a state in which the gap agent 123, the conduit tube 124, and the discharge tube 125 are disposed therein.
  • such a membrane assembly 120 may be fixed in the housing 110 by a cassette 160.
  • the cassette 160 may be utilized as a structure for fixing the separator assembly 120 provided in plurality.
  • the cassette 160 may be formed in a frame structure formed of a plurality of frames 161 to reduce weight.
  • the cassette 160 may be formed to form a hexahedral frame structure.
  • the present invention is not limited thereto, and may include various structures capable of fixing the separator assembly 120.
  • the separator assembly 120 may be coupled to the cassette 160 by a clip 170.
  • 5 is a view showing a combined state of the membrane assembly and the clip shown in FIG. 6a and 6b show clips according to the invention.
  • the separator assembly 120 is coupled to the cassette 160 by a clip 170.
  • a plurality of tongs may be formed in one clip 170 so that the plurality of separator assemblies 120 are coupled to each other.
  • the clip 170 is formed with a plurality of tongs spaced apart from each other.
  • the tongs may be formed of an elastically deformable material, and the separator assembly 120 may be coupled to fit in a gap formed between the tongs.
  • the tongs may be provided along one direction, and a plurality of separator assemblies 120 may be coupled thereto.
  • the gap may be formed side by side in one direction, and thus, the plurality of separator assemblies 120 are coupled to the clip 170 in a state of being spaced apart by a predetermined distance.
  • four separation membrane assemblies 120 may be coupled to the clip 170, but the present disclosure is not limited thereto, and two separation membrane assemblies 120 may be coupled to each other as illustrated in FIG. 6B.
  • the clip 170 is coupled to the support rod 162 provided on the cassette 160, the separator assembly 120 is coupled to the cassette 160.
  • the present invention is not limited thereto, and the clip 170 may couple the separator assembly 120 to the cassette 160 as well as the upper side. Accordingly, the plurality of separation membrane assemblies 120 may be prevented from varying in distance from each other even when an external impact is applied, and the outside of the separation membrane assembly 120, that is, the gas mixture flowing in the inner space of the enclosure 110 may be prevented. The flow path can be kept constant.
  • the shape of the clip 170 shown is merely exemplary, and various embodiments for fixing the plurality of separator assemblies 120 may be included in the present invention.
  • the discharge pipe 125 of the membrane assembly 120 is connected to the second pipe 140.
  • the discharge pipe 125 may be connected to the second pipe 140 by the collection pipe 180.
  • FIG. 7 is a view showing the collecting tube according to the present invention.
  • a plurality of discharge pipes 125 may be coupled to the collection pipe 180.
  • the discharge tube 125 may also be provided with a number corresponding to the separator assembly 120.
  • each of the plurality of discharge pipes 125 may be coupled to the collection pipe 180, and the first gas separated from each of the separation membrane assemblies 120 may be the collection pipe 180 and the second pipe 140. It may be discharged to the outside of the enclosure 110 through.
  • a tube 181 may be formed on an outer circumferential surface of the collecting tube 180 so that the discharge tube 125 may be coupled thereto. That is, a plurality of tubes 181 are formed on the outer circumferential surface of the collecting tube 180 so that the discharge tube 125 formed of a flexible material is fitted to the collecting tube 180 and coupled thereto.
  • the tube 181 may be formed in plural along the direction in which the collecting tube 180 extends. In addition, the tubes 181 may be alternately formed to facilitate assembly of the membrane module 100. As shown, 20 of the tube 181 may be formed in one collecting tube 180.
  • the collecting tube 180 may be fixed to the cassette 160.
  • the separator assembly 120 may be provided with two discharge pipes 125 on both sides of the gap 123.
  • the collection tube 180 may include first and second collection tubes 180a and 180b to be connected to the discharge tube 125 provided at one side and the other side, respectively.
  • the first collecting pipe 180a and the second collecting pipe 180b may be simultaneously coupled to one second pipe 140 to discharge the first gas to the outside of the enclosure 110.
  • Figure 8 is a view showing the enclosure according to the present invention.
  • the housing 110 may be formed in a hexahedral shape, and the first pipe 130, the second pipe 140, and the third pipe 150 are coupled to the housing 110, respectively. Can be.
  • the first pipe 130 is coupled to penetrate one surface 111 of the enclosure 110.
  • the first pipe 130 is a pipe for injecting a gas mixture to be separated and may be coupled to the upper side of the housing 110.
  • the second pipe 140 and the third pipe 150 are pipes through which the separated first gas and the second gas are discharged and face the one surface 111 to which the first pipe 130 is coupled. It may be coupled to penetrate the other surface 112. In addition, the second pipe 140 and the third pipe 150 may be coupled to the lower side of the housing 110.
  • the first pipe 130 may extend along one direction in the inner space of the housing 110 to evenly spread the gas mixture in the inner space of the housing 110.
  • a plurality of through holes may be formed on the outer circumferential surface of the first pipe 130 along the one direction.
  • the one direction may be a direction in which the plurality of separator assemblies 120 are arranged and aligned.
  • the first pipe 130 may be biased to the upper side of the housing 110, the first pipe 130 may be disposed above the separation membrane assembly 120 in the inner space of the housing 110.
  • the third pipe 150 is formed to discharge the second gas that has not permeated into the separation space of the membrane assembly 120 in the gas mixture to the outside of the housing 110.
  • the third pipe 150 may also extend along one direction in the inner space of the enclosure 110, and a plurality of through holes may be formed along the one direction on an outer circumferential surface of the third pipe 150. .
  • the third pipe 150 since the third pipe 150 may be disposed to be biased below the enclosure 110, the third pipe 150 may be disposed below the separator assembly 120 in the inner space of the enclosure 110.
