KR102205773B1

KR102205773B1 - 폐열을 재이용한 정전분무 사이클론 건조기

Info

Publication number: KR102205773B1
Application number: KR1020180155748A
Authority: KR
Inventors: 최종원; 조종표; 박기호; 장진영; 김정근; 우영민; 서민수; 오상현; 정용진; 고아현; 이계중; 김진한; 박준수
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2021-01-21
Also published as: KR20200068869A

Abstract

본 발명은 내통 및 외통을 포함하는 이중층 구조의 본체부, 상기 본체부 상부에 구비되는 덮개, 상기 본체부의 외부와 내부를 관통하는 가스 배출관, 상기 가스 배출관과 상기 본체부를 연결하는 가스 순환관, 상기 가스 배출관 외주변에 배열되며, 일측 단부는 상기 덮개 외부로 돌출되고, 타측 단부는 내통에 위치하는 복수개의 피건조물 공급부재, 및 본체부와 연결된 '+' 리드선과 상기 가스 순환관과 연결된 '-' 리드선을 포함하는 전원공급부(80)를 포함하고, 상기 내통의 외면에는 가스 유입구가 형성되고, 상기 외통의 외면에는 가스 배출구가 형성되는 정전분무 사이클론 건조기에 관한 것이다.

Description

폐열을 재이용한 정전분무 사이클론 건조기{A cyclone dryer with electro spraying for producing fine particle}

본 발명은 정전분무 사이클론 건조기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 사이클론 구조를 갖는 건조 장치에 고전압을 인가하고 이때 발생하는 미세한 액적을 건조시켜 균일한 초미세 입자를 생산하는 정전분무 사이클론 건조기에 관한 것이다.

분무건조(spray drying)란 분유와 같은 미립자 식품이나 벌크 화학물질, 약제 등 어떤 재료의 액체를 열풍 속에 분무시켜 미세한 액적 상태로 기류에 동반시키면서 건조시키는 방법이다. 이러한 분무건조를 통한 재료를 미립화함으로써, 재료 단위당의 표면적을 크게 하여 건조에 필요한 증발 잠열을 주위의 열풍으로부터 받거나, 재료의 수분을 주위의 기류 속으로 증발시킬 수 있다. 따라서 열풍과의 접촉시간이 짧고 재료 온도도 비교적 낮아서 식품이나 약품 등 온도의 영향을 받기 쉬운 것의 건조에 알맞다. 재료의 미립화를 위해 종래 가압식 노즐, 기류식 노즐, 회전판 방식이 사용되어 왔다.

결국 분무 건조에 의해 비결정질 고체 분산제를 형성하기 위해 사용되는 경우 통상적으로 균질한 비결정질 고체 분산제를 형성하기 위해 필요한 용매의 신속한 제거를 달성하기 위해서는 분무된 용매 함유 공급물의 액적이 작아야 할 필요성이 있다.

종래 기술에서는 용매 함유 공급물을 분무시키기 위한 2종 유체 노즐을 구비한 분무 건조장치를 이용하여 직경이 약 50 ㎛ 이하인 용매 함유 공급물의 액적을 제공함으로써 그 결과 중앙 입자 직경이 약 30 ㎛ 이하인 분무 건조된 생성물까지 생성할 수 있었다.

그러나 비결정질 고체 분산제 입자가 성공적으로 수득된 경우에도 이러한 종래 장치에서 제조된 분무 건조된 입자는 대개 중앙 입도가 작고(약 30 ㎛ 미만), 미분체(직경이 약 10 ㎛ 미만인 입자)의 양이 많다. 즉 입도 분포를 볼때 C.V.가 나쁜 상태로 생성되는 경우가 일반적이다.

따라서 분무 건조된 입자의 입도를 제어할 수 있음과 동시에 입도 분포를 고르게 할 수 있는 분무 건조 방법에 대한 연구 필요성이 대두된다.

