KR20080082627A - 멤브레인 증류 프로세스 및 멤브레인 증류 장치 - Google Patents

멤브레인 증류 프로세스 및 멤브레인 증류 장치

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KR20080082627A
KR20080082627A KR1020087013905A KR20087013905A KR20080082627A KR 20080082627 A KR20080082627 A KR 20080082627A KR 1020087013905 A KR1020087013905 A KR 1020087013905A KR 20087013905 A KR20087013905 A KR 20087013905A KR 20080082627 A KR20080082627 A KR 20080082627A
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Abstract

농축될 액체가 증기 투과성 액밀 또는 수밀의 멤브레인 또는 멤브레인 벽(13)에 의해 증기 공간(11)으로부터 격리되는, 멤브레인 증류 프로세스에서, 농축될 액체의 절대 압력의 설정을 위해, 농축될 액체의 절대 압력을 낮추는 부압(negative pressure)이 농축될 액체에 인가된다. 대응하는 멤브레인 증류 장치도 개시한다.

Description

멤브레인 증류 프로세스 및 멤브레인 증류 장치 {MEMBRANE DISTILLATION PROCESS AND MEMBRANE DISTILLATION DEVICE}
본 발명은, 농축될 액체가 증기 투과성 액밀 또는 수밀의 멤브레인 또는 멤브레인 벽에 의해 증기 공간으로부터 격리되는, 멤브레인 증류 프로세스에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 멤브레인 증류 장치에 관한 것이다.
증류 중에 액체는 증발되고 증기는 응축된다. 이것은 상이한 증기압을 가지는 액체의 분리 및 염 용액으로부터의 액체의 완전 분리 또는 부분 분리에 적합하다.
사용될 수 있고, 구현될 수 있으며, 실용화 가능한 증류 장치는 가격 및 에너지 효율 면에서 모두 만족스러워야 한다. 증류 프로세스는 이러한 조건이 모두 만족되는 경우에만 바람직하다.
다중효과 이완 증발(multi-effect relaxation vaporization) 또는 다단 이완 증발(multi-stage relaxation vaporization)(Multiple Stage Flash; MSF)과 같은 고전적 열적 증류 프로세스(classic thermal distillation process), 및 증기 압축 프로세스(Vapor Compression; VR)와 같은 열적-기계적 프로세스(thermo-mechanical process)에서, 농축될 액체 및 증기는 하나의 공간 내에서 실질적으로 동일한 절대 압력으로 존재한다.
멤브레인 증류 프로세스에서, 농축될 액체는 증기 투과성 액밀 멤브레인에 의해 적어도 한쪽이 경계를 이룬다. 이 멤브레인 벽은, 농축될 액체보다 낮은 증기압으로 위치되는 증기 공간에 인접된다. 압력차에 의해, 농축될 액체의 경계면에서 멤브레인으로 증기가 발생하여 멤브레인을 통과한다.
공지된 멤브레인 증류 프로세스에서, 증기는 멤브레인의 인접한 저온의 응축액의 액체로부터 멀리 떨어진 쪽에서 응결되거나, 증기는 증기 공간의 저온 표면에서 응축되거나 흡수되어 외부로 응축된다.
멤브레인 증발에서는 다공성의 증기 투과성 재료가 사용된다. US 3,340,186에는 공기가 충전된 미세-다공질의 소수성(hydrophobic) 멤브레인을 이용하는 장치가 개시되어 있다. 여기에 개시된 방법은 직접 접촉식 멤브레인 증류를 근거로 한다. 해수의 난류(warm flow) 및 증류액의 한류(cold flow)는 멤브레인과 직접 접촉한다.
EP-A-0 088 315에는 고온의 염분 함유 용액 또는 상이한 증기압의 액체 혼합물의 연속 증류를 위한 창치가 개시되어 있다.
이 장치는, 기다란 벽을 형성하는 전열성 증기 투과층, 인접하거나 반대쪽에 배치되는 벽을 형성하고 증기 불투과층과 함께 기다란 증류액 회수 챔버 또는 통로를 형성하는 소수성 증기 투과성 멤브레인으로 이루어진다. 상기 챔버는 증류액을 위한 배출구를 갖는다. 이러한 멤브레인 증류의 바람직한 실시예를 위해, 스파이럴 코일 형상이 사용된다. 저온의 해수 또는 급수는 스파이럴 형상의 챔버로 유입되어 응축 표면으로부터 열을 취한다. 증류액의 응축 프로세스에 의해 예열된 급수는 가열 시스템에 의해 추가로 가열되어 농축 채널로 유도된다. 고온의 용액은 멤브레인에 의해 경계를 이루는 채널을 통해 외측으로 유동한다. 농축 채널을 통과하는 동안에 용액의 일부는 멤브레인을 통해 증발된다.
EP-A-1 1835 356에는 멤브레인 증류에 의한 액체 세정 프로세스가 개시되어 있으며, 이 프로세스에서, 증기는 액체 유동으로부터 발생하고 액체 유동과 경계를 이루는 다공성 벽을 통과한다. 증기는 저온의 응축 표면에서 응축되고 이에 따라 응축액의 유동이 형성된다. 응축 표면은 증류 유동으로부터, 공급된 액체 유동을 격리시킨다. 이 공급된 액체 유동은 증기를 제공하는 액체 유동과 반대방향으로 흐른다. 증류액 유동을 증대시키기 위해, 기체 채널 내에 주위 압력보다 낮고 증기를 제공하는 액체의 증기압보다 높은 압력이 유지된다.