  • the coupling position of the first pipe 130, the second pipe 140, and the third pipe 150 corresponds to an example of the present invention and is not limited to the above description.
  • the operating mechanism of the membrane module 100 configured as described above is as follows.
  • the gas mixture introduced through the first pipe 130 is filled in the inner space of the housing 110.
  • the first gas such as carbon dioxide, and the like
  • the remaining second gases among the gas mixtures filled in the inner space, have different permeation rates or sizes of molecules.
  • the first gas passes through the first separator 121 or the second separator 122 of the separator assembly 120 and flows into the separation space of the separator assembly 120, into the separation space.
  • the second gases which are not introduced are discharged to the outside of the enclosure 110 through the third pipe 150.
  • the first gas introduced into the separation space sequentially passes through the conduit pipe 124, the discharge pipe 125, the collection pipe 180, and the second pipe 140 to the outside of the enclosure 110. Is discharged.
  • the membrane module 100 may selectively separate the gas mixture.
  • the membrane module 100 as described above may be utilized in various fields, including separation and collection of carbon dioxide, separation and collection of hydrogen.
  • Figure 9 is a view showing a separator device according to the present invention.
  • the membrane device 1000 may include a plurality of membrane modules 100.
  • the separator module 100 may have an hexahedral shape. In this case, the separator module 100 may be formed to share any one surface of the housing 110.
  • the plurality of separation membrane modules 100 may be disposed to contact one surface facing each other.
  • the membrane module 100 may be disposed such that the upper surface, the lower surface, and the side surface on which the first pipe 130, the second pipe 140, and the third pipe 150 are not formed are in contact with each other. have.
  • the membrane device 1000 is illustrated as including the three membrane module 100, but is not limited thereto and may include a larger number of the membrane module 100 according to design and need. have.
  • the present invention can be applied to various mixed gases including carbon dioxide as well as exhaust gas discharged after combustion.

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  • Separation Using Semi-Permeable Membranes (AREA)

Abstract

본 발명을 따르는 분리막 모듈은, 내부공간을 형성하는 함체, 상기 함체의 어느 일면을 관통하도록 형성되어 상기 내부공간에 가스 혼합물을 유입시키는 제1 배관, 분리공간을 형성하여 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 상기 분리공간으로 유입시키는 분리막 조립체, 상기 함체를 관통하도록 구비되며, 상기 분리공간과 연통되어 상기 분리공간에 유입된 제1 가스를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제2 배관 및 상기 함체를 관통하며, 상기 내부공간과 연통되어 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 제외한 나머지를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제3 배관을 포함하며, 상기 분리막 조립체는 평판 형상으로 형성되어 일 방향을 따라 복수개로 구비될 수 있다.

Description

가스분리용 평판형 분리막 모듈
본 발명은 지구온난화 대응 방법으로서, 연소 후 배출되는 가스에서 이산화탄소를 포집하기 위한 분리막에 관한 것이다.
지구온난화 대응 방법으로서 이산화탄소를 포집 및 이용ㅇ저장하는 기술에 대한 연구가 많이 이뤄지고 있다. 연소 후 이산화탄소를 포집하는 기술에 화학흡수, 흡착, 분리막 등이 있으며 이 중 분리막 기술은 화학물질이 사용되지 않는 친환경 공정으로 추가적인 스팀이 필요하지 않아 저에너지 사용 공정으로 각광받고 있다.
분리막은 일반적으로 내압용기에 간극제 등과 함께 조립하여 모듈의 형태로 제작하여 사용하며 그 형태에 따라 평판형(Flat sheet type), 나권형(spiral wound), 튜브형(tube type), 중공사막(hollow fiber)으로 나누어진다.
가스분리용 분리막 모듈은 주입된 가스 흐름으로부터 목표 성분을 선택적으로 투과시켜 투과부 흐름으로 배출하고 나머지는 잔여가스 흐름으로 배출하는 역할을 한다.
동일 공간 내 넓은 면적의 분리막 설치를 위해 나권형, 중공사막의 분리막 모듈이 선호되고 있으나 주 이산화탄소 배출원인 연소 배기가스의 경우, 배기가스 내 먼지가 분리막의 성능저하의 원인으로 작용하여 나권형 혹은 중공사막 형태의 분리막 모듈의 적용이 어렵거나 잦은 유지 보수 혹은 전단에 먼지 제거 설비가 요구된다.
또한, 기존 평판형 분리막은 대체로 수처리에 적용되며 가스분리에 적용할 경우 투과부 흐름을 음압상태로 운전하면서 분리막이 휘어지는 등 성능 저하가 되므로 분리막을 효과적으로 고정하기 위한 추가적인 장치를 필요로 하는 문제점이 발생한다.
본 발명의 일 목적은 전술한 문제점을 해소하는 것으로서, 음압 상태로 작동되는 분리막이 휘어지는 것을 방지하기 위한 가스분리용 편판형 분리막 모듈의 구조를 제공하는 것이다.
아울러, 본 발명의 다른 일 목적은 다수의 분리막을 효과적으로 고정하여 기체와 분리막의 접촉 면적을 효과적으로 향상시킬 수 있는 가스분리용 평판형 분리막 모듈의 구조를 제공하는 것이다.
본 발명을 따르는 분리막 모듈은 내부공간을 형성하는 함체, 상기 함체의 어느 일면을 관통하도록 형성되어 상기 내부공간에 가스 혼합물을 유입시키는 제1 배관, 분리공간을 형성하여 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 상기 분리공간으로 유입시키는 분리막 조립체, 상기 함체를 관통하도록 구비되며, 상기 분리공간과 연통되어 상기 분리공간에 유입된 제1 가스를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제2 배관 및 상기 함체를 관통하며, 상기 내부공간과 연통되어 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 제외한 나머지를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제3 배관을 포함하며, 상기 분리막 조립체는 평판 형상으로 형성되어 일 방향을 따라 복수개로 구비될 수 있다.