한국등록특허 제1580679호 한국등록특허 제0912867호 일본공개특허 제2014-070889호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 초미세입자를 균일한 크기로 생산할 수 있는 건조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무 사이클론 건조기는, 내통 및 외통을 포함하는 이중층 구조의 본체부, 상기 본체부 상부에 구비되는 덮개, 상기 본체부의 외부와 내부를 관통하는 가스 배출관, 상기 가스 배출관과 상기 본체부를 연결하는 가스순환관, 상기 가스 배출관 외주변에 배열되며, 일측 단부는 상기 덮개 외부로 돌출되고, 타측 단부는 내통에 위치하는 복수개의 피건조물 공급부재 및 본체부와 연결된 '+' 리드선과 상기 가스순환관과 연결된 '-' 리드선을 포함하는 전원공급부를 포함할 수 있다.

상기 내통의 외면에는 가스 유입구가 형성되고, 상기 외통의 외면에는 가스 배출구가 형성될 수 있다.

상기 외통의 직경은 내통의 직경보다 클 수 있다.

상기 가스순환관은 상기 가스 배출관에서 분기된 2개 이상의 관으로 이루어질 수 있다.

상기 피건조물 공급부재는, 일측은 상기 덮개를 관통하여 외부로 돌출되고, 타측은 상기 내통의 내부 공간까지 연장된 봉 형상의 피건조물 주입관 및 상기 피건조물 주입관에 형성되는 복수개의 피건조물 분사노즐을 포함할 수 있다.

상기 피건조물 분사노즐은 상기 내통의 벽면을 향하도록 위치할 수 있다.

상기 본체부는 전도성 소재로 이루어질 수 있다.

상기 본체부와 상기 피건조물 공급부재가 전기적으로 통전되는 것을 방지하기 위하여 절연부재가 더 구비될 수 있다.

상기 피건조물은 슬러리 상태의 물질 일 수 있다.

상기 피건조물은 촉매 또는 약품일 수 있다.

상기 가스 유입구로 유입되는 가스는 폐열일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무 사이클론 건조기는 가스순환관을 구비하는 바, 건조기 내부로 들어온 열이 2회 순환하여 건조기를 가열하기 때문에 가열 효율이 향상되며 에너지 절약 효과가 있다.

또한, 정전분무방식을 이용하여 미세 분말을 건조시키기 때문에 건조된 미세 분말의 직경이 매우 작고, 특히 발생된 미세 분말은 노즐에 가한 극과 같은 극성을 띄며 매우 높은 하전량을 가지고 있어 액적간의 응집현상이 나타나지 않으므로 장시간 초기의 직경을 유지할 수 있어 0.1 ㎛ 이하의 입경을 갖는 미세입자도 포집하는 것이 가능하다.

또한, 건조 시간이 수 초 이내로 매우 빠르므로 건조하고자 하는 물질의 변질을 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무 사이클론 건조기의 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시한 정전분무 사이클론 건조기의 작동상태를 설명하는 개략도이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무와 전기집진을 이용한 공기정화장치에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 출원에서 "포함한다", "가지다" 또는 "구비하다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 다르게 정의되지 않는 한 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야 에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 발명의 일 실시예를 도면에 따라 상세한 실시예와 같이 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무 사이클론 건조기(100)의 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시한 정전분무 사이클론 건조기(100)의 작동상태를 설명하는 개략도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 정전분무 사이클론 건조기(100)는, 이중층 구조의 본체부(10), 상기 본체부(10) 상부에 구비되는 덮개(20), 상기 본체부(10)의 외부와 내부를 관통하는 가스 배출관(30), 상기 가스 배출관(30)과 상기 본체부(10)를 연결하는 가스 순환관(40), 복수개의 피건조물 공급부재(50, 60, 70) 및 본체부(10)와 연결된 '+' 리드선(81)과 상기 가스 순환관(40)과 연결된 '-' 리드선(82)을 포함하는 전원공급부(80)를 포함할 수 있다.

상기 본체부(10)는 내통(11) 및 외통(12)을 포함할 수 있다. 상기 외통(12)은 내통(11)과 동일한 형상으로 이루어지되, 상기 외통(12)의 직경은 내통(11)의 직경보다 큰 구조일 수 있다.

상기 내통(11)은 소정의 높이와 내경을 갖는 긴 원통형 구조의 제1 원통부(11a), 및 아래로 갈수록 점차 단면적이 줄어드는 상광하협 구조의 제1 원뿔부(11b)를 포함할 수 있다. 상기 제1 원뿔부(11b)는 상기 제1 원통부(11a) 하단에 상기 제1 원통부(11a)와 연통되도록 연장 형성될 수 있다. 상기 제1 원뿔부(11b) 하부에는 상기 정전분무 사이클론 건조기에 의해 생성된 미세 분말이 배출되는 미세 분말 배출구(17)가 형성될 수 있다.