공지된 멤브레인 증류 프로세스에는 일련의 문제점이 있다.
증기 공간이 사용되는 모든 공지된 멤브레인 증류 프로세스에서, 이 증기 공간은 증기 투과성 수밀의 멤브레인에 의해, 증발될 액체로부터 격리된다. 이로 인해, 모든 공지된 멤브레인 증류 프로세스는, 증기 공간, 및 농축될 액체를 포함하며 증기 투과성 액밀 멤브레인에 의해 경계를 이루는 공간이 상이한 절대 압력인 상황이 된다.
증기 공간이 주위 압력의 영역의 압력으로 위치되는 멤브레인 증류 프로세스에서, 용액은 주위 압력보다 높은 압력이고, 이 압력은 정압(static pressure) 및 수압(hydraulic pressure) 손실에 의해 이루어진다. 이로 인해, 증발될 액체를 포함하는 공간과, 증기 투과성 액밀 멤브레인에 의해 격리되는 증기 포함 공간 사이에 절대 압력차가 발생한다.
증기 공간이 주위 압력보다 낮은 압력인 멤브레인 증류 프로세스에서, 증발될 액체를 포함하는 공간과, 증기 투과성 액밀 멤브레인에 의해 격리되는 증기 포함 공간 사이의 절대 압력차는 부압(negative pressure) 만큼 증대된다.
농축될 액체를 포함하는 공간과 증기 공간 사이의 이러한 압력차는, 가열된 농축될 액체에 의해 증기 투과성 액밀 멤브레인의 온도가 상승되는 많은 응용에서, 멤브레인의 높은 기계적 열적 부하를 유발시킨다. 이것은 실질적으로 주로 플라스틱으로 이루어지는 멤브레인의 수명을 단축시킨다.
응축 및 후속의 증발에 의해 열전달이 일어나는 멤브레인 증류 프로세스에는 다른 문제점이 있다. 한쪽이 증기 투과성 액밀 멤브레인에 의해 경계를 이루고 다른 쪽이 기밀 및 액밀 응축 표면에 의해 경계를 이루는 액체 공간을 통해 실질적으로 액체의 전열에 의해서만 열전달이 일어나는 경우, 응축 및 증발에서 소량의 열만 전달될 수 있다. 이 공간에서 비등이 이루어질 수 있는 경우, 농축될 액체를 포함하는 공간에는 응축열에 해당하는 열량만이 전달될 수 있다.
도 1은 멤브레인 증류 장치가 증기 투과성 액밀 중공 필라멘트 및 기밀과 액밀 농축 튜브를 포함하는 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 멤브레인 증류 장치가 스파이럴 유닛을 포함하고 U 튜브에 의해 액체의 압력 분리가 일어나는 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 멤브레인 증류 장치가 이중 스파이럴 유닛을 포함하고 U 튜브에 의해 액체의 압력 분리가 일어나는 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4는 멤브레인 증류 장치가 이중 스파이럴 유닛을 포함하고 U 튜브에 의해 농축될 액체의 압력 분리가 일어나는 실시예를 나타내는 도면이다.
도 5는 각각이 농축 및 증발을 담당하는 2개의 스테이지를 가지는 멤브레인 증류 장치의 실시예를 나타내는 도면이다.
본 발명의 목적은, 전술한 유형의 프로세스 및 장치에서 상기 문제점이 극복된, 개선된 프로세스 및 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 농축될 액체의 절대 압력의 설정을 위해 상기 절대 압력을 낮추기 위한 부압이 가해지는, 본 발명에 따른 프로세스에 의해 달성된다.
이와 관련하여, 농축될 액체의 압력은 바람직하게, 증류 프로세스의 부압으로 낮아진다.
증류 프로세스의 부압 영역에 대하여 입출되는 액체는 바람직하게 주위 압력으로부터 격리된다.
본 발명의 프로세스의 바람직한 실시예에 따르면, 농축될 액체의 절대 압력은 그 온도에 대응하는 비등된 증기압 이하로 낮아진다.
부압은, 진공 시스템으로부터 부압 라인을 통해, 농축될 액체에 적절하게 부여될 수 있다.
액체가 멤브레인 증류 프로세스로부터 공급되고 유출되어, 멤브레인 증류 프로세스의 절대 압력과 주위 압력 사이의 압력차가 유지되면 특히 바람직하다.
부압 연결 라인은 바람직하게, 농축될 액체로부터 격리되어, 농축될 액체가 증기 공간으로 흘러넘치는 것이 방지된다.
본 발명의 프로세스의 바람직한 실시예에 따르면, 멤브레인 또는 멤브레인 벽을 통해 농축될 액체에 인접하는 증기 공간의 압력이 주위 압력보다 낮게 선택된다. 이와 관련하여, 증기 공간 내의 부압은 바람직하게, 멤브레인 또는 멤브레인 벽을 통해 증기의 유동에 의한 차등 압력에 의해 증가된, 멤브레인 또는 멤브레인 벽을 통해 인접하는 농축될 액체의 증기압과 실질적으로 대응한다.
각각의 응축 및 증발이 2개 이상의 스테이지에서 일어나면 특히 바람직하다.
이러한 방식에서, 스테이지의 수가 멤브레인 증류 시스템의 에너지 요구량에 영향을 주고, 스테이지의 수를 증가시킴으로써 각각의 추가 스테이지에서 새로운 응축 및 증발이 일어나는 것에 의해 이 멤브레인 증류 시스템의 에너지 요구량이 감소하는 환경이 고려된다.