여기서, 상기 분리막 조립체는, 서로 결합하여 상기 분리공간을 형성하는 제1 분리막과 제2 분리막, 상기 분리공간이 유지되도록 상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막 사이에 배치되는 간극제, 및 상기 분리공간에 구비되며, 상기 간극제 양측에 각각 배치되어 상기 분리공간에 유입된 상기 제1 가스를 안내하는 도류관, 및 상기 제1 가스를 외부로 배출시키도록 일측이 상기 분리공간을 연통하여 상기 도류관의 일단에 결합되며, 타측이 상기 제2 배관과 연결되는 토출관을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 분리막은 다공성으로 형성되어, 혼합가스의 투과속도 또는 분자크기에 따라 상기 가스 혼합물을 선택적으로 투과시킬 수 있다.
또한, 상기 간극제는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성되며, 상기 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 도류관은 상기 함체의 높이 방향으로 연장되는 원통 형상으로 형성되며, 상기 도류관의 상기 간극제를 바라보는 방향의 외주면은 개방되도록 형성될 수 있다.
또한, 상기 토출관은, 형상의 변형이 가능한 재질로 이루어지며, 상기 제1 가스가 통과하는 유로가 유지되도록 상기 토출관 내부에 설치되는 토출관 스프링을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 분리막 모듈은, 상기 내부공간에 구비되며, 복수의 프레임으로 형성되는 카세트를 더 포함하며, 상기 복수의 분리막 조립체는 각각 상기 카세트에 장착될 수 있다.
여기서, 상기 분리막 모듈은, 상기 카세트에 장착되며, 상기 토출관과 상기 제2 배관 사이에 구비되는 집합관을 더 포함하며, 상기 집합관은 상기 일 방향을 따라 연장되어, 상기 복수의 분리막 조립체의 토출관과 각각 연결될 수 있다.
또한, 상기 집합관의 외주면에는 상기 토출관과 결합되는 복수의 튜브가 형성되며, 상기 복수의 튜브는 상기 일 방향을 따라 엇갈리며 형성될 수 있다.
또한, 상기 집합관은 상기 간극제 양측에 구비되는 상기 도류관과 각각 연결되는 제1 및 제2 집합관을 포함하며, 상기 제2 배관은 상기 제1 및 제2 집합관과 동시에 결합될 수 있다.
또한, 상기 분리막 모듈은, 상기 분리막 조립체를 상기 카세트에 고정시키도록 형성되는 클립을 더 포함하며, 상기 클립에는 적어도 하나 이상의 분리막 조립체가 서로 기 설정된 간격을 두고 장착될 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기 함체는 육면체 형상으로 형성되며, 상기 제1 배관은 상기 함체의 어느 일면을 관통하며, 상기 제2 및 제3 배관은 상기 일면과 마주하는 면을 관통할 수 있다.
또한, 상기 제1 배관은 상기 일 방향을 따라 연장되며, 상기 제1 배관의 외주면에는 상기 가스 혼합물이 유입되는 복수의 관통홀이 상기 일 방향을 따라 형성될 수 있다.
또한, 상기 제3 배관은 상기 일 방향을 따라 연장되며, 상기 제3 배관의 외주면에는 복수의 관통홀이 상기 일 방향을 따라 형성되어, 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 제외한 나머지가 유입될 수 있다.
또한, 상기 제1 배관은 상기 분리막 조립체 상측에 구비되며, 상기 제2 배관은 상기 분리막 조립체 하측에 구비될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 제1 및 제2 분리막은 일체로 형성될 수 있다.
본 발명에 따르는 분리막 장치는 상기 분리막 모듈은 복수개로 구비되며, 상기 복수개로 구비되는 분리막 모듈은 함체의 어느 일면을 공유할 수 있다.
본 발명을 따르는 분리막 조립체는 다공성으로 형성되어 투과속도 또는 분자의 크기에 따라 가스 혼합물을 선택적으로 투과시키며, 내부공간을 형성하는 분리막, 상기 내부공간을 유지되도록 상기 내부공간에 구비되는 간극제, 상기 내부공간에 구비되며, 상기 간극제 양측에 각각 배치되어 상기 가스 혼합물 중 상기 내부공간에 유입된 가스를 안내하는 도류관, 및 상기 분리막을 관통하도록 형성되며, 일단이 상기 도류관과 결합되어 상기 도류관에 의해 안내된 가스가 외부로 통과하도록 형성되는 유로를 형성하는 토출관을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 간극제는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성되며, 상기 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 가질 수 있다.
여기서, 상기 토출관은 형상의 변형이 가능한 재질로 이루어지며, 상기 유로가 유지되도록 상기 토출관 내부에 설치되는 토출관 스프링을 포함할 수 있다.
본 발명에 따르는 가스분리용 평판형 분리막 모듈은 내부에 평판 형상의 복수의 분리막 조립체가 구비되어, 주입된 가스와의 접촉면적이 넓어져 혼합물의 분리가 용이해질 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 분리막 조립체는 내부에 간극제 및 도류관이 구비되어 분리막이 휘어짐에 따라 발생하는 성능 저하를 방지할 수 있다.
나아가, 도류관에는 형상이 변형 가능하도록 연성 재질로 형성된 토출관을 결합시키며, 토출관 내부에 스프링이 구비되어 가스가 이동하는 유로를 유지시킬 수 있을 뿐만 아니라, 토출관을 용이하게 변형시킬 수 있어 집합관과의 결합이 용이해질 수 있다. 이에 따라, 분리막 모듈의 조립이 용이해질 수 있다.