상기 외통(12)은 상기 제1 원통부(11a)보다 직경이 큰 제2 원통부(12a) 및 상기 제1 원뿔부(11b)보다 직경이 큰 제2 원뿔부(12b)를 포함할 수 있다.

상기 내통(11)의 외면에는 가스 유입구(13)가 형성될 수 있으며,상기 외통(12)의 외면에는 가스 배출구(14)가 형성될 수 있다.

상기 본체부(10)의 상부에는 상기 본체부(10)를 밀폐시킬 수 있도록 절연재질로 이루어진 덮개(20)가 부착되어 있다. 물론, 상기 덮개(20)가 생략되고 본체부(10) 상부가 밀폐형으로 이루어질 수 있으나, 덮개(20)를 별도로 구비시키는 것이 보수나 유지 관리 측면에서 보다 유리하다.

상기 가스 배출관(30)은 덮개(20)의 중심을 관통하여 일측은 본체부(10)의 외부, 타측은 본체부(10)의 내부에 배치된다. 즉, 상기 가스 배출관(30)은 상기 본체부(10)의 외부로 돌출된 외부 가스 배출관(32) 및 상기 내통(11)에 배치되는 내부 가스 배출관(31)을 포함할 수 있다.

상기 가스 순환관(40)은 일측이 외부 가스 배출관(32)과 연결되고, 타측이 상기 제2 원뿔부(12b)의 측면과 연결된 구조이다.

상기 가스 순환관(40)은 상기 외부 가스 배출관(32)에서 분기된 2개 이상의 관을 포함할 수 있다.

즉, 상기 가스 순환관(40)은 제1 가스 순환관(41) 및 제2 가스 순환관(42)을 포함할 수 있다.

상기 제1 가스 순환관(41)은 상기 외부 가스 배출관(32)과 상기 제2 원뿔부(12b)의 측면과 연결되고, 상기 제2 가스 순환관(42)은 상기 외부 가스 배출관(32)과 상기 제1 가스 순환관(41)과 마주보는 제2 원뿔부(12b)의 측면과 연결될 수 있다.

상기 가스 배출관(30) 외주변에는 다수의 피건조물 공급부재(50, 60, 70)가 배치된다. 상기 피건조물 공급부재(50, 60, 70)는, 일측은 상기 덮개(20)를 관통하여 외부로 돌출되고, 타측은 내통(11)에 배치될 수 있다.

상기 피건조물 공급부재(50, 60, 70)는 상기 내통(11)의 내부 공간까지 연장된 봉 형상의 피건조물 주입관(51, 61, 71) 및 상기 피건조물 주입관(51, 61, 71)에 형성되는 복수개의 피건조물 분사노즐(52, 62, 72)을 포함할 수 있다.

상기 피건조물 공급부재(50, 60, 70)는 2개 이상, 바람직하게는 3개 이상, 보다 바람직하게는 4개 이상 구비될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 피건조물 공급부재는 제1 피건조물 공급부재(50), 제2 피건조물 공급부재(60), 제3 피건조물 공급부재(70)로 이루어질 수 있다.

구체적으로, 제1 피건조물 공급부재(50)는, 일측은 상기 덮개(20)를 관통하여 본체부(10) 외부로 돌출되고, 타측은 상기 내통(11)의 내부 공간까지 연장된 봉 형상의 제1 피건조물 주입관(51)과 상기 제1 피건조물 주입관(51)에 장착되어 상기 내통(10)의 내측 벽면을 향하도록 위치하는 제1 피건조물 분사노즐(52)로 이루어져 있다.

제2 피건조물 공급부재(60)는, 일측은 상기 덮개(20)를 관통하여 본체부(10) 외부로 돌출되고, 타측은 상기 내통(11)의 내부 공간까지 연장된 봉 형상의 제2 피건조물 주입관(61)과 상기 제2 피건조물 주입관(61)에 장착되어 상기 내통(10)의 내측 벽면을 향하도록 위치하는 제2 피건조물 분사노즐(62)로 이루어진다.