응축 및 증발은, 각각의 선행 스테이지에서보다 낮은 압력 및 온도로 각각의 추가 스테이지에서 일어난다.
따라서, 본 발명의 프로세스에 의하면, 증기 및 액체의 압력은 특히 서로 부합된다. 또한, 농축될 액체에서의 열전달이 향상된다. 농축될 액체를 포함하는 공간 내의 절대 압력은 증기를 포함하는 공간의 절대 압력과 적어도 실질적으로 동일한 값이 된다.
이와 관련하여, 상기 프로세스는 다음과 같이 설계될 수 있다.
a) 농축될 액체의 절대 압력을 낮추는 부압이 농축될 액체에 가해지고,
b) 농축될 액체의 압력이 부압, 특히 증류 프로세스의 부압으로 낮아지고,
c) 증류 프로세스의 부압 영역에 대하여 입출되는 액체가 주위 압력으로부터 격리되고/또는,
d) 액체의 절대 압력이 그 온도에 대응하는 비등 증기압 이하로 낮아진다.
멤브레인 증류 프로세스로 들어가는 액체의 절대 압력은 특히, 연관되는 멤브레인 증류 장치 내의 압력과 실질적으로 대응되도록 설정될 수 있다.
증기 공간을 구비하는 멤브레인 증류 프로세스에서, 농축될 액체의 절대 압력은, 증기 공간의 절대 압력과 실질적으로 대응되도록 설정될 수 있다.
공지된 프로세스의 문제점들은 예를 들어 다음과 같은 단계에 의해 극복될 수 있다.
멤브레인 증류 프로세스로 들어가는 농축될 액체 유동은, 멤브레인 증류 프로세스의 증기 공간의 절대 압력과 실질적으로 동일한 압력이다. 농축될 액체 및 발생되는 증류도 마찬가지로 증기 공간과 실질적으로 동일한 압력이다. 멤브레인 증류 프로세스를 벗어나는 액체는 멤브레인 증류 프로세스를 벗어난 후에 주위 압력으로 복귀한다. 예를 들어 농축될 액체는, 한쪽이 증기 투과성 액밀 멤브레인에 의해 경계를 이루고 다른 쪽은 기밀 및 액밀 증축 표면에 의해 경계를 이루는 스파이럴 형상의 액체 통로에 적어도 일부분이 안내되는 것이 가능하고, 액체 통로의 스파이럴 형상 배열에 의한 결과로서 그 회전 사이에 대응되는 스파이럴 형상의 증기 공간이 형성되며 한쪽은 멤브레인에 의해, 그리고 다른 쪽은 응축 표면에 의해 경계를 이룬다.
이 증기 공간은, 멤브레인을 통해 인접하는 농축될 액체의 실질적으로 비등 증기압 이하로 항상 유지되는 부압일 수 있다. 농축될 액체의 절대 압력은 실질적으로, 농축될 액체의 온도에 대응하는 비등 증기압인 압력일 수 있다.
부압인 증기 공간과 농축될 액체 사이의 압력 평형은 예를 들어 공급되는 액체와 증기 공간 사이의 부압 연결 라인을 통해 이루어진다. 부압 연결 라인은 특히 라인에 통합된 U 튜브로 형성되어, 공급되는 농축될 액체의 증기 공간으로의 통로가 차단될 수 있다.
U 튜브는, 농축될 액체가 예를 들어 이송 펌프에 의해 공급되는 라인, 및 관련되는 증류 장치 내의 부압을 주위 압력으로부터 격리시키기 위해 농축된 액체가 농축액 펌프에 의해 배출되는 라인에 설치될 수 있다.
증류 장치의 부압을 주위의 부압으로부터 격리시키는 U 튜브는, 증류 장치에서 생성된 증류액이 증류 펌프에 의해 주위 압력으로 배출되도록 하는 라인에 통합될 수도 있다.
멤브레인 증류 장치에 관하여, 전술한 목적은, 농축될 액체에 부압을 가하여 절대 압력을 낮추는 본 발명에 따라 만족된다.
본 발명에 따른 멤브레인 증류 장치의 바람직한 실시예는 종속청구항에 기재되어 있다.
따라서, 멤브레인 증류 장치는 다음과 같이 설계될 수 있다.
a) 농축될 액체의 절대 압력을 낮추는 부압이 농축될 액체에 가해지고,
b) 상기 부압 영역으로 들어가는 액체가 구조적인 부재에 의해 주위 압력으로부터 격리되고,
c) 상기 액체의 절대 압력이 그 온도에 대응하는 비등 증기압 이하로 낮아지고/또는,
d) 상기 부압 공간으로 들어간 액체가 배출될 수 있고 내장된 구조에 의해 주위 압력으로부터 격리된다.
예를 들어, 농축될 액체는, 한쪽이 증기 투과성 액밀 멤브레인에 의해 경계를 이루고 다른 쪽은 기밀 및 액밀 증축 표면에 의해 경계를 이루는 스파이럴 형상의 액체 통로에 적어도 일부분이 안내되는 것이 가능하고, 액체 통로의 스파이럴 형상 배열에 의한 결과로서 그 회전 사이에 대응되는 스파이럴 형상의 증기 공간이 형성되며 한쪽은 멤브레인에 의해, 그리고 다른 쪽은 응축 표면에 의해 경계를 이룬다.
이 증기 공간은, 멤브레인을 통해 인접하는 농축될 액체의 실질적으로 비등 증기압 이하로 항상 유지되는 부압일 수 있다. 농축될 액체의 절대 압력은 실질적으로, 농축될 액체의 온도에 대응하는 비등 증기압인 압력일 수 있다.