또한, 다수의 분리막 조립체를 클립을 이용해 카세트에 일정 간격으로 이격시키도록 배열시키므로, 주입된 가스 혼합물와 분리막과의 접촉을 용이하게 할 수 있다.
나아가, 클립에 의해 분리막 조립체가 복수개 단위로 구비될 수 있어, 유지보수가 용이할 수 있다. 이에 따라, 먼지 등이 포함된 가스 혼합물이 주입되어 먼지 등이 분리막 조립체에 부착되는 경우, 용이하게 세척 등 유지보수를 할 수 있다. 이로 인하여, 먼지 등이 분리박 조립체에 부착되어 발생하는 성능 저하를 최소화시킬 수 있다. 또한, 분리막 조립체의 고정을 클립으로 수행함으로써 제작 비용 및 모듈 무게를 저감할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 배관이 내부에서 연장되어 복수의 관통홀을 통해 가스를 분출/유입시킬 수 있으므로, 함체 내부에 가스 혼합물이 고르게 분포시킬 수 있다. 이에 따라, 주입된 가스 혼합물와 분리막과의 접촉이 용이해질 수 있다.
도 1은 본 발명을 따르는 분리막 모듈를 나타내는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 분리막 조립체의 사시도.
도 3은 도 2에 도시된 분리막 조립체의 분해 사시도.
도 4은 본 발명에 따르는 카세트를 나타내는 도면.
도 5는 도 1에 도시된 분리막 조립체와 클립의 결합된 상태는 나타내는 도면.
도 6a와 도 6b는 본 발명을 따르는 클립을 나타내는 도면.
도 7은 본 발명에 따르는 집합관을 나타내는 도면.
도 8은 본 발명을 따르는 함체를 나타내는 도면.
도 9는 본 발명에 따르는 분리막 장치를 나타내는 도면.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다.
본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명에 따르는 분리막 모듈은, 주입된 배기가스와 같은 다양한 가스가 혼합된 가스 혼합물에 있어서, 각각의 가스의 투과속도 또는 분자의 크기에 따라 가스를 선택적으로 투과시켜 가스 혼합물의 분리 및 목표 물질을 포집할 수 있다.
이와 같은 분리막 모듈은 이산화탄소의 분리 및 포집은 물론 수소, 질소 화합물 등 다양한 분야에 적용이 가능할 수 있다.
이하, 본 발명에 관련된 분리막 모듈에 대해, 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 도 1은 본 발명을 따르는 분리막 모듈를 나타내는 도면이다.
도면을 참고하면, 본 발명을 따르는 분리막 모듈(100)은 분리막 모듈(100)의 외형을 이루는 함체(110), 상기 함체(110) 내부에 구비되어 주입된 혼합가스를 분리하는 분리막 조립체(120), 상기 함체(110)에 장착되는 제1 내지 제3 배관(130, 140, 150), 상기 함체(110) 내부에서 분리막 조립체(120)를 고정시키는 카세트(160)를 포함할 수 있다.
상기 함체(110)는 상기 분리막 모듈(100)의 외관을 이루며, 내부에 각각의 구성을 수용하는 내부공간을 형성한다. 도시된 바에 따르면, 상기 함체(110)는 육면체 형상으로 형성될 수 있으나, 이에 한하지 않으며, 필요 및 설계에 따라 다양한 형상으로 구비될 수 있다.
상기 함체(110)에는 상기 함체(110)의 외부 및 내부공간을 연통하도록 결합되는 상기 제1 내지 제3 배관(130, 140, 150)이 결합될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 배관(130, 140, 150)은 내부가 빈 원통형 관으로 구비될 수 있으며, 상기 가스 혼합물 또는 상기 분리막 조립체(120)에 의해 분리된 각각의 가스가 흐르는 유로를 형성할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 배관(130)은 배기가스 등 분리시키려는 가스 혼합물을 상기 함체(110)의 내부공간에 주입시키도록 형성되며, 상기 제2 및 제3 배관(140)은 상기 분리막 조립체(120)에 의해 분리된 각각의 가스들이 배출되도록 형성될 수 있다.
한편, 분리막 조립체(120)는 상기 함체(110) 내부에 구비되어 상기 함체(110) 내부에 유입된 가스 혼합물 중 적어도 어느 하나의 가스, 제1 가스를 선택적으로 투과시켜 가스 혼합물을 다른 가스들과 분리시킬 수 있다. 이하, 도면을 참고하여 구체적으로 설명한다.
도 2는 도 1에 도시된 분리막 조립체의 사시도이며, 도 3은 도 2에 도시된 분리막 조립체의 분해 사시도이다.
도 1과 함께 본 도면들을 참고하면, 상기 분리막 조립체(120)는 일 방향을 따라 복수개로 구비될 수 있다. 또한, 상기 분리막 조립체(120) 각각은 분리막 조립체(120)는 제1 분리막(121), 제2 분리막(122), 간극제(123), 도류관(124) 및 토출관(125)을 포함할 수 있다.
상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 서로 결합하여 상기 함체(110)의 내부공간으로부터 밀폐되는 분리공간을 형성할 수 있다. 상기 분리공간에는 상기 가스 혼합물 중 제1 가스가 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)을 투과하여 유입될 수 있다.
이러한, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 고분자막, 제올라이트, 그라파이트 또는 이들의 복합체로 이루어질 수 있다. 다만, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)의 소재는 이에 한정되지 않으며, 분자의 크기 및 분리막 표면의 용해도 등을 기작으로 기체 혼합물에서 일부 물질을 선택적으로 투과시킬 수 있는 소재의 경우 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)로 사용될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 분리막은 다공성으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 고분자 실리콘(silicone)막으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 분리막 조립체(120)가 평판 형상을 이루도록 평판 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 각각 사각형 형상을 지닐 수 있다.