제3 피건조물 공급부재(70)는, 일측은 상기 덮개(20)를 관통하여 본체부(10) 외부로 돌출되고, 타측은 상기 내통(11)의 내부 공간까지 연장된 봉 형상의 제3 피건조물 주입관(71)과 상기 제2 피건조물 주입관(61)에 장착되어 상기 내통(10)의 내측 벽면을 향하도록 위치하는 제3 피건조물 분사노즐(72)로 구성되어 있다.

여기서, 상기 피건조물 주입관은 슬러리 상태의 피건조물이 이동하는 통로로, 가늘고 긴 파이프 형태이다.

상기 피건조물 주입관의 일측 단부와 연통되는 튜브(미도시)와 액체 공급 펌프(미도시)를 연결하여 상기 피건조물 공급부재에 액체를 간헐 또는 비간헐적으로 공급할 수 있다.

상기 각각의 피건조물 분사노즐은 상기 각각의 피건조물 주입관(의 길이 방향을 따라 1개 이상 구비될 수 있다.

또한 피건조물 분사노즐의 노즐팁은 단면이 원형, 삼각형, 사각형, 다각형, 무정형 중 어느 하나의 형상으로 이루어진 노즐팁일 수 있고, 노즐의 직경 범위는 0.02mm 내지 2mm일 수 있다.

상기 본체부(10)는 피건조물 공급부재들(50, 60, 70)과 전기적으로 통전되는 것을 방지하기 위하여 절연부재(90)가 더 구비될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이,'+' 리드선(81)은 본체부(10), '-' 리드선(82)은 피건조물 공급부재에 연결한다. 상기 피건조물 공급부재에 피건조물을 공급하면서 고전압을 인가하면, 내통(11)의 내측 벽면과 피건조물 공급부재 사이에 미세한 피건조물 액적이 발생한다. 상기 피건조물을 촉매 또는 약품일 수 있으며, 슬러리 형태의 피건조물이면 특별히 한정하지 않는다.

이와 같은 고전압을 이용한 정전분무방식(Electrospray)의 원리를 설명하면, 전도성 액체를 노즐에 통과시키면서 양(+)과 음(-)의 고전압을 인가하면 노즐과 액체속의 이온들이 척력과 인력에 의해 액체표면으로 이동하게 된다. 이때, 쿨롱반발력이 표면장력 이상의 힘이 되면 미세한 액적으로 분사되며, 전극에 걸리는 전압이 작을 경우 액체 곡면에 작용하는 전기력과 양이온들의 반발력이 액체의 표면장력 보다 작기 때문에 액적이 분무되지 않지만, 전압을 증가시키게 되면 액체 곡면에 작용하는 전기력과 양이온들의 반발력이 액체의 표면장력보다 커지게 되면서, 피건조물 분사노즐에서 피건조물 액적이 분무되는 원리이다.

상기 조작과 함께 또는 후에, 내통(11)의 측면에 구비된 가스 유입구(13)로 가스를 유입시키면, 상기 가스는 본체부(10)를 순환하면서 본체부(10)를 가열하여 상기 피건조물 액적을 건조시켜 미세 분말을 생성할 수 있다.

구체적으로, 상기 가스 유입구(13)로 가스가 유입된다. 상기 가스는 폐열일 수 있다. 이하, 내통(11)의 내부는 제1 공간(15), 내통(11)과 외통(12)의 사이의 공간은 제2 공간(16)으로 정의한다. 상기 가스는 본체부(10)의 제1 공간(15) 내부로 유입되고, 상기 제1 공간(15)에 위치한 가스 배출관을 통해 본체부(10) 외부로 배출된다. 배출된 가스는 가스 순환관을 통해 다시 본체부(10)로 유입될 수 있다. 즉, 제1 공간(15)에서 배출된 가스는 상기 외부 가스 배출관(32)에서 분기된 제1 가스 순환관 및 제2가스 순환관으로 유입되어 다시 제2 공간(16)으로 유입된다. 상기 가스는 최종적으로, 외통(12)의 일측면에 배치된 가스 배출구(14)로 배출된다. 상기와 같은 가스의 순환에 의해 상기 가스는 본체부(10)를 2회 가열하는 효과가 있는 바, 에너지를 절약할 수 있다.