부압인 증기 공간과 농축될 액체 사이의 압력 평형은 예를 들어 공급되는 액체와 증기 공간 사이의 부압 연결 라인을 통해 이루어진다. 부압 연결 라인은 특히 라인에 통합된 U 튜브로 형성되어, 공급되는 농축될 액체의 증기 공간으로의 통로가 차단될 수 있다.
U 튜브는, 농축될 액체가 예를 들어 이송 펌프에 의해 공급되는 라인, 및 관련되는 증류 장치 내의 부압을 주위 압력으로부터 격리시키기 위해 농축된 액체가 농축액 펌프에 의해 배출되는 라인에 설치될 수 있다.
증류 장치의 부압을 주위의 부압으로부터 격리시키는 U 튜브는, 증류 장치에서 생성된 증류액이 증류 펌프에 의해 주위 압력으로 배출되도록 하는 라인에 통합될 수도 있다.
이하, 첨부도면을 참조한 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.
도 1 내지 도 3의 실시예에서는, 농축될 액체에 부압이 인가되어 농축될 액체의 절대 압력을 낮춘다. 이와 관련하여, 농축될 액체의 압력은 특히 증류 프로세스의 부압으로 저하될 수 있다. 증류 프로세스의 부압 영역에 대하여 입출하는 액체는 주위 압력으로부터 적절하게 격리된다. 농축될 액체의 절대 압력은 특히 그 온도에 대응하는 비등 증기압 이하로 저하된다.
이와 관련하여, 액체의 절대 압력을 낮추는 부압은 U 튜브를 포함하는 연결 라인을 통해 농축될 액체에 인가될 수 있다. 부압 영역에 대하여 입출하는 액체는 상기 라인에 설치된 U 튜브에 의해 주위 압력으로부터 격리될 수 있다. 농축될 액체의 절대 압력은 특히 그 온도에 대응하는 비등 증기압 이하로 저하된다.
도 4의 실시예에 따르면, 액체의 절대 압력을 낮추는 부압은 U 튜브를 포함하는 연결 라인을 통해 농축될 액체에 인가될 수 있다. 부압 영역에 대하여 입출하는 액체는 상기 라인에 설치된 U 튜브에 의해 주위 압력으로부터 격리될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 멤브레인 증류 장치(10)의 예시적인 실시예를 나타내며, 증기 공간(11)은 부압을 갖고, 농축될 액체(20)는 중공 필라멘트(12)에 의해 경계를 이루며, 증기 투과성 액밀 멤브레인(13)에 의해 벽이 형성된다. 멤브레인 증류 장치(10)를 통과하는 농축되고 예열될 액체(20)는, 멤브레인의 증기 투과성 액밀 중공 필라멘트(12)와 같이, 액밀 및 기밀의 금속 또는 플라스틱 튜브(15)에 의해 경계를 이루고 동일한 증기 공간(11)을 통과한다.
증기 공간(11)은, 증기 투과성 액밀 멤브레인(13)을 통해 인접하는 농축될 액체(20)의 비등 증기압의 영역에서 부압이다.
부압인 증기 공간(11)과 농축될 액체(20) 사이의 압력 평형은, 농축될 액체(20)와 증기 공간(11) 사이의 부압 연결 라인(16)에 의해 이루어진다. 부압 연결 라인(16)의 일부분은, 공급되고 농축될 액체(20)가 부압 연결 라인(16)을 통해 증기 공간(11)으로 유입되는 것을 방지하기 위해 U 튜브로서 형성된다.
부압은 진공 펌프(50) 및 응축기(30)에 의해 발생된다. 부압은 부압 라인(52)을 통해 증기 공간(11)에 인가된다. 농축될 액체(20)는 액체 라인(22)을 통해 이송 펌프(21)에 의해 멤브레인 증류 장치(10)에 공급된다. 멤브레인 증류 장치(10) 내의 부압을 주위 압력에 대하여 차단하기 위해, 액체 라인(22)의 일부분은 U 튜브(23)로서 형성된다. 농축된 액체(41)는 농축액 펌프(24)에 의해 농축액 라인(25)을 통해 멤브레인 증류 장치(10)로부터 배출된다. 멤브레인 증류 장치(10)의 부압을 주위 압력에 대하여 차단하기 위해, 농축액 라인(25)의 일부분은 U 튜브(29)로서 형성된다.
멤브레인 증류 장치(10)에서 발생한 증류액(40)은 증류액 펌프(26)에 의해 증류액 라인(27)을 통해 배출된다. 멤브레인 증류 장치(10)의 부압을 주위 압력에 대하여 차단하기 위해, 증류액 라인(27)의 일부분은 U 튜브(28)로서 형성된다.
응축기(30)에서 발생한 증류액은 증류액 펌프(70)에 의해 U 튜브(72)를 포함하는 증류액 라인(74)을 통해 배출된다.
대응되는 액체(20, 41, 42)의 수용부(62, 64, 66, 76)가, 액체 폐쇄부로서 라인(22, 25, 27, 74)에 설치되거나, 멤브레인 증류 장치(10)의 라인(22, 25, 26, 74)의 부압을 주위 압력으로부터 격리시키는 U 튜브(23, 28, 29, 72)에 설치된다.
농축될 액체(20)는 A로부터 A'까지의 경로 상에서 열교환기(60)에 의해 추가로 가열된다.
도 2는 본 발명에 따른 멤브레인 증류 장치(10)의 다른 예시적인 실시예를 나타내는 개략도이다.