한편, 분리막 조립체(120)는 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)에 의해 형성된 상기 분리공간을 유지시키도록 형성되는 간극제(123)를 포함할 수 있다. 상기 간극제(123)는 상기 분리공간에 구비되며, 연성재질로 형성되는 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)이 휘어지지 않도록 지지하는 지지대 역할을 수행할 수 있다.
또한, 간극제(123)는 상기 함체(110)의 사익 내부공간으로 유입되는 상기 가스 혼합물과 상기 분리공간으로 분리되어 유입된 상기 제1 가스간의 압력차에 의하여 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)이 수축, 팽창하는 경우, 이를 지지하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 간극제(123)는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성될 수 있다. 이러한 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 갖도록 형성될 수 있다.
상기 간극제(123)에 의하여, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 상기 함체(110)의 상기 내부공간과 분리공간의 압력 차이에 의해 분리막이 과하게 팽창되거나 압착되는 현상을 방지하여, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)을 상기 분리공간이 유지되도록 일정한 간격을 갖도록 유지시킬 수 있다.
한편, 상기 간극제(123)의 양측에는 분리공간으로 유입된 제1 가스를 배출시키도록 안내하는 도류관(124)을 더 포함할 수 있다.
상기 도류관(124)은 어느 일 방향을 따라 연장되는 원통형 관 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 일 방향을 따라 어느 일측이 개방되도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 도류관(124)을 위에서 바라본 경우, C형상을 이루도록 형성될 수 있다. 다시 말해, 상기 도류관(124)의 상기 간극제(123)를 바라보는 방향의 외주면은 개방되도록 형성될 수 있다. 여기서, 상기 일 방향이란, 평판형 형상으로 형성되는 상기 분리막 조립체(120)의 면을 따르는 방향일 수 있다.
상기 도류관(124)은 2개로 구비되어 상기 간극제(123)를 사이에 두고 배치될 수 있다. 다만, 이에 한하지 않으며, 어느 일측에만 구비될 수 있다. 또한, 상기 도류관(124)은 개방된 영역에 상기 간극제(123)가 끼워질 수 있다.
상기 도류관(124)은 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)의 면을 투과하여 상기 분리공간으로 유입된 제1 가스를 후술할 토출관(125)으로 안내하는 안내 유로를 이룰 수 있다.
또한, 상기 도류관(124)의 일 단부에는 토출관(125)이 결합될 수 있다. 상기 토출관(125)은 상기 분리공간으로 유입되는 제1 가스를 상기 함체(110)의 외부로 배출시키도록 상기 제2 배관(140)과 연결될 수 있다. 즉, 상기 토출관(125)은 상기 제1 가스의 배출 유로의 일부를 형성할 수 있다.
상기 토출관(125)은 상기 분리공간과 상기 내부공간을 연통하도록 상기 제1 및 제2 분리막(121, 123) 사이에 구비될 수 있다.
상기 토출관(125)은 상기 도류관(124) 및 후술할 집합관(180)과의 결합이 용이하도록 연질의 재질로 형성될 수 있다. 즉, 상기 토출관(125)은 형상 변형 가능한 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 토출관(125)은 고무 소재, 고분자 소재, 테프론 등의 연질의 튜브로 형성될 수 있다.
한편, 상기 토출관(125)의 내부에는 토출관 스프링(126)이 구비될 수 있다. 상기 토출관 스프링(126)은 연질의 재질로 형성되는 상기 토출관(125)이 눌리거나 꺽임 등에 따라 막히는 것을 방지할 수 있다. 즉, 상기 토출관 스프링(126)은 상기 제1 가스의 배출 유로를 유지할 수 있다.
이와 같은 상기 토출관(125)의 내부에 구비되는 상기 토출관 스프링(126)에 의하여 형상이 변형되면서도 제1 가스 배출유로를 유지할 수 있으므로, 분리막 모듈(100)의 조립이 용이해질 수 있다.
도시된 바에 따르면, 상기 토출관(125)은 상기 분리막 조립체(120)의 하측에 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한하지 않으며, 측면 또는 상측에 구비될 수 있다.
이러한, 상기 토출관(125)은 후술한 집합관(180)에 결합될 수 있으며, 상기 집합관(180)은 상기 제2 배관(140)과 연결되어 상기 제1 가스를 상기 함체(110) 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 이와 같은 상기 분리막 조립체(120)는 제작시, 별개의 부재로 이루어진 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)을 접합하여 제작할 수 있다. 구체적으로, 전술한 바와 같이 각각 사각형 형상으로 이루어진 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122) 사이에 간극제(123)를 배치하며, 상기 간극제(123)의 양측에 상기 도류관(124)을 접합시킨다.
이후, 상기 도류관(124)의 일 단부에 상기 토출관(125)을 결합시키며, 상기 토출관(125)의 적어도 일부가 상기 제1 및 제2 분리막(121, 122)의 외측이 위치하도록 배치시킨 상태에서 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)의 테두리를 따라서 접착시킨다.
여기서, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 사각형 형상으로 이루어지므로, 4측 테두리를 모두 접합시켜야 된다. 이와 달리, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 분리막(121)과 상기 제2 분리막(122)은 일체로 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 및 제2 분리막(121, 122)는 일측 및 타측이 개방된 원통형 형상으로 형성될 수 있다. 여기서, 상기 간극제(123), 상기 도류관(124) 및 상기 토출관(125)을 내부에 배치시킨 상태에서 일측 및 타측을 접합시킴으로써 상기 분리막 조립체(120)를 형성할 수 있다.