상기 정전분무 사이클론 건조기(100)에 의해 생성된 미세 분말은 상기 미세 분말 배출구(17)로 배출된다.

본 발명에서는 상기와 같은 정전분무방식을 이용하여 액적을 발생시키기 때문에 액적의 직경이 매우 작고, 특히 발생된 액적은 노즐에 가한 극과 같은 극성을 띄며 매우 높은 하전량을 가지고 있어 액적간의 응집현상이 나타나지 않으므로 장시간 초기의 직경을 유지할 수 있어 0.1 ㎛ 이하의 입경을 갖는 미세입자를 생성 및 건조시킬 수 있다.

한편, 정전분무를 위한 상기 고전압은 정전분무가 가능하며 절연 부재의 전열이 파괴되는 전압이라면 특별히 제한하지 않지만, 구체적으로 10kV 내지 50kV 일 수 있다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게, 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것은 아니며, 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속하는 것도 당연하다.

100: 정전분무 사이클론 건조기
10 : 본체부
11: 내통
11a: 제1 원통부
11b: 제1 원뿔부
12: 외통
12a: 제2 원통부
12b: 제2 원뿔부
13: 가스 유입구
14: 가스 배출구
15: 제1 공간
16: 제2 공간
17: 미세 분말 배출구
20: 덮개
30: 가스 배출관
31: 내부 가스 배출관
32: 외부 가스 배출관
40: 가스 순환관
41: 제1 가스 순환관
42: 제2 가스 순환관
50: 제1 피건조물 공급부재
51: 제1 피건조물 주입관
52: 제1 피건조물 분사노즐
60: 제2 피건조물 공급부재
61: 제2 피건조물 주입관
62: 제2 피건조물 분사노즐
70: 제3 피건조물 공급부재
71: 제3 피건조물 주입관
72: 제3 피건조물 분사노즐
80: 전원공급부(80)
81: '+' 리드선
82: '-' 리드선
90 : 절연부재

Claims

내통 및 외통을 포함하는 이중층 구조의 본체부;
상기 본체부 상부에 구비되는 덮개;
상기 본체부의 외부와 내부를 관통하는 가스 배출관;
상기 가스 배출관과 상기 본체부를 연결하는 가스 순환관;
상기 가스 배출관 외주변에 배열되며, 일측 단부는 상기 덮개 외부로 돌출되고, 타측 단부는 상기 내통에 위치하는 복수개의 피건조물 공급부재; 및
상기 본체부와 연결된 '+' 리드선과 상기 가스 순환관과 연결된 '-' 리드선을 포함하는 전원공급부(80);
를 포함하고,
상기 내통의 외면에는 가스 유입구가 형성되고, 상기 외통의 외면에는 가스 배출구가 형성되며
상기 가스 순환관은 상기 가스배출관에서 분기된 2개 이상의 관으로 이루어지고,
상기 피건조물 공급부재는,
일측은 상기 덮개를 관통하여 외부로 돌출되고, 타측은 상기 내통의 내부 공간까지 연장된 봉 형상의 피건조물 주입관; 및
상기 피건조물 주입관에 형성되는 복수개의 피건조물 분사노즐;
을 포함하며
상기 피건조물 분사노즐은 상기 내통의 벽면을 향하도록 위치하는
입경이 0.1μm이하인 미세입자를 생성하는 정전분무 사이클론 건조기.
제1항에 있어서,
상기 외통의 직경은 상기 내통의 직경보다 큰 정전분무 사이클론 건조기.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 본체부는 전도성 소재로 이루어진 정전분무 사이클론 건조기.
제1항에 있어서,
상기 덮개는 상기 피건조물 공급부재와 전기적으로 통전되는 것을 방지하기 위하여 절연부재가 더 구비된 정전분무 사이클론 건조기.
제1항에 있어서,
상기 피건조물은 슬러리 상태의 물질인 정전분무 사이클론 건조기.
제8항에 있어서,
상기 피건조물은 촉매 또는 약품인 정전분무 사이클론 건조기.
제1항에 있어서,
상기 가스 유입구로 유입되는 가스는 폐열인 정전분무 사이클론 건조기.