여기서, 멤브레인 증류 장치(10)는 일체형 열 회수부(heat recovery)를 구비한 스파이럴 코일 형상을 갖는다.
증기 공간(11)은, 증기 투과성 액밀 멤브레인 벽(36)을 통해 격리되는 농축될 인접 액체(20)의 비등 증기압의 영역에서 부압이다.
여기서, 농축될 액체(20)를 위한 유동 통로(35)는, 한쪽이 증기 투과성 액밀 멤브레인 벽(36)에 의해 경계를 이루고, 반대쪽은 기밀 및 액밀 응축 벽(37)에 의해 경계를 이룬다. 스파이럴 코일 형상으로 인해, 증기 투과성 액밀 멤브레인 벽(36)은, 증기 공간(11)을 가로지르는 다음번 외측 스파이럴 회전의 기밀 및 액밀 응축 벽(37)과 대향하여 놓인다.
부압은 진공 펌프(50) 및 응축기(30)에 의해 생성된다. 부압은 부압 라인(52)을 통해 증기 공간(11)에 인가된다.
부압인 증기 공간(11)과 농축될 액체(20) 사이의 압력 평형은, 공급되는 액체(20)와 증기 공간(11) 사이의 부압 연결 라인(16)을 통해 이루어진다.
공급되는 농축될 액체(20)가 부압 연결 라인(16)을 통해 진공 공간(11)으로 유입되는 것을 방지하기 위해, 부압 연결 라인(16)의 일부분은 U 튜브(17)로 형성된다.
농축될 액체(20)는 이송 펌프(21)에 의해 액체 라인(22)을 통해 멤브레인 증류 장치(10)에 공급된다. 멤브레인 증류 장치(10) 내의 부압을 주위 압력에 대하여 격리시키기 위해, 액체 라인(22)의 일부분은 U 튜브(23)로 설계된다. 농축된 액체(41)는 농축액 펌프(24)에 의해 멤브레인 증류 장치(10)로부터 농축액 라인(25)을 통해 배출된다. 멤브레인 증류 장치(10)의 부압을 주위 압력에 대하여 차단하기 위해, 농축액 라인(25)의 일부분은 U 튜브(29)로 설계된다.
멤브레인 증류 장치(10)에서 발생한 증류액(40)은 증류액 펌프(26)에 의해 증류액 라인(27)을 통해 배출된다. 멤브레인 증류 장치(10)의 부압을 주위 압력에 대하여 차단하기 위해, 증류액 라인(27)의 일부분은 U 튜브(28)로 설계된다.
응축기(30)에서 발생한 증류액(42)은 증류액 펌프(70)에 의해 U 튜브(72)를 포함하는 증류액 라인(74)을 통해 배출된다.
대응되는 액체(20, 41, 42)의 수용부(62, 64, 66, 76)가, 액체 폐쇄부로서 라인(22, 25, 27, 74)에 설치되거나, 멤브레인 증류 장치(10)의 라인(22, 25, 26, 74)의 부압을 주위 압력으로부터 격리시키는 U 튜브(23, 28, 29, 72)에 설치된다.
도 3은 본 발명에 따른 멤브레인 증류 장치(10)의 또 다른 예시적인 실시예를 나타내는 개략도이다.
여기서, 멤브레인 증류 장치(10)는 일체형 열 회수부를 구비한 이중 스파이럴 코일 형상을 갖는다. 이와 관련하여, 2개의 인접하는 금속 또는 플라스틱의 기밀 및 액밀 응축 벽(37)이, 유입되는 농축될 액체(20)를 위한 유동 통로(38)를 형성하고, 2개의 인접하는 증기 투과성 액밀 멤브레인 벽(36)은 농축된 액체(41)를 위한 유동 통로(39)를 형성한다.
인접하는 이중 스파이럴 사이에는 증기가 충전된 증기 공간(11)이 형성되고, 이 공간 내에서, 증축 벽(37)의 응축에 의해 발생하여 외부로 유출되는 증류액(40)은 저부에 회수된다.
스파이럴 코일 형상으로 인해, 증기 투과성 액밀 멤브레인 벽(36)은, 증기 공간(11)을 가로지르는 다음번 스파이럴 회전의 기밀 및 액밀 응축 벽(37)과 대향하여 놓인다.
증기 공간(11)은, 증기 투과성 액밀 멤브레인(36)을 통해, 인접하는 농축될 액체(20)의 비등 증기압의 영역에서 부압으로 위치된다.
부압은 진공 펌프(50) 및 응축기(30)에 의해 생성된다. 부압은 부압 라인(52)을 통해 증기 공간(11)에 인가된다. 부압인 증기 공간(11)과 사용되는 액체(20) 사이의 압력 평형은, 공급되는 농축될 액체(20)와 증기 공간(11) 사이의 부압 연결 라인(16)을 통해 이루어진다.
공급되는 농축될 액체(20)가 부압 연결 라인(16)을 통해 진공 공간(11)으로 유입되는 것을 방지하기 위해, 부압 연결 라인(16)의 일부분은 U 튜브(17)로 형성된다.
농축될 액체(20)는 이송 펌프(21)에 의해 액체 라인(22)을 통해 멤브레인 증류 장치(10)에 공급된다. 멤브레인 증류 장치(10) 내의 부압을 주위 압력에 대하여 격리시키기 위해, 액체 라인(22)의 일부분은 U 튜브(23)로 설계된다. 농축된 액체(41)는 농축액 펌프(24)에 의해 멤브레인 증류 장치(10)로부터 농축액 라인(25)을 통해 배출된다. 멤브레인 증류 장치(10)의 부압을 주위 압력에 대하여 차단하기 위해, 농축액 라인(25)의 일부분은 U 튜브(29)로 설계된다.