한편, 이와 같은 분리막 조립체(120)는 카세트(160)에 의해 상기 함체(110) 내부에서 고정될 수 있다.
도 4은 본 발명에 따르는 카세트를 나타내는 도면이다. 상기 카세트(160)는 복수개로 구비되는 상기 분리막 조립체(120)를 고정시키는 구조로서 활용될 수 있다. 상기 카세트(160)는 경량화를 위하여 복수의 프레임(161)으로 형성되는 프레임 구조로 형성될 수 있으며, 도면을 참고하면, 상기 카세트(160)는 육면체 형상의 프레임 구조를 이루도록 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 분리막 조립체(120)를 고정시킬 수 있는 다양한 구조를 포함할 수 있다.
상기 분리막 조립체(120)는 클립(170)에 의해 상기 카세트(160)에 결합될 수 있다. 도 5는 도 1에 도시된 분리막 조립체와 클립의 결합된 상태는 나타내는 도면. 도 6a와 도 6b는 본 발명을 따르는 클립을 나타내는 도면이다.
도 1과 함께 본 도면을 참고하면, 상기 분리막 조립체(120)는 클립(170)에 의해 상기 카세트(160)에 결합된다. 한 개의 상기 클립(170)에는 복수개의 상기 분리막 조립체(120)가 결합되도록 복수개의 집게가 형성될 수 있다. 상기 클립(170)은 서로 이격되는 복수개의 집게가 형성된다. 상기 집게는 탄성 변형 가능한 재질로 형성되어, 상기 분리막 조립체(120)가 상기 집게 사이 형성된 틈에 끼워지도록 결합될 수 있다. 상기 집게는 일방향을 따라 복수개가 구비되어, 복수개의 분리막 조립체(120)가 결합될 수 있다.
상기 틈은 일 방향을 따라 나란하게 형성될 수 있으며, 이에 따라, 복수개의 상기 분리막 조립체(120)는 기 설정된 거리 만큼 이격된 상태로 상기 클립(170)에 결합된다.
도시된 바에 따르면, 상기 클립(170)에는 4개의 분리막 조립체(120)가 결합될 수 있으나, 이에 한하지 않으며, 도 6b와 같이 2개의 분리막 조립체(120)가 결합될 수 있다.
또한, 도시된 바에 따르면, 상기 클립(170)은 상기 카세트(160)의 상측에 구비되는 지지봉(162)에 결합되어, 상기 분리막 조립체(120)를 상기 카세트(160)에 결합시킨다. 다만, 이에 한하지 않으며, 상기 클립(170)은 상측 뿐만 아니라, 하측에서도 상기 분리막 조립체(120)를 상기 카세트(160)에 결합시킬 수 있다. 이에 따라, 외부 충격에도 복수개의 상기 분리막 조립체(120)가 서로간의 간격이 달라지는 것을 방지할 수 있으며, 상기 분리막 조립체(120)의 외부 즉, 상기 함체(110)의 상기 내부공간에 흐르는 가스 혼합물의 유로가 일정하게 유지될 수 있다.
다만, 도시된 클립(170)의 형상은 예시적인 것일 뿐, 복수개의 상기 분리막 조립체(120)를 고정시키기 위한 각종 실시예도 본 발명에 포함될 수 있다.
한편, 전술한 바와 같이, 상기 분리막 조립체(120)의 상기 토출관(125)은 상기 제2 배관(140)에 연결된다. 이 경우, 상기 토출관(125)은 상기 집합관(180)에 의해 상기 제2 배관(140)에 연결될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따르는 집합관을 나타내는 도면이다. 본 도면을 도 1과 함께 참고하면, 상기 집합관(180)에는 복수개의 상기 토출관(125)이 결합될 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 분리막 모듈(100)은 복수개의 상기 분리막 조립체(120)를 구비하므로, 상기 토출관(125) 역시 상기 분리막 조립체(120)에 대응되는 숫자로 구비될 수 있다.
이 경우, 복수개의 토출관(125)은 각각 상기 집합관(180)에 결합될 수 있으며, 각각의 상기 분리막 조립체(120)에서 분리된 제1 가스는 상기 집합관(180) 및 제2 배관(140)을 통해 상기 함체(110)의 외부로 배출될 수 있다.
한편, 상기 집합관(180)의 외주면에는 상기 토출관(125)이 결합될 수 있도록 튜브(181)가 형성될 수 있다. 즉, 연성 재질로 형성되는 토출관(125)이 상기 집합관(180)에 끼워져 결합될 수 있도록 상기 집합관(180)의 외주면는 복수개의 튜브(181)가 형성된다.
상기 튜브(181)는 상기 집합관(180)이 연장되는 방향을 따라 복수개로 형성될 수 있다. 또한, 상기 튜브(181)는 상기 분리막 모듈(100)의 조립이 용이해지도록 서로 엇갈리게 형성될 수 있다. 도시된 바에 따르면, 하나의 상기 집합관(180)에는 20개의 상기 튜브(181)가 형성될 수 있다.
또한, 상기 집합관(180)은 상기 카세트(160)에 결합되어 고정될 수 있다.
한편, 본 발명에 따르면, 상기 분리막 조립체(120)에는 상기 토출관(125)이 상기 간극제(123)의 양측에 2개로 구비될 수 있다. 이에 따라, 상기 집합관(180)은 일측 및 타측에 구비되는 상기 토출관(125)에 각각 연결될 수 있도록 제1 및 제2 집합관(180a, 180b)을 구비할 수 있다.
상기 제1 집합관(180a)과 제2 집합관(180b)은 하나의 상기 제2 배관(140)에 동시에 결합되어 상기 제1 가스를 상기 함체(110) 외부로 배출시킬 수 있다.
한편, 도 8은 본 발명을 따르는 함체를 나타내는 도면이다.
전술한 바와 같이 상기 함체(110)는 육면체 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 제1 배관(130), 상기 제2 배관(140) 및 상기 제3 배관(150)이 각각 상기 함체(110)에 결합될 수 있다.
상기 제1 배관(130)은 상기 함체(110)의 어느 일면(111)을 관통하도록 결합된다. 제1 배관(130)은 분리하고자 하는 가스 혼합물을 주입시키는 배관으로서, 상기 함체(110)의 상측에 치우치게 결합될 수 있다.
한편, 상기 제2 배관(140)과 상기 제3 배관(150)은 분리된 제1 가스와 제2 가스가 배출되는 배관으로서, 상기 제1 배관(130)이 결합된 상기 일면(111)과 마주하는 상기 타면(112)을 관통하도록 결합될 수 있다. 아울러, 상기 제2 배관(140)과 상기 제3 배관(150)은 상기 함체(110)의 하측에 치우치게 결합될 수 있다.
상기 제1 배관(130)은 상기 함체(110)의 내부공간에 상기 가스 혼합물을 골고루 퍼트리도록 상기 함체(110)의 내부공간에서 일 방향을 따라 연장될 수 있다. 또한, 상기 제1 배관(130)의 외주면에는 상기 일 방향을 따라 복수개의 관통홀이 형성될 수 있다. 여기서, 상기 일 방향이란, 복수개의 상기 분리막 조립체(120)가 배치, 정렬되는 방향일 수 있다.
여기서, 상기 제1 배관(130)은 상기 함체(110)의 상측에 치우치게 배치될 수 있으므로, 상기 함체(110)의 상기 내부공간에서 상기 분리막 조립체(120)의 상측에 배치될 수 있다.
상기 제3 배관(150)은 상기 가스 혼합물 중 상기 분리막 조립체(120)의 분리 공간으로 투과되지 못한 제2 가스를 상기 함체(110)의 외부로 배출시키도록 형성된다.
상기 제3 배관(150) 역시 상기 함체(110)의 내부공간에서 일 방향을 따라 연장될 수 있으며, 상기 제3 배관(150)의 외주면에는 상기 일 방향을 따라 복수개의 관통홀이 형성될 수 있다. 또한, 상기 제3 배관(150)은 상기 함체(110)의 하측에 치우치게 배치될 수 있으므로, 상기 함체(110)의 상기 내부공간에서 상기 분리막 조립체(120)의 하측에 배치될 수 있다.
다만, 상기 제1 배관(130), 상기 제2 배관(140) 및 상기 제3 배관(150)의 결합 위치는 본 발명의 예시에 해당하는 것으로서 전술한 기재에 한정되는 것은 아니다.
전술한 바와 같이 구성된 상기 분리막 모듈(100)의 작동 메커니즘은 다음과 같다. 상기 제1 배관(130)을 통해 유입된 상기 가스 혼합물이 상기 함체(110)의 상기 내부공간에 채워진다. 여기서, 상기 내부공간에 채워진 상기 가스 혼합물 중 특정 가스 예를 들어, 이산화탄소 등과 같은 제1 가스와 이를 제외한 나머지 제2 가스들은 분자의 투과 속도 또는 분자의 크기가 서로 다르다.
한편, 상기 제1 가스는 상기 분리막 조립체(120)의 상기 제1 분리막(121) 또는 상기 제2 분리막(122)을 투과하여 상기 분리막 조립체(120)의 상기 분리공간으로 유입되며, 상기 분리공간으로 유입되지 않은 상기 제2 가스들은 상기 제3 배관(150)을 통해 상기 함체(110)의 외부로 배출된다. 상기 분리공간으로 유입된 상기 제1 가스는 상기 도류관(124), 상기 토출관(125), 상기 집합관(180) 및 상기 제2 배관(140)을 순차적으로 통과하여 상기 함체(110)의 외부로 배출된다.
이로 인하여, 상기 분리막 모듈(100)은 상기 가스 혼합물을 선택적으로 분리시킬 수 있게 된다. 이와 같은 상기 분리막 모듈(100)은 이산화탄소의 분리 및 포집, 수소의 분리 및 포집을 비롯하여 다양한 분야에 활용될 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명에 따르는 분리막 장치를 나타내는 도면이다.
본 발명에 따르면, 분리막 장치(1000)는 상기 분리막 모듈(100)을 복수개 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 상기 분리막 모듈(100)의 외형은 육면체 형상으로 이루어질 수 있다. 이 경우, 상기 분리막 모듈(100)은 상기 함체(110)의 어느 일면을 공유하도록 형성될 수 있다.
즉, 복수개의 상기 분리막 모듈(100)은 서로 마주하는 일면이 접촉하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 분리막 모듈(100)은 상기 제1 배관(130), 상기 제2 배관(140) 및 상기 제3 배관(150)이 형성되지 않는 상면, 하면 및 측면이 서로 접하도록 배치될 수 있다.
도시된 바에 따르면, 분리막 장치(1000)는 3개의 상기 분리막 모듈(100)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않으며 설계 및 필요에 따라 더 많은 개수의 상기 분리막 모듈(100)을 포함할 수 있다.
이와 같이 복수개로 구비되는 상기 복수의 분리막 모듈(100)이 집약됨에 따라, 상기 가스 혼합물의 시간당 분리할 수 있는 용량을 크게 증가시킬 수 있다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 분리막 모듈을 실시하기 위한 실시예들에 불과한 것으로서, 본 발명은 이상의 실시예들에 한정되지 않고, 이하의 청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 있다고 할 것이다.