멤브레인 증류 장치(10)에서 발생한 증류액(40)은 증류액 펌프(26)에 의해 증류액 라인(27)을 통해 배출된다. 멤브레인 증류 장치(10)의 부압을 주위 압력에 대하여 차단하기 위해, 증류액 라인(27)의 일부분은 U 튜브(28)로 설계된다.
응축기(30)에서 발생한 증류액(42)은 증류액 펌프(70)에 의해 U 튜브(72)를 포함하는 증류액 라인(74)을 통해 배출된다.
대응되는 액체(20, 41, 42)의 수용부(62, 64, 66, 76)가, 액체 폐쇄부로서 라인(22, 25, 27, 74)에 설치되거나, 멤브레인 증류 장치(10)의 라인(22, 25, 26, 74)의 부압을 주위 압력으로부터 격리시키는 U 튜브(23, 28, 29, 72)에 설치된다.
도 4는 본 발명에 따른 멤브레인 증류 장치(10)의 또 다른 예시적인 실시예를 나타내는 개략도이다.
멤브레인 증류 장치(10)는 일체형 열 회수부를 구비한 이중 스파이럴 코일 형상을 갖는다. 2개의 인접하는 금속 또는 플라스틱의 기밀 및 액밀 응축 벽(37)이, 유입되는 농축될 액체(20)를 위한 유동 통로(38)를 형성하고, 2개의 인접하는 증기 투과성 액밀 멤브레인 벽(36)은 농축된 액체(41)를 위한 유동 통로(39)를 형성한다. 인접하는 이중 스파이럴 사이에는, 증기가 충전되고 증축 벽(37)에서 발생하여 외부로 유출되는 증류액(40)을 저부에서 회수하는 증기 공간(11)이 형성된다. 증기 공간(11)이 주위 압력의 영역의 압력이면, 수압 및 정압에 의한 박막의 부하가 부압 시스템에 의해 보정되어야 한다.
이를 위해, 멤브레인 증류 장치(10)는 진공 시스템(55)을 구비하고, 진공 시스템(55)은, 진공 펌프(50), 및 진공 펌프(50)로부터 농축될 액체(20)의 액체 라인(22)까지의 라인(60)을 포함한다. 진공 펌프(50)에 연결되는 라인(61)의 일부분은 부압에 의해 액체(20)가 흡입되지 않도록 U 튜브로 형성된다.
농축될 액체(20)는 이송 펌프(21)에 의해 액체 라인(22)을 통해 멤브레인 증류 장치(10)에 공급된다. 액체(20)의 부압을 주위 압력에 대하여 격리시키기 위해, 액체 라인(22)의 일부분은 U 튜브(23)로 설계된다. 농축된 액체(41)는 농축액 펌프(24)에 의해 멤브레인 증류 장치(10)로부터 농축액 라인(25)을 통해 배출된다. 농축될 액체(20)의 부압을 주위 압력에 대하여 차단하기 위해, 농축액 라인(25)의 일부분은 U 튜브(29)로 설계된다.
대응되는 액체(20, 41, 42)의 수용부(62, 64)가, 액체 폐쇄부로서 라인(22, 25)에 설치되거나, 멤브레인 증류 장치(10)의 라인(22, 25)의 부압을 주위 압력으로부터 격리시키는 U 튜브(23, 28)에 설치된다.
증류액(40)은 주위 압력이며 멤브레인 증류 장치(10)로부터 자유롭게 유출될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 멤브레인 증류 장치(10)의 또 다른 예시적인 실시예의 개략도로서, 증기 발생기(80), 제1 스테이지(86), 제2 스테이지(90), 및 응축기(30)를 갖는다. 이들 모든 구성요소는 주위 압력보다 낮은 압력 하에 있다.
증기 발생기(80)의 증기 공간(11) 내의 절대 압력은 멤브레인 벽(36)을 통해 인접하는 액체의 비등 증기압이다. 액체 라인(94)과 주위에 대하여 격리된 컨테이너(99) 사이의 연결 라인(98)으로서 액체가 부분적으로 충전되어 있고 컨테이너(99)로부터 연결 통로(82)로 유도되는 연결 라인(98)을 포함하는 압력 평형 시스템(97)을 통해, 증기 발생기(80) 내의 액체의 절대 압력은 증기 공간(11) 내의 절대 압력이 된다.
증기는 증기 발생기(80)의 증기 공간(11)으로부터 연결 통로(82)를 지나 제1 스테이지(86)의 증기 공간(81)으로 유입되어 응축 벽(37)에서 응축된다. 응축액은 증기 발생기(80)의 액체 회로로 복귀된다.
멤브레인 벽(36) 뒤의 제1 스테이지(86)의 증기 공간(83)의 절대 압력은 응축 표면(37)과 인접하는 증기 공간(81)의 증기압보다 낮다. 액체(20)로부터 발생한 증기는 멤브레인 벽(36)을 통해 멤브레인 벽(36) 뒤의 증기 공간(83)으로 간다.
제1 스테이지(86)에서 발생한 증기는 연결 통로(84)를 지나 증축 벽(37)에 의해 경계를 이루는 제2 스테이지(90)로 유동되어 응축 벽(37)에서 응축된다. 제2 스테이지(90)에서 멤브레인 벽(36) 뒤의 후속 증기 공간(89)의 절대 압력은 응축 표면(37) 뒤의 증기 공간(37)의 증기압보다 낮다.
증기의 응축에서 발생하는 응축열은, 응축 벽(37)을 통한 열전도에 의해, 그리고 유동 통로(38)에서의 증기 발생 및 이 증기의 멤브레인 벽(36)을 통한 이송에 의해, 멤브레인 벽(36)에 의해 경계를 이루는 증기 공간(83, 89)으로 전달된다. 제2 스테이지(90)에서 발생하는 증기는 연결 통로(92)를 지나, 응축 벽(37)에 의해 경계를 이루는 응축기(30)의 증기 공간(88)으로 유입되어 응축 벽(37)에서 응축된다.
제2 스테이지 및 응축기(30)에서 응축 중에 발생하는 증류액(40)은 증류액 펌프(26)에 의해 배출된다.
장치 전체의 부압은 진공 시스템(55)에 의해 인가되며, 진공 시스템(55)은, 부압 튜브 시스템(96), 응축기(30), 및 진공 펌프(50)를 포함한다.
액체(20)로부터 발생되는 비응축성 기체는 부압 파이프 시스템(96)을 통해 멤브레인 증류 장치(10)로부터 배출된다. 동시에, 증기 발생기, 제1 스테이지, 제2 스테이지, 및 응축기(30)에는 부압이 형성된다. 부압은 리스트릭터(restrictor)(100)를 통해 증기 발생기(80), 제1 스테이지(86), 제2 스테이지(90), 및 응축기(30)에 설정된다.
부압 하에 있는 각각의 증기 공간(83, 89)과 농축될 액체(20) 사이의 압력 평형은, 공급되는 농축된 액체(20)와 연결 통로(22) 사이의 연결 라인(16)을 통해 이루어진다.
공급되는 농축될 액체(20)가 연결 라인(16)을 통해 연결 통로(92)로 유입되는 것을 방지하기 위해, 연결 라인(16)의 일부분은 U 튜브(17)로 형성된다.
펌프(14)에 의해 응축기(30)로 공급되는 액체(18)의 일부 유동은 농축될 액체(20)로서 멤브레인 증류 장치(10)에 공급된다. 나머지 유동(19)은 배출된다.
농축될 액체(20)는 이송 펌프(21)에 의해 액체 라인(22)을 통해 멤브레인 증류 장치(10)에 공급된다. 멤브레인 증류 장치(10) 내의 부압을 주위 압력으로부터 격리시키기 위해, 액체 라인(22)의 일부분은 U 튜브(23)로 설계된다. 농축된 액체(41)는 농축액 펌프(24)에 의해 농축액 라인(25)을 통해 멤브레인 증류 장치(10)로부터 배출된다. 멤브레인 증류 장치(10)를 주위 압력으로부터 차단하기 위해, 농축액 라인(25)의 일부분은 U 튜브(29)로 설계된다.
멤브레인 증류 장치(10)의 부압을 주위 압력으로부터 차단하기 위해, 증류액 라인(27)의 일부분은 U 튜브(28)로 구현된다.
* 주요 구성요소에 대한 참조부호의 설명*
10 멤브레인 증류 장치 11 증기 공간
12 멤브레인의 중공 필라멘트 13 멤브레인
14 펌프
15 금속 또는 플라스틱 튜브, 응축 튜브
16 부압 연결 라인 17 U 튜브
18 액체 19 부분 유동
20 농축될 액체 21 이송 펌프
22 액체 라인 23 U 튜브
24 농축액 펌프 25 농축액 라인
26 증류액 펌프 27 증류액 라인
28 U 튜브 29 U 튜브
30 응축기 35 유동 통로
36 멤브레인 벽 37 응축 벽
38 유동 통로 39 농축액 유동 통로
40 증류액 41 농축될 액체, 농축액
42 증류액 50 진공 펌프
52 부압 라인 55 진공 시스템
60 열교환기 61 라인
62 이송 U 튜브용 수용부 64 농축액 U 튜브용 수용부
66 증류액 튜브용 수용부 70 증류액 펌프
72 U 튜브 74 증류액 라인
76 증류액 U 튜브용 수용부 80 증기 발생기
81 증기 공간 82 연결 통로
83 증기 공간 84 연결 통로
86 제1 스테이지 87 증기 공간
88 증기 공간 89 증기 공간
90 제2 스테이지 92 연결 통로
94 액체 라인 96 부압 튜브 시스템
97 압력 평형 시스템 98 연결 라인
99 컨테이너 100 리스트릭터

Claims (25)

  1. 농축될 액체(20)가 증기 투과성 액밀 또는 수밀의 멤브레인(13) 또는 멤브레인 벽(36)에 의해 증기 공간(11, 83, 89)으로부터 격리되는, 멤브레인 증류 프로세스에 있어서,
    상기 농축될 액체(20)의 절대 압력의 설정을 위해, 상기 농축될 액체(20)의 절대 압력을 낮추는 부압(negative pressure)이 상기 농축될 액체(20)에 인가되는,
    멤브레인 증류 프로세스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 농축될 액체(20)의 압력이 상기 증류 프로세스의 부압으로 낮아지는, 멤브레인 증류 프로세스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 증류 프로세스의 부압 영역에 대하여 입출하는 상기 액체(20, 40, 41)는 주위 압력으로부터 격리되는, 멤브레인 증류 프로세스.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 농축될 액체(20)의 절대 압력은 상기 농축될 액체(20)의 온도에 대응하는 비등 증기압(boiling vapor pressure) 이하로 낮아지는, 멤브레인 증류 프로세스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 농축될 액체(20)의 부압은 진공 시스템(55)으로부터 부압 연결 라인(16)을 통해 인가되는, 멤브레인 증류 프로세스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체(20, 40, 41)는, 상기 멤브레인 증류 프로세스의 절대 압력과 상기 주위 압력 사이의 압력차가 유지되도록, 상기 멤브레인 증류 프로세스에 공급되고 배출되는, 멤브레인 증류 프로세스.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 부압 연결 라인(16)은, 상기 농축될 액체(20)가 증기 공간(11, 83, 89)으로 흘러넘치는 것이 방지되도록, 상기 농축될 액체(20)로부터 격리되는, 멤브레인 증류 프로세스.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인(13) 또는 상기 멤브레인 벽(36)을 가로질러 상기 농축될 액체(20)에 인접하는 증기 공간(11, 83, 89)은 상기 주위 압력보다 낮게 선택되는, 멤브레인 증류 프로세스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 증기 공간(11, 83, 89) 내의 부압은, 상기 멤브레인(13) 또는 상기 멤브레인 벽(36)을 통해 인접하고 상기 멤브레인(13) 또는 멤브레인 벽(36)을 통한 상기 증기의 유동에 따른 압력차에 의해 증가된, 상기 농축될 액체(20)의 증기압과 적어도 실질적으로 대응하는, 멤브레인 증류 프로세스.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 응축 및 증발이 2개 이상의 스테이지(86, 90)에서 일어나는, 멤브레인 증류 프로세스.