본 발명은 연소 후 배출되는 배기가스뿐만 아니라, 이산화탄소를 포함하는 다양한 혼합 가스에서도 적용 가능하다.

Claims (20)

  1. 내부공간을 형성하는 함체;
    상기 함체의 어느 일면을 관통하도록 형성되어 상기 내부공간에 가스 혼합물을 유입시키는 제1 배관;
    분리공간을 형성하여 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 상기 분리공간으로 유입시키는 분리막 조립체;
    상기 함체를 관통하도록 구비되며, 상기 분리공간과 연통되어 상기 분리공간에 유입된 제1 가스를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제2 배관; 및
    상기 함체를 관통하며, 상기 내부공간과 연통되어 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 제외한 나머지를 상기 함체의 외부로 배출시키는 제3 배관을 포함하며,
    상기 분리막 조립체는 평판 형상으로 형성되어 일 방향을 따라 복수개로 구비되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리막 조립체는,
    서로 결합하여 상기 분리공간을 형성하는 제1 분리막과 제2 분리막;
    상기 분리공간이 유지되도록 상기 제1 분리막과 상기 제2 분리막 사이에 배치되는 간극제; 및
    상기 분리공간에 구비되며, 상기 간극제 양측에 각각 배치되어 상기 분리공간에 유입된 상기 제1 가스를 안내하는 도류관; 및
    상기 제1 가스를 외부로 배출시키도록 일측이 상기 분리공간을 연통하여 상기 도류관의 일단에 결합되며, 타측이 상기 제2 배관과 연결되는 토출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분리막은 다공성으로 형성되어, 혼합가스의 투과속도 또는 분자크기에 따라 상기 가스 혼합물을 선택적으로 투과시키는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 간극제는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성되며,
    상기 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 도류관은 상기 함체의 높이 방향으로 연장되는 원통 형상으로 형성되며,
    상기 도류관의 상기 간극제를 바라보는 방향의 외주면은 개방되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 토출관은,
    형상의 변형이 가능한 재질로 이루어지며,
    상기 제1 가스가 통과하는 유로가 유지되도록 상기 토출관 내부에 설치되는 토출관 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 내부공간에 구비되며, 복수의 프레임으로 형성되는 카세트를 더 포함하며,
    상기 복수의 분리막 조립체는 각각 상기 카세트에 장착되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 카세트에 장착되며, 상기 토출관과 상기 제2 배관 사이에 구비되는 집합관을 더 포함하며,
    상기 집합관은 상기 일 방향을 따라 연장되어, 상기 복수의 분리막 조립체의 토출관과 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 집합관의 외주면에는 상기 토출관과 결합되는 복수의 튜브가 형성되며,
    상기 복수의 튜브는 상기 일 방향을 따라 엇갈리며 형성되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 집합관은 상기 간극제 양측에 구비되는 상기 도류관과 각각 연결되는 제1 및 제2 집합관을 포함하며,
    상기 제2 배관은 상기 제1 및 제2 집합관과 동시에 결합되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 분리막 모듈은,
    상기 분리막 조립체를 상기 카세트에 고정시키도록 형성되는 클립을 더 포함하며,
    상기 클립에는 적어도 하나 이상의 분리막 조립체가 서로 기 설정된 간격을 두고 장착되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 함체는 육면체 형상으로 형성되며,
    상기 제1 배관은 상기 함체의 어느 일면을 관통하며,
    상기 제2 및 제3 배관은 상기 일면과 마주하는 면을 관통하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
    상기 제1 배관과 상기 제2 배관은 각각 서로 마주하는 면을 관통하는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제1 배관은 상기 내부공간에서 상기 일 방향을 따라 연장되며,
    상기 제1 배관의 외주면에는 상기 가스 혼합물이 유입되는 복수의 관통홀이 상기 일 방향을 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 제3 배관은 상기 내부공간에서 상기 일 방향을 따라 연장되며,
    상기 제3 배관의 외주면에는 복수의 관통홀이 상기 일 방향을 따라 형성되어, 상기 가스 혼합물 중 제1 가스를 제외한 나머지가 유입되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 제1 배관은 상기 분리막 조립체 상측에 구비되며, 상기 제2 및 제3 배관은 상기 분리막 조립체 하측에 구비되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 분리막은 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 분리막 모듈.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따르는 분리막 모듈을 포함하며,
    상기 분리막 모듈은 복수개로 구비되며,
    상기 복수개로 구비되는 분리막 모듈은 함체의 어느 일면을 공유하는 것을 특징으로 하는 분리막 장치.
  18. 다공성으로 형성되어 투과속도 또는 분자의 크기에 따라 가스 혼합물을 선택적으로 투과시키며, 내부공간을 형성하는 분리막;
    상기 내부공간을 유지되도록 상기 내부공간에 구비되는 간극제;
    상기 내부공간에 구비되며, 상기 간극제 양측에 각각 배치되어 상기 가스 혼합물 중 상기 내부공간에 유입된 가스를 안내하는 도류관; 및
    상기 분리막을 관통하도록 형성되며, 일단이 상기 도류관과 결합되어 상기 도류관에 의해 안내된 가스가 외부로 통과하도록 형성되는 유로를 형성하는 토출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막 조립체.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 간극제는 복수의 격자를 갖는 망으로 형성되며,
    상기 복수의 격자는 각각 0.5 mm ~ 2 cm 크기를 갖는 것을 특징으로 하는 분리막 조립체.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 토출관은,
    형상의 변형이 가능한 재질로 이루어지며,
    상기 유로가 유지되도록 상기 토출관 내부에 설치되는 토출관 스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 분리막 조립체.
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