  11. 상기 응축 및 증발은, 각각의 상기 선행 스테이지(86)에서보다 더 낮은 압력 및 온도로 각각의 추가 스테이지(90)에서 일어나는, 멤브레인 증류 프로세스.
  12. 농축될 액체가 증기 투과성 액밀 또는 수밀의 멤브레인(13) 또는 멤브레인 벽(36)에 의해 증기 공간(11, 83, 89)으로부터 격리되며, 특히 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 프로세스를 실행하기 위한, 멤브레인 증류 장치에 있어서,
    상기 농축될 액체(20)의 절대 압력의 설정을 위해, 상기 농축될 액체(20)의 절대 압력을 낮추는 부압이 상기 농축될 액체(20)에 인가되는,
    멤브레인 증류 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 부압 영역에 대하여 입출하는 상기 액체(20, 40, 41)는 주위 압력으로부터 격리되는, 멤브레인 증류 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 농축될 액체(20)의 절대 압력은, 주위 압력 미만으로, 특히 상기 농축될 액체(20)의 온도에 대응하는 비등 증기압 이하로 낮아지는, 멤브레인 증류 프로세스.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부압은 진공 시스템(55)으로부터 부압 연결 라인(16)을 통해 상기 농축될 액체(20)에 인가되는, 멤브레인 증류 장치.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 액체(20, 40, 41)는, 실행되는 상기 멤브레인 증류의 절대 압력과 상기 주위 압력 사이의 압력차가 유지되도록 공급되고 배출되는, 멤브레인 증류 장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 부압 연결 라인(16)은, 상기 농축될 액체(20)가 증기 공간(11, 83, 89)으로 흘러넘치는 것이 방지되도록, 상기 농축될 액체(20)로부터 격리되는, 멤브레인 증류 장치.
  18. 제12항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부압 영역에 대하여 입출하는 액체(20, 40, 41)는 U 튜브(17, 28, 29)를 통해 상기 주위 압력으로부터 차단 또는 격리되는, 멤브레인 증류 장치.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부압 영역에 대하여 입출하는 라인(22, 25, 27)은, 내부에 포함된 액체(20, 40, 41)가 U 튜브(23, 28, 29)가 상기 멤브레인 증류 장치 내의 부압을 상기 주위 압력으로부터 격리시킬 수 있도록, 수용부(62, 64, 66)를 구비하는, 멤브레인 증류 장치.
  20. 제12항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부압 영역에 대하여 입출하는 액체(20, 40, 41)는 기계식 폐쇄부를 통해 상기 주위 압력으로부터 격리되는, 멤브레인 증류 장치.
  21. 제12항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    특히 주위 압력에서 작동하는 멤브레인 증류 프로세스를 위해, 농축될 액체(20) 및 농축된 액체(41)를 위한 추가의 진공 시스템(55)이 구비되고, 증류액을 실질적으로 주위 압력으로 배출하기 위한 수단이 구비된, 멤브레인 증류 장치.
  22. 제12항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 멤브레인(13) 또는 상기 멤브레인 벽(36)을 통해 상기 농축될 액체(20)에 인접하는 증기 공간(11, 83, 89) 내의 압력은 상기 주위 압력보다 낮게 선택되는, 멤브레인 증류 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 증기 공간(11, 83, 89) 내의 부압은, 상기 멤브레인(13) 또는 상기 멤브레인 벽(36)을 통해 인접하고 상기 멤브레인(13) 또는 멤브레인 벽(36)을 통한 상기 증기의 유동에 따른 압력차에 의해 증가된, 상기 농축될 액체(20)의 증기압과 적어도 실질적으로 대응하는, 멤브레인 증류 장치.
  24. 제12항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    각각의 응축 및 증발을 위해 2개 이상의 스테이지(86, 90)가 구비된, 멤브레인 증류
  25. 제24항에 있어서,
    상기 응축 및 증발은, 각각의 상기 선행 스테이지(86)에서보다 더 낮은 압력 및 온도로 각각의 추가 스테이지(90)에서 일어나는, 멤브레인 증류 장치.
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